中国工业氮通量快速增长的驱动力及其影响分析.pdf

中国科学 地球科学 2012 in press 中国工业氮通量快速增长的驱动力及其影响分析 ①② ②③ ①③ ② ② ②③ , , , , * 谷保静 , 葛滢 , 罗卫东 , 杜园园 , 杨国福 , 常杰 ① 浙江大学经济学院, 杭州 310027 ② 浙江大学生命科学学院, 杭州 310058 ③ 浙江大学可持续发展研究中心, 杭州 310058 * E-mail: jchang@ 国家自然科学基金(批准号:和中国博士后科学基金(批准号: 2011M501010) 资助 摘要 人类活动通过增加工业氮(不包括肥料氮)输入、活性氮多样性及活性氮库容量, 正强烈地改变 着全球氮循环. 然而, 目前我们还缺乏对工业氮通量、去向及其环境效应的理解. 本研究发现, 中国 工业氮通量近30 年来增加了13.4 倍, 2008 年达到3.7 Tg N (1 Tg = 1012 g), 已超过全国食物氮通量 的50%. 社会经济发展(人均GDP、城市化以及家庭规模大小)显著驱动了工业氮通量的变化, 致使 中国高工业氮通量区域主要出现在东部发达地区. 工业氮生产过程中的氮流失率仅为5%, 远低于 农田(约为50%)和养殖(80%). 但是, 工业氮流失属点源污染, 高浓度的点释放给局部环境带来较大 危害. 中国工业氮组成中, 生命周期一年以上的结构性氮产品(如合成纤维和塑料) 占全部工业氮产 品的比例从1980 年的20%增加到2008 年的70%左右. 2008 年新增2.6 Tg N 结构性氮产品, 这些结 构性氮积累在人类居住区, 可能是人为源氮输入(主要为Haber-Bosch 固氮)未知氮汇的解释之一. 虽然结构性氮滞缓了活性氮的释放, 但是其积累过程带来的滞留效应对环境和人类健康存在长期 的影响. 此外, 工业氮循环为现代全球氮的生物地球化学循环增添了新的特征, 如增加了活性氮的 种类, 降低了活性氮的周转率等, 未来需要将工业氮整合到地球系统的动态模拟中. 工业氮循环的 通量及其环境效应的整合分析将为决策者制定区域可持续发展战略提供全新的认识. 关键词 滞留效应 垃圾围城 食物氮 结构性氮 点源污染 半个世纪以来, 人类活动已经深刻地改变了全球氮循环, 其中最明显的特征就是人类活动在 [1,2] 氮循环中起主导作用 . 工农业的发展为人类带来了食物、药品、能量等产品和福祉, 但其负面效 [3,4] [3,5] 应也十分巨大 . 随着全球城市化和工业化水平的提高, 氮循环改变带来的环境问题日趋明显 , [6] 在快速城市化和工业化的新兴发展中国家和地区则更为严重 . 20 世纪的十大环境问题中(全球变 暖、臭氧层耗损、生物多样性减少、酸雨、森林锐减、土地荒漠化、大气污染、水污染、海洋污染 [3] 和固体废弃物污染), 一半以上与人类活动对氮循环的改变有关 . 因此, 在保证含氮工农业产品供 给和服务功能的同时, 如何有效地减缓它们的环境和健康负面效应已成为21 世纪人类面临的重大 [4] 挑战 . 目前工业氮(不包括肥料氮)通量占全球Haber-Bosch 固氮量的比例已超过20%, 涉及到合成纤 [4] 维、塑料、合成橡胶、合成树脂、粘