北京大学物理学院大气与海洋科学系张霖长聘副教授课题组与浙江大学兼国际应用系统中心研究所(IIASA)常锦峰研究员等合作，融合大气化学、环境经济与健康等多学科研究工具，系统评估了至2030年和2050年全球各地区采用低、中、高雄心的活性氮减排策略下氨和氮氧化物的减排潜力，及对细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）空气污染以及大气氮沉降的减缓作用，揭示了活性氮减排对人类、作物和生态系统健康保护的巨大协同效益，指出活性氮治理在全球中长期实现多重可持续发展目标中不可忽视的重要作用，多介质活性氮污染治理亟需更多政策关注。相关研究成果以“雄心勃勃的活性氮污染干预策略将促进全球未来空气污染持续减缓及生态系统保护”（Aspirational Nitrogen Interventions Accelerate Air Pollution Abatement and Ecosystem Protection）为题，于2024年8月16日发表在Science旗下Science Advances.
能源和食物系统产生大量活性氮排放，对于气、水、土等多种环境介质带来一系列负面连锁影响，其中以氨和氮氧化物排放贡献生成“空气污染-人类健康”和”氮沉降-生态系统健康”两大影响路径带来的社会经济损失最为显著。当前研究已指出活性氮（氨NH3、氮氧化物NOx和氧化亚氮）减排可带来显著的环境效益，然而，全球不同地区未来社会经济发展情形下不同雄心活性氮减排策略的潜力如何，以及后续对大气生态环境的效益仍不清楚，限制了多环境介质兼顾、多可持续发展目标协同的环境政策设计与施行。
近日，张霖课题组与常锦峰、国际应用系统分析研究所（IIASA）Wilfried Winiwarter研究员、Petr Havlik研究员、佐治亚理工潘达助理教授、纽约大学David Kanter副教授等人开展合作研究，集成表征了活性氮治理政策的未来情景、综合评估模型（IIASA GAINS和GLOBIOM）、大气化学模型（GEOS-Chem）和暴露风险模型（氮沉降-生物多样性损失、空气污染暴露-人体健康和空气污染暴露-作物减产）（图1），系统评估了2030年和2050年从低强度转为高强度活性氮治理政策所带来的人为源氮氧化物和农业氨减排，及其后续对于PM2.5空气污染、O3空气污染、氮沉降、人体健康、作物产量和生物多样性的影响，进一步评估了不同未来情景下，2030年和2050年活性氮有关环境健康负担相较于2015年基准情景的变化趋势。
图1. 研究构建的跨学科综合评估框架
研究发现，通过最大化食物、能源和废弃物等部门中的活性氮污染治理技术和消费端管理政策，到2050年全球人为源NH3和NOx排放分别可以相较于其2015年的水平降低40%和52%，其中最核心的策略是提高作物氮利用效率、严格落实工业、交通和电力部门的减排技术。在2050年，这些活性氮减排策略能够减缓全球人口加权PM2.5高达6μg/m3和有关过早死亡人数81.7万，减少日最大8小时臭氧均值4ppb及有关过早死亡人数25.2万，减少臭氧污染导致的农作物损伤12200万吨，减少氮沉降超标的陆地生态系统面积高达42000万公顷。
图2. 严格活性氮污染治理策略对减缓2030年和2050年全球各区域人口加权平均PM2.5（左侧Y轴；单位：μg/m3）和臭氧污染（左侧Y轴；单位：ppbv）及有关过早死亡人数（右侧Y轴；单位：千人）的效益。
图3. 基准和未来2个INMS情景下全球活性氮有关环境健康指标分布情况。研究考虑人为源氨排放（ENH3；单位：百万吨氮）和人为源氮氧化物排放（ENOX；单位：百万吨氮），与PM2.5和O3暴露相关的过早死亡人数（单位：千人），与O3暴露相关的主粮作物（玉米、小麦、稻谷和大豆）减产量（单位：百万吨）以及超过氮沉降临界负荷的陆地生态系统面积（单位：百万公顷）。图示2015年基准情景（灰色线）、SSP2 RCP4p5路径下的低强度氮政策（粉紫色线；2030年为粉色2050年为紫色）与高强度氮政策（蓝色线；2030年为浅蓝色2050年为深蓝色）的差异，淡蓝色阴影区域表示从低强度氮政策转型到高强度氮政策在2050年的环境健康收益。
本研究具有重要的环境政策意义。全球活性氮治理政策目前大多聚焦单一物种或单一影响路径，缺乏多物种多介质多路径的协同调控。本研究发现，如果不实施高强度活性氮控制策略，文中所探讨的环境健康指标至2050年均相对于2015年显著恶化，PM2.5持续深度减缓或可一定程度依赖于气候变化治理（清洁能源减排NOx和SO2）对于空气质量的协同效益，而其它活性氮有关的环境健康指标则依赖于更有雄心的氮污染控制（尤其是氨减排）。
研究揭示了严格的活性氮管理策略的最大减排潜力，及其在全球中长期实现多重可持续发展目标（SDGs; 包括SDG3良好健康与福祉，SDG2零饥饿，SDG12负责任消费与生产，以及SDG15陆地生物）中不可忽视的重要作用，跨介质活性氮污染治理亟需更多政策关注。
该研究受到国家自然科学基金委、INMS（International Nitrogen Management System）国际活性氮管理系统、PKU-IIASA联培博士后奖学金、中国博士后基金会和香港科技大学（广州）共同资助。发表文章中，物理学院博士后郭怡鑫（PKU-IIASA联培博士后；现任香港科技大学（广州）助理教授、副研究员）为第一作者，张霖和常锦峰为共同通讯作者，物理学院毕业生周密（2021届）和王晓琳（2023届）等人也参与了主要研究工作。其它合作者包括赵浩、Wilfried Winiwarter、Petr Havlik、David Leclare、潘达、David Kanter等。
全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0112
