全球农田氮素每年输入总量高达2亿吨，利用效率却不足50%，一半以上施用的氮素流失至环境中，带来如水体富营养化、土壤酸化、大气污染、生物多样性减少，温室效应等严重的环境和健康效应。减少农田氮素污染已引起全球关注，是否有农田管理技术措施可以控制氮素污染，这些技术措施的减排潜力和实施成本是多少？减排后的收益是多少？农民是否有激励机制来实施这些减排措施？浙江大学环境与资源学院谷保静研究团队与国内外合作科学家系统量化了全球农田氮素减排的可行路径，建立了与之对应的氮素信用系统，推动农田氮素污染减排措施的落地实施。
研究成果发表在《Nature》期刊，标题为“Cost-effective mitigation of nitrogen pollution from global croplands”,是浙江大学今年的首篇Nature论文。研究项目受到国家自然科学基金创新研究群体和国际合作重点项目、联合国环境署基金(国际氮素管理系统、INMS)等资助。
分析制定氮素减排措施
研究团队采用IMAGE、MAgPIE、CHANS、GAINS等模型，系统分析过去20年的1500多个田间观测数据，确定了包括增效肥料(EEFs)、4R养分管理、优化灌溉和豆类轮作等11项氮素管理措施(图1)，这些措施能有效减少总氮损失30-70%，同时作物产量提高10-30%和氮素利用效率提高10-80%。减排措施分为三个层级：第一层级包括增氮方式 (增效肥料、有机肥和秸秆等有机改良剂)、作物豆类轮作和农田缓冲区; 第二层级是4R营养管理，即正确的施肥率、施肥类型、施肥时间和地点; 第三层级是新品种的引进、优化灌溉和耕作方式。不同层级减排措施在全球各地的实施障碍和费用差别很大，措施的层级越高，所需要的知识和额外的投入也较多，实施成本因此也高，农民就越难采取该项措施。
图1 -全球农田氮素管理实验的空间分布以及管理措施对农田氮素利用和损失的影响。
氮素管理带来的社会效益远远大于其实施成本
研究团队以2015年为基准，如果在全球农田实施最佳减排措施包，每年可以多收获1700万吨作物氮(+20%)，减少2200万吨氮肥使用量(-21%)，减少2600万吨氮素污染(-32%)，带来总社会收益高达4760亿美元 (图2)。同时，由于一些地区氮素排放的减少可能通过减少自然生态系统的固碳而加剧全球变暖，反映了氮素排放对气候的权衡效应(图2g)。
图2 –2015年实施11项措施的成本和效益。(a) 2015年分区域的实施成本和社会收益；(b) 总减排成本；(c) 总收益；(d) 生态系统收益；(e) 健康收益；(f) 产量收益；(g) 气候效应。
农业氮素信用系统(NCS)作为最有力的政策支持
如何通过政策来支持建氮措施的实施？研究团队建议构建农业氮素信用系统(NCS)，将减排成本社会化，并提供农民获得资金支持的途径。NCS主张从氮素优化管理中受益的全社会筹集财政预算，用来激励和补贴那些实行最佳管理措施以减少污染和提高产量的农民，从而减少氮素污染。NCS事实上，许多国家普遍使用农业补贴来维持间接有利于粮食安全和环境的农业实践，而NCS可以被视为更好地将整个社会的成本和效益联系起来的强化方法。
十年磨一剑，致力氮素环境效应与调控研究
环境与资源学院一直以来瞄准净土保卫战、健康中国等国家重大战略需求，拥有一支土壤污染防治的国家战略力量，坚持守土有责，驰而不息开展土壤污染过程与调控理论、土水协同防控与绿色修复、土壤系统模拟与生态健康等科学研究。谷保静教授作为其中一员，多年来一直坚守在科研教学第一线，兢兢业业刻苦钻研，带领研究团队以“区域氮素环境效应与调控”为核心方向，从理论模型开发、污染机制解析、调控路径探索等三个方面入手，从微观到宏观跨尺度开展了系统研究，建立了人类-自然耦合系统氮循环模型(CHANS), 可以简单准确地估算国家尺度上的氮平衡，被联合国环境署在全球推广应用；首次引入了N-share指标，开发了区域氮素环境效应成本收益分析方法体系，阐明了高成本收益率的氨气减排驱动的全球PM2.5治理新机制，研究成果2021年发表于《Science》，入选中国生态环境十大科技进展，入围全球“前沿地球奖”；谷老师带领研究团队成员深入农村调查，发现农地规模过小是导致我国氮肥过量施用的深层次社会原因，阐明了农地规模化导致农田氮素与机械知识投入的替代机制，首次揭示并量化了农地规模对化肥过量施用的效应，剖析了种植业和养殖业的时空耦合机制及其环境效应，相关成果批示已大范围推广应用，对控制我国农业氮素污染提供了重要的理论依据和实践价值，为联合国2030可持续发展目标(SDG)的实现提供了重要的科学支撑。
踔厉奋发，继续探索土壤氮循环与全球变化
谷保静教授将带领研究团队继续奋进，推动土壤氮循环与全球变化的研究继续向前，结合氮循环的微观机理(土壤氮过程)和宏观管理(气候、贸易、和土地利用)，建立整合全球变化模块的CHANS动态氮循环模型，将气候驱动的土壤氮循环参数变化和全球贸易及土地利用变化对农业氮流的影响，嵌入到之前建立的静态CHANS氮循环模型中去，探讨全球变化对我国农业氮循环的影响机理，以及实现农业氮素可持续管理的自然-社会经济条件及其路径，为全球变化背景下保障土壤安全与健康提供科学理论支撑与政策建议。
