科学研究
科研成果
张霖与合作者在全球农业氨氮的PM2.5健康效应研究方面取得重要进展
发布日期:2021-11-05浏览次数:

PM2.5(空气动力学粒径小于2.5 μm的颗粒物)是一种主要的大气污染物,严重危害人体健康。世界卫生组织估算全球PM2.5污染每年造成数百万人过早死亡(指死亡年龄低于预期寿命),成为诸多国家亟需解决的重大环境问题。活性氮(Reactive nitrogen; Nr)排放,包括氨氮(NH3)和氮氧化物(NOx),是造成大气PM2.5污染的重要排放来源,它们与二氧化硫(SO2)一起在大气中通过化学转换导致PM2.5中二次无机盐形成。由于各国家与地区在氮排放、大气化学、人口密度、经济发展、生活水平等方面的特征差异,很难在全球范围内系统地量化氨氮和氮氧化物排放对PM2.5污染产生的健康效应和减排成本。因此,亟需一种通用的方法来比较不同国家与地区氮排放造成的健康影响,为全球PM2.5污染治理提供科学依据。

北京大学物理学院大气与海洋科学系张霖研究员与浙江大学谷保静研究员、英国生态水文中心Mark Sutton教授等开展合作研究,提出N-share(氮贡献率)指标,在全球尺度上表征氮排放对PM2.5空气污染及其健康效应的分摊贡献。N-share与氮素在PM2.5中的质量占比不同,其含义是考虑对PM2.5二次无机盐形成的综合影响,通过在大气化学数值模型中关闭氨氮和氮氧化物排放但保留其他污染物(如SO2)排放来计算得到。

联合研究团队利用多个全球三维大气化学数值模型(EMEP-WRF、TM5-FASST、GEOS-Chem),量化了全球不同国家与地区氮排放对PM2.5空气污染及其健康效应的贡献率,并进一步耦合综合评价模型(GAINS),评估了全球通过控制氮排放来减轻PM2.5污染健康风险的经济成本与收益。研究发现,全球PM2.5污染的N-share从1990到2013年有整体增加,而区域差异很大(图1):亚洲、南美和南非地区显著增加,欧洲显著降低;全球多数国家与地区中氨氮排放对PM2.5污染的贡献率比氮氧化物排放贡献更大,表明PM2.5中二次无机盐形成受氨氮限制更强。1990—2013年间,全球氨氮的PM2.5贡献率从25%增加到32%,而氮氧化物贡献率从17%增加到28%;氮贡献率的增加与其排放总量增加,而另一前体物SO2排放量减少的趋势吻合。总氮排放的N-share远小于氨氮和氮氧化物单独的N-share之和(图1)体现出两者在二次PM2.5形成过程中的相互作用。

图1 1990—2013年氮排放对全球PM2.5空气污染的贡献百分率:A~C.活性氮(Nr)排放的PM2.5 N-share及期间改变值;D~F.氨氮(NH3)排放的PM2.5 N-share及期间改变值;G~I.氮氧化物(NOx)排放的PM2.5 N-share及期间改变值

联合研究团队采用了生命年损失(years of life lost; YLL)指标来评估PM2.5污染对人类过早死亡的影响。结果表明,全球氮排放引起的PM2.5污染导致人类总YLL从1990年的1950万年增加到2013年的2330万年。结合各国家与地区经济发展情况,这相当于造成了1990年约2610亿美元和2013年4200亿美元的健康损失。因此,降低氮排放及其导致的PM2.5污染能带来巨大的健康效益。研究估算,减少全球氨氮排放的平均成本为1.5美元/千克氮,远低于其减排所带来的约6.9美元/千克氮的健康收益;相比之下,氮氧化物减排的平均成本为16美元/千克氮,远高于其约7.3美元/千克氮的收益。控制氨氮的成本收益率相较控制氮氧化物更高,其中北美地区在控制氨氮排放的成本收益率最大,其次是欧洲和亚洲(图2)。尽管目前氮氧化物减排的实施成本超过其PM2.5健康收益,但减少氮氧化物排放还可带来减轻臭氧污染、优化生态系统氮循环等其他好处。研究指出了全球控制氨排放对减轻PM2.5污染的高社会收益。氮氧化物排放主要来自交通、工业等行业中的化石燃料燃烧过程。全球许多国家和地区,尤其是美国、欧洲等发达地区,已经长期采取氮氧化物减排措施,使得进一步减排氮氧化物的边际成本加大。然而,氨排放主要来自农业活动,其排放尚未有效控制,减排成本也相对低廉,例如优化氮肥施用不仅可以减少氨排放,还可以降低氮肥使用量,从而节约减排成本。因此,在现有氮氧化物排放控制的基础上,加大对氨排放的控制,有助于全球PM2.5空气质量的持续改善。

图2 全球各大区域氨氮和氮氧化物减排50%的成本和收益:A.氨氮减排收益包含PM2.5污染减轻的健康效益以及减小氮肥施用量(Fert)的经济节约,氮氧化物减排收益包含PM2.5和臭氧(O3)污染减轻带来的健康效益;B.氮减排收益与成本的比值(高于“1”表示减排收益高于成本)

相关研究成果以“控制氨比控制氮氧化物对减轻PM2.5空气污染更具有成本效益”(Abating ammonia is more cost-effective than nitrogen oxides for mitigating PM2.5 air pollution)为题,2021年11月5日发表于《科学》(Science);谷保静(第一作者)、张霖(第二作者)、Mark Sutton为共同通讯作者,北京大学物理学院2020届博士毕业生陈优帆参与了该项研究。同期“视点”(Perspective)专栏配发了荷兰莱顿大学Jan Willem Erisman教授题为“氨如何供养和污染世界”(How ammonia feeds and pollutes the world)的评论文章。

上述研究工作得到国家自然科学基金等资助和联合国环境署氮素管理系统(INMS)工作组的技术支持;其他合作者包括来自欧盟委员会联合研究中心、荷兰环境评估署、澳大利亚墨尔本大学、北京航空航天大学、奥地利国际应用系统分析研究所、挪威公共卫生研究院等国内外高校和机构的研究人员。


论文原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf8623

评论文章链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm3492