氮素管理与中国可持续发展目标的协同实现：一项基于CHANS模型的多维度评估研究

一、 研究团队与发表信息 本研究由浙江大学土壤污染控制与安全国家重点实验室的Binhui Chen、国际应用系统分析研究所的Xiuming Zhang以及浙江大学政策模拟实验室的Baojing Gu共同完成。研究成果以《Nitrogen management to achieve China’s sustainable development goals》为题，于2026年3月在线发表于国际权威学术期刊 《Nature Geoscience》 第19卷上。

二、 学术背景与研究目的 研究领域属于环境地球科学与可持续发展科学的交叉领域，聚焦于氮素生物地球化学循环与人类社会系统的耦合作用。氮素既是关键的农业营养元素，也是一种强效的污染源，在全球可持续发展目标中扮演着复杂角色。尽管已有研究探讨了氮管理对单个或少数SDGs的影响（如水体污染、气候变化），但氮素对全部17个SDGs的综合影响，尤其是在区域层面的协同与权衡关系，尚不清晰。同时，如何通过综合氮管理，以成本效益最优的方式推进SDGs，是全球面临的重大挑战。

本研究旨在填补这一空白。其具体目标包括： 1. 构建一个能系统评估氮素对中国SDGs影响的量化框架。 2. 在省级尺度上，识别与氮素密切相关的SDGs，并计算其表现得分。 3. 分析氮相关SDGs表现与社会经济发展（以人均GDP为代表）之间的关系，揭示其背后的驱动机制。 4. 模拟并评估多种氮管理情景对提升SDGs表现的潜在效果、成本与效益，为政策制定提供科学依据。

三、 详细研究流程与方法 本研究采用了一套系统性的、多步骤的定量评估工作流程。

第一步：识别氮相关SDGs并构建指标体系。 研究团队基于联合国环境大会决议和国际氮倡议会议的成果，首先通过文献关键词分析，确认了氮素管理可能影响的所有SDGs。随后，他们整合了联合国官方SDG指标、2018年SDG指数报告以及相关学术文献，并结合“人与自然耦合系统”（Coupled Human and Natural Systems， CHANS）模型能够计算的氮通量，构建了一套专门针对中国省级尺度的氮素评估指标体系。该体系包含30个氮素指标，覆盖了总共11个与氮素直接相关的SDGs（SDG 2, 3, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15），这被称为“氮相关SDG”（SDG-N）。

第二步：数据收集与氮通量计算。 研究以2020年为基准年，收集了中国31个省份的社会经济数据（如作物/牲畜产量、人口、污水排放量），数据主要来源于《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》等一系列国家级权威年鉴。同时，通过综合同行评议文献和实地测量结果，获取了计算氮通量所需的关键系数（如作物氮含量、生物固氮率等）。利用这些数据和参数，研究运行了CHANS模型。这是一个以氮素为核心的物质平衡模型，包含农田、森林、草地、工业、畜牧、水产、人类等14个子系统，能够精确核算各省各子系统间的氮输入、输出、累积和损失通量，从而为后续的指标计算提供基础数据。

第三步：指标值归一化与SDG-N得分计算。 为了在不同指标和SDG之间进行比较，研究团队为每个氮素指标设定了“最佳”和“最差”表现的上下界。上下界的设定遵循多步决策树原则：优先采用明确标准（如《中国居民膳食指南》推荐值）；若无明确标准，则参考已知阈值（如污水处理率100%）；或采用表现最优/最劣的三个省份的平均值作为上下界。随后，使用线性归一化公式，将各省各指标的实际值转化为0-100的标准分。对于每个SDG，其SDG-N得分由其包含的所有氮素指标归一化值的算术平均值得出。最后，将11个SDG-N得分的算术平均值定义为“SDG-N指数得分”，用以代表一个省份在氮相关可持续发展方面的整体表现。

第四步：现状分析与驱动力探究。 研究首先绘制了2020年中国各省SDG-N指数得分的空间分布图，揭示了显著的地区差异。接着，将11个SDG-N按照可持续发展三大支柱（社会、经济、环境）进行分类，并分别计算其得分，探究它们与人均GDP之间的统计关系，以识别经济转型对氮相关SDG表现的影响模式。

第五步：情景模拟与成本效益分析。 为了探索通过优化氮管理提升SDGs的潜力，研究设计了八种管理情景进行模拟： 1. 贸易情景：允许粮食跨省及国际贸易，以满足地区需求。 2. 膳食结构调整情景：假设所有省份居民膳食中动物蛋白比例达到《中国居民膳食指南》推荐标准。 3. 氮素利用效率提升情景：假设各省农业（种植、畜牧、水产）的氮素利用效率达到最高水平。 4. 食物浪费减少情景：假设各省人均食物浪费量降至2020年最低水平。 5. 污水处理提升情景：假设城乡污水处理率达到高水平（城市100%，农村60%）。 6. 粪肥循环利用情景：假设粪肥还田率和人类排泄物处理率达到最高水平。 7. 清洁能源使用情景：假设清洁能源发电比例提升至预设目标（如20%或30%）。 8. 综合情景：整合上述所有情景（除贸易外）的措施。 研究利用CHANS模型，模拟了每种情景下各省氮通量的变化，进而重新计算了各项SDG-N得分和SDG-N指数得分的变化。在此基础上，进行了详细的成本效益分析。成本主要包括清洁能源使用、污水处理设施投资与运营等直接实施成本。效益则涵盖了直接效益（如化肥节省、粮食进口减少）和社会效益（如健康效益——减少PM2.5相关过早死亡、生态系统效益——减少富营养化损害、农业增产效益、气候变化影响效益）。

第六步：不确定性分析。 研究使用蒙特卡洛集合模拟方法，量化了由于活动数据及计算系数的不确定性所带来的氮素指标值波动范围，从而确保了研究结论的稳健性。

四、 主要研究结果 1. 氮素与中国SDGs的紧密关联及地区差异： 研究证实，中国有11个SDGs与氮循环密切相关。2020年各省SDG-N指数得分空间异质性显著。例如，北京、上海等发达省份以及贵州、西藏等欠发达省份在SDG 2（零饥饿）上得分均较低，但原因不同：前者因农业萎缩和粮食进口依赖，后者受限于地理条件和农业技术。发达省份和农业大省（如山东、河南、江苏）在SDG 3（健康）、13（气候行动）、14（水下生物）上表现受限，主要归因于化石燃料燃烧和过量施肥导致的氮污染。北方和西北部省份在水资源短缺（SDG 6）和基础设施（SDG 9、11）方面面临挑战。

2. SDG-N表现与经济发展的关系呈现复杂模式： * 社会维度SDG-N得分与人均GDP呈显著负相关，反映了快速城市化对区域粮食安全的冲击。 * 经济维度SDG-N得分与人均GDP呈倒U型关系，表明经济发展早期可通过技术进步和投资改善氮管理，但后期面临人口密度和资源消耗压力，需要持续优化。 * 环境维度SDG-N得分与人均GDP呈U型关系，符合环境库兹涅茨曲线理论，即环境压力先随经济增长加剧后随治理加强而缓解。 * 总体SDG-N指数得分随人均GDP上升呈下降趋势，强调单纯的经济增长无法确保可持续发展，有效的氮管理至关重要。

3. 综合氮管理能显著提升SDGs表现并产生巨大净效益： 模拟结果显示，“综合情景”能显著提升中国各省的SDG-N指数得分，增幅在8%（宁夏）至26%（河南）之间。不同的管理措施在SDGs间产生了协同与权衡效应。例如，提升氮肥利用效率和增加粪肥还田具有强协同效应；而提升污水处理率在改善水质的同时，可能因处理过程增加氮气和氧化亚氮排放，带来一定的环境权衡。

成本效益分析得出关键结论： 实施综合氮管理方案的总净实施成本估计为340亿美元。然而，由此产生的全国总净经济效益高达1,620亿美元（约为成本的5倍）。效益构成包括：节省化肥和粮食进口成本190亿美元，农业增产和肉类生产增收约600亿美元，因减少PM2.5污染而避免过早死亡带来的健康效益约430亿美元，减少生态系统服务损害的效益约390亿美元。气候影响的效益估值约为-10亿美元，表明综合管理可能对气候有轻微的负向影响，但被巨大的其他效益所抵消。

4. 不同情景的贡献度分析： 提升农业氮素利用效率（NUE）是效果最显著的单一项措施，可使所有省份的SDG-N指数得分提升4%-14%，并对多达8个SDG产生积极贡献。膳食结构调整和减少食物浪费（无直接成本措施）也能带来1%-3%的得分提升，且前者在欠发达省份、后者在发达省份效果更明显。粪肥循环利用、污水处理和清洁能源转型等措施也均能带来不同程度的积极影响。

五、 研究结论与价值 本研究系统性地量化了氮素管理对中国实现可持续发展目标的多维度影响，揭示了经济-社会-环境协同发展中的复杂氮关联。核心结论是：实施综合的、区域差异化的氮管理战略，不仅能有效协同推进中国多达11个可持续发展目标，还能产生远超实施成本的经济、健康与生态效益，是一条成本效益显著且可行的可持续发展路径。 该研究强调了将氮素管理作为推进SDGs具体且可操作切入点的科学价值与政策意义。

六、 研究亮点 1. 系统性框架创新： 首次构建了连接氮素通量与全部SDGs的省级尺度综合评估框架，实现了对氮-SDG关联的多目标、多维度、定量化系统评估。 2. 模型方法先进： 核心采用自主研发的CHANS模型，该模型通过耦合多个人类与自然子系统，实现了对复杂氮循环过程的精准刻画和模拟，是研究氮相关系统问题的有力工具。 3. 深刻的机制洞察： 不仅描述了SDG-N得分的空间分布，更深入揭示了其与社会经济发展水平之间的非线性动态关系（如U型、倒U型曲线），深化了对可持续发展转型阶段特征的理解。 4. 强政策导向性： 通过精细的情景模拟和全面的成本效益分析，为决策者提供了可操作、分区域、分优先级的氮管理政策选项包（如优先提升农业NUE、推行可持续消费等），并量化了其潜在回报，具有极强的现实指导意义。 5. 数据详实与不确定性评估： 研究基于大量权威统计数据，并进行了蒙特卡洛不确定性分析，增强了研究结论的可靠性和科学性。

七、 其他重要内容 论文最后部分基于研究结果，提出了三点具体的政策建议： 1. 实施差异化的区域氮管理策略： 发达省份需重点应对城市化带来的污染问题（SDG 13, 14, 15），而欠发达省份需克服地理约束提升农业生产力（SDG 2），政策规划需将可持续氮管理作为核心组成部分。 2. 促进可持续消费模式： 需针对不同省份的膳食结构，制定政策鼓励均衡饮食、减少食物浪费，并推广本地化、可持续的食品消费，以同时支持SDG 12和粮食安全。 3. 将提升农业氮素利用效率置于核心地位： 研究证明，提升NUE是实现多项目标（经济、环境、健康）的关键杠杆，应通过推广精准施肥、优化灌溉和综合养分管理等实践予以优先实施。