氮素对农业生产至关重要。为了生产出足够的粮食喂养日益增长的人口，每年会向农作物施用超过1亿吨氮肥。然而，当氮输入量远超过植物吸收时，会不可避免地造成水体污染，从而引发藻类爆发和生物多样性丧失等生态环境问题。为了改善人类和生态系统的健康，部分国家和地区提出或已经实施了控制氮污染的措施。粮食安全需要确保氮素供给，而环境目标需要减少氮的施用和流失，两者之间如何权衡仍然是全球农业和生态环境方面亟待解决的一个问题。
近日，我院常锦峰研究员基于全球土地利用综合评估模型GLOBIOM（Global Biosphere Management Model）构建了一个全球农业氮循环框架，探索了区域粮食安全与环境目标在全球市场下的权衡，确定了不同区域的氮边界，阐明了氮相关减排策略在协调区域粮食安全和氮污染相关环境目标中的作用。
图1. 全球农业氮循环框架及2010年全球农业氮循环 (单位：Tg N yr-1)。
研究团队综合考虑了包括区域社会经济发展和农牧产品贸易在内的一系列影响粮食系统的因子，确定了全球37个地区的氮边界，并发现其中有14个区域的氮盈余(系统氮输入量-农产品氮输出量)已经超过了其环境边界，主要包括中国、印度、中东、北非、南欧等干旱、施肥量过高和氮素利用率低的国家和地区。
图2. 2010年全球各区域氮风险指数。
研究发现大规模实施一系列的氮减排政策可以在生产足够的粮食（使得2050年全球饥饿人口比2010年减少5.9亿）的同时将氮排放控制在区域环境边界内。此外，氮减排相关政策的实施还可以带来减少农业温室气体排放、减少氮肥施用及化肥行业相关能源消耗等环境和经济协同效益。
图3.粮食安全、氮循环以及农业非二氧化碳排放等指数预测。
研究人员进一步发现，相较改变饮食结构和减少浪费等需求端措施，氮利用效率的提高在协调粮食安全和氮污染环境目标上能够发挥更重要的作用。然而，考虑制度、政策和实施上的巨大挑战，未来迫切需要同时在供给侧和需求侧两端采取多种氮减排政策来应对氮污染和粮食安全问题。
另外，如果在东亚、中东、北非或南亚等中等收入地区通过减少国内供应而不是提高氮利用效率来降低氮污染排放，可能会产生负面的溢出效应，对撒哈拉以南非洲和东南亚等最不发达地区的粮食安全构成严重威胁。因此，将国内氮减排政策实施与农产品国际贸易调整相结合，可以部分缓解粮食安全和区域氮环境目标之间的矛盾。
图4.不同氮减排政策和气候变化情景下各地区2050年饥饿人口预测。
研究成果以“Reconciling regional nitrogen boundaries with global food security”为题，于2021年9月13日在线发表于Nature Food(《自然•食品》)。浙江大学环境与资源学院常锦峰研究员为第一和通讯作者，合作者来自奥地利国际应用系统分析研究所(International Institute for Applied Systems Analysis)、荷兰瓦赫宁根大学(Wageningen University)和日本立命馆大学(Ritsumeikan University)。
相关论文信息：Chang, J.*, Havlík, P., Leclère, D., de Vries, W., Valin, H., Deppermann, A., Hasegawa, T., Obersteiner, M. (2021). Reconciling regional nitrogen boundaries with global food security. Nature FoodDOI: 10.1038/s43016-021-00366-x
全文链接：https://doi.org/10.1038/s43016-021-00366-x