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【导语】春夏之交，天气多变，极端气候频发，警示全球气候正经历深刻变化。浙江大学环境与资源学院谷保静教授团队研究发现，碳氮元素在生态系统与人类活动中的交互机制对气候和环境有重大影响。他们基于人类-自然耦合系统（CHANS）构建了碳氮耦合模型，全面解析了中国碳氮流转情况，并提出综合管理策略，旨在大幅降低单位减排成本，带来多重收益。2025年6月6日，相关研究成果发表于《科学》杂志。该策略不仅有助于应对气候变化，还为推动中国绿色转型发展提供了科学依据和实践路径。

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(rú)同(tóng)生(shēng)命(mìng)的(de)基(jī)石(shí)，构(gòu)建(jiàn)了(le)有(yǒu)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，并推动政策更新和落地，最终产生可知可感的效果。”谷保静说，这(zhè)一(yī)变(biàn)化(huà)最(zuì)直(zhí)观(guān)的(de)表(biǎo)现(xiàn)就(jiù)是(shì)，天(tiān)更(gèng)蓝(lán)了(le)、水(shuǐ)更(gèng)清(qīng)了(le)、气(qì)候(hou)更(gèng)稳(wěn)定(dìng)了(le)，这(zhè)也(yě)是(shì)团(tuán)队(duì)一(yī)直(zhí)在(zài)努(nǔ)力(lì)的(de)方(fāng)向(xiàng)。

未(wèi)来(lái)，团(tuán)队(duì)将(jiāng)聚(jù)焦(jiāo)于(yú)增(zēng)强(qiáng)多(duō)项(xiàng)生(shēng)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。