“從1980年至2010年，中國人為源活性氮產生量增加了近三倍�！苯�，一項由中國農業大學、浙江大學和美國斯坦福大學合作研究的成果呈現了中國活性氮來源和排放的整體圖景。6月29日，該研究成果以《中國活性氮及其未來趨勢》為題發表在《美國科學院院刊》上。
這項整合分析了14個子系統數據的研究，提供了國家尺度上中國目前最完整的活性氮來源和排放數據。同時，數據也清晰地展現了中國活性氮排放的未來趨勢：
如果按照目前的情況任其發展下去，2050年中國向大氣和水體排放的人為源活性氮將比2010年增加63%——這將超過生態環境和人體健康所能承受的極限；但如果在技術和政策層面對其進行干預，那么，2050年中國人為源活性氮產生量將會降低至2010年的64%。
活性氮帶來的全球挑戰
氮是空氣中的主導元素，每當我們呼吸一口空氣，其中78%是氮氣。不過，若要為生物體所利用，氮還需轉化為活性氮�；钚缘漠a生可分為自然源和人為源，自然源主要是生物固氮和閃電，而人為源活性氮的產生則主要有四種方式。
“一是通過合成氨技術生成化肥和工業原料，二是種植豆科植物固氮，三是化石能源燃燒，四是農產品的進口。這些是人為源活性氮的主要來源。”論文通訊作者之一——中國農業大學資源與環境學院教授巨曉棠告訴《中國科學報》記者。
毋庸置疑，活性氮對地球生物有著非常重要的意義，但值得一提的是，過量的活性氮也會制造麻煩。其帶來大氣、水體、土壤的污染，引起生物多樣性減少、溫室氣體增加等環境問題，對人體健康產生危害。
“當下主要的問題在于人為源活性氮產生量的過度增加。”巨曉棠解釋，“過量或不合理使用化肥以及工業氮排放增加的活性氮是其中重要的原因。”
活性氮對環境和健康帶來的危害逐漸引起各國重視。資料顯示，2006年，歐盟第六研發框架計劃總投資2700萬歐元囊括中國在內24個國家62個科研機構共同參與，針對活性氮的各種問題，研究切實可行的解決方案。
“近兩年歐盟和美國都已發布了活性氮評估報告，作為世界上活性氮產生和排放量最大的國家，中國迫切需要整體的、系統的評估�！本迺蕴谋硎�。
大數據揭示中國活性氮變化
“之前在這方面有不少研究，但研究比較分散，從科學研究的角度來看，是在某一領域鉆研得很深�！本迺蕴恼f，“如果要從國家尺度上提出技術和政策措施，則需要對中國的活性氮進行全面系統的評估�！�
為了系統全面地呈現中國活性氮數據，研究的第一步是建立工業、農田、牲畜養殖、水產養殖、草地、森林、城市綠地、人、寵物、污水處理、垃圾處理、大氣、地表水和地下水等14個子系統的氮素流動圖。
針對這14個子系統，研究人員開始搜集基礎數據。“數據來源主要有兩方面，其一是科學研究的數據，其二是由政府或相關部門發布的統計數據。”巨曉棠介紹。
在此基礎上，研究人員建立了基于人類與自然耦合的物質流模型，通過大數據整合，分析了我國1980~2010年間活性氮來源、流動和去向的變化趨勢，評估了各個子系統向大氣和水體中遷移的活性氮數量和形態。
數據顯示，1980年，中國人為源活性氮產生量為1680萬噸，2010年，這一數字達到4820萬噸，增加了3倍左右，而其中主要的增長來自于工業子系統，即化肥和工業用氮。對農田子系統數據分析顯示，農田子系統氮素增加的主要來源則是化肥。
另一氮素顯著增加的是牲畜養殖子系統。相比于1980年，2010年牲畜養殖子系統的氮素增加量超過了2倍，而該系統的氮素以有機肥形態回到農田的比例保持在40%左右。
打斷的鏈條
除了對中國30年間活性氮變化趨勢進行評估之外，研究人員還將中國的數據與美國、歐盟的氮數據進行了比照。
對比研究發現，從單位播種面積施氮量來看，西歐自上世紀80年代以來顯著下降，美國基本平穩或略有增加，而中國迅速增加；從糧食單產來看，西歐最高，中國和美國在持續上升。但1995年后，美國持續上升而中國增長緩慢，特別是2005年以后，中國單位農田面積的糧食產量低于美國，且差距有拉大趨勢。
“這說明我國氮肥投入的效率在持續下降。”巨曉棠解釋道。
化肥被稱為糧食的“糧食”。從上世紀80年代以來，中國的氮肥使用量一直在快速上升，并直接拉動了全球氮肥的增長。
“如果氮肥投入量低于經濟最佳施氮量或最高產量施氮量，產量會比較低。但是，氮肥投入量一旦超過，則會導致產量不再增加或有所下降�！本迺蕴恼J為，目前中國增加氮肥使用的回報率已經逐漸減少，繼續增加氮肥使用量只會使得殘留或流失的量增加，造成環境的破壞。
而對各個子系統間活性氮數量變化和遷移的研究也揭示了中國氮循環利用率的低下�！拔覈帽容^高的氮肥投入，獲得了糧食、蔬菜、水果和肉蛋奶的基本自給，但氮肥的損失量非常高。”巨曉棠說。
以工業、農田、牲畜養殖等幾個子系統間的氮循環為例，從工業、農田以及進口農產品向牲畜養殖遷移的氮數量遠遠高于從后者遷移至農田系統的氮數量，這意味著牲畜養殖子系統產生的大多數的氮，沒有加以循環利用，直接在環境中排放。以牲畜糞便的循環利用率來說，2010年，這一數據中國只有43%，而歐美國家的循環利用率幾乎高了一倍。
“系統之間的氮循環鏈條是打斷的�！本迺蕴恼f，“牲畜養殖子系統的氮大多排放到了環境中，而不是回到農田里。在這種情況下，為保證糧食的生產，還需要從工業系統不斷地增加氮的投入�！�
零增長或負增長有可能嗎？
大數據呈現的中國活性氮來源、流動和去向的變化，揭示了中國農業生產所面臨的困境�！白畲蟮奶魬鹗牵袊仨毐３旨Z食增產，同時還要減少過量活性氮對環境和健康造成的危害�！本迺蕴谋硎尽�
現實的嚴峻迫切需要解決方案，今年年初，中國政府給出了應對方案并明確了時間表——農業部制訂了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，提出了“到2020年，主要農作物化肥使用量實現零增長”的目標。
巨曉棠及其合作團隊也對如何減少中國活性氮產生量進行了進一步的研究，并用數據和分析給出了答案。
他們發現，如果不作任何改變，2050年中國向大氣和水體排放的人為源活性氮將比2010年增加63%。
而如果采用合理的膳食結構（動物蛋白攝入量遵循中國營養協會推薦標準），作物生產和動物生產氮素利用率達到歐美現有水平，人畜糞尿和秸稈的循環利用率接近歐美目前水平，人均工業氮利用和化石能排放得到實質改善，中國2050年的人為源活性氮產生量將會降低到3100萬噸，相當于2010年的64%，向大氣和水體排放的活性氮將會降低到2010年的52%。
這意味著，不僅可以實現活性氮產生和氮肥的零增長，還可以逐漸實現負增長。
但實現零增長甚至負增長的前提是不走老路，否則“不僅氮投入的效益會日漸減少并消失，也會帶來難以承受的環境和健康問題”。同時，應該立即多措并舉減少活性氮的產生量。
“這代表了科學上的可能性，但仍需要社會、經濟和政策方面的共同協調�！辈稍L中，巨曉棠向記者強調，如何將科學技術真正應用到生產實際中，仍需要付出艱辛的努力。
