全球用于粮食生产的氮肥使用可能威胁将全球变暖控制在2摄氏度以内的努力。
但一项新研究称，无需依赖新技术，到2050年化肥排放量便可削减84%。
专家表示，需要综合多种方法来提高效率。
一项新研究发现，无需研发新技术，到2050年化肥排放量便可减少至当前水平的约五分之一。
这项研究发表于《自然·食品》（Nature Food），该研究考察了全球氮肥的生产、贸易和使用情况，以量化其温室气体排放总量。
研究发现，仅提高作物氮素利用效率一项措施，就可能使合成肥料需求减半，从而降低其总体排放。其他一些建议的措施还包括利用可再生能源和核能为化肥生产供电。
研究人员综合了所有可用的干预措施，指出到2050年，氮肥排放量最多可削减84%，这一数字高于此前的估计。
然而，该研究的一位合著者告诉《碳简报》（Carbon Brief），要实现这一数字“非常具有挑战性”，“无论在经济上还是在实际执行层面”。
高排放工艺
环境科学家瓦茨拉夫·斯迈尔（Vaclav Smil）教授在1999年发表于《自然》（Nature）的一篇文章中，称氮肥是“20世纪最重要的发明”。
化肥大体分为两类：有机肥和无机肥。（后者有时被称为化学肥料、矿物肥料或合成肥料。）
有机肥主要由作物残茬或动物粪便或残体制成，例如粪肥或堆肥。无机肥或称合成肥料，由化学制造的材料制成。两类化肥都用于促进植物生长和提高作物产量。
这些化肥的广泛使用提高了全球粮食产量，但也对环境造成了诸多负面影响，包括导致附近水道出现有害藻华、土壤酸化以及温室气体排放。
氮肥施用于农田后，部分氮元素会流失到环境中——渗入土壤、被冲刷进入附近水体，或以气体形式释放到大气中。
土壤中的微生物分解氮肥，产生一氧化二氮（N2O）——这是一种温室气体，其增温能力几乎是二氧化碳的300倍。此外，化肥生产是一个高能耗过程，仅其本身就约占全球二氧化碳排放总量的1.5%。
2020年的一项研究发现，全球用于粮食生产的氮肥使用可能威胁将全球变暖控制在2摄氏度以内的努力。
这项新研究估计，用于粮食种植的氮肥生产和使用约占全球温室气体排放的5%。
该研究考察了合成肥料和有机肥的全球流动情况，并分析了其2019年的排放。研究发现，三分之二的排放来自氮肥的使用，而仅三分之一来自生产环节。
为追踪氮肥的物质流动，研究人员利用了全球九个不同地区的化肥生产和消费数据，并考虑了各地化肥生产的排放强度。
据其估计，2019年，合成氮肥和粪肥的生产与使用产生了26亿吨二氧化碳当量（CO2e）的排放。
研究人员发现，施用于土壤的粪肥平均排放量几乎是合成肥料的两倍。他们写道，因此，就温室气体减排而言，粪肥“目前并不是合成肥料的合适替代品”。
实现效率提升
该研究考察了不同干预措施的潜在排放影响，例如在生产中使用可再生能源供电、降低化肥的总体需求以及提高其使用效率。
下图显示了通过提高氮素利用效率、改变合成氨生产方法等干预措施可实现的不同未来排放情景。
研究人员表示，提高效率是“减少排放的最有效单一策略”。
目前，全球作物氮素利用效率为42%——这意味着施用于土壤的氮素中仅有42%被植物吸收。若将这一效率提高到67%——据一项2015年的研究，这大致相当于美国和加拿大所达到的水平——新研究发现，到2050年，化肥总需求可减少48%。2015年的一项研究。
要提高效率，需要综合多种方法，包括适当灌溉、培育能更好利用氮肥的作物，以及在正确的用量、时间和地点施用合适的肥料。
研究补充称，目前世界上许多地区用于作物的氮素总量——包括人工和天然来源——“远超作物的氮素需求量”。
下图首次发表于2022年《碳简报》一篇关于化肥与气候变化的文章中，标示了全球各地每公顷耕地的过量氮素施用量。《碳简报》（Carbon Brief）文章。
研究发现，要减少化肥排放，生产和使用环节都需要脱碳。一个以可再生能源供电、电气化程度更高的系统，可对生产排放产生相当大的影响。
生产氨这一化合物需要氮和氢，而氨是氮肥的主要成分。目前氢气是利用化石气体生产的，但如果改用水和电力（一种称为“电解”的工艺）并由可再生能源或核能供电来制取氢气，则可减少这一过程的排放。电解）制取氢气，由可再生能源或核能供电。
研究从化肥使用的角度考察了应对排放的三种可能途径：减少需求、直接减少一氧化二氮排放，以及调整化肥种类的构成。
该研究的一位合著者安德烈·卡夫拉·塞伦霍（André Cabrera Serrenho）博士，现任剑桥大学助理教授，他表示，84%的减排数字可以部分通过改变化肥中氮素的形态来实现。他告诉《碳简报》：
“因此，如果不使用尿素，而是使用硝酸铵，我们便可将潜在减排幅度从80%略微提高到84%。
“但只有在我们做好其他所有工作之后，调整化肥构成本身才会带来减排效果。在当前条件下，如果我们进行这种替代，最终实际上向大气中排放的温室气体会比不替代时更多。”
研究表明，仅替换化肥中的氮素类型本身并不能减少排放——单独进行此项操作，实际上会导致排放增加3%。只有将替代与其他干预措施结合使用，才能看到排放下降。
硝酸铵和尿素都是氮素来源，但使用硝酸铵的排放量可能显著低于使用尿素，一项2021年的研究表明。
提高氮素利用效率有助于减少对氮肥的需求；需求减少又将显著降低排放。
研究还指出，使用“硝化抑制剂”可以减少总排放。
硝化抑制剂（PDF）是添加到化肥中的化学品，用于在化肥施用于耕地时减少氮素流失。氮素流失可能导致土壤酸化；石灰石通常被用于应对这种酸化。因此，减少氮素流失也会降低用于纠正酸化的石灰石需求量，从而减少总排放。（石灰与土壤酸性发生反应时，会产生二氧化碳。）
下图左侧显示了到2050年合成肥料排放的“一切照旧”情景，右侧显示了研究中所考察的不同干预措施的排放影响。
对减排的乐观态度
塞伦霍表示，清洁能源是化肥脱碳中“极为重要”的因素，并补充道：
“我们知道，为使社会脱碳，我们必须实施的一项行动是实现所有能源使用的电气化，并利用可再生能源或核能发电。
“就合成氨和化肥生产而言，如果我们要利用电解制取用于合成氨的氢气，就需要大量电力。这些电力必须来自可再生能源或核能，否则合成氨生产仍将产生大量排放。”
研究人员写道，这些减排行动中的许多可以同时实施，“从而提高总体减排潜力”。
马克·萨顿（Mark Sutton）教授，英国生态与水文中心的一位环境物理学家，英国生态与水文中心对这些减排路径所体现的“乐观态度”表示欢迎，并补充说，这项研究恰逢全球设定减少养分流失目标之际，时机恰当。
该目标是在更广泛的框架（PDF）下达成的，该框架在蒙特利尔举行的COP15生物多样性峰会上通过，旨在到2030年将流入环境的养分流失量减半。萨顿告诉《碳简报》：
“我认为，[这项研究中]真正新颖的是这种非常高的目标，即‘我们可以做到’，这也正是对业界的一种挑战，针对那些认为我们无法走到这一步的人。
“我还没有见过哪项研究将所有来源的排放综合起来，并显示出如此高的雄心水平。”
某些干预措施的组合可在本世纪中叶实现很高的减排率。研究人员考察的一种情景表明，当合成氨生产采用水电解，并同时降低化肥生产需求、使用硝化抑制剂时，到2050年的总排放量最多可减少78%。
研究补充称，所考察的所有干预措施均具有“较高的技术成熟度”，这意味着它们可以在不久的将来大规模部署。
但研究表明，减排方案未必能在所有地方轻松推广。例如，较新的生产设施可能能够应用水电解和电加热进行合成氨生产。但在较旧的设施中，将碳捕集与封存（CCS）技术加装到现有设备上可能更为容易。
适宜的碳捕集与封存储存盆地的地理差异或风力资源的可利用性，也可能影响各项措施的本地化应用。对于研究中的电加热情景，假设风电为生产提供热能，但这一做法在全球各地的可行程度有所不同。
萨顿表示，这项研究应“融入关于措施的讨论”，以减少化肥排放并提高整体效率，他补充道：
“更进一步的问题在于如何实现目标。如何促使企业行动起来，并表明如果企业成为变革的引领者而非落后者，在这一领域存在商机。”
