北京大學物理學院大氣與海洋科學系張霖長聘副教授課題組與北京大學城市與環境學院劉剛教授等合作，通過融合多學科研究工具（食物損失與浪費數據、氨排放清單和模型、大氣化學模型及流行病學方法等），評估了在當前或未來減少全球食物供應鏈中損失與浪費（FLW）對氨減排、PM2.5污染減緩、氮沉降減緩和生態系統多樣性保護的效益。研究揭示了全球實現可持續發展目標SDG 12.3.1（食物損失與浪費減半）將有助于減少PM2.5空氣污染導致的過早死亡人數，并顯著減緩生物多樣性熱點區域（biodiversity hotspots）的超量氮沉降。相關研究成果以“全球食物損失與浪費蘊含尚未被認識到的對空氣質量及生態多樣性熱點的危害”（Global food loss and waste embodies unrecognized harms to air quality and biodiversity hotspots）為題，于2023年8月7日在線發表在《自然·食物》（Nature Food）。
食物系統供應鏈中存在不容忽視的的食物損失（收獲、存儲、運輸過程）及浪費（零售與消費過程）。全球食物損失占總農業生產的14%，食物浪費占19%，兩者共占食物生產的1/3，造成巨大的環境負擔。在全球食物需求增加和環境負擔加劇的背景下，聯合國可持續發展目標SDG12.3.1提出2030年食物損失與浪費減半的治理愿景，包括我國在內的多個國家也制定了反食物浪費的法律。已有研究大多關注食物損失與浪費對氣候、水、土、肥料用量等環境因子的影響，其對大氣化學和生態環境的影響路徑尚不明確。農業氮肥施用和動物糞便管理引起的氨（NH3）排放，是PM2.5中二次無機氣溶膠（包括硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽）組分的重要前體物，也帶來生態系統氮沉降，過量氮沉降導致生物多樣性損失。
張霖課題組與劉剛、美國康奈爾大學Peter Hess教授和中國農業大學劉學軍教授等人進行合作研究，集成更新的國家級別食物損失浪費數據、全球農業氨排放清單、氣候-地球生物化學耦合的全球農業氮流動過程模型（FAN）、GEOS-Chem大氣化學傳輸模型、人體健康暴露模型和生物多樣性熱點地圖，系統評估了2015年全球FLW背后蘊含的氮肥施用和動物糞便管理造成的氨排放，及FLW治理對PM2.5空氣污染、氮沉降、人體健康及生物多樣性的影響，進一步評估了2030年實現可持續發展目標SDG12.3.1對未來空氣質量及生態環境改善的效益。
研究發現，FLW在2015年貢獻了11.4 百萬噸氨排放，占人為源排放16%（圖1）。其中，食物損失相關氨排放為8.4 百萬噸（占人為源排放12%），在食物運輸存儲技術較差的發展中國家比例較高。食物浪費相關氨排放3.1 百萬噸 (占人為源排放4%)，在發達國家比例較高，這主要由于較高收入下的食品消費習慣和更為嚴格的食品安全標準。
圖1 2015年全球食物損失（FL）與食物浪費（FW）對氨排放的貢獻。a、c和e為對氨排放的貢獻（單位：kg NH3/ha/年），b、d和f為對總人為源氨排放的貢獻（單位：%）
研究團隊進一步評估了2015年和未來2030年食物損失浪費治理對PM2.5污染減緩、人類健康、氮沉降減緩和生物多樣性保護（圖2）的效益。若在2015年完全避免FLW，其帶來的農業氨減排可減少全球PM2.5 0.5-5 微克每立方米，對于歐美國家PM2.5減緩的比例高達12%；可減少全球PM2.5造成的壽命損失（Years of Life Lost; YLL）149萬年，占2015年PM2.5造成的疾病負擔的1.6%。若2030年減半FLW，所能減少的PM2.5造成壽命損失年數達到50-80萬年。
此外，避免FLW可使全球氮沉降減少9.7 百萬噸氮/年，減幅為7%，最大幅度的氮沉降減緩發生在中國東部、印度東北部和歐洲部分地區。同時，全球生物多樣性熱點區域的氮沉降超標率將減少19%，這些熱點區域雖然僅占地球表面積2.5%，卻提供全球35%的生態系統服務。這些地區對于過量氮沉降（>5 千克氮/公頃/年）非常敏感，氮沉降減緩將對當地和全球生物多樣性有顯著的保護作用，例如，喜馬拉雅地區和大西洋森林保護區的氮沉降通量下降高達8 千克氮/公頃/年和1.3 千克氮/公頃/年。在2030年，實現 FLW減半將使全球氮沉降降低4.7-6百萬噸氮/年。研究團隊進一步指出，全球農業生產技術改進帶來的農業氨減排潛力（41%）大于FLW治理帶來的農業氨減排潛力（21%），雖然后者不能替代前者，但能有效促進活性氮污染治理。
圖2 食物損失浪費治理的生態效益。中間圖為在2015年去除食物損失浪費所帶來的氮沉降下降，周圍條形圖為代表性國家與地區：2015年去除食物損失浪費及2030年減半食物損失浪費所帶來的總氮沉降（紫色柱；左軸）和氮沉降強度（綠色柱；右軸）下降。2030年基準情景包含三個社會經濟-氣候路徑下的排放情景。
本研究具有重要的環境政策意義。當前全球僅有歐盟活性氮條約（The Nitrates Directive）對農業氨排放提出了較為嚴格的量化控制指標，我國自2019年首次鼓勵氨減排以減緩PM2.5污染以來，于2022年首次提出小幅氨排放量化控制指標（京津冀集約動物農場氨排放下降5%）。目前，活性氮污染（尤其是農業污染）在全球環境治理中仍然缺乏足夠重視，活性氮治理在實現多重可持續發展目標中的潛力仍未被充分認識。該研究聚焦全球食物系統供應鏈中的損失與浪費，針對減少食物損失浪費這一具體SDG可持續發展目標，探討了全球PM2.5空氣質量和生態健康效益，研究成果將對活性氮治理、農業可持續發展、清潔空氣、生態保護和食物損失浪費治理等政策的協同制定提供科學支撐。
該研究由國家自然科學基金委、北京大學-奧地利聯合應用系統研究所（IIASA）聯培博士后獎學金等資助。該成果是張霖課題組在活性氮的大氣環境效應研究方面又一跨學科創新，課題組先前的研究包括：探討了我國農業管理策略對氮循環及大氣生態環境污染改善（Guo et al., Nature Food 2020），評估了全球活性氮深度減排的PM2.5健康效應（Gu, Zhang, et al., Science, 2021）、歐洲PM2.5減緩最優活性氮控制路徑（Liu, et al. Nature Communications, 2023）和華北地區氨減排的PM2.5減緩效益（Liu et al., Environ. Res. Lett., 2019）。
發表文章中，物理學院博士后郭怡鑫（PKU-IIASA聯培博士后）為第一作者，張霖和劉剛為共同通訊作者，物理學院博士畢業生譚海月（2022屆）和周密（2021屆）等人也參與了主要研究工作。其他合作者包括Peter Hess和劉學軍等。
鏈接：https://www.nature.com/articles/s43016-023-00810-0
其他論文鏈接
1) Air quality, nitrogen use efficiency and food security in China are improved by cost-effective agricultural nitrogen management,
https://www.nature.com/articles/s43016-020-00162-z
2) Abating ammonia is more cost-effective than nitrogen oxides for mitigating PM2.5 air pollution,
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf8623
3) The nonlinear response of fine particulate matter pollution to ammonia emission reductions in North China,
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abdf86
4) Optimal reactive nitrogen control pathways identified for cost-effective PM2.5 mitigation in Europe, https://www.nature.com/articles/s41467-023-39900-9