近日，南京信息工程大学廖宏教授团队联合国内外多家单位在National Science Review发表了题为“Unlocking Nitrogen Management Potential via Large-scale Farming for Air Quality and Substantial Co-Benefits”的研究论文，首次系统评估了农业规模化与氮素管理相结合对中国氨排放、空气质量和经济效益的综合影响。
随着我国酸性气体（SO2、NOx）减排空间的逐步缩小，对氨的排放控制成为进一步改善空气质量的重要途径。然而，在传统农业模式下，动员上亿小农户普遍采用氮素管理策略存在巨大挑战。我国农村面临人口老龄化、劳动力短缺和耕地弃耕等问题，制约了先进农业技术的采用。政府已多次提出发展农业规模化经营，并在部分地区得到实践。然而，农业规模化如何影响氮素管理并对氨排放和空气质量产生影响，这一认识仍然有限。
农业规模化下的农牧业空间格局与影响
研究首先利用地理空间模拟技术，预测了全国实施农业规模化后的田块规模和畜禽空间分布（图1）。结果表明，通过破碎耕地的重新整合，>2 公顷的农场耕地面积从当前的25.9百万公顷增长到103.6百万公顷，可减少氮肥施用量31.07%。大型养殖场的畜禽产量可占全部畜禽产量的92.8%。此外，通过近20000个农场的调查显示，农业规模化可以将氮素管理技术的采用率翻倍，显著增强减排策略的效能。
图1 当前传统模式和农业规模化模式下的田块规模和畜禽产量以及所导致的氮肥施用量和畜禽粪便产出量的变化
多情景模拟：助力空气质量显著改善，避免30万人过早死亡
通过整合高分辨率排放清单、多项氮素管理技术以及技术采用率的调查结果，设计了五种氨减排情景：技术减排（TECH）、减少食物损失和浪费（RFLW）、传统农业模式下的氮素管理（NM，即TECH+RFLW）、试点区农业规模化+全国的氮素管理（NMLF-PILOT）、全国农业规模化+氮素管理（NMLF-ALL），并利用大气化学模式等评估了农业规模化对氨减排潜力（图2）及其对空气质量和经济效益的影响。
图2 基准情景下的氨排放密度及不同策略下的氨减排潜力
结果显示，在传统农业制度下，氨的最大减排潜力仅为30.9%（NM，图2）。受限于NH3-PM2.5的非线性化学响应机制，全国年均PM2.5浓度仅能下降0.9-1.6 μg/m³（图3）。相比之下，农业规模化情景下的氨减排潜力得到巨大提升（NMLF-PILOT：48.3%；NMLF-ALL：58.2%），可将重污染地区（BTH等）的年均PM2.5浓度下降9.4-14 μg/m³，并降低全国60%以上的重污染天数。值得注意的是，针对农业规模化情景，大气化学模式对于PM2.5浓度下降的估计可能仍然是保守的。畜牧业规模化将氨气从面源排放转为以点源排放为主，加剧了GEOS-Chem网格内部氨气的分布不均，箱模型的模拟结果显示，局部的富氨环境导致大量氨在扩散到区域尺度之前就已经在局地沉降，减少了区域尺度PM2.5的形成。即使是对PM2.5下降的保守估计，也发现农业规模化结合氮素管理可以避免超过30万人过早死亡，凸显了这一组合策略的重要性。
图3 两种农业模式下实施氨减排策略后的空气质量改善效果
经济可行性强：农户层面即可实现净效益
成本-效益模型的评估结果表明，两种农业模式下的减排策略均能实现净效益（图4）。而农业规模化模式下，受益于粮食利润增长和劳动力成本节约等，即使不考虑社会效益，仅在农户层面就能实现净效益，这意味着农业规模化可促使农户更有意愿参与氮素管理。考虑到在全国实施农业规模化的困难和巨额前期投资，目前推行NMLF-PILOT策略可能是较为的理想方案，该方案实现了最大的PM2.5减排效率和最高的效益成本比（图4）。
图4 不同减排策略下氨减排对PM2.5的控制及成本效益
总体而言，研究成果为我国制定有效的氨减排政策、改善空气质量和促进农业可持续发展提供了重要科学依据，也可为其他小农经济国家提供借鉴。南京信息工程大学李保杰教授为第一作者，廖宏教授为论文通讯作者。主要作者还包括南京信息工程大学李柯教授、王叶博士、杨洋教授、李婧祎副教授、金建炳教授、申卫收教授、王品雅副教授、北京大学张霖研究员、香港科技大学（广州）郭怡鑫助理教授、兰州大学刘磊教授、德国马普所宫成博士、中科院南京地湖所朱青研究员、廖凯华副研究员、哈佛大学Daniel J. Jacob教授、党瑞君博士等。该研究得到了国家自然科学基金（42021004、42377393、42361144876）和江苏省碳中和碳达峰科技创新专项基金（BK20220031）的资助。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwae324
