氮素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球農(nóng)田每年施用的氮肥量高達(dá)1.2億噸，再加上有機(jī)肥和生物固氮等，農(nóng)田氮輸入總量約2億噸。然而，目前氮素利用效率還不足50%。此舉不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，威脅糧食安全，而且?guī)砹藝?yán)重的環(huán)境和健康效應(yīng)，如大氣污染、水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、生物多樣性減少、溫室效應(yīng)等。
如何提高氮素利用效率，在保障糧食產(chǎn)量的前提下控制氮素污染，一直是全球農(nóng)田管理的重要任務(wù)之一。浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院徐建明教授團(tuán)隊(duì)長聘教授谷保靜、張秀明博士等與澳大利亞墨爾本大學(xué)、江蘇農(nóng)科院、荷蘭環(huán)境評估署、北京航空航天大學(xué)、國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）、德國波茨坦氣候研究所、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)、英國生態(tài)水文中心等國內(nèi)外高校院所合作開展研究，提出建立氮素信用系統(tǒng)來解決農(nóng)民支付氮素減排成本而全社會(huì)享受減排收益的錯(cuò)配問題，從而幫助農(nóng)民有效實(shí)施氮素減排措施。
北京時(shí)間1月5日，這項(xiàng)成果在國際期刊《自然》上刊登，論文第一兼通訊作者為谷保靜，共同通訊作者為徐建明。
哪種氮素減排措施最有效
研究團(tuán)隊(duì)篩選了全球現(xiàn)有可行的減排措施庫，并量化了它們在2015年的全球農(nóng)田中實(shí)施而減少氮素污染的潛力。通過對過去20年的1521個(gè)田間觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，研究確定了一組氮素減排“藥方”，主要包括增效肥料、4R養(yǎng)分管理、灌溉優(yōu)化和豆類輪作等11項(xiàng)氮素管理措施。
根據(jù)不同減排措施在全球各地的實(shí)施障礙和費(fèi)用的差別，研究團(tuán)隊(duì)將減排措施劃分為三個(gè)層級：第一層級主要是肥料改良（增效肥料、有機(jī)肥、作物秸稈等）、豆類作物輪作和建立農(nóng)田緩沖帶；第二層級是4R養(yǎng)分管理，即正確的施肥率、施肥類型、施肥時(shí)間和方式；第三層級是作物新品種的引進(jìn)、最佳灌溉和優(yōu)化耕作方式。
“通常來講，措施的層級越高，所需要的知識和額外投入也較多，實(shí)施成本因此也高，農(nóng)民就越難采取該項(xiàng)措施?！惫缺ｌo說?？傮w而言，這些措施能有效減少總氮損失30%~70%，同時(shí)分別提高作物產(chǎn)量10%~30%和氮素利用效率10%~80%。
那么這組氮素減排“藥方”的治療效果如何？研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，以2015年為基準(zhǔn)，如果在全球農(nóng)田實(shí)施這些措施，每年可以多收獲1700萬噸作物氮，增長20%左右，同時(shí)，減少2200萬噸氮肥使用量，即減少21%左右，減少2600萬噸氮素污染，降幅達(dá)32%。這些變化可以帶來總社會(huì)收益高達(dá)4760億±1230億美元。
當(dāng)然，“藥方”是需要花錢的。這些減排措施的實(shí)施需要額外的設(shè)備、人工、材料和服務(wù)投入，估算下來，總實(shí)施成本約為340億±90億美元。不過，由于氮素管理措施可以節(jié)約農(nóng)田氮肥的施用而減少150億±40億美元的化肥成本，抵消了44%的總減排成本，所以最終的凈實(shí)施成本為190億±50億美元，約占總社會(huì)收益的4%。
為了給政策制定提供參考，研究團(tuán)隊(duì)又探討了2020至2050年不同層級措施組合下的農(nóng)田氮素投入、利用和流失情況?！皳?jù)測算，第一層級措施在全球范圍內(nèi)具有最大的應(yīng)用潛力，可以貢獻(xiàn)一半的農(nóng)田氮素減排潛力。由于節(jié)約肥料和豆類輪作可以節(jié)約施肥成本，加上作物增產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益可以抵消措施的實(shí)施成本，為農(nóng)民提供凈經(jīng)濟(jì)效益?！毙旖髡f。
建立農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)
通過成本效益分析，研究團(tuán)隊(duì)揭示了采取這些措施的潛在社會(huì)效益，但如何通過政策來支持這些措施的實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)多贏，是一個(gè)開放的研究問題。研究團(tuán)隊(duì)的對策是將減排成本社會(huì)化，并提供農(nóng)民獲得資金支持的途徑，即農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)（NCS），從氮素優(yōu)化管理中受益的全社會(huì)各方來籌集財(cái)政預(yù)算，用來激勵(lì)和補(bǔ)貼那些實(shí)行最佳管理措施以減少污染和提高產(chǎn)量的農(nóng)民，從而減少氮素污染。
谷保靜解釋說，許多國家都普遍使用農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼來維持間接有利于糧食安全和環(huán)境的農(nóng)業(yè)實(shí)踐，而農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)（NCS）可以被視為更好地將整個(gè)社會(huì)的成本和效益聯(lián)系起來的強(qiáng)化方法，如果能夠明確界定實(shí)施成本和效益，就可以在國家、省或地方范圍內(nèi)實(shí)施這種制度。
在高收入國家，由于現(xiàn)有資本資產(chǎn)和運(yùn)作良好的金融市場，更容易獲得金融資源，環(huán)境污染也可以通過對氮盈余征稅實(shí)現(xiàn)內(nèi)部化。這種方法符合污染者自付原則，可以避免反彈效應(yīng)，并為創(chuàng)新提供激勵(lì)。另一種推進(jìn)氮素管理的方法是引入多參與者政策方案，將成本和收益的相關(guān)方聚集在一起共同解決。
評審專家認(rèn)為，本研究將全球田間實(shí)驗(yàn)與多模型模擬結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了跨尺度整合分析，同時(shí)強(qiáng)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的激勵(lì)機(jī)制，具有典型的交叉學(xué)科特征和價(jià)值，對推動(dòng)全球農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
減少氮污染是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要組成部分，需要全社會(huì)的共同努力?！拔覀円呀?jīng)證明改善農(nóng)業(yè)氮素管理的氮素信用系統(tǒng)具有很大的潛力，但政策落地依然道阻且長，希望能夠通過耦合更多的環(huán)境目標(biāo)和政策工具，來實(shí)現(xiàn)農(nóng)田管理措施的落實(shí)?！惫缺ｌo說。
本項(xiàng)目受到國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和國際合作項(xiàng)目、聯(lián)合國環(huán)境署基金（國際氮素管理系統(tǒng)、INMS）等資助。(吳雅蘭 陸健)
