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文章标题：Nitrogen management during decarbonization
标题译文：脱碳过程中的氮管理
发表期刊：Nature Reviews Earth & Environment
在线时间：2024.09.12
通讯作者：张鑫
作者单位：Appalachian Laboratory, University of Maryland Center for Environmental Science, Frostburg, MD, USA.
主要结果
Results
1. 引言
气候变化由人为温室气体排放驱动，2019 年人为 GHG 排放达 59 ± 6.6 Gt CO₂当量，超过行星边界，需采取脱碳策略，如用氨基燃料或生物燃料替代化石燃料等，但可能增加氮输入，引发环境问题。
人类对环境的氮输入已经几乎是自然陆地和海洋固氮输入的两倍（估计分别为 110 和 140 Tg N yr⁻¹，而人类输入为 256 Tg N yr⁻¹），富营养化威胁水安全和生态系统，使用可再生能源生产氨有望使航运部门脱碳，但可能超出氮循环的行星边界。
一些脱碳策略可减少二氧化碳和氮排放，如减少碳密集型合成氮肥使用、能源供应电气化和向可再生燃料过渡等，本文将探讨五种主要脱碳策略对氮循环的影响及相互联系。
2. 氮对环境的影响
氮对生命至关重要，但人类活动使 N₂转化为 Nᵣ的过程导致氮输入增加，扰乱了全球氮循环，20 世纪初哈伯 - 博施法用于生产合成氮肥提高农业生产力，但也带来环境问题。
作物生产中施用的氮只有约一半被吸收，氮盈余会导致富营养化、空气污染、生物多样性丧失等问题，还会增加温室气体排放，如 2019 年合成肥料生产排放约 0.45 Gt CO₂ - eq yr⁻¹，运输排放 0.03 Gt CO₂ - eq yr⁻¹。
减少碳密集型合成氮肥的使用对环境有益，但目前氮肥生产和运输过程仍会对环境和气候产生负面影响，如生产占全球能源消耗 2%、全球天然气使用 4% 和 GHG 排放 1%。
3. 脱碳策略与氮
3.1 减少碳密集型肥料生产：
可通过降低 NH₃生产的碳强度（如采用蓝氨、绿氨等技术）和减少氮肥需求来实现，低 C 氨的生产能力预计从目前的 0.02 Mt yr 增加到 2030 年的 5 Mt yr⁻¹，但新技术受规模、成本等限制。减少合成氮肥需求可减少 14 Tg N yr⁻¹ 的氮输入和 0.04（0.03 - 0.06）Gt CO₂ yr⁻¹ 的排放。
3.2 种植植物用于生物燃料：
预计到 2030 年生物燃料有望减少约 0.7 ± 0.3 Gt CO₂ - eq yr⁻¹，但第一代生物燃料（如玉米乙醇、大豆生物柴油）氮需求大，可能导致氮盈余增加（如玉米乙醇需 21 ± 9 Tg N yr⁻¹ 的氮输入，增加 6 ± 3 Tg N yr⁻¹ 的氮盈余），不过生物燃料生产中的氮可回收利用。
3.3 使用 NH₃作为无碳燃料：
可使海运减少高达 0.38 Gt CO₂ - eq yr⁻¹ 的排放，但会使全球 NH₃产量增加 212 Tg N yr⁻¹，可能导致氮泄漏和排放，影响环境和食品价格（如 NH₃需求增长可能使价格提高，影响肥料和食品价格），其市场影响具有不确定性。
3.4 在农业土壤中固碳：
土壤碳固存可减少碳排放，全球农田碳固存技术潜力为 1.9（0.4 - 6.8）Gt CO₂ - eq yr⁻¹，但实际固存可能受多种因素影响，如在农业土壤中固存 0.6 Gt CO₂ - eq yr⁻¹ 将导致 14 Tg N yr⁻¹ 也被固存。
3.5 提高作物产量以减少土地利用变化：
可减少 4.5 ± 2.6 Gt CO₂ yr⁻¹ 的排放，但可能增加氮输入和损失，如实现可达到产量的 75% 需要氮输入增加 30%，其对土地利用变化和碳排放的影响尚不确定，需综合考虑各种因素。
4. 其他脱碳策略的氮使用
五种脱碳策略对 CO₂减排潜力不同（从 0.04 到 3.4 Gt CO₂ - eq yr⁻¹），对氮输入的影响也各异，其中减少肥料应用的策略（DS1b）对 CO₂减排和氮输入减少有明显共同效益（每千克 CO₂减排减少 0.36（0.24 - 0.41）千克氮输入），而使用 NH₃作为燃料（DS3）会增加氮输入（每千克 CO₂减排 0.5 到 14 千克氮输入）。
其他脱碳策略可能通过影响氮和其他营养物质的命运影响富营养化风险，能源部门的一些变化对氮循环和环境有不同影响，如太阳能、风能等清洁能源生产可能有氮足迹，而减少化石燃料使用对减少氮排放有好处，但全面评估所有脱碳努力的影响超出本文范围。
5. 脱碳策略之间的联系
5.1 作物农场氮输入对产量的响应：
作物产量与氮输入及其管理有关，DS4 和 DS5 所需的额外氮输入总和可能大于或类似于 DS1 减少的氮输入，产量对氮输入的响应通常用产量响应曲线表示，不同实现产量增加的方式对脱碳策略有不同影响。
5.2 作物的竞争需求：
作物用于燃料和饲料的需求增加可能会抵消减少氮肥使用的目标并增加土地转换压力，通过有效回收和利用氮可缓解 DS2 对其他脱碳策略的影响，如回收粪便可满足生产玉米乙醇的额外氮输入需求（21 ± 9 Tg N yr⁻¹）。
5.3 平衡市场动态：
农业 - 食品 - 燃料生产中的效率提高与市场需求相互作用，影响脱碳策略的有效性，如提高作物生产中的 NUE 和产量可减少氮输入和土地使用，但也可能刺激对生物燃料和其他产品的需求，同时 NH₃作为燃料的需求增长和肥料供应链的变化会影响氮管理。
6. 总结和未来展望
脱碳策略对全球氮循环有复杂影响，一些策略可减少氮污染和气候变化，而一些则有负面影响，如使用 NH₃作为燃料可能对人类氮使用产生最大影响，因此需加强解决富营养化问题的努力。
农业氮管理的技术进步（如提高 NUE 的实践和技术）和社会经济创新（如政策和市场工具）对同时缓解气候变化和富营养化至关重要，需要综合考虑各方面因素来实现可持续发展。
共同管理气候变化和富营养化挑战需要掌握碳和氮循环的相互作用，解决数据和方法等方面的挑战（如量化和监测氮流有限、评估方法存在争议等），采取整体、综合的视角来实施可持续解决方案。
文章图表
Figures & tables
图 1 | 人类活动二氧化碳排放和氮输入的历史趋势
图 2 | 碳和氮循环的相互联系及人类扰动
表 1 | 主要脱碳策略对氮（N）使用的影响分布的情况
图 3 | 脱碳策略（DS）及其对氮和碳循环的影响
图 4 | 食物 - 饲料 - 燃料三角关系
图 5 | 每个脱碳策略的二氧化碳减排潜力以及对氮输入的影响
作物生理生态
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