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【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，论文第一作者是浙江大学环境与资源学院博士研究生徐欣，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(dàn)管(guǎn)理(lǐ)的(de)必(bì)要(yào)性(xìng)。”

效(xiào)果(guǒ)1+1>2的(de)组合拳

随着国家“双碳”战略和减污降碳政(zhèng)策(cè)的(de)实(shí)施(shī)推(tuī)进(jìn)，碳(tàn)、氮(dàn)的(de)协(xié)同(tóng)治(zhì)理(lǐ)引(yǐn)起(qǐ)课(kè)题(tí)组(zǔ)的(de)重(zhòng)视(shì)。

“我(wǒ)们(men)希(xī)望(wàng)搭(dā)一(yī)个(gè)碳(tàn)-氮(dàn)耦(ǒu)合(hé)的(de)模(mó)型(xíng)，来(lái)系(xì)统(tǒng)性(xìng)阐(chǎn)释(shì)综(zōng)合(hé)管(guǎn)理(lǐ)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，碳(tàn)、氮(dàn)的(de)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)，并(bìng)且(qiě)评(píng)估(gū)这(zhè)个(gè)过(guò)程(chéng)的(de)成(chéng)本(běn)收(shōu)益(yì)和(hé)对(duì)环(huán)境(jìng)政(zhèng)策(cè)的(de)可(kě)能(néng)影(yǐng)响(xiǎng)。”谷(gǔ)保(bǎo)静(jìng)说(shuō)。

“我(wǒ)们(men)系(xì)统(tǒng)研(yán)究(jiū)了(le)不(bù)同(tóng)人(rén)类(lèi)-自(zì)然(rán)耦(ǒu)合(hé)系(xì)统(tǒng)中(zhōng)的(de)碳(tàn)氮(dàn)循(xún)环(huán)机(jī)理(lǐ)，整(zhěng)合(hé)了(le)我(wǒ)国(guó)1980-2020年(nián)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(qì)）和(hé)跨(kuà)部(bù)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(guǎn)理(lǐ)措(cuò)施(shī)库(kù)。

“情(qíng)景(jǐng)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(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(tóng)时(shí)，研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)使(shǐ)用(yòng)“碳(tàn)氮(dàn)影(yǐng)响(xiǎng)当(dāng)量(liàng)”指(zhǐ)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(chù)牧(mù)业(yè)中(zhōng)优(yōu)化(huà)饲(sì)料(liào)配(pèi)方(fāng)等(děng)。”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(dòng)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。