氮素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素。據統(tǒng)計，全球農田每年施用的氮肥量高達1.2億噸，再加上有機肥和生物固氮等，農田氮輸入總量約2億噸。然而，目前氮素利用效率還不足50%。此舉不僅導致經濟損失，威脅糧食安全，而且?guī)砹藝乐氐沫h(huán)境和健康效應，如大氣污染、水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、生物多樣性減少、溫室效應等。
如何提高氮素利用效率，在保障糧食產量的前提下控制氮素污染，一直是全球農田管理的重要任務之一。浙江大學環(huán)境與資源學院徐建明教授團隊長聘教授谷保靜、張秀明博士等與澳大利亞墨爾本大學、江蘇農科院、荷蘭環(huán)境評估署、北京航空航天大學、國際應用系統(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、英國生態(tài)水文中心等國內外高校院所合作開展研究，提出建立氮素信用系統(tǒng)來解決農民支付氮素減排成本而全社會享受減排收益的錯配問題，從而幫助農民有效實施氮素減排措施。
北京時間1月5日，這項成果在國際期刊《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
研究團隊篩選了全球現有可行的減排措施庫，并量化了它們在2015年的全球農田中實施而減少氮素污染的潛力。通過對過去20年的1521個田間觀測數據進行綜合分析，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項氮素管理措施。
根據不同減排措施在全球各地的實施障礙和費用的差別，研究團隊將減排措施劃分為三個層級：第一層級主要是肥料改良（增效肥料、有機肥、作物秸稈等）、豆類作物輪作和建立農田緩沖帶；第二層級是4R養(yǎng)分管理，即正確的施肥率、施肥類型、施肥時間和方式；第三層級是作物新品種的引進、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，實施成本因此也高，農民就越難采取該項措施。”谷保靜說。總體而言，這些措施能有效減少總氮損失30%~70%，同時分別提高作物產量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？研究團隊發(fā)現，以2015年為基準，如果在全球農田實施這些措施，每年可以多收獲1700萬噸作物氮，增長20%左右，同時，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32%。這些變化可以帶來總社會收益高達4760億±1230億美元。
當然，“藥方”是需要花錢的。這些減排措施的實施需要額外的設備、人工、材料和服務投入，估算下來，總實施成本約為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，所以最終的凈實施成本為190億±50億美元，約占總社會收益的4%。
為了給政策制定提供參考，研究團隊又探討了2020至2050年不同層級措施組合下的農田氮素投入、利用和流失情況。“據測算，第一層級措施在全球范圍內具有最大的應用潛力，可以貢獻一半的農田氮素減排潛力。由于節(jié)約肥料和豆類輪作可以節(jié)約施肥成本，加上作物增產帶來的經濟效益可以抵消措施的實施成本，為農民提供凈經濟效益?！毙旖髡f。
建立農業(yè)氮素信用系統(tǒng)
通過成本效益分析，研究團隊揭示了采取這些措施的潛在社會效益，但如何通過政策來支持這些措施的實施，以實現多贏，是一個開放的研究問題。研究團隊的對策是將減排成本社會化，并提供農民獲得資金支持的途徑，即農業(yè)氮素信用系統(tǒng)（NCS），從氮素優(yōu)化管理中受益的全社會各方來籌集財政預算，用來激勵和補貼那些實行最佳管理措施以減少污染和提高產量的農民，從而減少氮素污染。
谷保靜解釋說，許多國家都普遍使用農業(yè)補貼來維持間接有利于糧食安全和環(huán)境的農業(yè)實踐，而農業(yè)氮素信用系統(tǒng)（NCS）可以被視為更好地將整個社會的成本和效益聯(lián)系起來的強化方法，如果能夠明確界定實施成本和效益，就可以在國家、省或地方范圍內實施這種制度。
在高收入國家，由于現有資本資產和運作良好的金融市場，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現內部化。這種方法符合污染者自付原則，可以避免反彈效應，并為創(chuàng)新提供激勵。另一種推進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方聚集在一起共同解決。
評審專家認為，本研究將全球田間實驗與多模型模擬結合起來，實現了跨尺度整合分析，同時強調社會經濟方面的激勵機制，具有典型的交叉學科特征和價值，對推動全球農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
減少氮污染是農業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)轉型的一個重要組成部分，需要全社會的共同努力?！拔覀円呀涀C明改善農業(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)境目標和政策工具，來實現農田管理措施的落實?！惫缺ｌo說。
本項目受到國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體和國際合作項目、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)
