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2025-07-15 16:01:06
【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(guǎn)理(lǐ)策(cè)略(è)。
北(běi)京(jīng)时(shí)间(jiān)2025年(nián)6月(yuè)6日(rì)，该(gāi)研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)以(yǐ)“Integrated carbon and nitrogen management for cost-effective environmental policies in China”为(wèi)题(tí)发(fā)表(biǎo)在(zài)《科(kē)学(xué)》上(shàng)，论(lùn)文第(dì)一(yī)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(yán)究(jiū)生(shēng)徐(xú)欣(xīn)，论(lùn)文通(tōng)讯(xùn)作(zuò)者(zhě)为(wèi)谷(gǔ)保(bǎo)静(jìng)。
“单(dān)点(diǎn)发(fā)力(lì)”力(lì)不(bù)从(cóng)心(xīn)
在(zài)生(shēng)命(mìng)体(tǐ)中(zhōng)，碳(tàn)和(hé)氮(dàn)是(shì)一(yī)对(duì)“孪(luán)生(shēng)兄(xiōng)弟(dì)”。碳(tàn)元(yuán)素(sù)如(rú)同(tóng)生(shēng)命(mìng)的(de)基(jī)石(shí)，构(gòu)建(jiàn)了(le)有(yǒu)机(jī)分(fēn)子(zi)的(de)“骨(gǔ)架(jià)”；氮(dàn)元(yuán)素(sù)则(zé)为(wèi)生(shēng)命(mìng)注(zhù)入(rù)活(huó)力(lì)，驱(qū)动(dòng)着(zhe)蛋(dàn)白(bái)质(zhì)合(hé)成(chéng)和(hé)基(jī)因(yīn)的(de)多(duō)样(yàng)性(xìng)表(biǎo)达(dá)，为(wèi)不(bù)同(tóng)生(shēng)命(mìng)形(xíng)式(shì)的(de)功(gōng)能(néng)分(fēn)化(huà)提(tí)供(gōng)可(kě)能(néng)。
在(zài)宏(hóng)观(guān)生(shēng)态(tài)系(xì)统(tǒng)中(zhōng)，碳(tàn)、氮(dàn)交(jiāo)互(hù)作(zuò)用(yòng)体(tǐ)现(xiàn)在(zài)土(tǔ)壤(rǎng)健(jiàn)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。碳氮排放比例从35:1骤升至119:1，生态系统的承载力面临严峻挑战。”徐欣说。
“这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年间超过6000条碳氮流动路径，将研究区域划分为包括农田、畜禽、水产、森林、草地、能源、工业、交通、人类、固废和污水在内的16个关键子系统。”徐欣介绍。“基于这些探索，我们构建了碳氮循环耦合模型CHANS-CN。”该模型是在团队2015年建立的中国CHANS氮循环模型基础上发展而来的，实现了从单一氮循环到碳氮耦合的重要跨越。
“长期以来，覆盖多界面（如土壤、水体或空气）和跨部门（如工业、农业或林业）的动态碳氮综合管理还未得到全面探索。”谷保静说，为了评估碳氮综合管理的潜力和可行性，研究团队基于广泛的田间实验与大数据分析，从系统碳-氮耦合机制、碳氮减排潜力、环境健康效应、政策可行性等多个维度，制定了一系列适用中国的碳氮管理措施库。
“情景设计包括碳氮综合管理、单独碳减排、单独氮减排以及常规发展4种模式，模拟结果显示碳氮综合管理方案具有整体最优的效应。”徐欣介绍，采用该策略，预计到2060年，可实现91%碳减排和74%氮减排，使排放比回归安全阈值。
同时，研究团队使用“碳氮影响当量”指标，将气候、生态、健康影响货币化评估。与单一治理费用相比，综合管理使平均减排成本下降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，保证采取整体视角应对子系统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(tǒng)性(xìng)工(gōng)程(chéng)，首(shǒu)先(xiān)要(yào)基(jī)于(yú)田(tián)间(jiān)实(shí)验(yàn)和(hé)模(mó)型(xíng)模(mó)拟(nǐ)形(xíng)成(chéng)科(kē)学(xué)结(jié)论(lùn)，再(zài)到(dào)相(xiāng)应(yīng)的(de)技(jì)术(shù)研(yán)发(fā)，并(bìng)推(tuī)动(dòng)政(zhèng)策(cè)更(gèng)新(xīn)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。
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