ManagingnitrogentorestorewaterqualityinChina
人类活动彻底改变了氮循环。中国消耗了世界上近三分之一的氮肥。过度施用化肥以及牲畜、家庭和工业来源的氮排放量增加，导致了普遍的水污染。在区域尺度上量化评估环境中的氮安全“边界”对于有效管理当地水质非常重要。本文将水质观测和农业及其他来源的模拟的氮排放相结合，估计年至年中国各地水体氮排放的空间格局。结果表明，到20世纪80年代中期，大多数省份的地表水质量标准（1.0mg/L）已经被超过，而目前向淡水的人为氮排放率（每年14.5±3.1百万吨氮）大约是估计的安全氮排放阈值（每年5.2±0.7百万吨氮）的2.7倍。通过废水处理和改善农田氮素管理来减少污染的努力可以一定程度上补救这种情况。年，生活废水处理帮助减少了0.7±0.1百万吨的净排放，但货币和能源成本很高。改进农田氮管理可以每年再去除2.3±0.3百万吨的氮——约占对淡水的超额排放的25%。若想在中国成功地恢复清洁的水环境，需要进行更大的变革，将全国养分回收率从目前平均36%提高到约87%。尽管雄心勃勃，但高氮回收率在技术上是可以实现的，估计资本成本约为亿美元，每年的运营成本为-亿美元，并且可以提供共同利益，如回收的废水用于农作物灌溉，改善环境质量和生态系统服务。
研究方法
1.模拟氮循环变化及其对粮食生产的影响本文收集了氮排放的统计数据，为了说明氮素输入对作物生产的关键作用，使用DNDC模型和其他氮平衡模型来估计-年中国个县中水稻、玉米和小麦(RMW)的每日生长情况，进一步估计了在不改变合成氮输入的情况下，在任何给定年份维持历史记录的粮食产量所需的最低合成氮输入。DNDC模型是一种以氮为导向的作物模型，可以模拟作物生长以及农业生态系统中微生物活动驱动的硝化、反硝化和分解的生物地球化学过程。
图1.个县的产量校准和验证
2.量化氮排放空间格局及安全阈值
本文收集了水体中总氮浓度的观测数据（图2），并使用DNDC和其他氮平衡模型来估计-年各省进入内陆水环境的氮排放。这其中包括来自耕地、人和牲畜排泄物、有机垃圾和工业废物的人为来源（图3、图4）。然后，根据经验确定了每个省的临界排氮安全阈值，即每个省的代表性流域氮浓度首次达到IV类水标准（即TN1.0mg/L）的年份的人为氮排放总量。
图2.(a)四河流、(b)两个湖泊和(c)一个地下水井氮浓度的演变,(d)水体的位置
图3.60年间主要有机废物中氮平衡的变化
图4.-年(a)工业氮源和(b)工业氮排放和废水处理率变化
3.解决方案及其评估
为保持农业生产力和减少对环境的负面影响而提出的解决方案集中在改善农田的氮素管理（INM）上：在正确的时间和地点，以正确的比例施用正确的肥料产品。为了评估INM对中国农田的潜在好处，研究使用DNDC模型来估计通过表面播撒肥料（BF）或使用控释肥料（CRF）来维持历史产量所需的最小合成氮投入。
同时，本文基于厕所类型考虑了三类养分循环方法，第一类将全部生活废水作为灌溉用水资源返回，而不改变建筑物中现有的抽水马桶和污水管道（C1）。第二类基于厕所技术，通过在新旧建筑物中建造单独的污水管道以进行氮回收（C2）。第三类（C3）基于潜在的厕所技术，可以直接过滤人体排泄物，在不改变现有管道的情况下释放干净的水，并将可回收的干燥营养物质返回用作肥料。回收农村氮排泄物有两种措施，第一种操作方法是传统方法，将湿粪直接从储存地点运送到农田。这种方法包括回收沼气罐（或沼气池）中的污泥和沉积物，这些材料在中国已广泛应用于收集和储存家庭有机废物、产生用于农村能源的沼气和改善农村卫生条件（OP1）。第二种操作方法是当前流行的技术，通过集中式工厂的集成堆肥系统，将未加工的有机废物转化为可销售的干有机肥料（OP2）。
研究结果
1.氮循环变化及其对粮食生产的影响
在过去的四十年里，农田中氮的主要来源是合成氮肥（图5a）。-年中国的粮食产量显著增加。建模和统计结果表明，其中合成氮肥对谷物生产力的贡献约45%。粮食产量增长25%的原因不明，可能归因于灌溉扩大和技术进步（例如杀虫剂、育种和遗传学）的额外贡献，这些贡献同时影响了氮输入的产量增加（图5b）。获得补贴的合成氮肥和新的污水基础设施导致养分循环率急剧下降，从年代后期的90%以上降至年的36%（图5c）。农田氮流失是水体中氮的主要来源（图5d）。图5.-年中国氮循环的变化及其对粮食生产的贡献2.氮排放空间格局及安全阈值二十世纪90年代后地表水氮浓度急速上升，水体中的氮浓度在年代之前较低，但在年代之后，许多流域迅速增加至超过1.5mg/L（图6）。
图6.-年的氮排放量和地表水质量中总氮含量的变化
国家氮排放安全阈值约为每年5.2Mt，但目前全国人为氮排放率为每年14.5Mt（-年平均值），远高于阈值。农业系统占当前氮排放量的59%，另外39%是生活垃圾（13%城市污水、8%农村污水、18%有机垃圾），其余2%是工业垃圾。尽管中国宣布的到年化肥使用量零增长的目标已经实现，但年合成氮的使用量仍为30.5公吨。为保持农业生产力和减少负面环境影响提出的解决方案主要集中在改善农田的氮管理。图7显示，INM可以有效减少农田氮排放量，如果所有小农都采用INM做法，仅此一项就可以将过量的人为氮排放（每年约9.3Mt）减少23-25%，这样大部分省份在80年代达到氮安全排放阈值。
图7.氮对水环境的排放阈值及INM在减少氮污染中的潜在贡献
3.氮管理措施及成本评估
在目前的氮管理水平下，31个省中的仅有14个省的农田氮排放就已经超过了临界污染阈值。INM-CRF可以将29个省的农田污染降低至临界阈值以下，但有两个省在不降低粮食产量的情况下无法达到安全阈值（内蒙古36%，陕西12%）。图8c、d表明，通过实施INM并将国家养分循环率提高到86-88%，几乎可以实现减少足够量的氮排放以恢复到省级安全阈值。在INM-CRF下，九个省份的养分回收率需要超过95%。即使回收率达到%，上海仍需减少37%的工业氮排放量，山西要么减少3%的粮食产量，要么减少80%的工业氮排放量。将国家养分循环率提高到86-88%可以使粮食生产力保持在当前水平，同时进一步将INM下的合成氮需求从每年17-19.8Mt降低到每年10.8-13.6Mt。
图8.中国大陆各省的人类氮排放及满足临界阈值的要求同时，本文评估了实现增加养分回收的三种策略的成本，并考虑了新的厕所技术和基础设施变化的潜在影响（表1）。根据年的价格，回收有机废物的运营成本将在80-亿美元/年之间。传统的循环利用是最昂贵的选择，而且有环境卫生和健康风险。一个更实用的方法是将工业废水与生活废水分离，并将家庭污水系统与现有的灌溉系统相连接，从而将生活废水用于灌溉。这种方法的基础设施成本约为亿美元，运营成本为-亿美元/年。
表1.基于年的数据，建立具有不同厕所和粪便处理技术的现代养分回收系统的成本评估讨论与总结
总的来说，相对于目前水平的水污染年成本来说，建设营养物质回收系统的成本很小，据估计，年的水污染成本占全国GDP的1.5%（亿美元；包括亿美元的处理成本和亿美元的环境退化影响成本）。农民可以从营养物质回收中获得比污水处理更多的好处，因为前者可以增加农村地区的就业机会和收入。通过对生活污水系统进行密封以尽量减少物理接触，以及增加废水消毒（例如，通过氯化、有氧处理、紫外线等），可以降低营养物质循环对人类健康的风险。牲畜粪便的排泄量约为万吨/年，进一步改善其管理（例如通过操纵动物饮食、捕获微粒排放物和安装甲烷罐）可以减少空气和水污染，提高粪便氮的回收率并改善环境卫生。这些举措可以为化肥行业和农民创造新的市场机会。
中国为恢复水体中安全和可持续的氮含量所必须克服的巨大挑战，也是其他因营养物质排放过多而导致水污染加剧的地区所共有的。这包括亚洲、南美和中美洲以及撒哈拉以南非洲的许多地方。明确定义向当地环境释放氮的目标对于制定有效的区域政策以减少污染是至关重要的，同时这也是在全球层面取得进展的关键。
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原文出处：
ChaoQingYu,XiaoHuang,HanChen,H.CharlesJ.Godfray,JonathonS.Wright,JimW.Hall,PengGong,ShaoQiangNi,ShengChaoQiao,GuoRuiHuang,YuChenXiao,JieZhang,ZhaoFeng,XiaoTangJu,PhilippeCiais,NilsChr.Stenseth,DagO.Hessen,ZhanLiSun,LeYu,WenJiaCai,HaoHuanFu,XiaoMengHuang,ChiZhang,HongBinLiuandJamesTaylor..ManagingnitrogentorestorewaterqualityinChina.Nautre,:-.doi:10./s--1-1.（点击“阅读原文”查看相关文献）本期小编：王一达
本期审核：李晶
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