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界面新闻编辑 | 郑萃颖
4月27日，全球可持续发展奖项“前沿地球奖”公布首届获奖者名单，中国科学家、浙江大学环境与资源学院教授谷保静成为四位全球获奖者之一。
近年来，从事可持续发展工作的科学家已经确定了一系列不应跨越的“地球安全边界”，包括气候变化、生物多样性损失、氮磷循环等九项，突破任一边界都会为地球环境带来巨大风险。工业革命以来，人类行为已成为地球环境变化的主要驱动力，也将这九项指标推向了前所未有的境地，采取行动刻不容缓。
“前沿地球奖”旨在表彰有助于将地球系统保持在九大“地球安全边界”之内的科学研究，它由总部设在瑞士洛桑的非营利组织“前沿研究基金会”发起，本届竞赛由全球100位可持续发展科学家组成独立评审团进行奖项评选。
谷保静因其研究论文《在缓解空气PM2.5污染方面，减少氨比氮氧化物更具成本效益》获奖。该研究成果于2021年11月在美国《科学》杂志发布，首次分析了氨气和氮氧化物在全球PM2.5污染形成中的贡献，重点关注在应对全球PM2.5污染的治理和应对举措，提出控制氨气排放对降低PM2.5污染具有重要意义。
在瑞士蒙特勒举行的颁奖仪式上，谷保静致辞表示，其课题研究的核心关注全球氮素管理，这不仅关乎粮食安全，也是地球安全边界最脆弱的环节之一。
中国科协国际科技交流中心履职事务处处长孙跃对界面新闻表示，此次获奖对中国科学家团体及相关研究具有鼓励和肯定的作用。他指出，中国科技界在过去处于“跟跑”西方的状态，但现在已经越来越多地在“并跑”甚至“领跑”。目前进入了三跑并行的阶段。
在颁奖典礼的会场，谷保静就相关问题接受了界面新闻的采访。
氮肥利用率低，中国一半污染来自农业氮素
界面新闻：请您为我们解释一下氮循环的机制，为什么氮素污染治理如此紧迫？
谷保静：自然界里面几乎所有的生物，特别是植物都受到氮素供应的限制。可以说氮素是木桶的短板，作物长得好不好，生产力高不高取决于木桶的短板，这就触发人类去解决作物缺氮的问题。
早年人们都是去海岛上挖鸟粪来获得氮素，一开始主要是用于生产炸药，但后来发现这个东西实际可以当化肥，但是产量特别有限。直到1908年，化学家哈伯和博施发明了工业固氮，把空气里的氮气跟氢气反应生成氨，氨就可以进一步生产化肥。工业固氮一下就解放了人类缺氮的限制，让农业生产进入绿色革命时期。在绿色革命时期，实际上通过氮肥的使用大概养活了全世界一半左右的人口。但是，自然界本来是一种缺氮的环境，在氮素微量供给的时候，它可以促进植物生长，而且利用效率特别高；但是当人们大量往地里施化肥，大量的氮素实际上并没有被作物吸收，就流失到环境里面去了。
从氮素全球循环利用的视角来看，不仅仅是氮肥，还有电厂烧煤，汽油燃烧，养殖业的废弃物，冲厕所的污水废水，特别是农村地区，大量的生活污水未经处理直接排放到环境中。这些氮素不仅可以进入空气，也可以进到水里，残留在土壤当中，它都会产生多重效应。首先是空气污染，随后它会通过降雨和灰尘沉降到地面上，导致生物多样性损失，土壤里面大量施用氮肥也会导致土壤酸化。同时氮素里面还有一个气体叫氧化亚氮，在百年尺度上1分子的氧化亚氮的温室效力相当于300倍左右的二氧化碳。因此，氮素除了养活全球一半人口之外，它也有强烈的负面影响。
氮素也是九大地球边界里面超标最严重的两项之一，另一个是生物多样性丧失，其中生物多样性丧失很大一部分又是由过量氮素导致的。所以，我们认为，氮素可能是地球的九大安全边界里面情况最严重的，而在氮素的诸多影响中，空气污染又是最严重的，因为空气污染诱发肺癌、冠心病等六大疾病，每年会导致几百万人过早死亡。
那么，氮素具体如何影响空气污染呢？PM2.5是一个二次污染物，有很多前体物，比如氨气、氮氧化物、二氧化硫，以及一些其他污染物，它们相互反应，生成PM2.5。也有很少一小部分PM2.5是一次污染物，比如说来自烧秸秆或者是运货大拖拉机的尾气。因此，要降低PM2.5，必须追溯它的源头，降低它的前体物，从而实现减排。当我们去控制PM2.5污染的时候，我们需要去控制氮素，因为氮素对污染物贡献很大，在全球平均能贡献40%，在发达国家能贡献到百分之七八十以上，中国大概有一半左右的PM2.5污染来自于氮素。
发达国家氮排放治理的经验和启示
界面新闻：为什么在发达国家氮素对PM2.5污染的占比更高？
谷保静：因为当地的二氧化硫下降更显著。1952年的伦敦烟雾事件中，污染物主要来自于烧煤带来的二氧化硫排放，所以后来开始大量工业脱硫，在工业燃烧过程中增加一些脱硫的装置。工业脱硫达到一定水准之后，空气污染就变成氮素主导了。
我们国家也是类似的情况。九十年代，中国的硫排放开始走低，但是氮素一直在增加，直到2012年左右，氮氧化物开始下降，但是氨气一直在往上走。所以PM2.5三个最重要的前提物，二氧化硫、氮氧化物、氨气，前两者开始减排了，但是氨气没有。由于氨气和氮氧化物都属于氮，氮素的贡献率就会上升。
为什么欧美国家氮素的加总贡献率能达到百分之七八十？就是因为当地的硫已经被控制得很好。如果欧美国家希望进一步降低空气污染，达到世界卫生组织推荐的5微克每立方米，那么欧美国家需要去控制氮氧化物和氨气，尤其是更多去关注氨气。
界面新闻：控氨气和控氮氧化物，具体到农业工业生产实践上，意味着什么？
谷保静：工业减排方面，以电厂为例，可以通过改变电厂烧煤的方式，实现超低排放。对于汽车尾气，可以改变它的燃烧过程和尾气处理过程。农业减排方面，养殖业从饲养、废弃物的生成和储存、运输、施肥，每个阶段都会有氨气排出。因此我们需要全链条改变管理方式，需要实现农业从粗放型的管理方式向现代化变革。
界面新闻：在欧洲，控制氮排放已经成为一个政治问题。荷兰现任政府执政中最大的危机之一就是减氮问题，荷兰的氮排放超标在欧盟国家里属于比较严重的，政府要出台法规减排，农民对此非常不满意，还开着拖拉机上街游行。您如何看待此事？
谷保静：症结就在于农民是不是真的不赚钱，政府需要去计算这一点。全球氮素污染情况，分污染物来看：氨气80~90%来自农业，种植业养殖业大概各贡献一半；对于水体污染物来说，农业也是大头，能够占到一半以上。
中国跟荷兰不太一样，中国是小农经济，一家一户大概只有五六亩地，一年最多赚四五千块钱。本来农民相对收入水平就比较低，如果说政府要求农民去减氮减污的话，要去测算一下减氮减污要花多少钱，对农民的收益有什么影响。如果收益跟成本之间是不对等的，让农民支付减排成本，全社会享受减排收益，那就是错配，农民肯定不愿意干这个事儿。
工业领域是谁污染谁治理，不治理就处罚。由于工业产品有极强的替代性，就算把这家处罚停产，还有另外的企业可以扩大产能，满足社会的需求。但是粮食是刚需产品，刚需产品的生产不能够受到干扰。你罚农民，农民一旦停止生产，粮食安全就会出问题。对任何一个国家来说，粮食安全永远是头等大事。
所以不能对农民应用治理工业污染的方法，除非农业本身已经具有很强的工业属性，比方说它是工业化种植，农场主有几万亩地，每年的利润率特别高，否则就会出现荷兰的拖拉机上街的问题。我猜测荷兰农民种地也不是特别赚钱，这种情况下政府强力推行减氮和治污，会严重影响农民的利润，只有威胁到农民的生存的时候，他们才会上街。
所以我们给出的建议是，为了确保粮食安全，同时为了确保全民的环境健康身心健康，需要对农民的减排措施进行一定程度的补充，以解决错配问题。全社会从农民的减排中获得了收益，所以要把一部分的收益拿出来，去补贴农民的绿色生产行为，让农民愿意去减排，最终能够推动绿色措施的落地。我们估计过，如果做了这件事情，环境健康能够得到改善，改善之后的收益大概是实施成本的10倍到25倍。很多地方现在都这样做，比如美国对于冬闲田会推荐农民去做覆盖作物，政府给农民补贴成本，同时还给额外奖励。
农业污染“面源”难题待解
界面新闻：您刚刚提到了农业污染和工业污染的区别。您觉得现在特别是在国内，农业污染来源跟工业污染相比有一些什么样的特点？
谷保静：区别就在于工业污染是点源，农业污染是面源。
什么叫点源？就是它有一个排污口，或者固定在那的烟囱。有排污口，我就很容易控制这个排污口，要求你把污染物降低到一个标准以下，实现升级改造。
什么叫面源？中国18亿亩耕地，每一亩耕地上都会有污染物排放。养殖场也是面源，农村的一家一户的厕所也是面源。中国的厕所可能有几亿个，很多厕所都没有污染处理设施，这些地方都会变成一个面源。
农业面源污染跟工业点源污染比起来，更加难控制。首先难以监督，因为污染的主体量太大了。想象一下你走到田间地头，你能看出来哪块田污染吗？工厂排污不一样，是清水还是黑水一眼就能看出来。所以面污染实际上只能去监控它的过程。比方说你采用某种生产方式，我就知道这种生产方式的污染量相对低，比如说机械深埋化肥和手撒化肥相比，氨气排放量一下就会小很多。
同时，由于粮食安全跟环境治理之间的博弈问题，希望对这些从事新型经营方式的农民进行补贴，让他们能够去操作绿色生产。
界面新闻： 现在在国内，对于监控生产流程从而降低氮排放方面，有一些您印象比较深刻的实践吗？
谷保静： 现在比较常见的是服务租赁。如果一个农民只有一亩地，他肯定不会自己去买大型拖拉机。那么我可以买一个大型拖拉机，这个村的地我都帮大家种了，每种一亩地收20块钱30块钱。通过这种成本分摊的方式让先进技术落地。
实际上从种到收的环节，服务租赁在华北很多地方已经实现了，这些人往往是买一个大型收割机，按照成熟期从南到北连着割，可以服务很大一片范围。现在的难点在于，农业污染主要来自于施肥过程，而服务租赁实际上只解决了种和收，并没有解决施肥的问题。想优化施肥需要两个东西，第一，装备要配备到位，比如先进的分层施肥机等等，现在装备配备到位的很少。其次，这块地应该施多少肥，需要专业的知识，农民和租赁商对此都不够了解。现在很多农户就在种植前把肥料直接拿去撒一撒。
界面新闻：是否是因为缺乏一些激励？
谷保静：激励是一个很重要的点。中国跟荷兰还是不一样。小农经济之下，我们家可能只有5亩地，一亩地施肥100块钱，5亩地500块钱。假如超额施肥30%，也就多花150块钱，我没有理由去买先进的施肥机器或者让服务商去搞个先进的施肥机器，也不想去听政府的培训班。实际上我们早期已经发现了，农地规模跟过量施肥存在负相关，农地规模越大，过量施肥的概率越低。
界面新闻：是因为施肥本身是比收割更复杂的一个过程吗？
谷保静：是，农民也好，租赁服务商也好，他们需要去判断这块地要施多少肥，而施肥是影响产量的。服务商不愿意担这个责任，万一我今年帮你施肥，你的产量低了，你还得埋怨我。而农民自己施肥，就容易多撒一点以确保产量。
耕作一块地既需要投入先进的机械、先进的管理知识，又需要投入化肥灌溉。其中，机械属于固定成本，生产的产品越多，平摊下来成本越低。化肥投入属于非固定成本，不会随着规模而变化。这两者之间实际上是存在替代关系的。当规模很小的时候，我就愿意多投一点化肥，少投固定成本，否则不划算。两亩地一年赚不到2000块钱，我肯定不在意，我在城市打工一个月可能就能赚5000块钱，所以施肥的时候就很轻松，随便撒撒就完了，节约下来的时间就去城里打工了。如果要实现优化施肥，首先要买机器，要把肥料深施到土壤里面，这个过程很复杂。其次施肥的时候要分次，一年施肥多次最理想，先施一遍地基肥，作物种上去了再去追肥，一次不够再追一次。那么在城里打工的农民肯定不愿意干这个事，因为回村去施肥的成本太高了。
但是，假如你有200亩地，200亩地赚的钱可能已经超过在城市打工的收入水平，你就是职业农民了。200亩地施肥的成本就需要2万，也不可能端着盆去撒，必须用机器去协助施肥，那么农民不但不愿意过量施肥，还会琢磨2万的化肥量能不能降到1万5。如此一来肯定是精准化的施肥以及分次去施肥。
界面新闻：农业的规模化效应确实比较明显，您觉得在国内如何推广？
谷保静：跟西方国家不一样，我们的土地是集体所有，农民拥有承包权，经营权可以流转，三权分置。一家一户一般大概就七八亩地，少的人家三四亩地，我不愿意种的话，可以把地流转给我的邻居，这种经营的方式叫大户承包，家庭农场。家庭农场也可以做到100亩甚至200亩地大小。变成家庭农场之后，农民可能还是觉得地有点小，因为200亩地买个大型拖拉机也不划算。那么10个家庭农场可以并成1个合作社，2000亩地10家人一块去经营，可能会赚得更多。
还有一种情况是像中粮集团和江苏省农垦这样的工业化种植，直接大面积使用现代化耕作方式，10万亩地统一经营。实际上在江苏很多地方已经在试点推了，这个叫适度规模化经营。当我们把规模化跟化肥污染关联起来之后就发现，实际上降低化肥污染必须作为一个副产品来实现，随着规模化生产解决了，先解决农民的收入问题，之后优化施肥，最终就把环境问题也解决了。
界面新闻：据您估算，施肥过程中造成的污染大约占比是多少？
谷保静：农业污染能够贡献中国氮素污染的一半以上，这一半里面，种植业跟养殖业比例差不多，养殖业稍微大一点，种植业大概贡献百分之二十几的污染量。
“农业氮素信用系统”改善错配
界面新闻：您在论文中提出了一个名为“氮素信用系统”的设想，您能否解释一下这个系统在理想情况中应该怎样运作？
谷保静：农民要为了改善污染付出成本，但是并没有独享环境改善带来的收益，农业氮素信用系统实际上就是为了解决这个错配问题。
我们有另外一篇2023年1月份刚发表在《自然》上的论文，提出了减排氮素的11项措施。但凡农民采用这11项措施，政府就给他补贴，补贴的钱从哪来？钱就从环境改善之后，全社会都获益的这部分里面抠出来。怎么去执行？就是农民一旦采用了这些举措，他就会获得氮素信用分，就和航司机票积分一样，一个积分就可以拿到政府那去换钱，从而解决错配问题，激励农民去做更多的环境友好型的操作。
氮素信用系统的本质就是对农民的绿色生产行为进行补贴。2023年1月份的那篇论文出来之后，澳大利亚已经去实践了，当地管理大堡礁的机构专门写信来说，他们正在用我们的信用系统去保护大堡礁。澳大利亚的大堡礁很漂亮，大家都很喜欢去旅游，但大堡礁上游地区种了很多甘蔗，农民为了提升甘蔗的产量大量施肥，肥料就沿河流入海中，引起大堡礁的珊瑚死亡。政府为了解决珊瑚死亡的事件，跟这些农民做了协议，如果农民减少氮肥的施用、减少氮素进入大堡礁，就能得到信用分，之后可以拿到政府那去换钱。
界面新闻：在减轻氮排放这个领域，您在全球范围内是否看到一些比较有趣的实践，可以对中国当下的情况有所启示？
谷保静：从很长的历史时间上看，中国肯定是要持续推进规模化种植，这是第一步。因为规模化之后，污染的确降低了很多，也有利于先进的机械和先进的管理，现代化的农业能够真正落到实地上。
欧洲地区、美国地区、澳大利亚地区的规模化种植，规模实际上都很大。我们有可能达到欧洲的规模，欧洲现在差不多10个公顷，100多亩地。国内现在每个农户的平均规模是0.5公顷，还是很小。所以我们不要求达到美国那样，也实现不了。
在持续推进规模化的前提下，氮素信用系统至关重要。其中分为三个层次。最简单的就是改用新型肥料——比如说缓控施肥或者是抑制剂肥料——即便采用传统施肥方式，相比传统肥料尿素，还是可以大幅度降低污染。但是它价格要高很多，所以我们推荐政府直接对新型肥料进行补贴，让新型肥料跟传统的尿素同价或者略低一点点，不要低太多，否则可能造成过量施肥。或者推荐农民让豆科作物跟其他作物轮作。这些都比较特别容易操作，不受规模化的影响。
当进入第二层次的时候，就需要规模化农业了。如果要优化施肥方式，以现在一直推的测土配方技术为例，可以检测土壤养分含量，据此决定要施多少化肥。那么中国有18亿块田的话，一般一块田要取5个点，最终大概需要接近100亿样品，即使每年测一次，一次检测成本十块钱，那么一年的测试费就要1000亿人民币，此外取样、运输、实验室检测、沟通都是成本，最后光测土配方这件事情可能就要花上万亿的钱，这就不现实。所以说，需要当地农业已经达到比较高的规模化水平。
第三个层次，对社会发展的程度要求就更高。现在的欧美国家测土配方是常态，因为它的田块比较大，经济水平很高，农民受教育水平也很高，有先进的技术，比如无人机甚至是遥感帮你看地面的情况，远程决定要用什么施肥。
所以我们的信用系统里面实际区分了三个层次，根据技术条件去采用不同的策略和方式补贴和引导农民，确保不影响粮食安全。中国每年的中央1号文件都是关于粮食安全的，为什么？因为这个事情很重要，也很复杂，涉及到很多技术问题，管理问题、制度问题，甚至是社会整体的发展问题。
界面新闻：再说回这次获奖的论文《在缓解空气PM2.5污染方面，减少氨比氮氧化物更具成本效益》，您怎么样评价论文的科学意义和政策意义？
谷保静：科学意义上，实际上之前很少有人量化过空气污染里面到底哪种污染物的贡献大。过去量化的时候很容易采用的方式是检测空气污染物的组成成分，那么氨占比会很小，因为氨气与氮氧化物、二氧化硫相比很轻，但是氨气又是碱性气体，二氧化硫和氮化物都是酸性的，在反应过程中很容易形成氨盐。因此，除了重量贡献之外，氨还会有反应的贡献。
所以，我们用大气化学模型，通过模拟实验的方式把氨抠掉，去看它整体上的贡献，会比原来的检测方式更合理。同时，我们构建这个指标把前体物跟最终的污染物联系起来，希望能够量化清楚，同时把贡献最终连接到人体健康效应上。我们做了大量的健康效应的分析和成本收益的分析，最终能够量化出来，考虑到成本问题，控氨实际上是一个更优的策略。因为离开成本去谈论环境治理是不负责任的。我们可以写一个非常完美的方案，但是这个方案要花光全球所有的GDP才能够实现，那也不现实，所以我们要把成本控制在合理范围内。
从政策意义上来讲，中国控制氮氧化物已经有一段时间了，所以我们需要把氨气也纳入进来，作为共同控制的点。世界卫生组织推荐的5微克每立方米是一个特别低的浓度值，现在很多发达国家还没达到，发达国家一般是按照之前10微克每立方米来。中国原来的安全值是75微克每立方，十三五期间已经达到了，但现在还是比10微克要高很多。所以要现在从四五十的水平降到10、降到5的话，需要进一步把这些东西都纳入减排体系里面。
界面新闻：获得前沿地球奖对您个人来说意味着什么？可能对中国的科学界来说又意味着什么？
谷保静：我认为这是对我们整个团队工作的一种肯定。这让我们更有信心，相信我们对地球科学系统的研究还是有一定贡献的。另一方面这个奖项也能够激励更多的人投身于环境保护领域的研究。因为环境保护不像别的领域，更容易做出产品或专利，环境保护本身就是一个公益事业。
在气候变化的压力下，极端气候事件比如极端高温、极端低温、极端干旱、极端暴雨日益频繁，未来保护环境变成特别大的社会发展需求的时候，我们能够通过前沿地球科学奖推动更多的年轻人、更多的科学家进入这个领域，相信这对于本次会议提到的“加速地球的保护进程”至关重要。
（实习生高铂宁对此文有贡献）
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