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北京大学城市与环境学院刘刚教授等合作，通过融合多学科研究工具（食物损失与浪费数据、氨排放清单和模型、大气化学模型及流行病学方法等），评估了在当前或未来减少全球食物供应链中损失与浪费（FLW）对氨减排、PM2.5污染减缓、氮沉降减缓和生态系统多样性保护的效益。研究揭示了全球实现可持续发展目标SDG 12.3.1（食物损失与浪费减半）将有助于减少PM2.5空气污染导致的过早死亡人数，并显著减缓生物多样性热点区域（biodiversity hotspots）的超量氮沉降。相关研究成果以“全球食物损失与浪费蕴含尚未被认识到的对空气质量及生态多样性热点的危害”（Global food loss and waste embodies unrecognized harms to air quality and biodiversity hotspots）为题，于2023年8月7日在线发表在《自然·食物》（Nature Food）。
食物系统供应链中存在不容忽视的的食物损失（收获、存储、运输过程）及浪费（零售与消费过程）。全球食物损失占总农业生产的14%，食物浪费占19%，两者共占食物生产的1/3，造成巨大的环境负担。在全球食物需求增加和环境负担加剧的背景下，联合国可持续发展目标SDG12.3.1提出2030年食物损失与浪费减半的治理愿景，包括我国在内的多个国家也制定了反食物浪费的法律。已有研究大多关注食物损失与浪费对气候、水、土、肥料用量等环境因子的影响，其对大气化学和生态环境的影响路径尚不明确。农业氮肥施用和动物粪便管理引起的氨（NH3）排放，是PM2.5中二次无机气溶胶（包括硫酸盐、硝酸盐和铵盐）组分的重要前体物，也带来生态系统氮沉降，过量氮沉降导致生物多样性损失。
张霖课题组与刘刚、美国康奈尔大学Peter Hess教授和中国农业大学刘学军教授等人进行合作研究，集成更新的国家级别食物损失浪费数据、全球农业氨排放清单、气候-地球生物化学耦合的全球农业氮流动过程模型（FAN）、GEOS-Chem大气化学传输模型、人体健康暴露模型和生物多样性热点地图，系统评估了2015年全球FLW背后蕴含的氮肥施用和动物粪便管理造成的氨排放，及FLW治理对PM2.5空气污染、氮沉降、人体健康及生物多样性的影响，进一步评估了2030年实现可持续发展目标SDG12.3.1对未来空气质量及生态环境改善的效益。
研究发现，FLW在2015年贡献了11.4 百万吨氨排放，占人为源排放16%（图1）。其中，食物损失相关氨排放为8.4 百万吨（占人为源排放12%），在食物运输存储技术较差的发展中国家比例较高。食物浪费相关氨排放3.1 百万吨 (占人为源排放4%)，在发达国家比例较高，这主要由于较高收入下的食品消费习惯和更为严格的食品安全标准。
图1 2015年全球食物损失（FL）与食物浪费（FW）对氨排放的贡献。a、c和e为对氨排放的贡献（单位：kg NH3/ha/年），b、d和f为对总人为源氨排放的贡献（单位：%）
研究团队进一步评估了2015年和未来2030年食物损失浪费治理对PM2.5污染减缓、人类健康、氮沉降减缓和生物多样性保护（图2）的效益。若在2015年完全避免FLW，其带来的农业氨减排可减少全球PM2.5 0.5-5 微克每立方米，对于欧美国家PM2.5减缓的比例高达12%；可减少全球PM2.5造成的寿命损失（Years of Life Lost; YLL）149万年，占2015年PM2.5造成的疾病负担的1.6%。若2030年减半FLW，所能减少的PM2.5造成寿命损失年数达到50-80万年。
此外，避免FLW可使全球氮沉降减少9.7 百万吨氮/年，减幅为7%，最大幅度的氮沉降减缓发生在中国东部、印度东北部和欧洲部分地区。同时，全球生物多样性热点区域的氮沉降超标率将减少19%，这些热点区域虽然仅占地球表面积2.5%，却提供全球35%的生态系统服务。这些地区对于过量氮沉降（>5 千克氮/公顷/年）非常敏感，氮沉降减缓将对当地和全球生物多样性有显著的保护作用，例如，喜马拉雅地区和大西洋森林保护区的氮沉降通量下降高达8 千克氮/公顷/年和1.3 千克氮/公顷/年。在2030年，实现 FLW减半将使全球氮沉降降低4.7-6百万吨氮/年。研究团队进一步指出，全球农业生产技术改进带来的农业氨减排潜力（41%）大于FLW治理带来的农业氨减排潜力（21%），虽然后者不能替代前者，但能有效促进活性氮污染治理。
图2 食物损失浪费治理的生态效益。中间图为在2015年去除食物损失浪费所带来的氮沉降下降，周围条形图为代表性国家与地区：2015年去除食物损失浪费及2030年减半食物损失浪费所带来的总氮沉降（紫色柱；左轴）和氮沉降强度（绿色柱；右轴）下降。2030年基准情景包含三个社会经济-气候路径下的排放情景。
本研究具有重要的环境政策意义。当前全球仅有欧盟活性氮条约（The Nitrates Directive）对农业氨排放提出了较为严格的量化控制指标，我国自2019年首次鼓励氨减排以减缓PM2.5污染以来，于2022年首次提出小幅氨排放量化控制指标（京津冀集约动物农场氨排放下降5%）。目前，活性氮污染（尤其是农业污染）在全球环境治理中仍然缺乏足够重视，活性氮治理在实现多重可持续发展目标中的潜力仍未被充分认识。该研究聚焦全球食物系统供应链中的损失与浪费，针对减少食物损失浪费这一具体SDG可持续发展目标，探讨了全球PM2.5空气质量和生态健康效益，研究成果将对活性氮治理、农业可持续发展、清洁空气、生态保护和食物损失浪费治理等政策的协同制定提供科学支撑。
该研究由国家自然科学基金委、北京大学-奥地利联合应用系统研究所（IIASA）联培博士后奖学金等资助。该成果是张霖课题组在活性氮的大气环境效应研究方面又一跨学科创新，课题组先前的研究包括：探讨了我国农业管理策略对氮循环及大气生态环境污染改善（Guo et al., Nature Food 2020），评估了全球活性氮深度减排的PM2.5健康效应（Gu, Zhang, et al., Science, 2021）、欧洲PM2.5减缓最优活性氮控制路径（Liu, et al. Nature Communications, 2023）和华北地区氨减排的PM2.5减缓效益（Liu et al., Environ. Res. Lett., 2019）。
发表文章中，物理学院博士后郭怡鑫（PKU-IIASA联培博士后）为第一作者，张霖和刘刚为共同通讯作者，物理学院博士毕业生谭海月（2022届）和周密（2021届）等人也参与了主要研究工作。其他合作者包括Peter Hess和刘学军等。
链接：https://www.nature.com/articles/s43016-023-00810-0
其他论文链接
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