清華地學系研究團隊為全球環境容量限界研究的區域閾值定義提供了新方法

中國日報北京3月1日電（記者 鄒碩）2月28日，清華大學地球系統科學系、清華海峽研究院喻朝慶博士等在國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）發表題為《恢復中國水環境質量需全面加強氮管理》（Managing nitrogen to restore water quality in China）的文章，揭示了中國從1955年到2014年人類活動導致的氮流失量，建立了各省淡水環境氮容量的「安全」閾值。文章為近年來全球環境容量限界（Planetary boundary）研究的區域閾值定義提供了新方法，為全方位解決中國水體富營養化問題提供了量化依據。

為實現人類可持續發展，需要將對全球環境的影響維持在安全界限以內。氮素污染是其中一個重點內容，但關於氮排放安全閾值評估研究目前尚無可靠量化定義方法。瑞典科學家約翰·羅克斯特倫（Johan Rockstrom）等曾提出全球每年3500萬噸氮的安全閾值。一些學者基於氮平衡模型開展全球尺度的閾值評估，但仍存在很大的不確定性。這是由於氮元素在不同區域的遷移轉化受複雜的生物地球化學過程影響，難以用簡單的物質平衡模型得到可靠的結果；而複雜的水文和水質演變機理模型在大尺度模擬中所需的數據十分缺乏。

本文結合中國不同區域代表性水體中歷史總氮濃度的觀測數據和基於DNDC作物模型及其它氮平衡模型計算的氮流失數據，重構了1955-2014年間中國氮排放與水質演變的時空關係（圖1）。作者提出水體氮濃度首次達到或超過IV類水質標準（1.0mg/L）所在年份對應的氮流失量（含徑流和下滲）為該區域的氮排放閾值。

圖1 1955-2014年中國氮流失（徑流與土壤下滲之和）與河流水質演變

圖2中國水環境氮安全容量閾值。（a）全國不同氮源的流失量與水環境容量閾值；（b）觀測數據中各省水體總氮濃度首次達到或超過IV類水質標準（1mg/L）所在年份

研究結果表明，中國絕大多數省份的氮排放在1980年代中期超過了水環境安全閾值（圖2）。全國水環境的氮容量安全閾值為每年520±70萬噸，但目前氮的實際排放量每年達到1450±310萬噸。有14個省僅農田氮流失量就超過自身閾值，主要分布在缺水的北方（圖3）。因此，中國當前的氮管理面臨嚴峻的挑戰。作者對不同氮管理措施的減排潛力進行了評估。結果表明，提高農田管理水平可減小50%左右的農田氮流失，但僅可減小全國總超排量的1/4。2014年全國城市生活污水處理的除氮量僅為70萬噸左右，若進一步提高污水處理的除氮效率，其能耗會呈非線性增長。

圖3中國省級氮管理面臨的挑戰與解決方案。（1）當前農田管理水平下省級氮流失總量超安全閾值的倍數，外圍的百分數是當前有機廢物還田率；（2）在優化農田管理的控釋肥方式下省級氮流失總量超安全閾值的倍數，外圍的百分數是當前有機廢物還田率;（3）在當前農田管理水平下，欲將氮流失減至閾值內所需達到的有機廢物還田率（外圍百分數）；（4）優化農田管理的控釋肥方式下，將氮流失減至閾值內所需達到的有機廢物還田率（外圍百分數）

文章認為，目前唯一可行的方法是重構傳統的城鄉養分循環體系。在提高農田氮肥利用效率的基礎上，還需要將城鄉有機廢物的還田率從目前的40%以下提高到86%以上，其中9個省份需要將還田率提高到95%以上。在作者們推薦的幾個方法中，其中一種是將工業廢水和生活污水分流，在防止土壤污染和疾病傳播的前提下將生活污水接入灌溉系統，既實現養分回收又減小農業的水資源消耗。以2010年價格計，基礎設施所需成本近7000億元。實現人畜糞便全部循環利用的年運行成本約1200-1900億元，並不比2014年的城市生活污水處理成本的1100億元高太多。這不但可徹底解決中國的水體富營養化問題，還可為農民增收提供機會。

喻朝慶博士是該論文的通訊作者兼第一作者，地學系的論文合作者還有宮鵬教授、喬納森·萊特（Jonathon S. Wright）副教授、俞樂副教授、蔡聞佳副教授、付昊桓教授和黃小猛副教授，博士生黃逍、陳晗、黃國銳、倪少強、張傑、喬聖超和碩士生馮釗、肖雨晨等。英國牛津大學查爾斯·戈弗雷（Charles J. Godfray）教授和吉姆·霍爾（Jim Hall）教授、中國農業大學巨曉棠教授、法國氣候與環境科學實驗室菲利普·西亞斯（Philippe Ciais）教授、挪威奧斯陸大學尼爾斯·斯滕塞思（Nils Chr. Stenseth）教授和達格·黑森（Dag O. Hessen）教授、德國萊布尼茲轉型經濟農業發展研究所孫戰利博士、瑞典皇家理工學院張弛博士、中國農科院劉宏斌研究員和英國紐卡斯爾大學詹姆斯·泰勒（James Taylor）等參與了研究。這項研究工作得到國家重點研發計劃（2017YFA0603602和2014CB953803）的支持。

（編輯：嚴玉潔 王晗）

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