北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系張霖研究員與浙江大學(xué)谷保靜研究員、英國生態(tài)水文中心MarkSutton教授等合作，在全球氮排放的大氣環(huán)境和健康效應(yīng)研究方面取得重要進(jìn)展。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出N-share(氮貢獻(xiàn)率)指標(biāo)，用以量化全球不同國家與地區(qū)氮排放對PM2.5健康效應(yīng)的貢獻(xiàn)率及氮減排成本，并指出控制農(nóng)業(yè)氨排放對全球PM2.5污染治理更具有成本效益。相關(guān)成果2021年11月5日發(fā)表于《科學(xué)》。
PM2.5(空氣動力學(xué)粒徑小于2.5μm的顆粒物)是一種主要的大氣污染物，嚴(yán)重危害人體健康。PM2.5污染成為諸多國家亟需解決的重大環(huán)境問題。活性氮(Reactive nitrogen; Nr)排放，包括氨氮(NH3)和氮氧化物(NOx)，是造成大氣PM2.5污染的重要排放來源，它們與二氧化硫(SO2)一起在大氣中通過化學(xué)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致PM2.5中二次無機(jī)鹽形成。由于各國家與地區(qū)在氮排放、大氣化學(xué)、人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活水平等方面的特征差異，很難在全球范圍內(nèi)系統(tǒng)地量化氨氮和氮氧化物排放對PM2.5污染產(chǎn)生的健康效應(yīng)和減排成本。因此，亟需一種通用的方法來比較不同國家與地區(qū)氮排放造成的健康影響，為全球PM2.5污染治理提供科學(xué)依據(jù)。
北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系張霖研究員與浙江大學(xué)谷保靜研究員、英國生態(tài)水文中心Mark Sutton教授等開展合作研究，提出N-share(氮貢獻(xiàn)率)指標(biāo)，在全球尺度上表征氮排放對PM2.5空氣污染及其健康效應(yīng)的分?jǐn)傌暙I(xiàn)。N-share與氮素在PM2.5中的質(zhì)量占比不同，其含義是考慮對PM2.5二次無機(jī)鹽形成的綜合影響，通過在大氣化學(xué)數(shù)值模型中關(guān)閉氨氮和氮氧化物排放但保留其他污染物(如SO2)排放來計(jì)算得到。
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用多個全球三維大氣化學(xué)數(shù)值模型(EMEP-WRF、TM5-FASST、GEOS-Chem)，量化了全球不同國家與地區(qū)氮排放對PM2.5空氣污染及其健康效應(yīng)的貢獻(xiàn)率，并進(jìn)一步耦合綜合評價模型(GAINS)，評估了全球通過控制氮排放來減輕PM2.5污染健康風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)濟(jì)成本與收益。
研究發(fā)現(xiàn)，全球PM2.5污染的N-share從1990到2013年有整體增加，而區(qū)域差異很大：亞洲、南美和南非地區(qū)顯著增加，歐洲顯著降低；全球多數(shù)國家與地區(qū)中氨氮排放對PM2.5污染的貢獻(xiàn)率比氮氧化物排放貢獻(xiàn)更大，表明PM2.5中二次無機(jī)鹽形成受氨氮限制更強(qiáng)。1990—2013年間，全球氨氮的PM2.5貢獻(xiàn)率從25%增加到32%，而氮氧化物貢獻(xiàn)率從17%增加到28%；氮貢獻(xiàn)率的增加與其排放總量增加，而另一前體物SO2排放量減少的趨勢吻合?？偟欧诺腘-share遠(yuǎn)小于氨氮和氮氧化物單獨(dú)的N-share之和體現(xiàn)出兩者在二次PM2.5形成過程中的相互作用。
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)采用了生命年損失(years of life lost; YLL)指標(biāo)來評估PM2.5污染對人類健康的影響。結(jié)果表明，全球氮排放引起的PM2.5污染導(dǎo)致人類總YLL從1990年的1950萬年增加到2013年的2330萬年。結(jié)合各國家與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，這相當(dāng)于造成了1990年約2610億美元和2013年4200億美元的健康損失。
因此，降低氮排放及其導(dǎo)致的PM2.5污染能帶來巨大的健康效益。研究估算，減少全球氨氮排放的平均成本為1.5美元/千克氮，遠(yuǎn)低于其減排所帶來的約6.9美元/千克氮的健康收益；相比之下，氮氧化物減排的平均成本為16美元/千克氮，遠(yuǎn)高于其約7.3美元/千克氮的收益。控制氨氮的成本收益率相較控制氮氧化物更高，其中北美地區(qū)在控制氨氮排放的成本收益率最大，其次是歐洲和亞洲(圖2)。盡管目前氮氧化物減排的實(shí)施成本超過其PM2.5健康收益，但減少氮氧化物排放還可帶來減輕臭氧污染、優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)等其他好處。
研究指出了全球控制氨排放對減輕PM2.5污染的高社會收益。氮氧化物排放主要來自交通、工業(yè)等行業(yè)中的化石燃料燃燒過程。全球許多國家和地區(qū)，尤其是美國、歐洲等發(fā)達(dá)地區(qū)，已經(jīng)長期采取氮氧化物減排措施，使得進(jìn)一步減排氮氧化物的邊際成本加大。
然而，氨排放主要來自農(nóng)業(yè)活動，其排放尚未有效控制，減排成本也相對低廉，例如優(yōu)化氮肥施用不僅可以減少氨排放，還可以降低氮肥使用量，從而節(jié)約減排成本。因此，在現(xiàn)有氮氧化物排放控制的基礎(chǔ)上，加大對氨排放的控制，有助于全球PM2.5空氣質(zhì)量的持續(xù)改善。
全球各大區(qū)域氨氮和氮氧化物減排50%的成本和收益：A.氨氮減排收益包含PM2.5污染減輕的健康效益以及減小氮肥施用量(Fert)的經(jīng)濟(jì)節(jié)約，氮氧化物減排收益包含PM2.5和臭氧(O3)污染減輕帶來的健康效益；B.氮減排收益與成本的比值(高于“1”表示減排收益高于成本)
相關(guān)研究成果以“控制氨比控制氮氧化物對減輕PM2.5空氣污染更具有成本效益”(Abating ammonia is more cost-effective than nitrogen oxides for mitigating PM2.5 air pollution)為題，2021年11月5日發(fā)表于《科學(xué)》(Science)；谷保靜(第一作者)、張霖(第二作者)、Mark Sutton為共同通訊作者，北京大學(xué)物理學(xué)院2020屆博士畢業(yè)生陳優(yōu)帆參與了該項(xiàng)研究。同期“視點(diǎn)”(Perspective)專欄配發(fā)了荷蘭萊頓大學(xué)Jan Willem Erisman教授題為“氨如何供養(yǎng)和污染世界”(How ammonia feeds and pollutes the world)的評論文章。
上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金等資助和聯(lián)合國環(huán)境署氮素管理系統(tǒng)(INMS)工作組的技術(shù)支持；其他合作者包括來自歐盟委員會聯(lián)合研究中心、荷蘭環(huán)境評估署、澳大利亞墨爾本大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、奧地利國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所、挪威公共衛(wèi)生研究院等國內(nèi)外高校和機(jī)構(gòu)的研究人員。（部分刪改）
原標(biāo)題：物理學(xué)院張霖研究員與合作者在全球農(nóng)業(yè)氨氮的PM2.5健康效應(yīng)研究方面取得重要進(jìn)展