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前沿科技:浙大學者聯合研究成果登上《科學》
發表日期:2022-01-19 10:06:46 閱讀次數: 來源:

  眼見著天氣日漸轉冷,PM2.5導致的污染再次進入公眾視野。全球許多國家和地區都把PM2.5污染防治列為環境保護的優先事項。以往大家談論較多的是其中的硫元素,隨著環保研究的不斷深入,作為PM2.5來源的另一重要“元兇”的氮素也引起了越來越多的關注。

  在長達四年多的研究中,浙江大學環境與資源學院百人計劃研究員谷保靜聯合國際團隊,首次分析了氨氣(NH3)和氮氧化物(NOx)在全球PM2.5污染形成中的貢獻(N-share)及其健康效應,并結合模型分析控制氮排放來減緩PM2.5污染健康效應的路徑和成本,研究發現,全球PM2.5污染治理中氨氣減排比氮氧化物減排更有效。

  這一研究成果于北京時間11月5日,刊登在國際頂級期刊《科學》上。論文第一和通訊作者為浙江大學谷保靜研究員,北京大學張霖研究員和英國生態水文中心Mark Sutton教授為論文的共同通訊作者。

 

  一把讓人又愛又恨的雙刃劍

氮元素跟我們的生活密切相關,大氣中的活性氮主要包括氨氣(NH3)和氮氧化物(NOx)兩類,而這兩者恰恰就是形成PM2.5的重要前體物。氮氧化物主要來自城市生產活動,氨則主要來自農業生產活動。

  自從上世紀20年代有了工業合成氨,化肥就應運而生,農民們得以徹底擺脫了“靠天吃飯”。氮肥在農業生產中貢獻很大,有數據顯示貢獻率可以達到50%左右,對全球糧食生產發揮著重要作用。

  “之前普遍認為PM2.5污染主要來自城市。其實,雖然氨主要來自于農村,但是也會傳輸到城市,與氮氧化物、硫等元素反應產生PM2.5,造成空氣污染。”

  氮元素就是這樣一把讓人又愛又恨的雙刃劍。有數據顯示,全球因為氮排放帶來的PM2.5污染導致人類總生命年損失(因病早亡與預期壽命之間的差值)從1990年的1950萬增加到2013年的2330萬生命年。怎樣在合理范圍內對氮排放進行有效控制呢?第一步就是需要能準確評估出氮素對空氣污染的影響。

  然而,氮素不像碳素對氣候變化影響那樣全球“通行”,相對來說受各國氣候條件、人口密度等影響大而顯示出較強的區域性,目前還沒有一套全球統一的評估體系,亟需一種通用的方法來比較不同國家地區氮排放帶來的健康影響,為在全球范圍內通過氮素管理控制PM2.5污染提供科學依據。

 

  氨減排性價比更高

  谷保靜等研究人員利用GEOS-Chem、EMEP-WRF和TM5-FASST大氣化學傳輸與健康效應估算模型,分析氨和氮氧化物在全球PM2.5污染形成中的貢獻(N-share)及其健康效應,并結合GAINS模型分析控制氮排放來減緩PM2.5污染健康效應的路徑和成本。

  谷保靜團隊的研究表明,氨在PM2.5的影響力是被低估的:“過去在計算污染物的重要性時常常使用質量占比的角度去分析,這讓質量只占PM2.5總質量不足10%的氨被嚴重忽視。為此,我們以化學反應的摩爾占比來重新考慮問題。通過數據模型,我們發現當氮素排放為0不參加所有化學反應時,PM2.5會下降約40%。”

  同時通過計算,聯合研究團隊還做出了健康效率模型和生命損失金錢估算,首次構建了N-share指標量化全球不同國家氮排放對PM2.5健康效應的貢獻,發現全球PM2.5污染治理中氨減排比氮氧化物減排更有效而且成本更低。

  “傳統的研究是被割裂在各自的學科領域,這樣很難從策略上看清,我們團隊成員學科背景各不相同,可以通過交叉研究的方式把幾個方面結合起來一起考慮,從而找到更恰當的分析方法。”

  對于下一階段的控氮,谷保靜認為,在現有控制氮氧化物排放的基礎上,加大對氨排放的控制,對緩解PM2.5空氣污染具有重要意義。“要引導空氣治理從城市為主轉為城鄉協同。具體來說,可以通過推動種植業的規?;源龠M優化施肥,這樣估計能夠減少三分之一的化肥使用量和一半左右的氨排放;另一方面要在養殖場周邊配套農田,以便有機肥能直接使用于農田,避免堆積后氨排放到空氣中。”

  《科學》雜志社同期還邀請了國際氮素研究領域知名教授Jan Willem Erisman,以“氨如何供養以及污染這個世界”為題進行專題評論,指出現在減排氨比隨后再去解決其后果更加便宜。

《科學》資深編輯Jesse Smith教授,評論該研究“小東西更重要”(Little things matter),意指氨氣分子雖小,但是作用卻很大。

研究工作受到國家自然科學基金項目(41822701, 42061124001, 41773068, 41922037, 41721001)等的資助,聯合國環境署氮素管理系統(International Nitrogen Management System,INMS)工作組給與了本研究技術支持。

  
   轉載自浙江大學公眾號

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