中国氮磷循环系统在碳中和转型情景下的可持续性评估

《Journal of Cleaner Production》：Sustainability assessment of China's nitrogen-phosphorus cycling system under future carbon neutrality transition scenarios

　　

摘要

实现氮-磷（N-P）循环系统的可持续管理对于推进联合国多项可持续发展目标至关重要，然而其在全球碳中和转型路径下的长期可持续性仍缺乏充分认知。本研究构建了融合资源、环境、贸易和网络视角的多维评估框架，以评估中国氮-磷循环系统的可持续性。采用基于物质流分析的模型，结合多指标评估与情景分析，考察1980年至2020年的历史演变，并预测不同社会经济发展路径及碳中和转型情景下的未来趋势，同时量化不同管理策略可能带来的潜在改善。结果表明，过去四十年来，中国氮-磷循环系统的整体可持续性持续下降，降幅约55%，主要受资源投入加剧、环境压力增大和贸易依赖加深等因素驱动；尽管近年来的政策干预部分扭转了这一趋势，使指数在2020年回升至1.66。情景预测进一步显示，若不协调资源管理，仅推进清洁能源转型可能加剧磷资源压力并削弱系统可持续性。相反，跨生产、消费和贸易部门的综合管理策略可显著提升氮和磷的可持续性，较基准情景（BAU）分别实现5.8倍和2倍的改善。因此，亟需加强相关措施的实施，以平衡粮食安全、资源效率与清洁能源转型，确保循环系统的可持续发展。

引言

氮（N）和磷（P）是生态过程与社会经济发展的基础，既是生命的基本组成成分，也是农业、工业和能源领域的关键投入要素。近年来，化学肥料低成本和高效率的特性导致过量的人为氮磷流涌入人类社会-经济系统，引发不容忽视的挑战：一方面，磷矿石——一种不可再生且地缘政治高度集中的资源——正面临快速枯竭（Reijnders, 2014），全球80%以上的储量集中在摩洛哥和中国等少数国家（Liang et al., 2017）。尽管2019年中国磷矿石储量仅占全球4.6%，但当年贡献了全球46%的产量（Reston, 2020）；若按当前开采速率继续，国内储量可能于2045年前耗尽（Jiang et al., 2019），严重威胁国家粮食安全。另一方面，由于氮磷管理不当，环境退化问题持续存在。从化肥生产到废物管理，最终仅8%的氮和15%的磷被人类直接消费（Kanter and Brownlie, 2019），剩余部分通过人为途径进入水体系统，加剧水体富营养化和水质恶化（Wu et al., 2018a）。此外，中国不断增长的食物需求——由人口增长和饮食结构向动物性产品转变所驱动——使1980年至2020年间总食物消费量增加近35%，其中动物性食品消费占比从4%上升至20%（Statistics, 1981-2021）。尽管中国粮食产量已连续九年保持在6.5亿吨以上，但长期粮食安全仍面临地缘政治和环境风险（Council., 2021a）。值得注意的是，中国"十四五"规划成为首个将粮食安全正式纳入国家发展战略的政策框架（Council., 2021b），凸显了国家对粮食生产安全的高度重视。

以往研究已广泛探讨了氮磷代谢系统的可持续性评估（表S1）。一方面，概念性和政策导向型研究确立了在资源、环境和贸易维度上实现氮磷循环整合管理的重要性，通过框架开发和情景分析提供了系统性洞见（Kanter and Brownlie, 2019; Liang et al., 2021）。另一方面，分析方法日益依赖定量指标来评估可持续水平。早期定量研究主要关注氮磷代谢对单一维度的影响。例如，Tanzer等人（2018）使用化肥需求、污染物排放和土壤累积等传统指标评估了奥地利氮磷管理的有效性。Ma等人（2013）通过利用率、饮食模式和损失-投入比等指标量化了食物链中氮磷利用效率及其环境影响。然而，单一维度评估往往忽略其他维度的关键信息，导致结论不完整且不准确，从而促使研究向多维度综合评估体系发展。目前，多数学者主要采用元素流分析，从资源、环境和贸易等维度综合评估氮磷循环系统的可持续性。例如，Zhang等人（2024）使用粮食产量、可持续氮管理指数和人均氮足迹等指标评估贸易中的可持续性影响。此外，新兴的系统网络指标进一步丰富了评估框架，包括基于统计熵的资源效率（Tanzer and Rechberger, 2020; Laner et al., 2017）、循环性指数（Tanzer and Rechberger, 2020; Zhi et al., 2020）以及网络韧性（Luo et al., 2024; Liang et al., 2020）。尤其值得注意的是，网络韧性——用于量化系统对极端扰动（环境、社会和经济方面）的响应——衡量复杂系统在波动中生存、适应和演化的能力，支持多维度可持续性评估，极大地拓展了氮磷代谢评估方法。然而，现有研究大多具有回顾性，聚焦于历史系统表现。在预测性碳中和转型情景下探索氮磷循环系统未来可持续性的研究极为匮乏，这限制了我们预判长期风险并制定前瞻性适应策略的能力。

为克服这些局限，本研究超越传统的单一维度或回顾性分析，提出了一种结构化框架，以评估中国耦合氮-磷（N-P）循环系统的可持续性。与以往主要聚焦于孤立的资源效率、环境压力或贸易依赖性的研究不同，本工作开发了一种集成分析路径，在统一评估体系中同时捕捉资源利用、环境排放、贸易结构和系统层面的网络韧性。此外，本研究超越了历史诊断，整合了前瞻性情景分析，涵盖社会经济发展路径（基于SSP2的BAU情景）和面向碳中和的清洁能源转型路径。首先，对各维度可持续性水平进行精细化分析，纳入特定领域的影响因素。其次，整合多维度指标构建系统层面的综合评估，量化可持续性并追踪其1980年至2020年的演变轨迹。这一集成方法揭示了系统的整体表现及随时间演变的关键特征。最后，基于情景的预测进一步模拟系统在两条不同路径下的趋势。研究进一步梳理了缓解措施，探讨潜在的可提升空间并识别可持续发展的可行路径。这些发现为政策制定者提供了实证依据，以制定中国氮磷循环系统可持续发展的针对性策略。

章节片段

建模框架

本研究采用物质流分析（MFA）方法构建1980-2020年间中国的氮（N）和磷（P）循环。如图S1所示，氮磷循环由20个子系统组成，包括：1）七个自然过程（大气、草地、林地、其他非耕地、耕地、内陆水域和海洋水域）；2）九个包含氮磷流的人类强化活动（耕作、牧场、畜牧，

可持续性绩效的多维度评估

循环系统可持续性指标的时序变化模式可将发展趋势划分为四种不同类型，如图S2所示（Li, 2013; Ning, 2017）。本研究采用一个融合四个独立维度（资源、环境、贸易、网络）的多维评估框架，以评估中国氮磷循环系统的可持续性绩效。这一整体性评估提供了全面的分析概览并

结论

单一维度评估无法全面捕捉循环系统的复杂性和相互依存关系，导致分析和决策存在显著局限。因此，采用多维度方法对循环系统进行全景式可持续分析至关重要。本研究构建了整合"资源-环境-贸易-网络"的可持续性评估框架。资源维度评估投入量、利用效率以及

CRediT作者贡献声明

王鑫：原稿撰写、可视化、验证、形式分析、数据整理。罗子萌：可视化、方法论、形式分析、数据整理、概念构思。于亚东：验证、监督、方法论、概念构思。胡善英：验证、监督、方法论、形式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究感谢所有匿名审稿人提供的宝贵意见！此外，作者感谢清华大学化工系陈定江教授和朱冰教授的建议。

王鑫|罗子萌|于亚东|胡善英