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少用化肥,治理雾霾的 “潜力股”?

 

全球细颗粒物污染治理中,农业氮减排是一种经济高效的手段 | 图源:pexels.com

 

  导  读

氨会导致空气中细颗粒物的形成,但控制它的排放目前并未得到许多国家的重视。发表在最新一期《科学》上的一项研究指出,如果能减少粗放农业生产活动中过量施用的氮肥,可以经济有效地减少氨的产生,帮助削减雾霾。不过,有学者在评论该研究时指出,模型输入的氨排放清单可能不准确,在实际应用本研究结论时,还需要结合目标区域的现状具体分析。

撰文 | 夏志坚

责编 | 冯灏

自1909年德国化学家弗里茨·哈伯找到利用氮气和氢气合成氨(NH3的方法、并推向工业化生产之后 [1],人类的农业模式发生了天翻地覆的变化。此后的数十年里,随着合成氮肥的大规模生产和使用,全氮含量这个土壤肥力的重要指标变得可以 “人工调节”。原本缺乏氮素的土地也能生产粮食,限制作物产出最为重要的因素便不再是问题。人类的营养水平得到前所未有的提高,人口数量也急剧膨胀。

但和许多发明一样,合成氮肥在促进人类文明空前繁荣的同时,也带来了不少新问题。氮肥的过量使用,除了造成水体富营养化、地下水污染、土壤酸化、土壤次生盐渍化外 [2],还促成了雾霾 “元凶” 细颗粒物(直径小于或等于2.5微米的颗粒物,即PM2.5)的生成 [3]

不同于化学性质极其稳定的氮气,由氮肥挥发而成的氨气因化学性质活泼而被称为 “活性氮(reactive nitrogen,Nr)”,此外,“活性氮” 还包括来自工业排放和化石燃料燃烧的氮氧化物(NOx),它们是细颗粒物形成的重要前体物。

每年,全球都有数百万人因为吸入过量的细颗粒物过早死亡,其中发展中国家受到的影响尤甚。去年年底发表在《世卫组织简报》Bulletin of the World Health Organization上的一项研究 [4] 指出,仅在2010年,中国就有130万人由于暴露于细颗粒物而过早死亡,在印度和巴基斯坦,这一数据分别为57.5万和10.5万。如何科学而经济地减少空气中的细颗粒物,已经成为一个全球范围内亟待解决的问题。

 11月5日,由浙江大学、北京大学、欧洲委员会(European Commission)、英国生态水文中心(UK Centre for Ecology & Hydrology)等机构组成的研究团队在《科学》Science上发表的一篇论文 [5] 指出,全球细颗粒物污染治理中,农业氮减排是一种经济高效的手段。

 

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碱性的氨,雾霾“元凶”之一

为了确定活性氮对细颗粒物浓度的贡献,研究人员首先引入了一项名为 “氮贡献率(N-share)” 的新指标。该指标与氮元素在细颗粒物中的质量占比不同,还涉及到对细颗粒物二次形成过程的贡献,通过在模型数值模拟中关闭氨和氮氧化物排放,保留其他污染物如二氧化硫和挥发性有机污染物计算得到。

结果发现,从1990年-2013年,全球的氮贡献率从30%增加到了39%,其中氨排放对细颗粒物浓度的贡献率由1990年的25%增加到了2013年的32%,而氮氧化物的贡献率则从17%增加到了28%。有意思的是,当把氨和氮氧化物的贡献率加在一起,两者之和大于同期的氮贡献率 

“这是因为氨是碱性气体,可以和酸性的氮氧化物反应生成细颗粒物,因此不能将两者的贡献简单加总,当我们单独计算氨和氮氧化物对细颗粒物浓度的贡献时,两者的贡献实际上存在部分重合。要关注摩尔量、不是绝对质量,因为一个氮如果形成氨比形成氮氧化物轻很多。”论文第一作者、浙江大学环境与资源学院研究员谷保静告诉《知识分子》。

碱性的氨不仅可以与酸性的氮氧化物反应,也可以与另一种重要的细颗粒物前体物二氧化硫反应,这解释了研究中的另一项重要发现,即氨的细颗粒物贡献率比氮氧化物更大。

图1 1990-2013年氮排放对全球PM2.5污染的贡献率变化 | 图源[5]

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治理雾霾的 “潜力股”:削减氨排放

在确定活性氮对细颗粒物浓度的贡献之后,研究人员结合全球疾病负担数据,评估了全球范围内与活性氮排放相关的福利损失。1990年到2013年,由活性氮排放产生的细颗粒物造成的生命损失年从1950万年增加到了2330万年,其中氨的贡献从1630万年增加到了1930万年,氮氧化物的贡献则从1140万年增加到了1620万年。

空气污染造成的疾病负担和生命损失的情况在亚洲、东欧和一些非洲国家尤为严重,这不仅由于这些地区空气质量更为糟糕,也与经济相对落后、医疗条件更差等因素有关。

 另一个值得关注的现象是,随着过去二十多年全球经济的持续增长,活性氮生成的细颗粒物在损害人们健康的同时,其所造成的早逝的经济代价也在不断增加:平均边际成本已从1990年的3.6美元/kg Nr增加到了2013年的4.8美元/kg Nr,涨幅达31%。与之对应,人们的支付意愿也持续提升,为减少活性氮排放造成的生命损失,年支付意愿从1990年的2610亿美元增加到了2013年的4200亿美元。

图2 1990-2013年氮排放导致的PM2.5污染健康效应变化 | 图源[5]

利用GAINS模型(温室气体-空气污染相互作用和协同效应综合评估模型),研究人员对各国削减活性氮排放的措施成本及收益进行了分析,结果发现通过削减氨排放带来的社会收益远远大于所付出的成本:全球削减氨排放的平均成本为1.5美元/kg NH3-N,而带来的社会收益则可达6.9美元/kg NH3-N—— 收益是成本的4.6倍。不过,削减氮氧化物的情况却刚好相反:成本和收益分别为16美元/kg NOX-N和7.3美元/kg NOX-N,成本是收益的2.2倍。

论文作者之一、北京航空航天大学副教授张少辉说,“削减氨排放的全球边际成本仅为氮氧化物削减成本的10%,简言之,减少氨排放更便宜、更有效”。

 “全球氮氧化物的削减已经做了很久了,像我国的氮氧化物排放在2012年就已经达峰了,所以在削减很久之后,前面容易操作的低成本措施都已经做得差不多了,这时候再继续削减的话,成本就变得很高,因为氨和氮氧化物的削减成本都与削减量呈指数曲线的关系,也就是越到后面成本越高。那么氨的削减还做得很少,像排放大户中国、美国基本就没动过,所以削减氨和氮氧化物的成本收益出现了不一样的情况。” 谷保静解释说。

分地区来看,除大洋洲外,削减氨排放在其他各大洲也能带来正收益。对于这个例外,谷保静表示,“大洋洲的空气质量已经很好,所以削减氨排放带来的空气质量提升相对于付出的代价并不划算,简单来说就是得不偿失。”

 减少氨的机会主要来自农业(有研究指出,工业化地区大气中的氨有80-90%来自农业部门 [3],减排措施也相对容易,成本低廉。例如,优化氮肥施用不仅可以减少氨的排放,还可以在同等条件下减少化肥施用总量,从而节约减排成本。据研究人员估计,全球减少一半氨排放量的实施成本约为380亿美元,而氨减排带来的健康收益则高达1720亿美元。不仅如此,氨减排可节约全球约20%的氮肥使用量,净值约280亿美元。

图3 降低50%全球NH3和NOX排放的成本和收益 | 图源[5]

(A)减排成本、PM2.5污染减轻带来的健康收益、肥料节约 (Fert) 和地面臭氧污染减轻(O3);(B) PM2.5污染减轻带来的健康收益与成本比,包括有和没有因肥料节省和O3协同减排带来的收益。

这是一个复杂的系统分析,同时存在协同减排的效益。张少辉举例说,减少化肥施用还能在一定程度上避免因化肥生产而排放的污染,包括化石燃料燃烧形成的二氧化硫等。

 

3

应用结论需 “因地制宜”

对于这一研究的结论,华南理工大学环境与能源学院教授袁自冰认为需要结合目标区域的现状进行具体分析。“我国部分地区存在较多的非农业源氨排放,其排放控制的成本效益与农业源是存在显著差异的。此外,本研究结论很大程度上受模型输入氨排放清单不准确度的影响,而降低氨排放因子和活动水平数据的不确定度是科学界面临的难题之一。

事实上,由于农业生产和畜牧业养殖模式粗放,我国的氨排放强度一直高居不下,年排放量在1000万吨左右,比北美和欧洲加总还高 [6]。亚洲清洁空气中心项目主任万薇告诉《知识分子》,“尽管2017年以后排放量略有下降,但是整体来说,过去十余年大气氨减排力度非常不足。”

中国的 “十三五” 规划(2016-2020年)已经开始关注农业氨的减排问题,预计通过补贴增效肥和施肥机械等政策,可以减少1/3的农业氨排放。研究人员认为,将氨减排纳入细颗粒物污染防治政策非常迫切,未来立法应着重考虑。

 其他国家已经有成功先例。根据该研究,荷兰和丹麦在实施减排氨的政策之后,2011年的氨排放量比1990年减少了35-66%。

“根据我看的资料,这两个国家包括欧盟采取的政策一方面是通过农业的有效施肥,控制过量施用氮肥带来的氨排放,另一方面是对养殖业进行封闭化管理。与我们国家养殖厂在开放环境中处理废弃物不同的是,欧盟国家是利用密封的罐子对废弃物进行处理,这样就能避免氨挥发到大气中。” 谷保静表示。

但万薇也提醒说,我国仍处于多种污染复合阶段,以单一控制目标进行减排路径优化,可能会存在 “顾此失彼” 的风险。”此前,《美国国家科学院刊》就有研究 [7] 指出,氨减排利好雾霾治理的同时可能会加剧酸雨。

袁自冰也提到了同样的问题。他提醒说,具体到我国,上述结论的时空适用性都需要进一步分析,“从空间上来说,我国北方氨排放显著高于南方,氨排放控制对于北方细颗粒物浓度降低的效应更为显著,在南方则可能会衍生酸雨等其它环境问题。从不同季节的角度,由于硝酸铵随温度变化存在显著气粒平衡现象,氨排放控制对于降低冬季细颗粒物浓度更为有效,在夏季作用则明显减弱。” 

 

参考文献:

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/ZfRpG4ZsAk11yoxuVIIzSw

[2]李松兴,陈聪聪.氮肥对环境的影响及防治[J].科技资讯,2013(16):130.

[3]Pozzer A, Tsimpidi A P, Karydis V A, et al. Impact of agricultural emission reductions on fine-particulate matter and public health[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2017, 17(20): 12813-12826.

[4]Nazarenko Y, Pal D, Ariya P A. Air quality standards for the concentration of particulate matter 2.5, global descriptive analysis[J]. Bulletin of the World Health Organization, 2021, 99(2): 125.

[5]Baojing Gu, Lin Zhang, Rita Van Dingenen, et al. Abating ammonia is more cost-effective than nitrogen oxides for mitigating PM2.5 air pollution.

[6] https://www.bilibili.com/video/BV1dh41117ij/

[7] Liu, Mingxu, Xin Huang, Yu Song, Jie Tang, Junji Cao, Xiaoye Zhang, Qiang Zhang et al. "Ammonia emission control in China would mitigate haze pollution and nitrogen deposition, but worsen acid rain." Proceedings of the National Academy of Sciences 116, no. 16 (2019): 7760-7765.

制版编辑 | 卢卡斯

 



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