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为解决氮肥生产高能耗、高碳排放及供应链脆弱等问题，卡内基科学研究所研究人员开展低碳氨生产研究。结果表明各生产途径利弊各异。该研究为农业可持续发展提供指引，推荐科研读者阅读，助力探寻农业转型新方向。
在当今世界，人口数量不断攀升，要让每个人都能吃饱饭，农业生产至关重要。而肥料，就像是农作物茁壮成长的 “魔法药水”，其中氮肥（N fertilizers，含有氮元素，能为农作物提供关键营养，助力其生长）更是功不可没。全球近一半人口的粮食供应都离不开氮肥，它在保障粮食安全方面的地位举足轻重。
然而，氮肥生产背后却藏着不少棘手的问题。目前，绝大多数氮肥是通过以化石燃料为基础的哈伯 - 博施法（Haber–Bosch process，20 世纪初发明的一种工业方法，能将大气中的氮气转化为氨气，用于氮肥生产 ）来生产氨气，进而制成的。这一过程不仅消耗大量能源，就像一个 “能源黑洞”，生产一千克氨气所消耗的能量，相当于欧洲普通家庭一天的用电量；还是个 “碳排放大户”，全球氨生产产生的温室气体排放量在 2020 年达到了 4.5 - 5 亿吨二氧化碳当量，占全球总量的 1.3% 。并且，氮肥的供应链极为复杂，对化石燃料的依赖使得它极易受到各种因素的影响。一旦化石原料供应出现问题，或者国际局势不稳定，氮肥的价格就会像坐过山车一样大幅波动。这可苦了那些依赖进口氮肥的国家和地区，尤其是非洲、南美洲等地的小农户，他们往往因为买不起昂贵的氮肥，不得不减少使用量，结果导致农作物产量下降，粮食价格上涨，粮食安全面临巨大挑战。
为了解决这些难题，来自卡内基科学研究所（Carnegie Institution for Science）的斯特凡诺?明戈拉（Stefano Mingolla）和洛伦佐?罗萨（Lorenzo Rosa）展开了深入研究。他们的研究成果发表在《自然食品》（Nature Food）期刊上，论文题目是《低碳氨生产对弹性和可持续农业至关重要》（Low-carbon ammonia production is essential for resilient and sustainable agriculture）。这项研究深入剖析了全球氮肥供应链，详细分析了低碳氨生产途径的各种利弊，为推动农业可持续发展指明了方向，意义重大。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们通过收集国际肥料协会（International Fertilizer Association）、联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization，FAO）等多个权威机构的数据，详细梳理了全球氮肥的生产、需求、贸易等情况。同时，他们还构建了 “氮肥供应链脆弱性指数”，综合考量各国氮肥生产能力、农业使用量以及对进口天然气的依赖程度，以此评估各国氮肥供应链的脆弱程度。此外，他们对不同的低碳氨生产途径，从成本、温室气体排放、供应链复杂程度等多个维度进行对比分析，全面评估这些途径的优劣。
下面来看看具体的研究结果：
氨生产耗能高且碳排放量大
生产氨的过程堪称 “耗能巨兽” 和 “碳排放大户”。全球约 99% 用于氨合成的氢气来自化石燃料，其中 70% 通过天然气蒸汽重整获得，26% 来自煤气化。并且，不同生产方式的碳排放差异很大，以煤炭为原料生产氨的碳排放尤其高，每生产 1 吨氨，会排放 3.2 - 4.5 吨二氧化碳。这表明传统氨生产方式对环境的压力巨大，急需寻找低碳的替代方案。
氮肥供需的地理分布不均衡
氮肥的使用情况在全球各地差异很大。中国等农业集约化程度高的地区，为了追求高产量，会大量使用氮肥。但在很多地方，尤其是生产能力有限的地区，获取和购买氮肥都很困难。从生产端来看，全球 407 座氨生产厂，仅分布在 61 个国家，北方国家的生产能力较强，而南方国家则明显不足。像巴西，作为第四大氮肥消费国，却因国内生产能力不足，不得不大量进口氮肥。这种供需的不平衡，使得许多地区在面对供应链冲击时十分脆弱。
全球贸易与粮食安全的紧密关联
研究人员通过计算 “氮肥供应链脆弱性指数” 发现，该指数能更全面地反映一个国家的粮食安全状况。例如，美国虽然是氮肥净进口国，但因其生产能力强，能满足国内需求，所以脆弱性指数较低。而德国，尽管是氮肥净出口国，但由于生产依赖进口天然气，在考虑天然气进口因素后，其脆弱性指数升高。全球有 18 亿人依赖进口氮肥或使用由进口天然气生产的氮肥，这意味着他们的粮食供应极易受到外部供应波动的影响，凸显了全球对进口氮肥的高度依赖以及粮食安全面临的潜在风险。
低碳氨生产途径的权衡分析
为了减少氨生产对环境的影响，研究人员分析了多种低碳氨生产途径。碳捕获与封存（Carbon Capture and Storage，CCS ）技术可以将温室气体排放量降低约 70%，成本也相对较低，但它依然依赖天然气，并且受到合适储存地点的限制。生化过程虽然能摆脱对化石燃料的依赖，甚至有可能实现负排放，但生物质处理的基础设施建设成本高昂，还需要大量的土地和水资源来种植生物质。水电解在使用低碳电力时，能大幅减少温室气体排放，但它耗能巨大，成本比传统化石燃料生产方式高 2 - 3 倍，对土地的需求也很大。小型分散式水电解厂能降低运输成本和供应链复杂性，但由于规模小，单位成本较高。
综合研究结果和讨论部分来看，目前的氮肥生产模式对环境和粮食安全都构成了挑战。传统的以天然气为主要原料的大规模氮肥生产，碳排放高，且全球贸易依赖度高，一旦供应链出现问题，许多地区的粮食供应就会受到威胁。虽然各种低碳氨生产途径都有各自的优势，但也面临着成本、资源需求、供应链等方面的挑战。分散式小规模氨生产厂虽然有潜力解决部分问题，比如降低运输成本、减少排放、稳定价格等，但在肥料分发、氨气处理以及关键组件供应链等方面还存在困难。
这项研究的重要意义在于，它为全球氮肥产业的转型提供了全面而深入的参考。研究人员呼吁在政策层面给予支持，通过提供资金、制定激励政策等方式，推动低碳肥料的发展。未来的研究需要进一步优化全球供应链，综合考虑成本、环境影响和资源利用等多方面因素，探索低碳氨技术的可行性和可持续性。只有这样，才能在保障全球粮食安全的同时，实现农业的低碳转型，让我们的地球家园更加绿色、可持续，为子孙后代创造一个美好的未来。
