粮食和能源对人类社会的发展至关重要，但其生产过程会排放多种活性氮污染[Nr；氨（NH3）、氮氧化物（NOx）、一氧化二氮（N2O）、硝酸盐（NO3-）等]。这些活性氮物种会导致空气和水污染、生物多样性丧失、平流层臭氧消耗和气候变化 。
为了应对这一可持续发展的挑战，许多研究分析了通过改变食物系统中的生产、供应和消费，或清洁能源转型等策略减缓氮污染的潜力。然而，传统的氮物质流研究与地球系统研究之间存在鸿沟。前者通常采用氮流动评估方法，表征国家/地区层面上的多种活性氮排放在部门和环境介质间的流动；而后者则进行高地理精度的分析，但只针对一种特定的食物或能源系统策略或对于单个环境介质的影响途径。目前仍旧缺乏涵盖多种活性氮污染物、多种影响途径、高地理精度的综合评估，而这对于激励活性氮污染多环境介质协同治理是必要的。
为了协助环境政策制定者了解活性氮干预策略，及其在应对未来中长期多重环境和健康挑战方面的潜力，表征活性氮政策的未来情景和网格化排放预测至关重要，但仍比较缺乏。因此，大多数空气质量和生态管理研究都侧重于一般性的多经济部门减排策略，或探讨气候变化与空气污染治理之间的协同作用。未来的多部门氮减排机会，尤其是来自食物、能源和废物系统的氮减排机会及其对未来环境管理的益处需要深入量化。一些关键的氮干预措施包括提高作物系统的氮利用效率（NUE）、提高牲畜粪便循环利用率、减少食物损失和浪费、通过改变燃烧条件减少氮氧化物排放等。
图1. 一个综合建模框架，用于评估理想的氮干预措施在减少氮（NH3 和 NOx）排放，进而减少 PM2.5、O3 和氮沉积方面的潜力，从而为环境和健康带来益处。
在本研究中我们量化了雄心勃勃/理想的活性氮干预措施（即如果其落地的相关社会经济阻碍可以消除，那么其在技术上是可行的）在解决未来全球 PM2.5 和 O3 空气污染以及过量氮沉降方面的潜力，这两条影响路径也是活性氮对于环境健康造成总的社会经济损失中最显著的两位。我们利用了国际氮素管理系统未来情景（International Nitrogen Management System, INMS情景在代表性的社会经济发展和气候政策背景（SSP-RCP）下进一步添加了活性氮干预策略的维度，分为低、中、高强度的氮政策）。我们集成大气化学、综合评估和风险暴露等多学科模型构建了自己的综合评估框架，量化了不同未来INMS情景下人为源氮排放（NH3 和 NOx）、与活性氮相关的环境健康因子：包括全球空气污染（PM2. 5 和 O3）、过量的氮沉降、以及对人类（空气污染导致的过早死亡）、农作物（空气污染导致的产量损失）和生态系统（过量的氮沉降导致的生物多样性损失风险）的健康影响。研究揭示了活性氮污染管理与多重环境健康目标（清洁空气和生态系统生物多样性保护）之间的巨大协同效应，这或许能够激励和加速可持续发展目标的视线。研究也涉及气候变化治理政策和专门针对氮污染政策对解决未来 PM2.5 和 O3 空气污染的成效大小差异，为未来清洁空气政策的制定提供了参考。研究关于活性氮氮干预措施的环境/健康效益评估在全球尺度上具有较高的空间精细度和时间覆盖维度，当地的环境政策制定者也能够根据此研究规划适合局地的干预措施，来最大化局地环境/健康协同效益并避免活性氮有关环境负担的进一步恶化。
全球活性氮治理政策目前大多聚焦单一物种或单一影响路径，缺乏多物种多介质多路径的协同调控。本研究发现，如果不实施高强度活性氮控制策略，文中所探讨的环境健康指标至2050年均相对于2015年显著恶化，PM2.5持续深度减缓或可一定程度依赖于气候变化治理（清洁能源减排NOx和SO2）对于空气质量的协同效益，而其它活性氮有关的环境健康指标则依赖于更有雄心的氮污染控制（尤其是氨减排）。
图 2. 在三种 INMS（社会经济-气候-氮政策）情景下，即 2015 年、2030 年和 2050 年 SSP2-RCP4p5 下的低、中、高雄心勃勃的氮政策情景下，预计的人为氮排放（NH3 和 NOx）（单位，兆吨氮/年），以及雄心勃勃的氮干预措施对减少世界主要地区氮排放的影响（单位，兆吨氮/年）和各部门/战略的贡献（单位，%）。
图 3. 2030 年和 2050 年，SSP2-RCP4p5 下的 N 干预措施对减缓区域 PM2.5（单位：μg/m3）和 O3 浓度（单位：ppbv；左 Y 轴）以及与空气污染相关的过早死亡（单位：k 人；右 Y 轴）的影响。
图 4. 理想的氮干预措施对减少与暴露于 O3 污染有关的作物产量损失（单位：106Mg；左 Y 轴）和减少氮沉积超过临界氮沉积率的生态系统面积（单位：106 公顷；右 Y 轴）的影响，以限制 2030 年和 2050 年陆地生物多样性的丧失。
图 5. 2015 年以及 2030 年和 2050 年 INMS 五种设想方案下的环境和健康指标。
研究关于活性氮干预策略的环境健康效益评估仍然是保守的。活性氮干预措施可在气候和水质量维度也带来益处，从而服务于可持续发展目标 13 “气候行动 ”和可持续发展目标 14 “水下生命 ”。根据 GLOBIOM 模型的预测（通过比较 SSP2 RCP4p5 高强度和低强度氮政策情景下的氮损失减少量），到 2050 年，氮干预措施产生的农业温室气体减排量将达到 400 吨 CO2-eq/a，水污染减排量（即减少氮径流/沥滤）将达到 30 吨 NO3-N/a，但这不在本研究的范围内。此外，作为 SSP-RCP 情景假设的一部分，GLOBIOM 模型通过内生的畜牧生产系统转变隐含考虑了某些氮干预措施，例如通过改变动物饮食来降低粪便氮排泄率，因此此处未对其影响进行评估。由于不确定性较大，而且与空气污染相比健康影响较小，因此研究未考虑 Nr 干预对减少 N2O 排放从而保护平流层臭氧和人类健康的影响。除 PM2.5/O3 的健康效应外，研究也未考虑直接二氧化氮暴露对人类健康影响。人类接触 NO2 也会导致过早死亡，因此可能需要将其包括在内，以充分描述大气混合体的毒性。在此，我们采用了全球疾病负担研究方法，只评估 PM2.5 和 O3分别对于健康的影响，因为流行病学研究尚未给出多种污染物的共同影响，而且风险可能不完全能够线性相加的；同时，由于 NO2 的寿命很短（几分钟到几小时），而且可能会在 NO 和 NO2 之间快速转换，因此模型模拟的 NO2 需要在未来根据测量结果进行仔细评估。
本研究未量化的活性氮影响途径可能会带来环境上的权衡效应。对于总氮输入稀缺的地区，大气沉积为耕地、森林和公海提供了关键的氮输入。因此，未来减少活性氮排放和减少沉降可能会对作物产量（例如，在非洲，若氮肥施用不足）和海洋生产力产生负面影响。可利用作物产量对总氮输入的响应曲线和雷德菲尔德比率来评估这种潜在影响。在本研究中，氮沉降对产量的影响并不重要，因为 GLOBIOM（与所有其他综合评估模式一样）采用氮budget方法来确保施用足够的养分以保证作物和牧草的产量。
最后，为避免程式化的综合活性氮Nr 环境影响评估，未来研究需要在全面性（多个环境健康目标）和人类生态系统健康的相关性（某些目标对社会的重要性或许低于其他目标）之间达到平衡。我们呼吁未来的工作可以通过将各种氮环境影响货币化，或将影响因子进行分组（例如，生命年数损失、生物多样性损失、粮食商品初级生产和净全球变暖效应），或通过应用类似于距离政策目标还有多远的指标来更好地了解氮干预在多大程度上有助于实现多个环境/健康目标，从而使研究更具政策相关性。识别活性氮在不同时间尺度和不同区域背景下的最重要的治理维度是极具挑战性的，却至关重要。基于早先的研究结果，即空气质量和生态系统影响是最具社会破坏性的氮污染影响途径，我们在本研究中重点关注了全球不同地区的大气污染和沉积降对人类健康、植被和生态系统的影响。目前，在 INMS 项目下，正在开展一项重要的全球综合性工作，以汇编有关活性氮及其环境影响的最新进展，预计将在 2025 年之前以《国际氮评估 (INA) 报告》发布。INA 将通过多模型方法，对未来全球氮废物减半的环境健康效益进行全面评估。
总之，我们的分析揭示了未来全球理想氮干预措施在实现减少 NH3 和 NOx 排放，从而改善 PM2.5 和 O3 空气质量以及减缓过量氮沉积方面的潜力，这将避免与空气污染相关的人类过早死亡和作物产量损失，并降低生物多样性损失的生态系统风险。在缺乏综合氮管理的情况下（即在低雄心氮政策的未来情景下），本文考察的环境和健康目标到 2030 年和 2050 年（与目前相比）将会恶化。相反，通过消除社会经济/政治障碍，实施理想的氮干预措施，利用这些共同效益，可以大大提高政策在实现清洁空气和人类健康方面的成功率，并且效益将从 2030 年增加到 2050 年。氮干预措施将有助于加快全球实现多个可持续发展目标（包括可持续发展目标 3 “良好的健康和福祉”、可持续发展目标 12 “负责任的消费和生产 ”和可持续发展目标 15 “陆地生活”）的实现，跨介质活性氮污染协同治理亟需更多政策关注。
大家好，我们今天非常荣幸邀请到了这篇文章的主创成员郭怡鑫博士，与我们近距离分享她的创作经验。
Q2：感谢您的介绍。关于这篇文章的选题和来源，您有什么要分享的吗？
Q3：关于您提到的之前研究中的积累，那么怎样将过去的积累不断进行提升您有什么建议给大家吗？
Q4：感谢您的分享，那么您对于博士生的日常科研工作有什么经验想跟大家说的吗？
Q5：最后一个问题，关于您这篇论文的写作与发表，还有什么想跟读者分享的吗？
高影响力的文章在写作和研究设计上就会和普通专业杂志有些区别。我的这篇文章属于不那么新（所有单个的影响路径都是已知的）、但其实又有些新有些重要的（还没有研究给出过未来活性氮减排潜力和效益，尤其是高地理精度的结果，这也是因为相关的未来情景和排放数据是最近才有的，而我们研究结果对于跨介质管理氮污染仍然有重要的政策意义）。在后来看到结果做出来还比较丰富，我们进一步在图表和写作上下了一些功夫。
作者简介
郭怡鑫，PKU-IIASA联培博士后，现任香港科技大学（广州）地球海洋与大气科学学域助理教授、博士生导师。主要从事活性氮循环与大气生态环境系统中的污染减缓跨学科研究。
张霖，北京大学物理学院大气与海洋科学系长聘副教授、博士生导师、博雅青年学者。主要从事大气环境和大气化学数值模拟研究。
常锦峰，浙江大学环境与资源学院百人计划研究员、博士生导师，IIASA客座研究员。主要从事陆地生态系统碳氮循环模拟和土地利用变化的生态、环境和气候效应研究。
小编推荐：在之前YES就和大家分享过本文第一作者郭怡鑫发表在Nature Food上的文章：《农业氮素管理对中国经济、环境和健康的影响》，如果对她的研究工作感兴趣，可以点击下方链接~
详情见原文
Yixin Guo et al. ,Aspirational nitrogen interventions accelerate air pollution abatement and ecosystem protection.Sci.Adv.10,eado0112(2024).
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