作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/6 19:03:18
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“牵手”氮元素,中非学者共赴可持续研究之旅

 

全球粮食生产约一半的贡献来自氮肥。然而,氮素流失却导致严重的空气和水污染,并造成生物多样性丧失和气候变化。

联合国于2015年正式通过的“联合国可持续发展目标(以下简称SDGs)”中,有一半以上目标与氮素的使用和流失直接相关,但全球氮素的分布格局并不均衡。

如何管理农业氮素,推动国家之间均衡发展,实现可持续发展?

在国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)与联合国环境规划署(UNEP)共同支持的国际合作研究项目“通过农业氮素管理实现联合国2030可持续发展目标的协同”(以下简称中非氮素合作项目)的支持下,今年,浙江大学环境与资源学院教授谷保静与非洲科学家展开合作,试图回答这一极具挑战性的问题。

小元素 搭桥梁

氮元素是地球大气中含量丰富的元素。它使天空变蓝、土壤肥沃,是形成人体蛋白质的基础。然而,环境中的氮过量则会污染土地、水和空气,加剧气候变化、消耗臭氧层。

UNEP认为,氮污染已经成为环境问题的焦点,是人类面临的最重要污染问题之一。

同时,氮污染也是影响SDGs的掣肘因素。

“从2015年提出17个SDGs至今,我们距离实现这些目标仍然遥远,特别是关于实现可持续发展目标的方法路径和指标体系仍然相对有限。”谷保静对《中国科学报》说,“优化SDGs的实现路径,氮素是一个很好的抓手。因为有一半SDGs与它相关,另外一半则与它间接相关。”

粮食安全、消除贫困与饥饿、清洁饮水、清洁能源、气候变化、经济增长……很多关系人类福祉的方面都跟氮有关。长期从事氮循环研究的谷保静希望将所从事的研究与SDGs关联起来,为实现可持续发展做一些事。

他的期望得到了自然科学基金委的支持。2022年,中非氮素合作项目应运而生,氮元素成为中非牵手科技合作的又一座桥梁。这项合作旨在利用多学科交叉研究手段,回答氮循环与SDGs相关性的多个关键问题。例如,氮循环对可持续发展目标的驱动机制是什么?氮素在全球可持续发展目标中的贡献是怎样的?如何通过氮素管理实现全球多个可持续发展目标的协同?

“这个项目对正面临饥饿、贫困、环境和气候威胁等挑战的国家具有重要意义,有助于为UNEP的氮素管理决议提供政策支持,平衡国家尺度上的氮素利用。”谷保静说,“自然科学基金委希望推动我国在国际性重大环境问题上作出更多贡献,支撑可持续发展,能够获得支持我们感到十分幸运。”

在UNEP国际生态系统管理伙伴计划(UNEP-IEMP)的引荐下,总部位于肯尼亚内罗毕的UNEP国际氮素管理系统(INMS)协调员马赫什·普拉丹和国际热带农业研究所驻喀麦隆国家农业生态研究代表卡格里·马索博士成为谷保静的合作伙伴。

让谷保静感动的是,非洲合作者尽管缺少资金,但依然主动在人力、物力方面配套相当于300万元人民币的支持,与国家自然科学基金相匹配,全力支持项目开展。

普拉丹表示:“中国能够支持这样的项目让我十分激动。中国科学家在氮素研究领域做了很多工作,在国际氮肥研究中一直发挥着特别重要的作用,希望通过我们的合作可以在氮素平衡利用方面做更多事。”

“非洲方面很愿意加入进来,这是一个特别好的共同进步的机会。”马索表示。30年前,他曾在浙江大学获得土壤化学和植物营养学学士学位,此后又在那里攻读硕士,对中国有着很深的感情。

立足中非 放眼国际

“如何优化氮素管理,实现SDGs,这是我们研究的核心。”谷保静说。

然而,氮素是全球生态生化循环领域的重要一环。如何将它与更接近人类社会诉求的SDGs相关联,将自然界的氮循环拓展到人类社会,是一个全球性难题。

同时,当前对全球氮循环不同路径的协同影响以及耦合尺度等问题仍缺乏深入研究,获取各个国家准确的氮循环数据信息存在困难,这些都给相关研究带来挑战。

合作团队跨学科、跨部门的学术背景为回答和解决这些问题提供了支持。该项目集结国内外3家科研机构的20多位科研工作者,研究内容从寒冷地区到热带地区,从水、土壤到大气,从宏观尺度到微观尺度,构建了覆盖多个学科和领域的国际合作网络。

“我们可以通过模型模拟、空间统计和经济计量分析、环境效应评估等多学科交叉研究手段,为不同地区的氮素管理和可持续发展提供新工具、新方法。”谷保静说。

他进一步介绍说,模型模拟可以阐明氮循环对SDGs的驱动机制,空间统计和经济计量分析可以量化氮素在全球SDGs中的贡献,环境效应评估可进一步剖析不同SDGs在氮素管理上的协同或权衡机理,为后续各国决策提供理论依据和技术指导。这些交叉组合及其互动是实现可持续目标的综合途径。

自2023年年初合作启动以来,团队立足中非,放眼国际,尝试对全球氮通量建模。

他们查阅了大量资料,分析了氮循环的影响路径,如化肥、电厂烧煤、汽油燃烧、养殖业废弃物、生活污水废水等各种社会经济环境驱动因素的影响,并以2020年全球氮通量为基准,对全球范围内未来数十年的氮通量进行建模,以预测2050年至2060年的氮通量变化。

“我们的目标是中国和非洲的氮通量与影响因素,其他地区是参照。”谷保静说,“全球尺度研究的一个优势是有梯度对比,比如中国的氮素使用是最大的点、非洲是最小的点,如果把这两个点连起来,再把欧美、中东、南美等地区放在这条线上,就能够对氮循环的影响路径有更清晰的认识。”

“未来,如果我们这个模型做成了,就能够知道地球上每个区域、每个年份、每种类型的氮通量是多少,从而推动不同区域氮管理政策落地执行。”他补充说。

扬帆合作之旅

哪个全球氮污染路径影响最大呢?谷保静表示,当前的研究表明,全球氮素污染80%~90%来自农业,其中种植业、养殖业各贡献约一半。此外,农业也是水体污染物的主要来源,占污染量一半以上。

尽管如此,他表示,氮肥利用养活了全球一半人口,优化管理并不等于禁用,否则将会导致粮食大幅减产。例如,斯里兰卡盲目禁止进口化肥后农业崩溃,引发粮食危机。

“通过这项研究,我们希望中非两国人民能够了解氮肥的重要性,优化化肥的利用。”谷保静说。

以中国为例,他和团队曾反复测算,通过优化施肥方式,如机械深施、施肥灌溉结合、增加有机肥利用等,全国农业化肥用量若降低1/3左右,不会给农业产量带来较大影响。

但谷保静在基层调查中发现,对于农民来说,在当前小农经营技术水平较落后的条件下,以产量为基准施肥通常是首选。“我国每年6.8亿吨的粮食产量,大部分是靠小农户生产出来的,农民非常不容易。随着农村生产力条件的下降,未来需要关注规模化生产和托管种植等新型主体经营,帮助农民实现转型。”谷保静说。

他表示,今天非洲很多地区仍然不能生产和供应化肥。化肥产业需要强大的工业合成基础,这些基础在非洲并不健全,致使非洲很多地方的肥料需要从西方进口,高昂的农业投入成本直接影响当地的粮食产量。

“非洲有着发展农业的良好天然条件,如果进一步提高农业现代化水平,可以养活更多的人,推动工业、服务业,乃至现代化高科技进一步发展。”谷保静说。

今年6月,谷保静曾前往肯尼亚参加中非生态学会议。在那里,他看到很多中国人参与修建的公路、收费站、房屋、水利设施,也看到了中国为非洲兄弟国家的发展作出的贡献。通过此次中非在氮素领域的合作,他坚信未来中非合作会取得更大成就。

“除了基础设施,农业也是非洲最需要发展的方面。”谷保静说,当前中国实现碳中和目标过程中,正在控制氮污染,这意味着氮素领域在中国正处于去产能的过程,而非洲则面临增加产能的局面。在此背景下,中国可以为非洲,乃至东南亚、南美洲等更多肥料短缺的国家和地区提供帮助,推动区域平衡发展,让多方受益。

谷保静表示,国际上化肥施用存在“倒U形”曲线的规律。中国经历过化肥使用不足、粮食产量不高,到化肥产能提高、粮食产量增加的阶段,目前正处于这条曲线向下走的路上。中国化肥施用“从爬坡到下坡”的经验对其他发展中国家极其重要。

“我们希望,通过中非合作实现共赢,为全球氮素管理输出中国技术、方案或策略,推动‘一带一路’兄弟国家实现可持续发展。”谷保静说。

今年7月,谷保静(右)与马赫什·普拉丹在北京会面时留影。受访者供图

 
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