大河流域总氮负荷分配与多维度评估的综合框架：协调公平性与环境效率

《Environmental Impact Assessment Review》：An integrated framework for total nitrogen load allocation and multidimensional assessment reconciling equity and environmental efficiency in large river basins

　　

摘要

总氮（TN）负荷治理对保障河流及近岸水环境至关重要。然而，由于社会经济、水文和生物地球化学异质性的存在，将流域削减目标转化为公平且高效的空间目标仍具挑战性。本研究构建了一个耦合基于过程的水质模型（SWAT）与数据包络分析（DEA）的综合框架，以协调环境效率与区域公平。将该框架应用于中国辽河流域，生成了反映不同社会经济优先级的多种分配方案，并从总氮达标、削减成本、粮食生产和社会公平等方面评估了方案表现。结果表明，在30%削减目标下，整合效率的方案相较于仅追求公平的方案，将流域总削减成本降低了0.1%–6.5%，作物产量提高了0.4%–2.4%，但扩大了区域间经济负担和生活负担的差异。敏感性分析表明，由于边际削减成本非线性上升，整合效率方案的经济优势在40%削减目标下减弱，且对单个子流域内的源分配仍然敏感。考虑多重不确定性的方案表现评估表明，最优方案取决于总削减目标和具体政策优先级，包括目标权重以及以粮食安全、成本控制或社会公平为重点的政策加权情景。最终，该框架明确量化了多维权衡，并为在多样化削减目标和政策优先级下制定负荷管理策略提供了实践基础。

引言

在农业集约化、城市化和工业化的驱动下，过量的氮负荷已成为全球陆海连续体生态退化的主要驱动力（Liu等，2021）。陆地来源的氮通过复杂的水文网络向下游输移，显著加剧了沿海受纳水体富营养化、缺氧和有害藻华的风险（Chen等，2019; Huang等，2021; Sharples等，2017）。因此，控制陆源氮通量对于改善水质（可持续发展目标SDG 6.3）和减轻海洋污染（SDG 14.1）至关重要。尽管已有框架，如美国的总最大日负荷、欧盟水框架指令和中国的《水污染防治行动计划》（Fan等，2021; Piniewski等，2021）为污染控制提供了指导，但将流域总氮（TN）削减目标有效转化为各子流域科学合理的空间分配，仍是重大治理难题（Xu等，2025）。

这一分配难题的复杂性根本上源于大型流域固有的深刻社会经济和水文-生物地球化学异质性。传统分配策略通常依赖污染源解析或"污染者付费"原则来确保环境公平（Strokal等，2017; Tian等，2022）。然而，应对社会经济异质性需要遵循"共同但有区别的责任"原则（Chakravarty等，2009），这要求氮管理在区域发展差距与社会经济可行性之间取得平衡。在此背景下，单纯以公平为导向的方法可能无意中损害环境效率——该指标反映了相对于环境负担所产生的社会经济产出（Wang等，2019a, Wang等，2019b）。例如，在不考虑生产率的情况下优先追求平等的削减责任，可能导致高效区域遭受不成比例的经济损失，因为在高效区域，每单位允许的污染物所产生的社会经济价值远高于低效区域。在碳减排领域，多准则分配方法通过将人均收入、历史累计排放量和碳强度等指标纳入考量而得到了广泛发展（Kong等，2019; Tian等，2022），近期水资源评估也在区域间平衡了经济效率与风险负担的分配公平性（Liu等，2026）。然而，氮管理受水文和生物地球化学条件的空间异质性复杂影响，这些条件影响着氮的输运和转化。因此，迫切需要一种系统方法，将多维社会经济因素与各子流域明确的空间氮输运机制相结合，以支持科学合理的营养负荷分配。

负荷分配方案决定了子流域层面的排放责任，直接影响流域尺度的环境成效、经济成本和社会效益。对这些影响的定量评估为评估所提策略的可行性提供了客观依据，与日益发展的战略环境评估方法一致，后者强调社会经济回报和区域权衡（Lee和Jung，2025; Moreno-Silva等，2025）。分配方案的经济可行性取决于污染控制措施的切实实施，包括农业施肥管理、畜禽粪便处理和污水处理设施升级，这些都带来不同的经济负担（Chen等，2023; Fakouri等，2022）。除直接成本外，分配方案还涉及环境保护与社会优先事项之间的权衡。例如，氮削减目标可能通过限制化肥施用而制约农业生产率，从而威胁区域粮食安全（Springmann等，2018; Karri等，2026）。此外，由于负荷分配代表了对发展潜力的重新分配，分配方案从根本上影响各子流域排放权和平等程度及实施负担（Li和Song，2025）。因此，将这些多维评估纳入总体分配框架，对于制定科学合理且社会可接受的平衡可持续分配策略至关重要。

本研究开发了一个总氮负荷分配与多维影响评估框架，在"共同但有区别的责任"原则下协调区域公平与环境效率。通过将土壤和水评估工具（SWAT）与数据包络分析（DEA）相结合，该方法根据各子流域的氮负荷贡献和社会经济差异，明确分配流域总氮削减目标。该方法的有效性在中国七大水系之一的辽河流域得到了验证，该流域表现出许多大型流域典型的发展与污染特征显著差异。随后，通过削减成本、粮食生产和排放公平之间的权衡，评估了多种分配方案的可行性。利用这些评估结果，该框架识别出针对不同政策偏好的平衡且稳健的管理策略，并为全球多样化水-社会环境背景下大型流域的水质管理提供了可推广的决策支持工具。

章节摘要

研究区

辽河流域位于中国东北，是中国的七大水系之一。辽河干流流经六个主要城市，总长约504公里，最终汇入辽东湾（图1）。流域总面积约48,500 km²，海拔从-4米到980米不等。该地区属温带大陆性季风气候，降水季节变化明显，主要集中在7月和8月。

干流

SWAT模拟与负荷贡献分析

图3展示了SWAT模拟结果，观测值与模拟值在径流（NSE ≥ 0.74，R² ≥ 0.75；图3a-c）和总氮（TN）（NSE ≥ 0.66，R² ≥ 0.68；图3d-f）方面表现一致，为评估TN输运过程和识别源贡献提供了基础。与统计数据对比表明，校准模型在模拟作物产量方面表现良好（图3g）。

各子流域年度总氮负荷贡献表现出显著的空间

分配方案的不确定性

所提出的框架系统地将TN削减分配方案的生成与多维表现评估相结合，以支持政策定制的决策。鉴于其依赖于大量数据集和分析程序（如SWAT、DEA、权重方法和成本估算），该框架不可避免地引入了多种不确定性。本研究分析了这些不确定性通过框架传播对空间分配方案的影响

结论

本研究开发了一个流域尺度TN负荷分配与多维表现评估的综合框架，明确协调了区域公平与环境效率。在30%总削减目标下，整合效率的方案相较于仅追求公平的方案E，将总削减成本降低了最多6.5%，流域作物产量提高了最多2.4%。然而，这些效益伴随着区域间经济和

CRediT作者贡献声明

Ming Cong：概念构思、数据管理、方法学、形式分析、初稿撰写、可视化、审阅与编辑。Zhuohang Xin：概念构思、方法学、审阅与编辑、资金支持。Chi Zhang：项目管理、指导。Xiaojing Zhang：数据管理、调查、可视化。Changchun Song：项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的财务竞争利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（资助编号 52422904、52279007）和国家重点研发计划（资助编号 2023YFC3208402）资助。

Ming Cong|Zhuohang Xin|Chi Zhang|Xiaojing Zhang|Changchun Song

大连理工大学 基础工程学院，中国 大连 116024