少用化肥，治理霧霾的 “潛力股”？
全球細(xì)顆粒物污染治理中，農(nóng)業(yè)氮減排是一種經(jīng)濟(jì)高效的手段 | 圖源：pexels.com
氨會(huì)導(dǎo)致空氣中細(xì)顆粒物的形成，但控制它的排放目前并未得到許多國(guó)家的重視。發(fā)表在最新一期《科學(xué)》上的一項(xiàng)研究指出，如果能減少粗放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中過(guò)量施用的氮肥，可以經(jīng)濟(jì)有效地減少氨的產(chǎn)生，幫助削減霧霾。不過(guò)，有學(xué)者在評(píng)論該研究時(shí)指出，模型輸入的氨排放清單可能不準(zhǔn)確，在實(shí)際應(yīng)用本研究結(jié)論時(shí)，還需要結(jié)合目標(biāo)區(qū)域的現(xiàn)狀具體分析。
撰文 | 夏志堅(jiān)
責(zé)編 | 馮灝
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自1909年德國(guó)化學(xué)家弗里茨·哈伯找到利用氮?dú)夂蜌錃夂铣砂?span style="letter-spacing: 1px;color: rgb(136, 136, 136);">（NH3）的方法、并推向工業(yè)化生產(chǎn)之后 [1]，人類的農(nóng)業(yè)模式發(fā)生了天翻地覆的變化。此后的數(shù)十年里，隨著合成氮肥的大規(guī)模生產(chǎn)和使用，全氮含量這個(gè)土壤肥力的重要指標(biāo)變得可以 “人工調(diào)節(jié)”。原本缺乏氮素的土地也能生產(chǎn)糧食，限制作物產(chǎn)出最為重要的因素便不再是問(wèn)題。人類的營(yíng)養(yǎng)水平得到前所未有的提高，人口數(shù)量也急劇膨脹。
但和許多發(fā)明一樣，合成氮肥在促進(jìn)人類文明空前繁榮的同時(shí)，也帶來(lái)了不少新問(wèn)題。氮肥的過(guò)量使用，除了造成水體富營(yíng)養(yǎng)化、地下水污染、土壤酸化、土壤次生鹽漬化外 [2]，還促成了霧霾 “元兇” 細(xì)顆粒物（直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，即PM2.5）的生成 [3]。
不同于化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定的氮?dú)猓傻蕮]發(fā)而成的氨氣因化學(xué)性質(zhì)活潑而被稱為 “活性氮（reactive nitrogen，Nr）”，此外，“活性氮” 還包括來(lái)自工業(yè)排放和化石燃料燃燒的氮氧化物（NOx），它們是細(xì)顆粒物形成的重要前體物。
每年，全球都有數(shù)百萬(wàn)人因?yàn)槲脒^(guò)量的細(xì)顆粒物過(guò)早死亡，其中發(fā)展中國(guó)家受到的影響尤甚。去年年底發(fā)表在《世衛(wèi)組織簡(jiǎn)報(bào)》（Bulletin of the World Health Organization）上的一項(xiàng)研究 [4] 指出，僅在2010年，中國(guó)就有130萬(wàn)人由于暴露于細(xì)顆粒物而過(guò)早死亡，在印度和巴基斯坦，這一數(shù)據(jù)分別為57.5萬(wàn)和10.5萬(wàn)。如何科學(xué)而經(jīng)濟(jì)地減少空氣中的細(xì)顆粒物，已經(jīng)成為一個(gè)全球范圍內(nèi)亟待解決的問(wèn)題。
11月5日，由浙江大學(xué)、北京大學(xué)、歐洲委員會(huì)（European Commission）、英國(guó)生態(tài)水文中心（UK Centre for Ecology & Hydrology）等機(jī)構(gòu)組成的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表的一篇論文 [5] 指出，全球細(xì)顆粒物污染治理中，農(nóng)業(yè)氮減排是一種經(jīng)濟(jì)高效的手段。
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堿性的氨，霧霾“元兇”之一
為了確定活性氮對(duì)細(xì)顆粒物濃度的貢獻(xiàn)，研究人員首先引入了一項(xiàng)名為 “氮貢獻(xiàn)率（N-share）” 的新指標(biāo)。該指標(biāo)與氮元素在細(xì)顆粒物中的質(zhì)量占比不同，還涉及到對(duì)細(xì)顆粒物二次形成過(guò)程的貢獻(xiàn)，通過(guò)在模型數(shù)值模擬中關(guān)閉氨和氮氧化物排放，保留其他污染物如二氧化硫和揮發(fā)性有機(jī)污染物計(jì)算得到。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從1990年-2013年，全球的氮貢獻(xiàn)率從30%增加到了39%，其中氨排放對(duì)細(xì)顆粒物濃度的貢獻(xiàn)率由1990年的25%增加到了2013年的32%，而氮氧化物的貢獻(xiàn)率則從17%增加到了28%。有意思的是，當(dāng)把氨和氮氧化物的貢獻(xiàn)率加在一起，兩者之和大于同期的氮貢獻(xiàn)率。
“這是因?yàn)榘笔菈A性氣體，可以和酸性的氮氧化物反應(yīng)生成細(xì)顆粒物，因此不能將兩者的貢獻(xiàn)簡(jiǎn)單加總，當(dāng)我們單獨(dú)計(jì)算氨和氮氧化物對(duì)細(xì)顆粒物濃度的貢獻(xiàn)時(shí)，兩者的貢獻(xiàn)實(shí)際上存在部分重合。要關(guān)注摩爾量、不是絕對(duì)質(zhì)量，因?yàn)橐粋€(gè)氮如果形成氨比形成氮氧化物輕很多。”論文第一作者、浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院研究員谷保靜告訴《知識(shí)分子》。
堿性的氨不僅可以與酸性的氮氧化物反應(yīng)，也可以與另一種重要的細(xì)顆粒物前體物二氧化硫反應(yīng)，這解釋了研究中的另一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，即氨的細(xì)顆粒物貢獻(xiàn)率比氮氧化物更大。
圖1 1990-2013年氮排放對(duì)全球PM2.5污染的貢獻(xiàn)率變化 | 圖源[5]
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治理霧霾的 “潛力股”：削減氨排放
在確定活性氮對(duì)細(xì)顆粒物濃度的貢獻(xiàn)之后，研究人員結(jié)合全球疾病負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)，評(píng)估了全球范圍內(nèi)與活性氮排放相關(guān)的福利損失。1990年到2013年，由活性氮排放產(chǎn)生的細(xì)顆粒物造成的生命損失年從1950萬(wàn)年增加到了2330萬(wàn)年，其中氨的貢獻(xiàn)從1630萬(wàn)年增加到了1930萬(wàn)年，氮氧化物的貢獻(xiàn)則從1140萬(wàn)年增加到了1620萬(wàn)年。
空氣污染造成的疾病負(fù)擔(dān)和生命損失的情況在亞洲、東歐和一些非洲國(guó)家尤為嚴(yán)重，這不僅由于這些地區(qū)空氣質(zhì)量更為糟糕，也與經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后、醫(yī)療條件更差等因素有關(guān)。
另一個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象是，隨著過(guò)去二十多年全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，活性氮生成的細(xì)顆粒物在損害人們健康的同時(shí)，其所造成的早逝的經(jīng)濟(jì)代價(jià)也在不斷增加：平均邊際成本已從1990年的3.6美元/kg Nr增加到了2013年的4.8美元/kg Nr，漲幅達(dá)31%。與之對(duì)應(yīng)，人們的支付意愿也持續(xù)提升，為減少活性氮排放造成的生命損失，年支付意愿從1990年的2610億美元增加到了2013年的4200億美元。
圖2 1990-2013年氮排放導(dǎo)致的PM2.5污染健康效應(yīng)變化 | 圖源[5]
利用GAINS模型（溫室氣體-空氣污染相互作用和協(xié)同效應(yīng)綜合評(píng)估模型），研究人員對(duì)各國(guó)削減活性氮排放的措施成本及收益進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)削減氨排放帶來(lái)的社會(huì)收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所付出的成本：全球削減氨排放的平均成本為1.5美元/kg NH3-N，而帶來(lái)的社會(huì)收益則可達(dá)6.9美元/kg NH3-N—— 收益是成本的4.6倍。不過(guò)，削減氮氧化物的情況卻剛好相反：成本和收益分別為16美元/kg NOX-N和7.3美元/kg NOX-N，成本是收益的2.2倍。
論文作者之一、北京航空航天大學(xué)副教授張少輝說(shuō)，“削減氨排放的全球邊際成本僅為氮氧化物削減成本的10%，簡(jiǎn)言之，減少氨排放更便宜、更有效”。
“全球氮氧化物的削減已經(jīng)做了很久了，像我國(guó)的氮氧化物排放在2012年就已經(jīng)達(dá)峰了，所以在削減很久之后，前面容易操作的低成本措施都已經(jīng)做得差不多了，這時(shí)候再繼續(xù)削減的話，成本就變得很高，因?yàn)榘焙偷趸锏南鳒p成本都與削減量呈指數(shù)曲線的關(guān)系，也就是越到后面成本越高。那么氨的削減還做得很少，像排放大戶中國(guó)、美國(guó)基本就沒(méi)動(dòng)過(guò)，所以削減氨和氮氧化物的成本收益出現(xiàn)了不一樣的情況?！?谷保靜解釋說(shuō)。
分地區(qū)來(lái)看，除大洋洲外，削減氨排放在其他各大洲也能帶來(lái)正收益。對(duì)于這個(gè)例外，谷保靜表示，“大洋洲的空氣質(zhì)量已經(jīng)很好，所以削減氨排放帶來(lái)的空氣質(zhì)量提升相對(duì)于付出的代價(jià)并不劃算，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是得不償失?！?/span>
減少氨的機(jī)會(huì)主要來(lái)自農(nóng)業(yè)（有研究指出，工業(yè)化地區(qū)大氣中的氨有80-90%來(lái)自農(nóng)業(yè)部門 [3]），減排措施也相對(duì)容易，成本低廉。例如，優(yōu)化氮肥施用不僅可以減少氨的排放，還可以在同等條件下減少化肥施用總量，從而節(jié)約減排成本。據(jù)研究人員估計(jì)，全球減少一半氨排放量的實(shí)施成本約為380億美元，而氨減排帶來(lái)的健康收益則高達(dá)1720億美元。不僅如此，氨減排可節(jié)約全球約20%的氮肥使用量，凈值約280億美元。
圖3 降低50%全球NH3和NOX排放的成本和收益 | 圖源[5]
(A)減排成本、PM2.5污染減輕帶來(lái)的健康收益、肥料節(jié)約 (Fert) 和地面臭氧污染減輕(O3)；(B) PM2.5污染減輕帶來(lái)的健康收益與成本比，包括有和沒(méi)有因肥料節(jié)省和O3協(xié)同減排帶來(lái)的收益。
這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分析，同時(shí)存在協(xié)同減排的效益。張少輝舉例說(shuō)，減少化肥施用還能在一定程度上避免因化肥生產(chǎn)而排放的污染，包括化石燃料燃燒形成的二氧化硫等。
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應(yīng)用結(jié)論需 “因地制宜”
對(duì)于這一研究的結(jié)論，華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院教授袁自冰認(rèn)為需要結(jié)合目標(biāo)區(qū)域的現(xiàn)狀進(jìn)行具體分析?！拔覈?guó)部分地區(qū)存在較多的非農(nóng)業(yè)源氨排放，其排放控制的成本效益與農(nóng)業(yè)源是存在顯著差異的。此外，本研究結(jié)論很大程度上受模型輸入氨排放清單不準(zhǔn)確度的影響，而降低氨排放因子和活動(dòng)水平數(shù)據(jù)的不確定度是科學(xué)界面臨的難題之一。”
事實(shí)上，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜牧業(yè)養(yǎng)殖模式粗放，我國(guó)的氨排放強(qiáng)度一直高居不下，年排放量在1000萬(wàn)噸左右，比北美和歐洲加總還高 [6]。亞洲清潔空氣中心項(xiàng)目主任萬(wàn)薇告訴《知識(shí)分子》，“盡管2017年以后排放量略有下降，但是整體來(lái)說(shuō)，過(guò)去十余年大氣氨減排力度非常不足?！?/span>
中國(guó)的 “十三五” 規(guī)劃（2016-2020年）已經(jīng)開始關(guān)注農(nóng)業(yè)氨的減排問(wèn)題，預(yù)計(jì)通過(guò)補(bǔ)貼增效肥和施肥機(jī)械等政策，可以減少1/3的農(nóng)業(yè)氨排放。研究人員認(rèn)為，將氨減排納入細(xì)顆粒物污染防治政策非常迫切，未來(lái)立法應(yīng)著重考慮。
其他國(guó)家已經(jīng)有成功先例。根據(jù)該研究，荷蘭和丹麥在實(shí)施減排氨的政策之后，2011年的氨排放量比1990年減少了35-66%。
“根據(jù)我看的資料，這兩個(gè)國(guó)家包括歐盟采取的政策一方面是通過(guò)農(nóng)業(yè)的有效施肥，控制過(guò)量施用氮肥帶來(lái)的氨排放，另一方面是對(duì)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行封閉化管理。與我們國(guó)家養(yǎng)殖廠在開放環(huán)境中處理廢棄物不同的是，歐盟國(guó)家是利用密封的罐子對(duì)廢棄物進(jìn)行處理，這樣就能避免氨揮發(fā)到大氣中?！?nbsp;谷保靜表示。
但萬(wàn)薇也提醒說(shuō)，我國(guó)仍處于多種污染復(fù)合階段，以單一控制目標(biāo)進(jìn)行減排路徑優(yōu)化，可能會(huì)存在 “顧此失彼” 的風(fēng)險(xiǎn)?！贝饲?，《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院刊》就有研究 [7] 指出，氨減排利好霧霾治理的同時(shí)可能會(huì)加劇酸雨。
袁自冰也提到了同樣的問(wèn)題。他提醒說(shuō)，具體到我國(guó)，上述結(jié)論的時(shí)空適用性都需要進(jìn)一步分析，“從空間上來(lái)說(shuō)，我國(guó)北方氨排放顯著高于南方，氨排放控制對(duì)于北方細(xì)顆粒物濃度降低的效應(yīng)更為顯著，在南方則可能會(huì)衍生酸雨等其它環(huán)境問(wèn)題。從不同季節(jié)的角度，由于硝酸銨隨溫度變化存在顯著氣粒平衡現(xiàn)象，氨排放控制對(duì)于降低冬季細(xì)顆粒物濃度更為有效，在夏季作用則明顯減弱。”
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