界面新聞記者 | 王磬

界面新聞編輯 | 鄭萃穎

4月27日，全球可持續發展獎項“前沿地球獎”公布首屆獲獎者名單，中國科學家、浙江大學環境與資源學院教授谷保靜成為四位全球獲獎者之一。

近年來，從事可持續發展工作的科學家已經確定了一系列不應跨越的“地球安全邊界”，包括氣候變化、生物多樣性損失、氮磷循環等九項，突破任一邊界都會為地球環境帶來巨大風險。工業革命以來，人類行為已成為地球環境變化的主要驅動力，也將這九項指標推向了前所未有的境地，采取行動刻不容緩。

“前沿地球獎”旨在表彰有助于將地球系統保持在九大“地球安全邊界”之內的科學研究，它由總部設在瑞士洛桑的非營利組織“前沿研究基金會”發起，本屆競賽由全球100位可持續發展科學家組成獨立評審團進行獎項評選。

谷保靜因其研究論文《在緩解空氣PM2.5污染方面，減少氨比氮氧化物更具成本效益》獲獎。該研究成果于2021年11月在美國《科學》雜志發布，首次分析了氨氣和氮氧化物在全球PM2.5污染形成中的貢獻，重點關注在應對全球PM2.5污染的治理和應對舉措，提出控制氨氣排放對降低PM2.5污染具有重要意義。

在瑞士蒙特勒舉行的頒獎儀式上，谷保靜致辭表示，其課題研究的核心關注全球氮素管理，這不僅關乎糧食安全，也是地球安全邊界最脆弱的環節之一。

中國科協國際科技交流中心履職事務處處長孫躍對界面新聞表示，此次獲獎對中國科學家團體及相關研究具有鼓勵和肯定的作用。他指出，中國科技界在過去處于“跟跑”西方的狀態，但現在已經越來越多地在“并跑”甚至“領跑”。目前進入了三跑并行的階段。

在頒獎典禮的會場，谷保靜就相關問題接受了界面新聞的采訪。

氮肥利用率低，中國一半污染來自農業氮素

界面新聞：請您為我們解釋一下氮循環的機制，為什么氮素污染治理如此緊迫？

谷保靜：自然界里面幾乎所有的生物，特別是植物都受到氮素供應的限制?？梢哉f氮素是木桶的短板，作物長得好不好，生產力高不高取決于木桶的短板，這就觸發人類去解決作物缺氮的問題。

早年人們都是去海島上挖鳥糞來獲得氮素，一開始主要是用于生產炸藥，但后來發現這個東西實際可以當化肥，但是產量特別有限。直到1908年，化學家哈伯和博施發明了工業固氮，把空氣里的氮氣跟氫氣反應生成氨，氨就可以進一步生產化肥。工業固氮一下就解放了人類缺氮的限制，讓農業生產進入綠色革命時期。在綠色革命時期，實際上通過氮肥的使用大概養活了全世界一半左右的人口。但是，自然界本來是一種缺氮的環境，在氮素微量供給的時候，它可以促進植物生長，而且利用效率特別高；但是當人們大量往地里施化肥，大量的氮素實際上并沒有被作物吸收，就流失到環境里面去了。

從氮素全球循環利用的視角來看，不僅僅是氮肥，還有電廠燒煤，汽油燃燒，養殖業的廢棄物，沖廁所的污水廢水，特別是農村地區，大量的生活污水未經處理直接排放到環境中。這些氮素不僅可以進入空氣，也可以進到水里，殘留在土壤當中，它都會產生多重效應。首先是空氣污染，隨后它會通過降雨和灰塵沉降到地面上，導致生物多樣性損失，土壤里面大量施用氮肥也會導致土壤酸化。同時氮素里面還有一個氣體叫氧化亞氮，在百年尺度上1分子的氧化亞氮的溫室效力相當于300倍左右的二氧化碳。因此，氮素除了養活全球一半人口之外，它也有強烈的負面影響。

氮素也是九大地球邊界里面超標最嚴重的兩項之一，另一個是生物多樣性喪失，其中生物多樣性喪失很大一部分又是由過量氮素導致的。所以，我們認為，氮素可能是地球的九大安全邊界里面情況最嚴重的，而在氮素的諸多影響中，空氣污染又是最嚴重的，因為空氣污染誘發肺癌、冠心病等六大疾病，每年會導致幾百萬人過早死亡。

那么，氮素具體如何影響空氣污染呢？PM2.5是一個二次污染物，有很多前體物，比如氨氣、氮氧化物、二氧化硫，以及一些其他污染物，它們相互反應，生成PM2.5。也有很少一小部分PM2.5是一次污染物，比如說來自燒秸稈或者是運貨大拖拉機的尾氣。因此，要降低PM2.5，必須追溯它的源頭，降低它的前體物，從而實現減排。當我們去控制PM2.5污染的時候，我們需要去控制氮素，因為氮素對污染物貢獻很大，在全球平均能貢獻40%，在發達國家能貢獻到百分之七八十以上，中國大概有一半左右的PM2.5污染來自于氮素。

發達國家氮排放治理的經驗和啟示

界面新聞：為什么在發達國家氮素對PM2.5污染的占比更高？

谷保靜：因為當地的二氧化硫下降更顯著。1952年的倫敦煙霧事件中，污染物主要來自于燒煤帶來的二氧化硫排放，所以后來開始大量工業脫硫，在工業燃燒過程中增加一些脫硫的裝置。工業脫硫達到一定水準之后，空氣污染就變成氮素主導了。

我們國家也是類似的情況。九十年代，中國的硫排放開始走低，但是氮素一直在增加，直到2012年左右，氮氧化物開始下降，但是氨氣一直在往上走。所以PM2.5三個最重要的前提物，二氧化硫、氮氧化物、氨氣，前兩者開始減排了，但是氨氣沒有。由于氨氣和氮氧化物都屬于氮，氮素的貢獻率就會上升。

為什么歐美國家氮素的加總貢獻率能達到百分之七八十？就是因為當地的硫已經被控制得很好。如果歐美國家希望進一步降低空氣污染，達到世界衛生組織推薦的5微克每立方米，那么歐美國家需要去控制氮氧化物和氨氣，尤其是更多去關注氨氣。

界面新聞：控氨氣和控氮氧化物，具體到農業工業生產實踐上，意味著什么？

谷保靜：工業減排方面，以電廠為例，可以通過改變電廠燒煤的方式，實現超低排放。對于汽車尾氣，可以改變它的燃燒過程和尾氣處理過程。農業減排方面，養殖業從飼養、廢棄物的生成和儲存、運輸、施肥，每個階段都會有氨氣排出。因此我們需要全鏈條改變管理方式，需要實現農業從粗放型的管理方式向現代化變革。

界面新聞：在歐洲，控制氮排放已經成為一個政治問題。荷蘭現任政府執政中最大的危機之一就是減氮問題，荷蘭的氮排放超標在歐盟國家里屬于比較嚴重的，政府要出臺法規減排，農民對此非常不滿意，還開著拖拉機上街游行。您如何看待此事？

谷保靜：癥結就在于農民是不是真的不賺錢，政府需要去計算這一點。全球氮素污染情況，分污染物來看：氨氣80~90%來自農業，種植業養殖業大概各貢獻一半；對于水體污染物來說，農業也是大頭，能夠占到一半以上。

中國跟荷蘭不太一樣，中國是小農經濟，一家一戶大概只有五六畝地，一年最多賺四五千塊錢。本來農民相對收入水平就比較低，如果說政府要求農民去減氮減污的話，要去測算一下減氮減污要花多少錢，對農民的收益有什么影響。如果收益跟成本之間是不對等的，讓農民支付減排成本，全社會享受減排收益，那就是錯配，農民肯定不愿意干這個事兒。

工業領域是誰污染誰治理，不治理就處罰。由于工業產品有極強的替代性，就算把這家處罰停產，還有另外的企業可以擴大產能，滿足社會的需求。但是糧食是剛需產品，剛需產品的生產不能夠受到干擾。你罰農民，農民一旦停止生產，糧食安全就會出問題。對任何一個國家來說，糧食安全永遠是頭等大事。

所以不能對農民應用治理工業污染的方法，除非農業本身已經具有很強的工業屬性，比方說它是工業化種植，農場主有幾萬畝地，每年的利潤率特別高，否則就會出現荷蘭的拖拉機上街的問題。我猜測荷蘭農民種地也不是特別賺錢，這種情況下政府強力推行減氮和治污，會嚴重影響農民的利潤，只有威脅到農民的生存的時候，他們才會上街。

所以我們給出的建議是，為了確保糧食安全，同時為了確保全民的環境健康身心健康，需要對農民的減排措施進行一定程度的補充，以解決錯配問題。全社會從農民的減排中獲得了收益，所以要把一部分的收益拿出來，去補貼農民的綠色生產行為，讓農民愿意去減排，最終能夠推動綠色措施的落地。我們估計過，如果做了這件事情，環境健康能夠得到改善，改善之后的收益大概是實施成本的10倍到25倍。很多地方現在都這樣做，比如美國對于冬閑田會推薦農民去做覆蓋作物，政府給農民補貼成本，同時還給額外獎勵。

農業污染“面源”難題待解

界面新聞：您剛剛提到了農業污染和工業污染的區別。您覺得現在特別是在國內，農業污染來源跟工業污染相比有一些什么樣的特點？

谷保靜：區別就在于工業污染是點源，農業污染是面源。

什么叫點源？就是它有一個排污口，或者固定在那的煙囪。有排污口，我就很容易控制這個排污口，要求你把污染物降低到一個標準以下，實現升級改造。

什么叫面源？中國18億畝耕地，每一畝耕地上都會有污染物排放。養殖場也是面源，農村的一家一戶的廁所也是面源。中國的廁所可能有幾億個，很多廁所都沒有污染處理設施，這些地方都會變成一個面源。

農業面源污染跟工業點源污染比起來，更加難控制。首先難以監督，因為污染的主體量太大了。想象一下你走到田間地頭，你能看出來哪塊田污染嗎？工廠排污不一樣，是清水還是黑水一眼就能看出來。所以面污染實際上只能去監控它的過程。比方說你采用某種生產方式，我就知道這種生產方式的污染量相對低，比如說機械深埋化肥和手撒化肥相比，氨氣排放量一下就會小很多。

同時，由于糧食安全跟環境治理之間的博弈問題，希望對這些從事新型經營方式的農民進行補貼，讓他們能夠去操作綠色生產。

界面新聞： 現在在國內，對于監控生產流程從而降低氮排放方面，有一些您印象比較深刻的實踐嗎？

谷保靜： 現在比較常見的是服務租賃。如果一個農民只有一畝地，他肯定不會自己去買大型拖拉機。那么我可以買一個大型拖拉機，這個村的地我都幫大家種了，每種一畝地收20塊錢30塊錢。通過這種成本分攤的方式讓先進技術落地。

實際上從種到收的環節，服務租賃在華北很多地方已經實現了，這些人往往是買一個大型收割機，按照成熟期從南到北連著割，可以服務很大一片范圍?，F在的難點在于，農業污染主要來自于施肥過程，而服務租賃實際上只解決了種和收，并沒有解決施肥的問題。想優化施肥需要兩個東西，第一，裝備要配備到位，比如先進的分層施肥機等等，現在裝備配備到位的很少。其次，這塊地應該施多少肥，需要專業的知識，農民和租賃商對此都不夠了解?，F在很多農戶就在種植前把肥料直接拿去撒一撒。

界面新聞：是否是因為缺乏一些激勵？

谷保靜：激勵是一個很重要的點。中國跟荷蘭還是不一樣。小農經濟之下，我們家可能只有5畝地，一畝地施肥100塊錢，5畝地500塊錢。假如超額施肥30%，也就多花150塊錢，我沒有理由去買先進的施肥機器或者讓服務商去搞個先進的施肥機器，也不想去聽政府的培訓班。實際上我們早期已經發現了，農地規模跟過量施肥存在負相關，農地規模越大，過量施肥的概率越低。

界面新聞：是因為施肥本身是比收割更復雜的一個過程嗎？

谷保靜：是，農民也好，租賃服務商也好，他們需要去判斷這塊地要施多少肥，而施肥是影響產量的。服務商不愿意擔這個責任，萬一我今年幫你施肥，你的產量低了，你還得埋怨我。而農民自己施肥，就容易多撒一點以確保產量。

耕作一塊地既需要投入先進的機械、先進的管理知識，又需要投入化肥灌溉。其中，機械屬于固定成本，生產的產品越多，平攤下來成本越低。化肥投入屬于非固定成本，不會隨著規模而變化。這兩者之間實際上是存在替代關系的。當規模很小的時候，我就愿意多投一點化肥，少投固定成本，否則不劃算。兩畝地一年賺不到2000塊錢，我肯定不在意，我在城市打工一個月可能就能賺5000塊錢，所以施肥的時候就很輕松，隨便撒撒就完了，節約下來的時間就去城里打工了。如果要實現優化施肥，首先要買機器，要把肥料深施到土壤里面，這個過程很復雜。其次施肥的時候要分次，一年施肥多次最理想，先施一遍地基肥，作物種上去了再去追肥，一次不夠再追一次。那么在城里打工的農民肯定不愿意干這個事，因為回村去施肥的成本太高了。

但是，假如你有200畝地，200畝地賺的錢可能已經超過在城市打工的收入水平，你就是職業農民了。200畝地施肥的成本就需要2萬，也不可能端著盆去撒，必須用機器去協助施肥，那么農民不但不愿意過量施肥，還會琢磨2萬的化肥量能不能降到1萬5。如此一來肯定是精準化的施肥以及分次去施肥。

界面新聞：農業的規模化效應確實比較明顯，您覺得在國內如何推廣？

谷保靜：跟西方國家不一樣，我們的土地是集體所有，農民擁有承包權，經營權可以流轉，三權分置。一家一戶一般大概就七八畝地，少的人家三四畝地，我不愿意種的話，可以把地流轉給我的鄰居，這種經營的方式叫大戶承包，家庭農場。家庭農場也可以做到100畝甚至200畝地大小。變成家庭農場之后，農民可能還是覺得地有點小，因為200畝地買個大型拖拉機也不劃算。那么10個家庭農場可以并成1個合作社，2000畝地10家人一塊去經營，可能會賺得更多。

還有一種情況是像中糧集團和江蘇省農墾這樣的工業化種植，直接大面積使用現代化耕作方式，10萬畝地統一經營。實際上在江蘇很多地方已經在試點推了，這個叫適度規模化經營。當我們把規?；饰廴娟P聯起來之后就發現，實際上降低化肥污染必須作為一個副產品來實現，隨著規?；a解決了，先解決農民的收入問題，之后優化施肥，最終就把環境問題也解決了。

界面新聞：據您估算，施肥過程中造成的污染大約占比是多少？

谷保靜：農業污染能夠貢獻中國氮素污染的一半以上，這一半里面，種植業跟養殖業比例差不多，養殖業稍微大一點，種植業大概貢獻百分之二十幾的污染量。

“農業氮素信用系統”改善錯配

界面新聞：您在論文中提出了一個名為“氮素信用系統”的設想，您能否解釋一下這個系統在理想情況中應該怎樣運作？

谷保靜：農民要為了改善污染付出成本，但是并沒有獨享環境改善帶來的收益，農業氮素信用系統實際上就是為了解決這個錯配問題。

我們有另外一篇2023年1月份剛發表在《自然》上的論文，提出了減排氮素的11項措施。但凡農民采用這11項措施，政府就給他補貼，補貼的錢從哪來？錢就從環境改善之后，全社會都獲益的這部分里面摳出來。怎么去執行？就是農民一旦采用了這些舉措，他就會獲得氮素信用分，就和航司機票積分一樣，一個積分就可以拿到政府那去換錢，從而解決錯配問題，激勵農民去做更多的環境友好型的操作。

氮素信用系統的本質就是對農民的綠色生產行為進行補貼。2023年1月份的那篇論文出來之后，澳大利亞已經去實踐了，當地管理大堡礁的機構專門寫信來說，他們正在用我們的信用系統去保護大堡礁。澳大利亞的大堡礁很漂亮，大家都很喜歡去旅游，但大堡礁上游地區種了很多甘蔗，農民為了提升甘蔗的產量大量施肥，肥料就沿河流入海中，引起大堡礁的珊瑚死亡。政府為了解決珊瑚死亡的事件，跟這些農民做了協議，如果農民減少氮肥的施用、減少氮素進入大堡礁，就能得到信用分，之后可以拿到政府那去換錢。

界面新聞：在減輕氮排放這個領域，您在全球范圍內是否看到一些比較有趣的實踐，可以對中國當下的情況有所啟示？

谷保靜：從很長的歷史時間上看，中國肯定是要持續推進規?；N植，這是第一步。因為規模化之后，污染的確降低了很多，也有利于先進的機械和先進的管理，現代化的農業能夠真正落到實地上。

歐洲地區、美國地區、澳大利亞地區的規?；N植，規模實際上都很大。我們有可能達到歐洲的規模，歐洲現在差不多10個公頃，100多畝地。國內現在每個農戶的平均規模是0.5公頃，還是很小。所以我們不要求達到美國那樣，也實現不了。

在持續推進規模化的前提下，氮素信用系統至關重要。其中分為三個層次。最簡單的就是改用新型肥料——比如說緩控施肥或者是抑制劑肥料——即便采用傳統施肥方式，相比傳統肥料尿素，還是可以大幅度降低污染。但是它價格要高很多，所以我們推薦政府直接對新型肥料進行補貼，讓新型肥料跟傳統的尿素同價或者略低一點點，不要低太多，否則可能造成過量施肥?；蛘咄扑]農民讓豆科作物跟其他作物輪作。這些都比較特別容易操作，不受規?；挠绊?。

當進入第二層次的時候，就需要規?；r業了。如果要優化施肥方式，以現在一直推的測土配方技術為例，可以檢測土壤養分含量，據此決定要施多少化肥。那么中國有18億塊田的話，一般一塊田要取5個點，最終大概需要接近100億樣品，即使每年測一次，一次檢測成本十塊錢，那么一年的測試費就要1000億人民幣，此外取樣、運輸、實驗室檢測、溝通都是成本，最后光測土配方這件事情可能就要花上萬億的錢，這就不現實。所以說，需要當地農業已經達到比較高的規?；健?/p>

第三個層次，對社會發展的程度要求就更高。現在的歐美國家測土配方是常態，因為它的田塊比較大，經濟水平很高，農民受教育水平也很高，有先進的技術，比如無人機甚至是遙感幫你看地面的情況，遠程決定要用什么施肥。

所以我們的信用系統里面實際區分了三個層次，根據技術條件去采用不同的策略和方式補貼和引導農民，確保不影響糧食安全。中國每年的中央1號文件都是關于糧食安全的，為什么？因為這個事情很重要，也很復雜，涉及到很多技術問題，管理問題、制度問題，甚至是社會整體的發展問題。

界面新聞：再說回這次獲獎的論文《在緩解空氣PM2.5污染方面，減少氨比氮氧化物更具成本效益》，您怎么樣評價論文的科學意義和政策意義？

谷保靜：科學意義上，實際上之前很少有人量化過空氣污染里面到底哪種污染物的貢獻大。過去量化的時候很容易采用的方式是檢測空氣污染物的組成成分，那么氨占比會很小，因為氨氣與氮氧化物、二氧化硫相比很輕，但是氨氣又是堿性氣體，二氧化硫和氮化物都是酸性的，在反應過程中很容易形成氨鹽。因此，除了重量貢獻之外，氨還會有反應的貢獻。

所以，我們用大氣化學模型，通過模擬實驗的方式把氨摳掉，去看它整體上的貢獻，會比原來的檢測方式更合理。同時，我們構建這個指標把前體物跟最終的污染物聯系起來，希望能夠量化清楚，同時把貢獻最終連接到人體健康效應上。我們做了大量的健康效應的分析和成本收益的分析，最終能夠量化出來，考慮到成本問題，控氨實際上是一個更優的策略。因為離開成本去談論環境治理是不負責任的。我們可以寫一個非常完美的方案，但是這個方案要花光全球所有的GDP才能夠實現，那也不現實，所以我們要把成本控制在合理范圍內。

從政策意義上來講，中國控制氮氧化物已經有一段時間了，所以我們需要把氨氣也納入進來，作為共同控制的點。世界衛生組織推薦的5微克每立方米是一個特別低的濃度值，現在很多發達國家還沒達到，發達國家一般是按照之前10微克每立方米來。中國原來的安全值是75微克每立方，十三五期間已經達到了，但現在還是比10微克要高很多。所以要現在從四五十的水平降到10、降到5的話，需要進一步把這些東西都納入減排體系里面。

界面新聞：獲得前沿地球獎對您個人來說意味著什么？可能對中國的科學界來說又意味著什么？

谷保靜：我認為這是對我們整個團隊工作的一種肯定。這讓我們更有信心，相信我們對地球科學系統的研究還是有一定貢獻的。另一方面這個獎項也能夠激勵更多的人投身于環境保護領域的研究。因為環境保護不像別的領域，更容易做出產品或專利，環境保護本身就是一個公益事業。

在氣候變化的壓力下，極端氣候事件比如極端高溫、極端低溫、極端干旱、極端暴雨日益頻繁，未來保護環境變成特別大的社會發展需求的時候，我們能夠通過前沿地球科學獎推動更多的年輕人、更多的科學家進入這個領域，相信這對于本次會議提到的“加速地球的保護進程”至關重要。

（實習生高鉑寧對此文有貢獻）