春夏轉(zhuǎn)換之際，天氣容易陰晴不定，時而烈日當空，氣溫驟升至30攝氏度以上，時而暴雨傾盆，氣溫如坐過山車般驟降。這種極端天氣現(xiàn)象不僅源于冷暖空氣的交替影響，更是自然環(huán)境向人類發(fā)出的警示——全球氣候正在發(fā)生深刻變化。

碳、氮作為全球生物地球化學循環(huán)的兩大關(guān)鍵元素，其在大氣中的濃度與溫室效應(yīng)、PM2.5污染等公眾高度關(guān)注的氣候和環(huán)境問題密切相關(guān)。浙江大學環(huán)境與資源學院谷保靜教授團隊基于人類-自然耦合系統(tǒng)（CHANS）碳氮耦合模型，定量追溯了碳氮元素在土壤、水體、大氣以及各行業(yè)部門之間的流轉(zhuǎn)，全面解析了中國生態(tài)系統(tǒng)與人類活動中的碳氮交互機制，提出了可以大幅降低單位減排成本，帶來氣候、健康、生態(tài)等多重收益的綜合管理策略。

北京時間2025年6月6日，該研究成果以“Integrated carbon and nitrogen management for cost-effective environmental policies in China”為題發(fā)表在《科學》上，論文第一作者是浙江大學環(huán)境與資源學院博士研究生徐欣，論文通訊作者為谷保靜。

“單點發(fā)力”力不從心

在生命體中，碳和氮是一對“孿生兄弟”。碳元素如同生命的基石，構(gòu)建了有機分子的“骨架”；氮元素則為生命注入活力，驅(qū)動著蛋白質(zhì)合成和基因的多樣性表達，為不同生命形式的功能分化提供可能。

在宏觀生態(tài)系統(tǒng)中，碳、氮交互作用體現(xiàn)在土壤健康、植被生長與生物多樣性等多個方面。從生物個體映射到整個系統(tǒng)，碳與氮之間保持著微妙的比例，并始終處于一個穩(wěn)定的區(qū)間，保持著地球生態(tài)的平衡。

但自工業(yè)化以來，許多粗放的發(fā)展模式打破了這一穩(wěn)態(tài)。高強度的人類活動，如化石能源燃燒和農(nóng)業(yè)過度施肥，導致的碳、氮過量排放，引發(fā)大氣污染、酸雨、富營養(yǎng)化和溫室效應(yīng)等一系列環(huán)境問題，日漸超出地球的安全承載能力。

中國碳氮排放及其相對比例的時空特征

“我們的模型數(shù)據(jù)顯示，1980-2020年間，中國的氮損失（包括大氣和水體排放）增加了2.3倍，而碳排放激增了6.5倍，高碳排放主要集中在長三角、珠三角、京津冀等地區(qū)，高氮損失主要發(fā)生在長江中下游平原、華北平原、四川盆地等。碳氮排放比例從35:1驟升至119:1，生態(tài)系統(tǒng)的承載力面臨嚴峻挑戰(zhàn)?！毙煨勒f。

“這種失衡就像蹺蹺板的兩端。”谷保靜解釋道，“比如不平衡的碳氮輸入會限制植物對過量溫室氣體的吸收潛力，碳排放與氮污染控制的不協(xié)調(diào)將導致森林碳匯功能受限、環(huán)境問題疊加，凸顯了綜合碳氮管理的必要性。”

效果1+1>2的組合拳

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略和減污降碳政策的實施推進，碳、氮的協(xié)同治理引起課題組的重視。

“我們希望搭一個碳-氮耦合的模型，來系統(tǒng)性闡釋綜合管理過程中，碳、氮的相互作用，并且評估這個過程的成本收益和對環(huán)境政策的可能影響。”谷保靜說。

“我們系統(tǒng)研究了不同人類-自然耦合系統(tǒng)中的碳氮循環(huán)機理，整合了我國1980-2020年間超過6000條碳氮流動路徑，將研究區(qū)域劃分為包括農(nóng)田、畜禽、水產(chǎn)、森林、草地、能源、工業(yè)、交通、人類、固廢和污水在內(nèi)的16個關(guān)鍵子系統(tǒng)?！毙煨澜榻B?！盎谶@些探索，我們構(gòu)建了碳氮循環(huán)耦合模型CHANS-CN?！痹撃Ｐ褪窃趫F隊2015年建立的中國CHANS氮循環(huán)模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，實現(xiàn)了從單一氮循環(huán)到碳氮耦合的重要跨越。

“長期以來，覆蓋多界面（如土壤、水體或空氣）和跨部門（如工業(yè)、農(nóng)業(yè)或林業(yè)）的動態(tài)碳氮綜合管理還未得到全面探索。”谷保靜說，為了評估碳氮綜合管理的潛力和可行性，研究團隊基于廣泛的田間實驗與大數(shù)據(jù)分析，從系統(tǒng)碳-氮耦合機制、碳氮減排潛力、環(huán)境健康效應(yīng)、政策可行性等多個維度，制定了一系列適用中國的碳氮管理措施庫。

“情景設(shè)計包括碳氮綜合管理、單獨碳減排、單獨氮減排以及常規(guī)發(fā)展4種模式，模擬結(jié)果顯示碳氮綜合管理方案具有整體最優(yōu)的效應(yīng)?！毙煨澜榻B，采用該策略，預計到2060年，可實現(xiàn)91%碳減排和74%氮減排，使排放比回歸安全閾值。

同時，研究團隊使用“碳氮影響當量”指標，將氣候、生態(tài)、健康影響貨幣化評估。與單一治理費用相比，綜合管理使平均減排成本下降37%，總投入的4240億美元將可以撬動1.8萬億美元社會效益。其中，能源系統(tǒng)優(yōu)化、農(nóng)業(yè)精準施肥、交通能效提升等措施的成本效益比最高。

開出“綜合方案”

明晰了碳氮綜合管理策略的優(yōu)勢，研究團隊提出了一系列有效協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程與中國自然、社會經(jīng)濟條件的建議，期望推動碳排放和氮污染的有序控制，實現(xiàn)我國的綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展。

“政策上，應(yīng)該優(yōu)先考慮措施的性價比，比如在能源系統(tǒng)中優(yōu)化輸電和儲能基礎(chǔ)設(shè)施，加速清潔能源的采用，在交通領(lǐng)域提高燃料效率，在畜牧業(yè)中優(yōu)化飼料配方等?！惫缺ｌo介紹，進一步還需要基于區(qū)域自然與經(jīng)濟特征開展針對性治理（比如長三角地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)），定制措施組合及減排優(yōu)先事項，保證采取整體視角應(yīng)對子系統(tǒng)之間復雜的相互作用，實施跨越產(chǎn)業(yè)鏈的綜合行動。

“環(huán)境資源問題的改善是一項需要長期堅持的系統(tǒng)性工程，首先要基于田間實驗和模型模擬形成科學結(jié)論，再到相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)，并推動政策更新和落地，最終產(chǎn)生可知可感的效果?！惫缺ｌo說，這一變化最直觀的表現(xiàn)就是，天更藍了、水更清了、氣候更穩(wěn)定了，這也是團隊一直在努力的方向。

未來，團隊將聚焦于增強多項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同效益，并將氣候變化等外部因素納入?yún)^(qū)域碳氮耦合模型，以制定更加靈活、分層次的環(huán)境治理政策。

來源: 潮新聞

內(nèi)容資源由項目單位提供