基于系统动力学建模的青藏高原典型农牧区氮流量情景及可持续性评估

《Journal of Cleaner Production》：Nitrogen flow scenarios and sustainability assessment in a typical agricultural and pastoral area on the Qinghai-Tibet Plateau based on system dynamics modelling

氮流生态经济系统可持续发展评估——以青藏高原丁青县为例。通过系统动力学模型构建，对比当前发展、经济发展、资源优化、环境保护和综合发展5种情景，发现环境保护和综合发展情景最有利于提升氮循环效率与系统可持续性。研究提出通过提高氮素回收率促进系统协调，为高原农牧区可持续发展提供决策依据。

　　在当今全球环境变化和经济快速发展的背景下，氮（N）作为一种关键的资源，其在农业生产和消费系统中的作用日益受到关注。氮资源的可持续性及其与社会经济发展和生态环境变化之间的关系，对于区域可持续性具有重要意义，尤其是在中国青藏高原（QTP）的生态脆弱农牧区。本文以青藏高原的丁青县为例，构建了一个基于系统动力学模型的氮流生态经济系统，并设定了五个未来情景，包括当前发展、经济发展、资源优化、环境保护和综合发展。通过结合行星边界氮损失不可持续性指数（N指数）和耦合协调度模型（CCDM），对系统的可持续性水平进行了全面评估。研究结果表明，环境保护和综合发展情景是最优选择。从2020年到2030年，环境保护情景下系统的可持续发展水平从弱可持续（0.44）提升至强可持续（0.82），而综合发展情景下则从弱可持续（0.29）提升至较大可持续（0.53）。N指数也呈现出从不可持续（2.31和2.20）到可持续（1.96和1.90）的趋势。同时，氮流生态经济系统的子系统间仍存在一定的不平衡，其协调度从0.38增加到0.3、0.46和0.37。模拟结果表明，通过提升收获和废弃物中氮的回收率，促进子系统之间的连接，有助于提高氮的利用效率和系统可持续性。研究结果不仅加深了我们对氮流生态经济系统可持续性的理解，还为实现可持续发展目标提供了政策建议和理论支持。

氮污染问题随着经济的快速发展而变得愈发突出，成为全球范围内广泛关注的议题。联合国将农业和粮食系统的可持续发展视为可持续发展目标（SDGs）的重要组成部分。在氮流过程中，适当的氮供应是确保可持续粮食生产和人类健康的基础，而超过临界值则会对局部、区域乃至全球的环境质量造成威胁。为了更好地理解和评估资源的可持续性，研究者提出了“行星边界”这一概念框架，旨在为人类活动提供一个可持续的资源利用和管理空间。然而，由于人类活动的加剧，全球范围内氮的增加已经对地球的氮循环造成了严重干扰，并且突破了建议的氮“行星边界”，这意在界定人类在地球系统中的安全运行空间，以维持其稳定性。如果社会经济活动继续向高消费的西方模式发展，这将加剧对农业生产和消费系统（FPC）的环境压力。突破这些边界可能导致生态系统不稳定，并丧失对人类生存至关重要的调节功能。因此，在这一背景下，评估氮资源的可持续性，控制和调整人类活动的强度，使其在地球生态系统承载能力范围内，实现人与自然的和谐发展显得尤为重要。

农业生产和生态过程之间存在着紧密的联系，彼此相互作用。自然生态系统为农业生产提供了空间和自然资源，而农业生产的结果不仅提供了人类的食物，还促进了社会经济的发展和生态系统的演变。为了揭示这些复杂过程之间的相互依赖性，有必要关注社会经济系统、环境系统和氮资源系统之间的协调关系。为了全面理解和评估氮对地球系统各方面的影响，欧洲、美国和印度相继完成了氮评估报告，这些报告以粮食系统为研究对象，从经济、资源、环境和政策等多个方面对其进行整体评估。在中国，氮流被划分为多个系统，以系统为基本单位进行氮流分析，包括农业、草地、森林和人类等七个重要系统，这为氮流分析提供了方法论指导。

在研究经济、资源和环境复杂系统时，以往的研究通常聚焦于资源子系统，关注能源、水资源和二氧化碳等因素，同时评估复杂系统中的有效性、决定因素、相互作用和动态变化。然而，很少有研究将氮资源作为核心因素，重点分析其在食物系统中的流动。青藏高原作为中国农业和畜牧业生产活动较为发达的区域，对于区域和全球的氮循环以及区域粮食安全具有重要作用。因此，有必要明确社会经济、农业和畜牧业活动与自然生态系统之间的相互关系和耦合机制。本研究通过构建一个针对青藏高原典型农牧区的氮流生态经济系统模型，推动了该领域的研究进展。该模型综合考虑了社会经济、农业和生态子系统之间的互动，同时将氮作为核心资源纳入一个专门为青藏高原条件校准的生态经济框架中。通过引入多种发展情景，并结合行星边界氮损失不可持续性指数和耦合协调度模型，本研究提供了一种更全面的评估氮资源使用可持续性的方法，应对了在生态敏感地区平衡区域发展和环境保护的独特挑战。具体而言，本研究使用系统动力学模型构建了丁青县的氮流生态经济系统，并设定了五个典型情景，包括当前发展、经济发展、资源优化、环境保护和综合发展，以探索不同政策优先级及其对可持续性的影响。例如，环境保护情景强调减少氮损失并增强氮的回收，而综合发展情景则试图在促进经济发展的同时兼顾环境保护，实现更全面的可持续发展。

丁青县位于西藏自治区东北部，地理坐标为31°01′-32°21′N，94°39′-96°17′E，地处西藏东北部和昌都市西北部之间（图1）。丁青县的总面积为1,295,500公顷，2019年的常住人口为94,105人。其地形特征为西北高、东南低，从西藏北部的草原过渡到横断山脉，构成了独特的自然景观，包括河谷、平坝和山地等。这种地形和生态环境的多样性使得丁青县在农业和畜牧业发展方面具有一定的优势，同时也面临着资源利用和环境保护之间的挑战。为了更好地理解和评估氮流生态经济系统的运行机制，研究者在丁青县的系统动力学模型中，考虑了七个关键的内生变量，包括总人口、GDP、化肥氮消耗、饮食结构、总氮损失、氮成本和氮指数。首先，研究者以1999年为基准年，进行了迭代模拟，调整参数值直到模拟值与实际值之间的差异不再显著增加。随后，通过这些内生变量对模型进行了验证，确保其准确性和可靠性。模型的验证结果表明，氮流生态经济系统的运行情况与实际数据之间具有较高的匹配度，为后续的模拟和情景分析提供了坚实的基础。

在青藏高原农牧区的氮流生态经济系统可持续发展中，存在诸多挑战。这些挑战主要体现在资源利用的不平衡、环境压力的加剧以及社会经济发展的矛盾等方面。根据各子系统的可持续性水平、系统发展水平、氮指数和耦合协调度（CCD），研究发现丁青县在环境保护和综合发展情景下表现最佳。这一结果与以往使用系统动力学模型模拟和预测青藏高原经济-资源-环境系统耦合与可持续发展的研究结果相一致。具体而言，实现可持续性作为发展目标，不仅需要考虑氮资源的合理利用，还需要在农业生产和消费系统中建立有效的调控机制。同时，如何在促进经济发展的同时减少对环境的负面影响，也是实现区域可持续发展的重要课题。在这一过程中，氮的循环和流动成为关键因素，其变化不仅影响农业生产的效率，还对生态环境的稳定性产生深远影响。

本研究通过构建氮流生态经济系统模型，探索了不同发展情景下丁青县氮资源利用的可持续性水平。五个情景的设定反映了不同政策导向和管理策略，分别为当前发展、经济发展、资源优化、环境保护和综合发展。当前发展情景主要基于现有的发展路径，不进行重大政策调整；经济发展情景则强调经济增长，可能增加氮的使用和排放；资源优化情景关注资源的高效利用和合理配置，减少浪费和污染；环境保护情景则致力于减少氮损失，提高氮的回收率；综合发展情景则试图在经济增长、资源优化和环境保护之间寻求平衡。通过这些情景的模拟，研究者可以更全面地评估不同发展路径对氮流生态经济系统的影响，从而为政策制定者提供科学依据和决策支持。

在模型的验证过程中，研究者采用了系统动力学模型进行校准和测试。通过调整参数值，确保模型能够准确反映丁青县氮流生态经济系统的运行机制。模型的验证结果表明，氮流生态经济系统的模拟结果与实际数据之间具有较高的一致性，这为后续的可持续性评估提供了可靠的基础。此外，研究者还发现，在不同发展情景下，氮资源的利用效率和系统可持续性存在显著差异。例如，在环境保护情景下，氮的回收率较高，氮损失减少，系统的可持续性水平显著提升；而在经济发展情景下，氮的使用量增加，可能导致氮损失加剧，从而对环境造成更大的压力。这些结果表明，政策制定者在推动区域发展时，需要综合考虑氮资源的利用和环境保护，以实现更全面的可持续发展。

本研究的意义在于，它填补了现有氮流研究中的一个重要空白。以往的研究往往局限于单一的氮循环环节，如区域尺度的氮输入或农田尺度的氮交互，而未能全面考虑氮流生态经济系统的整体运行机制。通过构建一个综合的系统动力学模型，本研究不仅考虑了社会经济、农业和生态子系统之间的互动，还引入了多个发展情景，结合行星边界氮损失不可持续性指数和耦合协调度模型，为氮资源的可持续性评估提供了新的视角和方法。此外，本研究还为生态脆弱地区的氮管理提供了实践工具和理论支持，有助于推动区域可持续发展目标的实现。在这一过程中，氮的循环和流动成为关键因素，其变化不仅影响农业生产的效率，还对生态环境的稳定性产生深远影响。

在农业和畜牧业发展的过程中，氮资源的合理利用和管理是确保可持续性的关键。然而，当前的氮资源管理往往存在一定的问题，如氮的过量使用、氮的流失加剧以及氮回收率较低等。这些问题不仅影响农业生产的效率，还对生态环境造成压力。因此，有必要通过科学的方法和技术手段，对氮资源的利用和管理进行优化。本研究通过构建氮流生态经济系统模型，为丁青县的氮资源管理提供了新的思路和方法。模型的模拟结果表明，在环境保护和综合发展情景下，氮资源的利用效率和系统可持续性显著提升，这为政策制定者提供了科学依据和决策支持。此外，本研究还发现，氮资源的流动不仅受到社会经济因素的影响，还与生态环境的变化密切相关。因此，在推动区域可持续发展时，需要综合考虑氮资源的流动和管理，以实现人与自然的和谐发展。

在青藏高原的生态脆弱农牧区，氮资源的利用和管理面临更大的挑战。一方面，这些地区由于自然条件的限制，农业生产效率较低，氮的使用和排放往往难以得到有效控制；另一方面，由于生态环境的脆弱性，氮的流失和污染对环境的影响更为显著。因此，在这些地区，如何实现氮资源的可持续利用，成为研究的重点。本研究通过构建氮流生态经济系统模型，探索了不同发展情景下氮资源的利用效率和系统可持续性。研究结果表明，在环境保护和综合发展情景下，氮资源的利用效率和系统可持续性显著提升，这为政策制定者提供了科学依据和决策支持。同时，本研究还发现，氮资源的流动不仅受到社会经济因素的影响，还与生态环境的变化密切相关。因此，在推动区域可持续发展时，需要综合考虑氮资源的流动和管理，以实现人与自然的和谐发展。

在研究过程中，研究者还发现，氮资源的利用效率和系统可持续性受到多种因素的影响，包括人口增长、经济增长、资源消耗、饮食结构变化以及环境保护措施等。这些因素相互作用，共同决定了氮流生态经济系统的运行状态。因此，在制定政策和管理措施时，需要综合考虑这些因素，以实现更全面的可持续发展。此外，研究者还发现，氮资源的流动不仅影响农业生产的效率，还对生态环境的稳定性产生深远影响。因此，在推动区域可持续发展时，需要建立有效的调控机制，以减少氮的流失和污染，提高氮的回收率，从而实现更全面的可持续发展。

本研究的成果不仅有助于加深对氮流生态经济系统可持续性的理解，还为实现可持续发展目标提供了新的思路和方法。通过构建一个综合的系统动力学模型，研究者能够更全面地评估不同发展情景下氮资源的利用效率和系统可持续性。同时，结合行星边界氮损失不可持续性指数和耦合协调度模型，研究者能够更准确地评估氮资源的可持续性水平。这些成果为政策制定者提供了科学依据和决策支持，有助于推动区域可持续发展目标的实现。此外，本研究还为生态脆弱地区的氮管理提供了实践工具和理论支持，有助于推动区域可持续发展目标的实现。在这一过程中，氮的循环和流动成为关键因素，其变化不仅影响农业生产的效率，还对生态环境的稳定性产生深远影响。

综上所述，本研究通过构建氮流生态经济系统模型，探索了不同发展情景下氮资源的利用效率和系统可持续性。研究结果表明，在环境保护和综合发展情景下，氮资源的利用效率和系统可持续性显著提升，这为政策制定者提供了科学依据和决策支持。同时，本研究还发现，氮资源的流动不仅受到社会经济因素的影响，还与生态环境的变化密切相关。因此，在推动区域可持续发展时，需要综合考虑氮资源的流动和管理，以实现人与自然的和谐发展。本研究的意义在于，它填补了现有氮流研究中的一个重要空白，为生态脆弱地区的氮管理提供了新的思路和方法，有助于推动区域可持续发展目标的实现。