[科普中国]-氮污染正引发新一轮环境危机，中国科学家提出安全排放新标准

说起碳排放大家都不陌生，但要说到“氮排放”，似乎很少引起关注。氮肥的使用使粮食增产的同时，也导致了严重的水质污染。怎样合理控制氮排放，以避免氮污染对人类的长期影响？近期，来自清华大学的研究团队，对氮排放的安全标准提出了新的量化方法，有望帮助制定可持续的氮排放管理条例，以恢复中国的水体安全。该研究发表在2月28日的《自然》杂志上。被忽略的氮排放碳排放是关于温室气体排放的一个总称或简称。温室气体中最主要的气体是二氧化碳，因此用碳（Carbon）一词作为代表。人类的任何活动都有可能造成碳排放，比如普通百姓简单的烧火做饭都能造成碳排放，任何物体被火烧后的废气都会产生碳排放。碳排放会带来温室效应，从而给地球和人类带来灾难，所以控制碳排放。二氧化碳引发全球变暖受到公众的普遍关注，但氮排放的问题很大程度上未被关注，其中部分原因是由于氮问题更为复杂，氮在环境中有更多化学形态，在环境中循环迁移。尽管目前全球氮排放与氮污染问题还未像二氧化碳一样作为一个紧迫性问题来取得世界各国政府和民众的共识，但越来越多的科学家已经意识到了氮污染的危害性，都在研究控制氮排放的方法和手段。2月28日，以喻朝庆博士为第一作者的清华大学研究团队在《自然》杂志上发表了一篇题为《恢复中国水环境质量需全面加强氮管理》的文章，对氮排放的安全标准提出了新的量化方法：当水体氮浓度首次达到或超过Ⅳ类水质标准（即氮含量达到1.0毫克/升）时，对应的氮流失量（包括排放到地表径流和渗入地下的氮）就是该区域的氮排放安全阈值（以年为单位）。该方法打破了氮排放安全阈值评估缺乏可靠量化标准的现状，也为全球环境容量限界研究的区域阈值提供了新思路。污染水质的罪魁祸首氮是生物圈内基本的循环物质之一。大气中氮气的含量为78.08%（体积分数），经过固氮微生物或者雨、雷电的作用固化为含氮化合物，落入地表进入土壤和水体后，被动植物所吸收利用转化为氨基酸（氨基酸是构成蛋白质的基本单位）等营养成分，最终由微生物分解掉动植物的尸体或排泄物，氮素又以氨气或者氮氧化物的形式返回大气中。然而人类活动从根本上改变了氮循环，肥料的过度使用，牲畜、家庭和工业含氮物的排放造成了环境中氮的增加。氮在环境中存在的量超过了一定范围，就会导致环境污染，主要是水体污染。水华和赤潮就是水体严重污染的体现。水华是由于生活及工农业生产中含有大量氮、磷的废污水进入水体后，造成水体富营养化（水中营养物过剩），蓝藻、绿藻、硅藻等浮游生物大量繁殖后使水体呈现蓝色或绿色的一种现象。类似情况如果发生在海水中（一般呈红色）则称为赤潮。这些藻类会消耗掉水体中大量的溶解氧，堆积在水中的藻类还会厌氧分解散发恶臭味，蓝藻还会产生蓝藻毒素，影响饮用水源和水产品安全，对人类健康的危害较大。尽管目前普通大众还未感受到全球氮污染问题的严重性，但越来越多的科学家已经意识到了该问题的紧迫性，都在积极寻求控制氮排放的有效方法。氮排放与中国60年水质变化怎样定义氮排放呢？氮排放是关于含氮元素的化合物排放到环境中的总称。为实现人类可持续发展，就需要严格控制氮排放，将其对全球环境的影响维持在安全界限内。但这个安全界限（氮排放的安全阈值）到底是多少，一直没有可靠的量化定义方法。由于氮元素在不同区域的迁移转化复杂多变，一些学者常用的基于氮平衡模型开展的全球尺度的阈值评估过于简单，且存在很大的不确定性。清华大学此次提出的量化定义氮排放安全阈值的新方法是该领域的重大突破。该研究首先估算了1955年至2014年我国各地水体氮排放的情况，揭示了60年来人类活动导致的氮排放量变化。视频：1955-2014年中国氮排放（径流与土壤下渗之和）与河流水质演变情况。图注：左下图例自上而下分别是城市氮排量（Urban N）、农村氮排量（Rural N）、农田氮排量（Cropland N）、水质（Water quality）；右侧四个曲线图自上而下分别是营养物质回收率、全国粮食产量、合成氮肥的使用量和氮排放量随着时间的变化趋势。从视频上看，我国的氮排放主要集中在中部和东部地区。1975年开始东部有零星湖泊氮排量明显增加，1980年开始全国氮排放量显著增加，其后20年间（至2000年），中部黄河及其周围水域的氮排量超标严重；而东部地区和长江及以南的地区，部分水域氮排量显著增加之后又降低，总体氮排量远低于中部地区。2000年以后，中部地区的氮排量逐渐减少，虽然较1999年的氮排放量要少很多，但仍然处于较严重的超标状态；此时东部地区内陆湖泊氮排放严重超标。长江的氮排放量在2010年之前一直未超标，而2010年以后也开始加速增加。总体来讲，长江以南的氮排放集中在内陆湖泊，而长江以北黄河流域则集中在黄河及其支流，氮污染情况更严重。研究人员还统计了我国各省首次超过IV类水质标准（1毫克/升）所在的年份，绝大多数省份的氮排放在80年代中期超过了水环境安全阈值。总体来讲，我国全国水环境的氮容量安全阈值为每年520±70万吨，但目前氮的实际排放量每年达到1450±310万吨(2010~2014年平均水平)，远高于安全阈值。因此，我国当前的氮排放管理面临严峻的挑战。控制与减排势在必行从氮排放的源头来看，目前全国人为氮排放量中，农业系统占当前氮排放量的59％（其中农田占35％，牲畜占24％），39％来源于生活污水（其中城市污水占13％，农村污水占8％，有机垃圾占18％），其余2％来源于工业废物。因此控制氮排放，就是要有效地控制农业系统、生活垃圾和工业废物的氮排放。在农业系统中，目前粮食产量的45±3%可以归因于氮肥的使用。2016年合成氮肥使用量仍为30.5吨。作者经过软件模拟研究之后，认为要减少氮肥对环境的负面影响又同时维持农业生产力，应采取的办法是优化农田管理和建立营养物质回收系统。对农田进行优化管理，即在适当的时间和地点以适当的速度施用适当的肥料产品（INM）。改变中国农业施肥方式，以及采用合成肥料与粪肥相结合的方式等，可以将氮素排放量减少到足以回到省级安全阈值的水平。建立营养物质回收系统，主要指农业有机废物还田。农业系统的氮排放经过一定的处理，可以将这些氮归还给农田进行二次利用，即“还田”。如秸秆还田就是把不宜直接作饲料的秸秆直接或堆积腐熟后施入土壤中的一种方法。秸秆中含有大量的新鲜有机物料，在归还于农田之后，经过一段时间的腐解作用，就可以转化成有机质和养分。除此之外，还要减少牲畜、家庭和工业废弃物的氮排放。例如加大污水处理的力度，将工业废水与生活废水分离，并将生活污水系统与现有的灌溉系统连接起来，从而将生活污水用做灌溉用水；进一步改善畜禽粪便管理，控制动物饮食、捕捉颗粒物排放等方式控制氮的排放。对生活污水进行处理也是减少氮排放的有效途径。目前我国只有56%的污水处理厂有氮去除设备，平均氮去除率为55%，污水处理厂的氮去除量约占城市污水总氮的26%，需要增加资金和运营成本来进一步提高污水处理厂的除氮效率。总之，我国要恢复水体安全和可持续的氮水平，还有很长的路要走，必须克服巨大的挑战，动员和整合所有相关的社会经济部门，制定有效的区域政策统筹协作。作者 | 张天慧 北京交通大学化学系博士审稿 | 曹学伟 南京农业大学农学系博士编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国