2025-07-15 16:00:20
【导语】春夏之交，天气阴晴不定，极端气候频发，彰显全球气候变化的严峻态势。碳氮元素作为生物地球化学循环的关键，其浓度变化与气候、环境问题紧密相连。浙江大学谷保静教授团队通过构建人类-自然耦合系统（CHANS）碳氮耦合模型，全面解析了中国生态系统与人类活动中的碳氮交互机制，提出综合管理策略，旨在大幅降低减排成本，带来多重环境与社会效益。该研究成果于2025年6月6日发表在《科学》杂志上，为应对气候变化和环境挑战提供了科学路径。
春夏转换之际，天气容易阴晴不定，时而烈日当空，气温骤升至30摄氏度以上，时而暴雨倾盆，气温如坐过山车般骤降。这种极端天气现象不仅源于冷暖空气的交替影响，更是自然环境向人类发出的警示——全球气候正在发生深刻变化。
碳、氮作为全球生物地球化学循环的两大关键元素，其在大气中的浓度与温室效应、PM2.5污染等公众高度关注的气候和环境问题密切相关。浙江大学环境与资源学院谷保静教授团队基于人类-自然耦合系统（CHANS）碳氮耦合模型，定量追溯了碳氮元素在土壤、水体、大气以及各行业部门之间的流转，全面解析了中国生态系统与人类活动中的碳氮交互机制，提出了可以大幅降低单位减排成本，带来气候、健康、生态等多重收益的综合管理策略。
北京时间2025年6月6日，该研究成果以“Integrated carbon and nitrogen management for cost-effective environmental policies in China”为题发表在《科学》上，论文第一作(zuò)者(zhě)是(shì)浙(zhè)江(jiāng)大(dà)学(xué)环(huán)境(jìng)与(yǔ)资(zī)源(yuán)学(xué)院(yuàn)博(bó)士(shì)研究生徐欣，论文通讯作者为谷保静。
“单点发力”力不从心
在生命体中，碳和氮是一对“孪生兄弟”。碳元素如同生命的基石，构建了有机分子的“骨架”；氮元素则为生命注入活力，驱动着蛋白质合成和基因的多样性表达，为不同生命形式的功能分化提供可能。
在宏观生态系统中，碳、氮交互作用体现在土壤健康、植被生长与生物多样性等多个方面。从生物个体映射到整个系统，碳与氮之间保持着微妙的比例，并始终处于一个稳定的区间，保持着地球生态的平衡。
但自工业化以来，许多粗放的发展模式打破了这一稳态。高强度的人类活动，如化石能源燃烧和农业过度施肥，导致的碳、氮过量排放，引发大气污染、酸雨、富营养化和温室效应等一系列环境问题，日渐超出地球的安全承载能力。
中国碳氮排放及其相对比例的时空特征
“我们的模型数据显示，1980-2020年间，中国的氮损失（包括大气和水体排放）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长三角、珠三角、京津冀等地区，高氮损失主要发生在长江中下游平原、华北平原、四川盆地等。碳(tàn)氮(dàn)排(pái)放(fàng)比(bǐ)例(lì)从(cóng)35:1骤(zhòu)升(shēng)至(zhì)119:1，生(shēng)态系统的承载力面临严峻挑战。”徐(xú)欣(xīn)说(shuō)。
“这(zhè)种失衡就像跷跷板的两端。”谷保静解释道，“比如不平衡的碳氮输入会限制植物对过量温室气体的吸收潜力，碳排放与氮污染控制的不协调将导致森林碳汇功能受限、环境问题叠加，凸显了综合碳氮管理的必要性。”
效果1+1>2的组合拳
随着国家“双碳”战略和减污降碳政策的实施推进，碳、氮的协同治理引起课题组的重视。
“我们希望搭一个碳-氮耦合的模型，来系统性阐释综合管理过程中，碳、氮的相互作用，并且评估这个过程的成本收益和对环境政策的可能影响。”谷保静说。
“我们系统研究了不同人类-自然耦合系统中的碳氮循环机理，整合了我国1980-2020年间(jiān)超(chāo)过(guò)6000条(tiáo)碳(tàn)氮(dàn)流(liú)动(dòng)路径，将(jiāng)研(yán)究(jiū)区(qū)域划(huà)分(fēn)为(wèi)包(bāo)括(kuò)农(nóng)田(tián)、畜(chù)禽(qín)、水(shuǐ)产(chǎn)、森(sēn)林(lín)、草(cǎo)地(de)、能(néng)源(yuán)、工(gōng)业(yè)、交(jiāo)通(tōng)、人(rén)类(lèi)、固(gù)废(fèi)和(hé)污(wū)水(shuǐ)在(zài)内(nèi)的(de)16个(gè)关键子(zi)系(xì)统(tǒng)。”徐(xú)欣(xīn)介(jiè)绍(shào)。“基(jī)于(yú)这(zhè)些(xiē)探(tàn)索(suǒ)，我(wǒ)们(men)构(gòu)建(jiàn)了(le)碳(tàn)氮(dàn)循(xún)环(huán)耦(ǒu)合(hé)模(mó)型(xíng)CHANS-CN。”该(gāi)模(mó)型(xíng)是(shì)在(zài)团(tuán)队(duì)2015年(nián)建(jiàn)立(lì)的(de)中(zhōng)国(guó)CHANS氮(dàn)循(xún)环(huán)模(mó)型(xíng)基(jī)础(chǔ)上(shàng)发(fā)展(zhǎn)而(ér)来(lái)的(de)，实(shí)现(xiàn)了(le)从(cóng)单(dān)一(yī)氮(dàn)循(xún)环(huán)到(dào)碳(tàn)氮(dàn)耦(ǒu)合(hé)的(de)重(zhòng)要(yào)跨(kuà)越(yuè)。
“长(zhǎng)期(qī)以(yǐ)来(lái)，覆(fù)盖(gài)多(duō)界(jiè)面(miàn)（如(rú)土(tǔ)壤(rǎng)、水(shuǐ)体(tǐ)或(huò)空(kōng)气(qì)）和(hé)跨(kuà)部(bù)门(mén)（如(rú)工(gōng)业(yè)、农(nóng)业(yè)或(huò)林(lín)业(yè)）的(de)动(dòng)态(tài)碳(tàn)氮(dàn)综(zōng)合(hé)管(guǎn)理(lǐ)还(hái)未(wèi)得(de)到(dào)全面(miàn)探(tàn)索(suǒ)。”谷(gǔ)保(bǎo)静(jìng)说(shuō)，为(wèi)了(le)评(píng)估(gū)碳(tàn)氮(dàn)综(zōng)合(hé)管(guǎn)理(lǐ)的(de)潜(qián)力(lì)和(hé)可(kě)行(xíng)性(xìng)，研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)基(jī)于(yú)广(guǎng)泛(fàn)的(de)田(tián)间(jiān)实(shí)验(yàn)与(yǔ)大(dà)数(shù)据(jù)分(fēn)析(xī)，从(cóng)系(xì)统(tǒng)碳(tàn)-氮(dàn)耦(ǒu)合(hé)机(jī)制(zhì)、碳(tàn)氮(dàn)减(jiǎn)排(pái)潜(qián)力(lì)、环(huán)境(jìng)健(jiàn)康(kāng)效(xiào)应(yīng)、政(zhèng)策(cè)可(kě)行(xíng)性(xìng)等(děng)多(duō)个(gè)维(wéi)度(dù)，制(zhì)定(dìng)了(le)一(yī)系(xì)列(liè)适(shì)用(yòng)中(zhōng)国(guó)的(de)碳(tàn)氮(dàn)管(guǎn)理(lǐ)措(cuò)施(shī)库(kù)。
“情(qíng)景(jǐng)设(shè)计(jì)包(bāo)括(kuò)碳(tàn)氮(dàn)综(zōng)合(hé)管(guǎn)理(lǐ)、单(dān)独(dú)碳(tàn)减(jiǎn)排(pái)、单(dān)独(dú)氮(dàn)减(jiǎn)排(pái)以(yǐ)及(jí)常(cháng)规(guī)发(fā)展(zhǎn)4种(zhǒng)模(mó)式(shì)，模(mó)拟(nǐ)结(jié)果(guǒ)显(xiǎn)示(shì)碳(tàn)氮(dàn)综(zōng)合(hé)管(guǎn)理(lǐ)方(fāng)案(àn)具(jù)有(yǒu)整(zhěng)体(tǐ)最(zuì)优(yōu)的(de)效(xiào)应(yīng)。”徐(xú)欣(xīn)介(jiè)绍(shào)，采用(yòng)该(gāi)策(cè)略(è)，预(yù)计(jì)到(dào)2060年(nián)，可(kě)实(shí)现(xiàn)91%碳(tàn)减(jiǎn)排(pái)和(hé)74%氮(dàn)减(jiǎn)排(pái)，使(shǐ)排(pái)放(fàng)比(bǐ)回(huí)归(guī)安(ān)全阈(yù)值(zhí)。
同时，研究团队使用“碳氮(dàn)影(yǐng)响(xiǎng)当(dāng)量(liàng)”指(zhǐ)标(biāo)，将(jiāng)气(qì)候、生态、健康(kāng)影(yǐng)响(xiǎng)货(huò)币(bì)化(huà)评(píng)估(gū)。与(yǔ)单(dān)一(yī)治(zhì)理(lǐ)费(fèi)用(yòng)相(xiāng)比(bǐ)，综(zōng)合(hé)管(guǎn)理(lǐ)使(shǐ)平(píng)均(jūn)减(jiǎn)排(pái)成(chéng)本(běn)下(xià)降(jiàng)37%，总投入的4240亿美元将可以撬动1.8万亿美元社会效益。其中，能源系统优化、农业精准施肥、交通能效提升等措施的成本效益比最高。
开出“综合方案”
明晰了碳氮综合管理策略的优势，研究团队提出了一系列有效协调生产过程与中国自然、社会经济条件的建议，期望推动碳排放和氮污染的有序控制，实现我国的绿色转型发展。
“政策上，应该优先考虑措施的性价比，比如在能源系统中优化输电和储能基础设施，加速清洁能源的采用，在交通领域提高燃料效率，在畜牧业中优化饲料配方等。”谷保静介绍，进一步还需要基于区域自然与经济特征开展针对性治理（比如长三角地区、东北地区、西北地区），定制措施组合及减排优先事项，保证采取整体视(shì)角(jiǎo)应(yīng)对(duì)子(zi)系(xì)统(tǒng)之间复杂的相互作用，实施跨越产业链的综合行动。
“环境资源问题的改善是一项需要长期坚持的系统性工程，首先要基于田间实验和模型模拟形成科学结论，再到相应的技术研发，并推动政策更新和落地，最终产生可知可感的效果。”谷保静说，这一变化最直观的表现就是，天更蓝了、水更清了、气候更稳定了，这也是团队一直在努力的方向。
未来，团队将聚焦于增强多项生态系统服务的协同效益，并将气候变化等外部因素纳入区域碳氮耦合模型，以制定更加灵活、分层次的环境治理政策。
MORE
