中国氮素管理策略优化实现食物-能源-水系统协同增效的可持续发展路径

为解决中国食物-能源-水(FEW)系统中氮素低效利用导致的资源浪费与环境污染问题，浙江大学团队通过耦合人类与自然系统(CHANS)模型，量化了氮管理策略对FEW系统的协同优化效应。研究表明，优化氮肥施用、提升有机废弃物循环利用率等措施可减少31%的氮肥使用和46%的水体氮污染，同时增加26%的秸秆能源产量，实现1400亿元的社会净收益。该研究为全球资源密集型区域的可持续发展提供了系统性解决方案。

　　

在全球资源约束和气候变化背景下，中国作为全球最大的氮肥消费国，面临着粮食安全、能源短缺和水污染的多重挑战。过去40年间，中国粮食产量增长109%的同时，氮肥用量激增494%，但氮利用效率(NUE)仅30%，远低于全球平均水平55%。这种"高投入-低效率"模式导致每年约380万吨氮素流入水体，造成严重的富营养化问题。与此同时，农业秸秆资源化率不足和畜牧业粪便循环利用率低（仅33%）进一步加剧了资源浪费。如何通过氮素管理实现食物生产、清洁能源和水质保护的协同增效，成为可持续发展的关键科学问题。

浙江大学环境与资源学院团队在《Nature Communications》发表研究，首次将耦合人类与自然系统(CHANS)模型应用于中国省级尺度的FEW系统分析。该模型整合了14个子系统（包括农田、畜牧、工业等）的氮通量数据，结合共享社会经济路径(SSPs)情景预测，评估了不同氮管理策略对2060年可持续发展目标的贡献。研究团队收集了1980-2020年的社会经济数据（来自中国统计年鉴等权威来源）和氮通量参数（基于文献荟萃与实地测量），通过质量平衡方程量化各省氮输入输出关系。在情景分析中，采用SSP1（可持续发展）、SSP2（常规发展）和SSP5（高碳发展）三种路径，结合7项氮管理措施（如膳食结构调整、粪污循环利用等）进行成本效益评估。

食物-能源-水系统的动态演变
通过分析1980-2020年省级数据发现，南方省份（如四川、湖南）的FEW系统可持续性评分（>70分）显著高于北方。这种差异源于南方更集约的种养结合模式和政策执行力，如广东采用的水肥一体化技术使灌溉效率提升40%。研究同时揭示，中国农田NUE长期停滞在30%，而畜牧业扩张使粪便循环率从1980年的60%降至2020年的33%，直接导致地表水氮浓度持续上升。

氮素管理的协同效益
模型预测显示，优化氮肥施用（4R原则：right source/rate/time/place）配合膳食结构调整（减少20%红肉消费），可在保证粮食安全前提下使氮肥用量减少8 Tg（31%）。通过提升粪污循环率至60%，秸秆能源化增加1 Tg（26%），同时使农业耗水量降低50%。SSP1情景下，2060年水体氮淋溶和径流浓度将分别下降40%和43%，而SSP5情景则因持续依赖化石能源导致改善有限。

成本效益与政策启示
实施氮管理策略需80亿美元净投入，但可产生18倍回报（1400亿美元净收益）。其中东北地区因秸秆能源化获益显著（70亿美元），而沿海省份通过减少食品进口节省140亿美元。健康效益（减少PM_2.5相关呼吸疾病）和生态服务价值（缓解富营养化）分别贡献400亿和780亿美元。值得注意的是，氮减排可能通过降低NH₃沉降而削弱自然生态系统碳汇，这一发现为政策制定提供了重要权衡依据。

结论与展望
该研究证实，氮素管理是破解中国FEW系统"不可能三角"的关键杠杆。通过优先实施膳食结构调整（零成本高收益）和粪污循环（60%回收率目标），配合省级差异化管理，可在2060年前实现农业生产NUE提升至36%。研究成果直接支撑中国"化肥零增长行动"和"双碳"目标，其建立的CHANS模型框架为发展中国家资源管理提供了可复制的分析工具。未来需重点关注数字农业（如遥感监测）与小农户技术推广的结合，以克服政策执行中的规模经济障碍。这项系统性研究不仅刷新了人们对氮循环与可持续发展关联的认知，更开创了多部门协同治理的新范式。