清華新聞網(wǎng)1月3日電 近日，清華大學(xué)化工系胡山鷹教授課題組和華東理工大學(xué)商學(xué)院余亞?wèn)|副教授課題組等研究團(tuán)隊(duì)合作，在氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)韌性研究中取得重要進(jìn)展。研究通過(guò)物質(zhì)流分析和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析等方法首次構(gòu)建了中國(guó)氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)并評(píng)估了其韌性，從宏觀尺度氮-磷元素耦合的視角揭示了氮-磷元素在未來(lái)食品需求和清潔能源需求驅(qū)動(dòng)下的代謝規(guī)律，有助于農(nóng)業(yè)、食品和能源領(lǐng)域的政策制定者更好地推進(jìn)氮-磷資源的可持續(xù)管理工作。
氮元素和磷元素既是食品系統(tǒng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素，也是導(dǎo)致環(huán)境污染的關(guān)鍵物質(zhì)。全球有90%的磷礦和80%的合成氨氮被用于食品生產(chǎn)來(lái)滿足人類需求，與此同時(shí)，氮-磷元素在這一代謝過(guò)程中也產(chǎn)生大氣氮氧化合物污染及水體氮磷污染等環(huán)境問(wèn)題。在碳中和目標(biāo)下，氮元素和磷元素的代謝路徑將受到清潔能源需求的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生變化。例如，氮元素將用于綠氨滿足清潔船舶燃料的需求，而磷元素則將用于鋰電池滿足電動(dòng)車和儲(chǔ)能的需求。已有文獻(xiàn)對(duì)氮磷元素各自的代謝取得了豐富成果，但卻忽略了氮-磷元素之間的耦合關(guān)系，缺乏對(duì)氮-磷耦合系統(tǒng)韌性（面對(duì)外部擾動(dòng)時(shí)保持其功能的能力）的研究，難以支撐氮-磷代謝系統(tǒng)的可持續(xù)管理工作。
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)物質(zhì)流分析方法首次構(gòu)建了中國(guó)氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析等方法測(cè)度了網(wǎng)絡(luò)韌性并揭示了其影響因素。研究表明：中國(guó)氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)為由283個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的雙層網(wǎng)絡(luò)，其中185個(gè)節(jié)點(diǎn)為氮磷耦合節(jié)點(diǎn)，通過(guò)氮元素和磷元素在自然生態(tài)系統(tǒng)和食品系統(tǒng)的代謝過(guò)程將氮網(wǎng)絡(luò)層和磷網(wǎng)絡(luò)層緊密連接在一起，從而形成復(fù)雜的氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)。在1980-2020年間，中國(guó)的氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)處于過(guò)度高效階段，韌性呈下降趨勢(shì)，氮、磷網(wǎng)絡(luò)層韌性最大最小值之差分別為7.61%和12.57%。這將導(dǎo)致中國(guó)氮-磷耦合網(wǎng)絡(luò)抗擊外界風(fēng)險(xiǎn)沖擊的能力降低。食品需求增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)的化肥施用比例增加是導(dǎo)致氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)韌性降低的關(guān)鍵因素。中國(guó)的氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)對(duì)氮網(wǎng)絡(luò)層和磷網(wǎng)絡(luò)層韌性的變化同時(shí)存在協(xié)同效應(yīng)和權(quán)衡效應(yīng)。相比氮網(wǎng)絡(luò)層而言，磷網(wǎng)絡(luò)層受到人類活動(dòng)的影響更大。
圖1.中國(guó)氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖
基于共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑（SSP）情景，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)還預(yù)測(cè)了中國(guó)2060年的氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)及其韌性。研究表明，在SSP2+清潔能源情景下，中國(guó)的氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)將受到綠氨和鋰電池等清潔能源需求的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生代謝規(guī)模和代謝路徑變化。清潔能源需求對(duì)氮網(wǎng)絡(luò)層影響較大，而食品需求對(duì)磷網(wǎng)絡(luò)層影響更顯著。清潔能源需求會(huì)導(dǎo)致更多的流量集中在氮和磷特有節(jié)點(diǎn)，削弱了氮網(wǎng)絡(luò)層和磷網(wǎng)絡(luò)層之間的耦合強(qiáng)度。如無(wú)任何調(diào)控措施，中國(guó)氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的韌性將進(jìn)一步降低（特別是氮網(wǎng)絡(luò)層），不僅會(huì)降低氮-磷耦合系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)沖擊能力，從而威脅到中國(guó)的糧食安全，而且還可能會(huì)向環(huán)境排放更多的活性氮，從而擾亂氮元素循環(huán)，加劇能源和糧食系統(tǒng)之間的沖突。
為提高中國(guó)氮-磷循環(huán)網(wǎng)絡(luò)韌性并推進(jìn)中國(guó)氮-磷資源的可持續(xù)管理工作，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)分別從生產(chǎn)、消費(fèi)和貿(mào)易端提出了五項(xiàng)措施并且量化了這些措施的效果。這些措施包括降低化學(xué)肥料使用量、提高水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料效率、減少食物浪費(fèi)、采用更健康的飲食習(xí)慣和優(yōu)化食品貿(mào)易策略。
圖2.1980-2060年中國(guó)氮-磷循環(huán)網(wǎng)絡(luò)韌性的歷史趨勢(shì)和未來(lái)演變
圖3.共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑下2060年中國(guó)氮-磷循環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其韌性
相關(guān)研究以“中國(guó)氮-磷耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)韌性下降亟需采取行動(dòng)”（Decreasing resilience of China’s coupled nitrogen-phosphorus cycling network requires urgent action）為標(biāo)題，以研究長(zhǎng)文形式于1月2日在線發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·食品》（Nature Food）上。
《自然·食品》期刊同期專門(mén)邀請(qǐng)芬蘭阿爾托大學(xué)維爾馬·桑德斯特倫（Vilma Sandstr?m）博士針對(duì)本文撰寫(xiě)了題為“系統(tǒng)視角揭示了氮磷流動(dòng)的相互關(guān)系”（Systems perspective reveals interconnections in nitrogen and phosphorus flows）的評(píng)論文章，認(rèn)為本文對(duì)氮-磷耦合流動(dòng)的分析揭示了食品系統(tǒng)與能源系統(tǒng)之間的協(xié)同與權(quán)衡效應(yīng)。
清華大學(xué)2019級(jí)化工系博士生羅梓夢(mèng)和余亞?wèn)|為論文共同第一作者，余亞?wèn)|和胡山鷹為論文共同通訊作者。清華大學(xué)化工系教授朱兵、副教授陳定江參與研究工作。研究的合作者還包括國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所高級(jí)研究員阿里·卡拉茲、首席研究員布萊恩·法斯，日本東北大學(xué)教授松江和世，廣東工業(yè)大學(xué)教授梁賽和華東理工大學(xué)教授馬鐵駒。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s43016-023-00889-5
論文的評(píng)論文章：
https://www.nature.com/articles/s43016-023-00894-8
供稿：化工系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
