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氮污染危机来临,我们应付得了吗?

发表于 26/02/2018 走出中国| 转发给朋友 | 浏览次数:1447

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图片来源:fotokostic/ Thinkstock

本文首发于 Yale E360 网站

目前,全球氮肥的使用效率越来越低,流入河流海洋的比例也比以往更高。 科学家认为,一场环境灾难正在逼近,国际社会迫切需要制定预防策略。

二战之后的物理学家们曾担心核灾难将敲响人类末日的警钟。到了二十世纪八十年代,在关注生态崩溃的生物学家眼中,“生物多样性”的损失成了衡量危机的标志。此后不久,气候学家重新提出了对全球变暖的担忧,并警告称一个世纪内全球温度将上升到有史以来的最高值。

现在,氮污染正在成为下一个危机。

上个月,来自世界各地的20位专家齐聚在纽约大学的一间会议室内,就未来严重的氮污染给地球带来的危害展开讨论,并提出了一些简单的指标来鼓励全球共同努力,扭转这一危机。

本次研讨会是“国际氮管理系统”的一部分。该研究项目耗资6000万美元,是联合国环境署和全球环境基金共同开展的一项为期5年的研究项目。项目负责人马克·萨顿表示,这个系统类似于关于氮污染的“政府间气候变化专门委员会”。

不少与会专家认为,我们必须在本世纪中叶将排放到环境中的氮减半,这是治理氮污染的底线,否则整个生态系统就将陷入有毒潮汐和死河死海肆虐的危机之中。 实现这一点需要做很多工作,包括将全球农业的氮利用率提高一倍。

过去的半个世纪里,人类排放到环境中的氮总量超过了任何其他主要元素。导致氮流量翻倍的原因包括污水、畜禽粪便和化石燃料燃烧,尤其是合成肥料的施用。 如今,全球一半左右作物的生长都要依靠氮肥,而氮肥是通过固化空气中的惰性氮制成的。

一位科学家说:“我们在全球食物供给方面已经做得很好了。但是现在我们必须解决由此产生的其他问题。”

地球系统科学家说,氮是造成生物地球化学污染的主要因素,也是已经被突破的四个“地球界限”之一,可能造成“不可逆转的、突然的环境变化”。所谓“地球界限”,指的是地球在某个方面的最大承载力。目前,全球正努力解决另外三个被突破的“地球界限”,包括气候变化、森林砍伐以及生物多样性丧失。 但是,爱丁堡生态与水文中心的英国研究员萨顿表示,氮污染是一个被严重忽视的环境问题,目前还没有任何国际协议或联合国机构来推动相关治理行动。

本次纽约会议是人们为改变这一现状所做的一次努力。会议关注的重点是农业,因为农业贡献了全球氮污染总量的三分之二。 萨顿说:“我们在全球食品供应方面已经做得很好了,但是现在我们必须解决由此产生的氮污染问题。”

氮污染比比皆是。 比如,在美国,氮污染随处可见 :从俄亥俄州到加利福尼亚州的克拉马斯河水体都爆发了藻华; 加利福尼亚州的地下水受到了污染; 切萨皮克湾的鱼群严重缺氧; 佛罗里达州的近海水域遭遇了有毒“赤潮”的侵袭。

墨西哥湾水域已经形成了一个常态化的“死亡区”,原因是过量的氮刺激了水生植物的生长,而这些植物最终会腐烂,将水中的氧气消耗殆尽,从而导致大多数其他海洋生物窒息。该水域的氮主要来自美国中西部地区密西西比河沿线的粮田。每年夏季,这个死亡区的总面积可达5300平方英里,去年夏季更是史无前例地达到了8800平方英里。

据统计,全球海洋中目前共有400多个死亡区,面积是1950年的四倍,其中最大的死亡区位于部分封闭的波罗的海,面积经常超过20000平方英里。


这副地图显示了人为排放的营养物质(如肥料中的氮)加剧或导致水体中氧气水平降低,从而出现死亡区(红点)的沿岸水域。布雷特博格等人,《科学杂志》,2018

造成这种生态混乱的最大原因是合成氮肥 。全球每年的农用合成氮肥施用量高达1.2亿吨,是有机肥(如动物粪便、作物肥料和固氮豆科植物)的含氮量的两倍。

但最令人震惊的统计数字是,氮肥的作物吸收率已经越来越低,半数以上都经由灌溉流入了河流。 马里兰大学环境科学家张鑫表示,全球氮肥利用率已 经从1961年的50%以上下降到今天的42%左右。

世界上大部分自然资源的使用效率都越来越高,但化肥恰恰相反。 在过去的30年里,全球生产的合成肥的一半以上都浪费在了地里。

其中,亚洲国家做得最差。 张鑫说,印度的化肥施用量在20年间翻了一番,氮肥利用率从40%下滑到30%。 但情况最糟糕的还是中国,平均氮肥利用率已经从1961年的60%一路下滑到了到如今的25%。

相比之下,包括美国在内的许多发达国家的氮肥利用率却有所提高,达到了68%。 半个世纪以前,中国的氮肥利用率与美国相似,如今却只有美国的三分之一多。

中国的生态系统因此陷入困境。无论是在北部的黄河还是南部的珠江,都出现了氮过量导致大量鱼群死亡的事件。 据报道,中国有三分之一的湖泊都出现了藻华,而含有大量有毒藻类的赤潮在东海各个入海口水域四处扩散。

中国农民的氮肥施用量通常是欧洲农民的两倍。

亚洲氮肥使用量激增有两个主要原因:一是化肥价格低;此外,拼命加大农用化学品的投入,正是半个世纪前,为解决全球人口快速增长、粮食供应不足的所谓“绿色革命”的核心理念。

二十世纪中叶,包括诺贝尔奖获得者诺曼·博洛格在内的多位植物育种专家培育出了多个玉米、水稻等粮食作物新品种,这些品种对肥料的吸收效果非常好。 要想增产,农民只需要加大施肥量就可以。

而不断加大化肥施用量的同时,带来的收益却在不断递减,换句话说,其增产效应在不断降低。 农民通常是根据经济效益而不是生态影响来决定施肥量的多少。如果肥料很便宜,那么农民就会不断加大施肥量。 因此,中国农民的氮肥施用量通常是欧洲农民的两倍。

在张鑫教授的分析结果中,最可怕的莫过于非洲有可能走中国的老路。目前,由于非洲化肥供应不稳定、农民普遍贫困,所以大多数非洲农民的化肥施用量还非常少。因此,非洲农田平均单产不过每公顷1吨左右,而亚洲大部分地区为3吨,欧洲和北美为7吨。 但非洲农民使用的肥料很容易被营养匮乏的作物吸收,所以目前非洲的平均氮肥利用率全球最高,达到72%。

包括世界银行和盖茨基金会在内的多家机构都在积极呼吁非洲进行绿色革命,而随着非洲自给作物种植量逐步加大,这里也将难逃收益递减的规律。 张鑫表示,未来几十年里整个非洲大陆的化肥流失量预计会迅速增加。

张鑫的研究数据恰好符合环境库兹涅茨曲线的走势。 俄裔美国人、诺贝尔经济学奖获得者西蒙·库兹涅茨认为,随着各国工业化程度的提高和财富的积累,自然资源利用效率也会呈现出一个共同的模式。 首先,各国会采用“低价格+重污染”的资源利用模式,利用效率堪忧。但随着这种低效资源利用模式带来的污染和其他负面影响的增加,各国会加大投资改变这一现状。最终,至少对于某些材料而言,效率的增益将超过产品需求的增长。 就像洛克菲勒大学未来学家杰西·奥苏贝尔所说的那样,这时经济就可以开始“去物质化”。

在大多数富裕国家,农用氮肥的使用规律就符合这一曲线。 上世纪七十年代之前,由于农民化肥用量不断增加,美国和欧洲的农用氮肥利用率一直在下降。但是之后情况就开始逐渐好转。 自2001年以来,尽管化肥用量减少了,但美国的农田产量却一直在提高。

但发展中国家目前还没有到达这个临界点的任何迹象。绿色革命中所培育的作物实际上最大限度地利用了“低价格+重污染”的资源利用模式。由于中国和印度等国的化肥得到了大额补贴,农民完全没有动力削减化肥用量。张鑫表示,这也就是为什么这么多国家(实际上可以说是全世界的农民作为一个整体)还没有达到库兹涅茨曲线中的拐点的原因。

那我们该怎么办? 各国之间在氮肥利用率上的巨大差异意味着我们可以通过重新安排作物种植区来直接削减氮流失。哈佛大学生态学家纳撒尼尔·穆勒近日指出,如果将作物种植在氮肥利用率较高的地区,全球氮排放量将减少69%。但是,要想实现这种调整,似乎不可能。

那么到本世纪中叶,我们如何在保证全球90亿人口粮食供给的同时解决氮肥使用难题呢?

张鑫建议,我们应该在2050年前将全球农田氮流失从目前的约1亿吨削减到5000万吨。也就是说,需要将农用氮肥的平均利用率从目前的42%提高到70%左右。 要实现这个目标,欧洲和北美地区的氮肥利用率可能就要提高到75%,中国和亚洲其他地区提高到60%,同时让非洲保持在70%以上。

植物育种专家也可能会研制出可以自己从空气中固化氮的高产谷物。

如何做到这一点是个大挑战。 经济学的观点是,当增产效益出现边际递减效应时,通过大幅提高化肥价格可以抑制过度施肥现象。但优化氮肥生产是否应该以牺牲饥饿人口(尤其是非洲民众)的利益为代价呢? 所以,我们必须找到一个更好的办法。也许技术方案可以使亚洲国家尽快达到库兹涅茨曲线的拐点,并帮助非洲跨越“低价格+重污染”的阶段。

植物育种专家也可能会研制出可以自己从空气中固化氮的高产谷物。 但是,无论这种作物是否能够出现,明智的投资者如今已经着眼于寻找更好的方法,确保在真正需要的时间和地点施用肥料,使其到达作物根部。实际上有一种简单方式是把肥料颗粒直接放置到接近作物根部的土壤中,这种施肥方式虽然劳动强度比较高,但已经在孟加拉国得到了应用。

还有一种被称为“精准农业”的高科技方法,具体来说,就是通过计算来分析植物健康状况、当地土壤和气候条件,进而通过定制程序确定具体的施肥时间和用量,然后利用GPS定位等手段进行精准施肥。

当然,农用化肥并不是氮污染的唯一来源。 国际氮肥管理体系将在2021年底提交最终报告,其中可能提出多种全球性措施,包括推动畜禽粪肥回收、将更多人类污水转化为肥料、减少食物浪费、甚至鼓励人们改变饮食习惯。

该报告可能还会建议有环保意识的公民像检查自己的碳足迹一样检查自己的氮足迹。(来自新罕布什尔大学的足迹研究先驱阿利森·利奇介绍说,一个普通美国人每年的氮足迹约为41公斤,而荷兰人的这一数字仅为24公斤。)

在这个过程中可能需要综合考虑各种环境问题。 比如,上个月参加纽约会议的氮专家们担心,未来生物燃料的发展将对氮排放产生重大影响。为了解决气候变化问题,很多人正积极推动生物燃料的发展, 到本世纪中叶,生物燃料可能成为环境中氮的最大来源。

但是,归根结底,作为环境中过量氮的最大来源,氮肥使用率低下的问题必须解决。每个国家是否应该设定一个氮使用效率目标?或者像萨顿建议的那样,各国像达成《巴黎协定》中“2摄氏度”的温度控制目标那样,达成在2050年前将全球氮废弃量削减一半的目标?但即便如此,参与纽约会谈的氮专家们依旧认为,这还不足以将氮排放总量削减到“地球界限”之下。不过,就像“2摄氏度”的气候目标一样,这样做至少可以帮助我们避免最坏情况发生。



翻译:Estelle


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