谷保静研究员在Nature Communications和Nature Sustainability发文揭示我国农业氨气减排的成本-收益以及“种养分离”的发生机制

发布者:鲁小城发布时间:2020-09-14浏览次数:3

2020831日,环境与资源学院谷保静研究员联合农业农村部农村经济研究中心、澳大利亚墨尔本大学等国内外科研机构的学者,在Nature CommunicationsNature Sustainability上发文,绘制出首条中国氨减排效应评估曲线,系统评估了各项氨减排措施的成本与收益,并分析了养殖业和农田之间关系的演变,发现了种植业和养殖业之间耦合关系的分离。

 

越来越多的研究证实氨气(NH3)是空气中PM2.5形成的幕后推手,对雾霾起着推波助澜的作用。PM2.5的形成有赖于SO2NOx的成核效应。而氨气是空气中唯一大量存在的碱性气体,氨气的存在能使PM2.5成核的进程加快,也就是说氨气不仅可以直接形成PM2.5,还加速了雾霾的形成。欧洲国家最早关注氨气对环境的破坏,在2000年左右就提出17%的控氨目标并推行一系列氨减排措施。而美国至今没有行动,去年发表在Science杂志的一篇评论指出,美国盐湖城严重的空气污染来自于不加节制的农业源氨气排放。2018年,“氨减排”被首次写入我国《大气污染防治行动计划》(大气十条)二期。农业是氨气排放的主要来源,能减排多少、如何减排成为目前我国面临的关键问题。


我国的控氨行动

我国“大气十条”和重点研发计划等控氨行动在重点区域将氨减排目标设定为40%,这将对我国下一步的大气污染治理做出重要贡献。本研究表明通过农业的各种优化管理措施,我国农业氨气排放在目前的管理水平下有50%左右的减排潜力,可以实现国家的氨减排目标。当前,我国大部分农田特别是小规模农田施肥方式以撒施为主。撒施的化肥很容易流失,这导致15%左右的化肥并没有被作物利用,而是直接挥发后变成了氨气。撒施同时很容易过量,当前过施量大概在10-30%左右。氨减排措施比如简单地改撒施为深施就可以显著降低氨挥发,但是需要增加投入改变农业管理方式。

 

另一方面,如何控制养殖业的氨气排放始终是个难题。目前,常见的废弃物处理方式是直接丢弃在路边风干,废弃物中的40%左右的氮素会快速变成氨气挥发,加剧大气污染。有效地通过覆盖或者密闭控制养殖业废弃物中的氨挥发,并将废弃物作为有机肥回田,一方面化肥的使用量就会相应减少,另一方面养殖业废弃物中的氨挥发也会下降。


控氨的中国曲线

控氨方面,欧盟率先在欧洲构建了一套边际减排成本曲线(MCC),系统评估各项减排措施的成本与效应。这是一条指数上升的曲线,X轴代表氨减排的量,Y轴代表减排成本,越到后面曲线越来越陡,意味着减排成本越来越高。由于每个国家的劳动力价格、原材料价格、措施的可行性以及农地规模等因素存在较大差异,不能直接套用别国的减排曲线。本研究绘制出了首条适合中国氨减排效应评估的曲线。


图片说明:中国首条农业氨气减排的边际成本曲线

 

研究发现,相比其他国家,我国可以以极低的成本获得1/3左右的氨减排。极低成本或者零成本,不意味着不需要投入,而是投入之后的收益将超过投入成本。如果要完全实现这些潜力需要投入60-110亿美元的减排成本,但是可以获得180-420亿美元的社会收益,远超投入成本。这些收益包括环境和健康收益,其中健康收益是被人们长期忽视的。另外,该项研究还评估了氨减排对于水体质量、生物多样性以及气候变化的影响。这个社会收益是针对所有人的,即便是居住在城市地区的人,也会由于农民减氨而获益,因为我们的天会更蓝,水会更清。这也就意味着我们整个社会实际上需要为农民减氨来买单,否则这些收益将不会到来。同时如果可以根据中华营养学会推荐的饮食结构来优化我们的饮食,将额外带来12%的非技术层面的氨气减排潜力。

 

上述研究论文发表在Nature Communications上,论文的第一作者张秀明博士生,硕士曾就读于浙江大学谷保静研究员课题组,目前为澳大利亚墨尔本大学Deli Chen教授的博士生,谷保静研究员为合作导师。谷保静研究员和Deli Chen教授为本文的共同通讯作者。此外还有墨尔本大学和荷兰环境署的相关研究人员参与了该研究。

 

养殖业的污染问题

伴随着人口持续增长以及人均食物需求量的增加,中国面临粮食安全威胁。为了生产更多的粮食和饲料,中国消耗了全球近1/3的肥料和农药等资源,带来严重的农业面源污染问题,种植业和养殖业的污染已经成为大气和水体污染的重要来源,生产更多的粮食同时控制农业面源污染是目前的重大挑战。

 

养殖业(用猪来代指)在农业面源污染和氨气排放中占有重要角色,因此如何控制养殖业的污染变得十分关键。由于南方水网地区容易出现水体污染问题,我国几年前实行了“南猪北养”政策,将养殖场从南方水网地区搬迁到北方,并划定了大面积的禁养区,这或许会带来污染转移问题,特别是有可能加剧北方地区冬天养殖业的氨气排放,从而加重PM2.5污染,不能从根本上解决养殖业带来的环境及健康问题。

 

本研究指出,根据我国的农村固定观察点1986-2017年来的数据,发现我国农村种植业和养殖业结合的家庭比例从71%大幅下降至12%,仅耕种家庭从26%增加到57%,饲养耕畜的家庭仅占到5%。这表明,猪与农田的距离越来越远了。研究发现相比仅种田的农户,种养结合的农户施用更少的化肥、更多的有机肥。有机肥和化肥的配合施用有利于维持土壤肥力,提高粮食产量,同时极大地降低化肥和养殖废弃物的双重流失,提高农业资源的利用效率。这意味着种养分离将带来化肥和有机肥流失的双重污染。



图片说明:从“种养结合”到“种养分离”

 

如果猪会“飞”

研究者认为,从环境的可持续发展考虑,急需恢复种养结合,让猪“飞”回土地。种养结合,既种地又养猪,动物的粪便可以直接还田,对于土壤肥力和农作物产量至关重要。但是这并不意味着我们要恢复之前的小规模农户层面的种养结合。近年来我国大规模养殖场迅速发展,规模化养殖已经贡献了我国一半左右的肉蛋奶产品,而且这个比例在未来还会继续增加。因此,在这种大趋势下,在区域层面上实现种养结合将变得极其重要。

 

未来任何一个养殖场不管大小,必须有配套的农田面积来吸纳其废弃物的产生,同时还有可能通过有机肥和灌溉的结合实现水肥一体化的管理。那么未来有机肥生产将不再排放氨气,而是储存在罐子里,需要施肥的时候通过手机APP可以直接控制喷灌来实现液体有机肥回田。国家实际上这两年已经开始关停了许多没有配套农田污染严重的养殖场,在逐步走向种养结合,只是仍有很长一段路要走。

 

飞猪的成本和制度安排

这种区域层面的种养结合要么养殖户直接拥有周围土地的经营权,要么和经营周围土地的农户签订供需合同来实现有机肥的合理化利用。这种安排可以极大地降低有机肥的收集和运输问题,让有机肥和化肥相比具有一定的竞争优势,这样才能促进农民施用更多的有机肥而不是化肥。相比化肥,有机肥更沉,养分含量低,不宜长距离运输,而且还潜在存在重金属、抗生素、病原菌超标等问题,这是之前有机肥被随意丢弃的重要原因。牲畜粪便在路边风干生产有机肥的过程实际上就是减重的过程,为了降低运输成本。只是这种减重的过程除了减少水分含量,也减少了养分含量,造成氨气大量挥发,养分损失超过40%,造成水体和大气的严重污染。

 

农田是有机肥的最佳去处。因此,我们未来养殖业的发展需要遵循“以地定养”的基本准则。有多少地就养多少猪,同时通过技术手段和环境规制确保养殖业的废弃物被就近利用。理论上讲这是一种最高效的管理方式。

 

上述论文发表在Nature Sustainability,论文的第一作者为农研中心的金书秦研究员和张斌副研究员,谷保静研究员和农研中心的陈洁副主任为共同通讯作者。此外还有英国生态水文中心、荷兰瓦赫宁根大学等单位的研究人员参与了该研究。

 

这些研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金(41822701)和科技部重点研发计划等项目的支持(2018YFC0213300)

 

谷保静研究员是浙江大学环境与资源学院徐建明教授团队宏观方向核心成员,主要从事资源与环境管理领域的交叉研究,在大尺度氮循环模型构建、资源环境效应评估、成本收益分析及其政策调控等方面取得了一系列研究成果。在国内外期刊上发表论文70余篇,其中SCI/SSCI收录60余篇,包括Nature, PNAS, Nature Sustainability, Nature Communications等重要期刊。担任国际氮素促进会(INI)亚洲区工作委员会成员,国际氮素管理系统(INMS)课题组长,中国土壤学会氮素工作组委员,Environmental Science and Pollution Research编辑,The Innovation编辑。

 

相关论文信息:

1.    Zhang Xiuming, Gu Baojing*, van Grinsven Hans, Lam Shu Kee, Liang Xia, Bai Mei, Chen Deli*. Societal benefits of halving agricultural ammonia emissions in China far exceed the abatement costs. Nature Communications, 2020, 11:4357.

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18196-z

2.    Jin Shuqin, Zhang Bin, Wu Bi, Han Dongmei, Hu Yu, Ren Chenchen, Zhang Chuanzhen, Wei Xun, Wu Yan, Mol Arthur P. J., Reis Stefan, Gu Baojing*, Chen Jie*. Decoupling livestock and crop production at the household level in China. Nature Sustainability, 2020, doi:10.1038/s41893-020-00596-0.

https://www.nature.com/articles/s41893-020-00596-0




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