清华地学系研究团队为全球环境容量限界研究的区域阈值定义提供新方法
清华新闻网3月1日电 2月28日，清华大学地球系统科学系、清华海峡研究院喻朝庆博士等在国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）发表题为《恢复中国水环境质量需全面加强氮管理》（Managing nitrogen to restore water quality in China）的文章，揭示了中国从1955年到2014年人类活动导致的氮流失量，建立了各省淡水环境氮容量的“安全”阈值。文章为近年来全球环境容量限界（Planetary boundary）研究的区域阈值定义提供了新方法，为全方位解决中国水体富营养化问题提供了量化依据。
为实现人类可持续发展，需要将对全球环境的影响维持在安全界限以内。氮素污染是其中一个重点内容，但关于氮排放安全阈值评估研究目前尚无可靠量化定义方法。瑞典科学家约翰·罗克斯特伦（Johan Rockstrom）等曾提出全球每年3500万吨氮的安全阈值。一些****基于氮平衡模型开展全球尺度的阈值评估，但仍存在很大的不确定性。这是由于氮元素在不同区域的迁移转化受复杂的生物地球化学过程影响，难以用简单的物质平衡模型得到可靠的结果；而复杂的水文和水质演变机理模型在大尺度模拟中所需的数据十分缺乏。
本文结合中国不同区域代表性水体中历史总氮浓度的观测数据和基于DNDC作物模型及其它氮平衡模型计算的氮流失数据，重构了1955-2014年间中国氮排放与水质演变的时空关系（图1）。作者提出水体氮浓度首次达到或超过IV类水质标准（1.0mg/L）所在年份对应的氮流失量（含径流和下渗）为该区域的氮排放阈值。
图1 1955-2014年中国氮流失（径流与土壤下渗之和）与河流水质演变
图2 中国水环境氮安全容量阈值。（a）全国不同氮源的流失量与水环境容量阈值；（b）观测数据中各省水体总氮浓度首次达到或超过IV类水质标准（1mg/L）所在年份
研究结果表明，中国绝大多数省份的氮排放在1980年代中期超过了水环境安全阈值（图2）。全国水环境的氮容量安全阈值为每年520±70万吨，但目前氮的实际排放量每年达到1450±310万吨。有14个省仅农田氮流失量就超过自身阈值，主要分布在缺水的北方（图3）。因此，中国当前的氮管理面临严峻的挑战。作者对不同氮管理措施的减排潜力进行了评估。结果表明，提高农田管理水平可减小50%左右的农田氮流失，但仅可减小全国总超排量的1/4。2014年全国城市生活污水处理的除氮量仅为70万吨左右，若进一步提高污水处理的除氮效率，其能耗会呈非线性增长。
图3 中国省级氮管理面临的挑战与解决方案。（1）当前农田管理水平下省级氮流失总量超安全阈值的倍数，外围的百分数是当前有机废物还田率；（2）在优化农田管理的控释肥方式下省级氮流失总量超安全阈值的倍数，外围的百分数是当前有机废物还田率;（3）在当前农田管理水平下，欲将氮流失减至阈值内所需达到的有机废物还田率（外围百分数）；（4）优化农田管理的控释肥方式下，将氮流失减至阈值内所需达到的有机废物还田率（外围百分数）
文章认为，目前唯一可行的方法是重构传统的城乡养分循环体系。在提高农田氮肥利用效率的基础上，还需要将城乡有机废物的还田率从目前的40%以下提高到86%以上，其中9个省份需要将还田率提高到95%以上。在作者们推荐的几个方法中，其中一种是将工业废水和生活污水分流，在防止土壤污染和疾病传播的前提下将生活污水接入灌溉系统，既实现养分回收又减小农业的水资源消耗。以2010年价格计，基础设施所需成本近7000亿元。实现人畜粪便全部循环利用的年运行成本约1200-1900亿元，并不比2014年的城市生活污水处理成本的1100亿元高太多。这不但可彻底解决中国的水体富营养化问题，还可为农民增收提供机会。
喻朝庆博士是该论文的通讯作者兼第一作者，地学系的论文合作者还有宫鹏教授、乔纳森·莱特（Jonathon S. Wright）副教授、俞乐副教授、蔡闻佳副教授、付昊桓教授和黄小猛副教授，博士生黄逍、陈晗、黄国锐、倪少强、张杰、乔圣超和硕士生冯钊、肖雨晨等。英国牛津大学查尔斯·戈弗雷（Charles J. Godfray）教授和吉姆·霍尔（Jim Hall）教授、中国农业大学巨晓棠教授、法国气候与环境科学实验室菲利普·西亚斯（Philippe Ciais）教授、挪威奥斯陆大学尼尔斯·斯滕塞思（Nils Chr. Stenseth）教授和达格·黑森（Dag O. Hessen）教授、德国莱布尼兹转型经济农业发展研究所孙战利博士、瑞典皇家理工学院张弛博士、中国农科院刘宏斌研究员和英国纽卡斯尔大学詹姆斯·泰勒（James Taylor）等参与了研究。这项研究工作得到国家重点研发计划（2017YFA0603602和2014CB953803）的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1001-1
编辑：李华山 审核：周襄楠
2019年03月01日 15:24:06 清华新闻网
