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北京大學物理學院大氣與海洋科學系張霖研究員與浙江大學谷保靜研究員、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)境和健康效應研究方面取得重要進展。聯(lián)合研究團隊提出N-share(氮貢獻率)指標，用以量化全球不同國家與地區(qū)氮排放對PM2.5健康效應的貢獻率及氮減排成本，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。相關成果2021年11月5日發(fā)表于《科學》。
PM2.5(空氣動力學粒徑小于2.5μm的顆粒物)是一種主要的大氣污染物，嚴重危害人體健康。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轉(zhuǎn)換導致PM2.5中二次無機鹽形成。由于各國家與地區(qū)在氮排放、大氣化學、人口密度、經(jīng)濟發(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污染治理提供科學依據(jù)。
北京大學物理學院大氣與海洋科學系張霖研究員與浙江大學谷保靜研究員、英國生態(tài)水文中心Mark Sutton教授等開展合作研究，提出N-share(氮貢獻率)指標，在全球尺度上表征氮排放對PM2.5空氣污染及其健康效應的分攤貢獻。N-share與氮素在PM2.5中的質(zhì)量占比不同，其含義是考慮對PM2.5二次無機鹽形成的綜合影響，通過在大氣化學數(shù)值模型中關閉氨氮和氮氧化物排放但保留其他污染物(如SO2)排放來計算得到。
聯(lián)合研究團隊利用多個全球三維大氣化學數(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的貢獻率，并進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污染健康風險的經(jīng)濟成本與收益。
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污染的貢獻率比氮氧化物排放貢獻更大，表明PM2.5中二次無機鹽形成受氨氮限制更強。1990—2013年間，全球氨氮的PM2.5貢獻率從25%增加到32%，而氮氧化物貢獻率從17%增加到28%；氮貢獻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。總氮排放的N-share遠小于氨氮和氮氧化物單獨的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)合研究團隊采用了生命年損失(years of life lost; YLL)指標來評估PM2.5污染對人類健康的影響。結果表明，全球氮排放引起的PM2.5污染導致人類總YLL從1990年的1950萬年增加到2013年的2330萬年。結合各國家與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展情況，這相當于造成了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)達地區(qū)，已經(jīng)長期采取氮氧化物減排措施，使得進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》(Science)；谷保靜(第一作者)、張霖(第二作者)、Mark Sutton為共同通訊作者，北京大學物理學院2020屆博士畢業(yè)生陳優(yōu)帆參與了該項研究。同期“視點”(Perspective)專欄配發(fā)了荷蘭萊頓大學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、北京航空航天大學、奧地利國際應用系統(tǒng)分析研究所、挪威公共衛(wèi)生研究院等國內(nèi)外高校和機構的研究人員。（部分刪改）
原標題：物理學院張霖研究員與合作者在全球農(nóng)業(yè)氨氮的PM2.5健康效應研究方面取得重要進展
