大气氮沉降对中国农田生态系统影响的效益于损害定量评估
2024-11-20 08:26阅读：
大气氮沉降对中国农田生态系统影响的效益于损害定量评估
发布者：系统管理员发布时间：2024-09-18
中国已成为全球氮沉降的高值区之一。评估大气氮沉降带来的经济效益与损害成本对于制定有效的氮减排
策略至关重要。本文基于卫星监测信息、大气化学模型和生态过程模型等数据和方法，利用净经济效益法
估了中国农田生态系统中氮沉降对作物生长和环境的经济的影响。
结果显示，大气无机氮沉降通过提高主要粮食作物的产量带来了4896.0百万美元的经济效益，并通过大气
冷却效应提供了1259.3百万美元的气候效益。然而，氮沉降对人类健康和生态系统健康的损害分别造成了
6257.1百万美元和1063.4百万美元的经济损失。此外，过量氮沉降引发的作物减产导致了137.8百万美元
的损失，温室气体排放增加造成的损失为168.4百万美元。总体而言，净经济效益为-1471.5百万美元（
-5324.7百万美元至921.4百万美元），表明中国因农田生态系统中的氮沉降遭受了经济损失。这些结果
将为政府制定减少氮污染的有效措施提供科学依据。
相关成果近期以题为“Quantitativeassessment of benefits and losses from
the i
nfluence of
atmosphericnitrogen deposition on cropland ecosystems in
China”的论文发表于Science of
The Total
Environment期刊，文章第一作者为南京大学国际地球系统科学研究所研究生张刘臻，通讯作者
为张秀英教授，合作者为课题组研究生周海盛。
一、研究背景
大气氮沉降已成为全球氮循环的重要组成部分，这主要源于大量活性氮的排放。氮是植物新陈代谢的关键
元素，氮沉降能够为作物提供养分，从而潜在地促进其生长。然而，过量的氮输入可能会破坏生态系统平
衡，导致土壤酸化、水体富营养化及空气污染等负面影响。尽管许多研究评估了大气氮污染造成的整体经
济损失，但区域层面的氮沉降经济影响仍未得到充分研究。农田生态系统中的氮沉降不仅影响作物生长，
还会改变含氮污染物及温室气体的排放。因此，评估氮沉降对作物及环境的经济影响对于制定有效的氮污
染减缓措施至关重要。 二、研究数据和方法
大气无机氮沉降主要基于卫星监测的大气NO2和NH3柱浓度，耦合大气化学传输模型GEOS-Chem和地面
监测的大气氮沉降通量数据，构建无机氮沉降遥感估算模型，进而估算了中国2020年月尺度的大气氮沉降
通量。
DeNitrification-DeComposition(DNDC)模型是基于过程的生物地球化学模拟工具，能够有效模拟农田生态
系统中碳氮循环的动态变化。本研究采用DNDC模型，量化了氮沉降对中国农田生态系统的各项经济效益
与损失成本因子（图1）。
图1农田生态系统中大气氮沉降引起的经济效益与损失成本因子示意图。绿线表示氮沉降被作物吸收，
从而带来农产品销售的效益；红线表示氮沉降以气体形式进入环境或对温室气体排放的影响，导致人类
健康、生态系统健康和气候的经济效益或损害成本；蓝线表示氮沉降以径流或淋溶形式流失，对人类健
康和生态系统健康造成损害成本。此外，氮沉降还可能对作物生长产生负面影响，带来经济损失，但在
图1中并未显示。
通过氮沉降对作物生长、含氮污染物及温室气体排放的影响，我们评估了其带来的经济效益与损失成本。净经济效益定义为氮沉降引起的经济效益与损害成本之差，其中经济效益包括作物增产、含氮气体排放增加及温室气体减排带来的效益，而损害成本则涵盖了作物减产、人类健康损害、生态系统退化及气候变暖造成的损失。
三、主要结果 大气氮沉降对中国九个农业区农田生态系统的影响存在差异（表1）。研究发现，农田生态系统中氮沉降
的主要输出途径为含氮气体排放，其排放量约为通过淋溶和径流损失的两倍。高氮沉降区域，如黄淮海平
原和长江中下游平原，是氮排放的热点区域。氮沉降使三种主要粮食作物的全国总产量增加了2.6%，其中
东北平原的增产幅度最大，这可能是由于该地区氮肥施用量相对较低的缘故。从温室气体排放的角度来
看，氮沉降对全国的温室气体排放贡献超过了其缓解效应。N2O排放的增加是温室气体排放增加的主要因
素，进一步加剧了全球变暖的潜在风险。 
表1中国各农业区农田生态系统中氮沉降对各项成本效益因子的影响
经济效益方面，大气氮沉降通过增加粮食产量和提供大气冷却效应，在2020年分别为中国带来了4896.0百
万美元的粮食经济效益和1259.3百万美元的气候效益（表2）。然而，这些经济收益被6257.1百万美元的
人类健康损害、1063.4百万美元的生态系统损害、137.8百万美元的作物减产损失和168.4百万美元的温室
气体排放增加的成本所抵消。总体上，全国范围内的净经济效益为-1471.5百万美元。 
表2 中国各农业区大气氮沉降所产生的经济效益和损害成本
不同地区的经济效益和损害成本表现出明显的空间差异（图2和图3）。东北平原因氮沉降带来的作物增产
收益最大，其经济效益也因此居全国之首。黄淮海平原、长江中下游平原和四川盆地及周边地区则是氮沉
降导致高污染和损害的重灾区，这些区域的经济损失也相对较高。相比之下，青藏高原因氮沉降量低，耕
地面积有限，受影响最小。 
图2大气氮沉降对农田生态系统带来的经济效益：(a)作物增产和(b)气候。(a)中的A-I为中国的农业区，
具体区域如表1所示.
图3大气氮沉降对农田生态系统带来的经济损失：(a)作物产量、(b)人类健康、(c)生态系统健康和
(d)气候影响.(a)中的A-I为中国的农业区，具体区域如表1所示.
此外，不同种植制度在氮沉降下的经济效益和损害成本也各不相同（图3）。玉米-小麦轮作和单作玉米的
经济效益最高，特别是在东北平原，单作玉米贡献了总经济效益的50%。然而，轮作制度中的高频田间管
理活动增加了氮损失和环境损害，导致更高的成本。而双季稻轮作因长期处于淹水状态，大量氮沉降被深
度还原成无害的氮气，造成的环境损害成本相对较低。
*绿色和红色箭头分别表示经济效益和损害成本 *不同颜色的数值表示相应成本效益因子产生的经济影响
这些研究表明，大气氮沉降对不同农业区和种植制度的复杂影响，研究结果为实施有效的政策以实现经济
发展和环境保护之间的可持续平衡提供了科学依据。
课题组已发表有关大气无机氮沉降对农田生态系统影响的相关研究如下： Zhang LZ, Zhang XY, Zhou
HS.Quantitativeassessment of benefits and losses from the influence
of
atmosphericnitrogen deposition on
cropland ecosystems in China.Science of TheTotal
Environment
(2024).
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.175120 Wang Z, Zhang
XY,Liu L., Wang SQ, Wu XD, Zhang WT, Zhao LM, Lu XH, Zhao
XF.Evaluating the
effects of nitrogen deposition on rice
ecosystemsacross China. Agriculture,Ecosystems &
Environment
285 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.agee.2019.106617 Wang Z, Zhang XY,Liu L,
Wang SQ, Zhao LM, Wu XD, Zhang WT, Huang XJ. Inhibition of
methane
emissions from Chinese rice fields by
nitrogen depositionbased on the DNDC model.
Agricultural
Systems184 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.agsy.2020.102919 Wang Z, Zhang XY,Liu L,
Wang SQ, Zhao LM, Wu XD, Zhang WT, Huang XJ Estimates
ofmethane
emissions from Chinese rice fields
using the DNDC model.Agriculturaland Forest
Meteorology303
(2021).
https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108368
Lu, X., Zhang, X.,Wang, Z. & Li, S.
Carbon budget of paddy ecosystems in Chinasimulated
by
denitrification-decomposition model. Ecosphere15, e4926 (2024).
https://doi.org/10.1002/ecs
2.4926
