“牽手”氮元素，中非學者共赴可持續研究之旅

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全球糧食生產約一半的貢獻來自氮肥。然而，氮素流失卻導致嚴重的空氣和水污染，并造成生物多樣性喪失和氣候變化。

聯合國于2015年正式通過的“聯合國可持續發展目標（以下簡稱SDGs）”中，有一半以上目標與氮素的使用和流失直接相關，但全球氮素的分布格局并不均衡。

如何管理農業氮素，推動國家之間均衡發展，實現可持續發展？

在國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）與聯合國環境規劃署（UNEP）共同支持的國際合作研究項目“通過農業氮素管理實現聯合國2030可持續發展目標的協同”（以下簡稱中非氮素合作項目）的支持下，今年，浙江大學環境與資源學院教授谷保靜與非洲科學家展開合作，試圖回答這一極具挑戰性的問題。

小元素 搭橋梁

氮元素是地球大氣中含量豐富的元素。它使天空變藍、土壤肥沃，是形成人體蛋白質的基礎。然而，環境中的氮過量則會污染土地、水和空氣，加劇氣候變化、消耗臭氧層。

UNEP認為，氮污染已經成為環境問題的焦點，是人類面臨的最重要污染問題之一。

同時，氮污染也是影響SDGs的掣肘因素。

“從2015年提出17個SDGs至今，我們距離實現這些目標仍然遙遠，特別是關于實現可持續發展目標的方法路徑和指標體系仍然相對有限。”谷保靜對《中國科學報》說，“優化SDGs的實現路徑，氮素是一個很好的抓手。因為有一半SDGs與它相關，另外一半則與它間接相關。”

糧食安全、消除貧困與饑餓、清潔飲水、清潔能源、氣候變化、經濟增長……很多關系人類福祉的方面都跟氮有關。長期從事氮循環研究的谷保靜希望將所從事的研究與SDGs關聯起來，為實現可持續發展做一些事。

他的期望得到了自然科學基金委的支持。2022年，中非氮素合作項目應運而生，氮元素成為中非牽手科技合作的又一座橋梁。這項合作旨在利用多學科交叉研究手段，回答氮循環與SDGs相關性的多個關鍵問題。例如，氮循環對可持續發展目標的驅動機制是什么？氮素在全球可持續發展目標中的貢獻是怎樣的？如何通過氮素管理實現全球多個可持續發展目標的協同？

“這個項目對正面臨饑餓、貧困、環境和氣候威脅等挑戰的國家具有重要意義，有助于為UNEP的氮素管理決議提供政策支持，平衡國家尺度上的氮素利用。”谷保靜說，“自然科學基金委希望推動我國在國際性重大環境問題上作出更多貢獻，支撐可持續發展，能夠獲得支持我們感到十分幸運。”

在UNEP國際生態系統管理伙伴計劃（UNEP-IEMP）的引薦下，總部位于肯尼亞內羅畢的UNEP國際氮素管理系統（INMS）協調員馬赫什·普拉丹和國際熱帶農業研究所駐喀麥隆國家農業生態研究代表卡格里·馬索博士成為谷保靜的合作伙伴。

讓谷保靜感動的是，非洲合作者盡管缺少資金，但依然主動在人力、物力方面配套相當于300萬元人民幣的支持，與國家自然科學基金相匹配，全力支持項目開展。

普拉丹表示：“中國能夠支持這樣的項目讓我十分激動。中國科學家在氮素研究領域做了很多工作，在國際氮肥研究中一直發揮著特別重要的作用，希望通過我們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進來，這是一個特別好的共同進步的機會。”馬索表示。30年前，他曾在浙江大學獲得土壤化學和植物營養學學士學位，此后又在那里攻讀碩士，對中國有著很深的感情。

立足中非 放眼國際

“如何優化氮素管理，實現SDGs，這是我們研究的核心。”谷保靜說。

然而，氮素是全球生態生化循環領域的重要一環。如何將它與更接近人類社會訴求的SDGs相關聯，將自然界的氮循環拓展到人類社會，是一個全球性難題。

同時，當前對全球氮循環不同路徑的協同影響以及耦合尺度等問題仍缺乏深入研究，獲取各個國家準確的氮循環數據信息存在困難，這些都給相關研究帶來挑戰。

合作團隊跨學科、跨部門的學術背景為回答和解決這些問題提供了支持。該項目集結國內外3家科研機構的20多位科研工作者，研究內容從寒冷地區到熱帶地區，從水、土壤到大氣，從宏觀尺度到微觀尺度，構建了覆蓋多個學科和領域的國際合作網絡。

“我們可以通過模型模擬、空間統計和經濟計量分析、環境效應評估等多學科交叉研究手段，為不同地區的氮素管理和可持續發展提供新工具、新方法。”谷保靜說。

他進一步介紹說，模型模擬可以闡明氮循環對SDGs的驅動機制，空間統計和經濟計量分析可以量化氮素在全球SDGs中的貢獻，環境效應評估可進一步剖析不同SDGs在氮素管理上的協同或權衡機理，為后續各國決策提供理論依據和技術指導。這些交叉組合及其互動是實現可持續目標的綜合途徑。

自2023年年初合作啟動以來，團隊立足中非，放眼國際，嘗試對全球氮通量建模。

他們查閱了大量資料，分析了氮循環的影響路徑，如化肥、電廠燒煤、汽油燃燒、養殖業廢棄物、生活污水廢水等各種社會經濟環境驅動因素的影響，并以2020年全球氮通量為基準，對全球范圍內未來數十年的氮通量進行建模，以預測2050年至2060年的氮通量變化。

“我們的目標是中國和非洲的氮通量與影響因素，其他地區是參照。”谷保靜說，“全球尺度研究的一個優勢是有梯度對比，比如中國的氮素使用是最大的點、非洲是最小的點，如果把這兩個點連起來，再把歐美、中東、南美等地區放在這條線上，就能夠對氮循環的影響路徑有更清晰的認識。”

“未來，如果我們這個模型做成了，就能夠知道地球上每個區域、每個年份、每種類型的氮通量是多少，從而推動不同區域氮管理政策落地執行。”他補充說。

揚帆合作之旅

哪個全球氮污染路徑影響最大呢？谷保靜表示，當前的研究表明，全球氮素污染80%~90%來自農業，其中種植業、養殖業各貢獻約一半。此外，農業也是水體污染物的主要來源，占污染量一半以上。

盡管如此，他表示，氮肥利用養活了全球一半人口，優化管理并不等于禁用，否則將會導致糧食大幅減產。例如，斯里蘭卡盲目禁止進口化肥后農業崩潰，引發糧食危機。

“通過這項研究，我們希望中非兩國人民能夠了解氮肥的重要性，優化化肥的利用。”谷保靜說。

以中國為例，他和團隊曾反復測算，通過優化施肥方式，如機械深施、施肥灌溉結合、增加有機肥利用等，全國農業化肥用量若降低1/3左右，不會給農業產量帶來較大影響。

但谷保靜在基層調查中發現，對于農民來說，在當前小農經營技術水平較落后的條件下，以產量為基準施肥通常是首選。“我國每年6.8億噸的糧食產量，大部分是靠小農戶生產出來的，農民非常不容易。隨著農村生產力條件的下降，未來需要關注規模化生產和托管種植等新型主體經營，幫助農民實現轉型。”谷保靜說。

他表示，今天非洲很多地區仍然不能生產和供應化肥。化肥產業需要強大的工業合成基礎，這些基礎在非洲并不健全，致使非洲很多地方的肥料需要從西方進口，高昂的農業投入成本直接影響當地的糧食產量。

“非洲有著發展農業的良好天然條件，如果進一步提高農業現代化水平，可以養活更多的人，推動工業、服務業，乃至現代化高科技進一步發展。”谷保靜說。

今年6月，谷保靜曾前往肯尼亞參加中非生態學會議。在那里，他看到很多中國人參與修建的公路、收費站、房屋、水利設施，也看到了中國為非洲兄弟國家的發展作出的貢獻。通過此次中非在氮素領域的合作，他堅信未來中非合作會取得更大成就。

“除了基礎設施，農業也是非洲最需要發展的方面。”谷保靜說，當前中國實現碳中和目標過程中，正在控制氮污染，這意味著氮素領域在中國正處于去產能的過程，而非洲則面臨增加產能的局面。在此背景下，中國可以為非洲，乃至東南亞、南美洲等更多肥料短缺的國家和地區提供幫助，推動區域平衡發展，讓多方受益。

谷保靜表示，國際上化肥施用存在“倒U形”曲線的規律。中國經歷過化肥使用不足、糧食產量不高，到化肥產能提高、糧食產量增加的階段，目前正處于這條曲線向下走的路上。中國化肥施用“從爬坡到下坡”的經驗對其他發展中國家極其重要。

“我們希望，通過中非合作實現共贏，為全球氮素管理輸出中國技術、方案或策略，推動‘一帶一路’兄弟國家實現可持續發展。”谷保靜說。