文献阅读 | 区域氮边界与国际食品安全的调和

题目

Reconciling regional nitrogen boundaries with global food security

作者

Jinfeng Chang, Petr Havlík, Andre Deppermann, David Leclère, Wim de Vries, Hugo Valin, Tomoko Hasegawa and Michael Obersteiner

期刊

Nature Food

时间

2021年9月

一作

单位

College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou, China

链接

https://doi.org/10.1038/s43016-021-00366-x

基本概念

行星边界（Planetary Boundary）：2009年，瑞典斯德哥尔摩大学恢复力研究中心Rockström研究团队在Nature上刊文，正式提出了行星边界框架。该框架聚焦于地球的九项关键生物物理过程，即气候变化、生物多样性损失、生物地球化学流动（氮磷循环）、平流层臭氧消耗、海洋酸化、淡水利用、土地利用变化、大气气溶胶负载和化学污染，并为前七项过程设定了安全边界。

这些边界一旦被逾越，极有可能引发地球系统状态发生不可逆的非线性变化，进而对人类福祉产生不利影响。该框架测算了变量现状值，基于古环境记录与最新科学文献设置变量边界值，并将工业革命前的全新世 （Holocene） 地质时期稳定的资源环境状况作为参考。

图1 行星边界（Planetary Boundary）示意图 

图片摘自网址：https://news.mongabay.com/2021/03/the-nine-boundaries-humanity-must-respect-to-keep-the-planet-habitable/

氮边界（Nitrogen Boundary）：是九大行星边界中“生物地球化学循环”中的一部分（和磷并列），由于农业对氮的大量使用，不同地区之间的氮循环受到了不同的影响，氮投入和产出之间严重失衡，目前氮循环已经较为显著地超出了安全界限，由此可见，减少氮排放与污染至关重要。

氮盈余（Nitrogen Surplus）：农业土地中氮的投入量（包括矿物氮肥、大气氮沉降、人类回用的污水和粪肥）和去除量之间的差值，包括农田、牧场和牲畜系统。氮向大气和水体的损失即由盈余量决定。

研究背景

氮管理与联合国的可持续发展目标（SDGs）的关联：

①矿物氮元素能够确保食品安全（SDG2：zero hunger消除饥饿）；

②过量的氮元素会通过气态扩散的形式（NH₃或NO_x）进入环境当中；

③造成大气污染（SDG3：Good Health and Well-being健康福祉）、植被退化和生物多样性丧失（SDG15：Life on land陆地生态）以及气候变化（NO2有温室效应）（SDG13：Climate Action气候行动）；

④进入水体的氮元素又会造成地下和地表水资源的退化（主要通过NO₃^-的径流与渗透污染），影响清洁水源的同时甚至可以通过河流传输干扰海洋生态系统。（SDG6：Clean Water and sanitation 清洁饮水， SDG14：Life below water 水下生物）。

由此可见，氮循环管理在可持续发展议程中发挥着重要的作用。

本研究将全球行星氮边界视为一个好的集合指标来衡量环境压力的严重程度。在边界的定义中我们需要考虑到地区的异质性。

例如，撒哈拉以南非洲（南非除外）由于无法获取足够的氮肥，水中含有的氮元素在“安全”范围内，相比之下，中国和欧洲与氮肥施用有关的水污染问题则较为严重（还包括家庭废弃物的处置、氮肥利用效率低等因素）。地区风险的存在需要我们将氮边界的框架下沉到地区尺度，考虑气候、环境、经济和社会多重因素的情况。

研究意义

对氮肥的约束目前已经广泛且成功地应用在了不同的地区与国家，研究者也针对氮对未来食品生产的作用进行了地区和全球尺度的研究，然而食品安全对实现环境目标的影响却并没有得到太多的关注，如果约束氮的投入而不提高氮的利用率（NUE）可能会降低食品的产出，增加食品价格并导致饥饿。

De Vires等人对氮元素的投入进行了全球尺度的估算，并使其符合食品安全和氮边界的要求进而保护生物多样性，同时也呼吁一个囊括了完整氮循环的更加细致的评估模型；Folberth等人和Gerten等人最近借助定量化的手段分析了给当前水平或100亿的人口提供充足的食物卡路里的生物物理潜力，同时考虑了多重的环境约束，但没有考虑地区生产、市场影响和食品安全等方面的问题。Gerten等人也建议接下来使用综合的评估模型进行研究。  

本研究在GLOBIOM模型中添加扩展的全球农业系统氮循环表示，之后应用模型，使其能达到基于地表水的关键氮限制得出的，给定可接受氮盈余条件下的区域氮约束。

图2 氮循环模型示意图（蓝色数字代表2010年对应的氮流动量级） 

研究思路

本研究中，研究者利用完整食品系统的不同驱动力提供了一个针对食品安全和地区氮盈余边界的综合性全球评估模型。研究者首先在GLOBIOM（全球生物圈管理模型，Global Biosphere Management Model）这一全球土地利用模型中建立了细致且有代表性的氮循环过程。之后将地区氮盈余边界和来自农业土地的地表水径流中的氮浓度（2.5mg Nl-1）联系起来。

研究者引入四个关键指标研究食品安全两个维度的问题：食品的可获得性方面选取平均饮食能量可获得性与平均饮食蛋白质可获得性两个指标进行衡量；食品获取领域选取受饥饿风险的人口与食品价格两个指标进行衡量。

另外，研究者还引入了一系列情景帮助理解环境和食品安全目标之间的权衡关系：

（1）基准情景（BAU）依据的是中间路线的共享社会经济路径（SSP2），将其作为基准线；

（2）一系列水质量保护情景，在这些情景中氮盈余被限制在一定约束界限内（NrRB），这之间的差别主要是实施的缓解措施假定和社会经济驱动力假设有一定的不同。为了考虑到气候的不确定性，研究者还进行了一系列的敏感性模拟。上述的情景中并没有清晰地强调扰动因子（如COVID-19），这类事件对农业市场的影响程度仍然不够清晰。

研究结果

地区氮盈余的边界：基于关键氮泄漏算出的全球尺度下氮盈余边界加总结果为248TgN yr^-1。

干旱气候区(中东、北非和南欧)以及高氮输入区(印度、中国和西欧)和低氮输入区(印度和中国)等区域已经远远超过其临界氮盈余。这些区域在未来需要大力减少氮盈余并确保地区仍处在氮盈余边界内。

而对大洋洲、东南亚、拉丁美洲、撒哈拉以南非洲等地区，农业扩张和高强度将能够在不超过氮浓度约束的情况下得以实现。但这种扩张可能会导致对土地和植被碳储存和生物多样性的影响。

图3 2010年地区氮风险指标的分布情况 氮风险RI的定义为关键氮盈余超过现有氮盈余的部分与估计的地表径流渗透入水的氮相比关键氮浓度2.5mg Nl-1超出的程度二者的比值。RI小于1代表区域流入河水的氮含量已经超过了关键氮边界。

没有氮约束和有氮约束下的食品安全影响：基准情景（BAU）下，2050年的全球农作物产量和牲畜产量预计将增长69%和75%（相比于2010年）。国际贸易预计增长121%，其中，东亚粮食净进口增幅最大，而拉丁美洲和北美是最大的出口区域，欧洲则会从2010年净进口国转变为2050年净出口国。全球平均膳食能量可用性会增加14%，饥饿风险人口从2010年8.24亿下降到2050年2.88亿，东亚和发达地区食品价格下降16%左右，发展中地区则略有增长。

将区域氮盈余约束在一个关键的边界下会被预测为2050年会导致13%的作物产量下降和13%牲畜产量的下降（相比于基准情景），这会导致食品可获得性变为每人每天2900千卡，食品价格上升26%，7.41亿人处于饥饿风险中。

没有使用专门氮盈余缓解策略的情况下，国际贸易是主要的调整机制，农作物和动物产品的国际贸易会增长36%到117%，但因为不同区域氮过剩水平不同，各地区食品价格上涨可能非常不均衡。南亚膳食能量和蛋白质供应会大幅度下降，导致人口饥饿的风险（2050年4.95亿）显著上升。东亚和中东在NrRB-BAU情景下预计到2050年面临饥饿风险人口将分别为9400万人和1300万人，这是BAU情景下的9.4倍和2.1倍。

图4 不同情景下全球农业生产和国际贸易的预测情况（9个情景+4条路径）

氮缓解措施的影响：本研究考虑的所有缓解策略(NrRB-Combined scenario)可以完全消除限制区域氮过剩对粮食安全的负面影响。到2050年，缓解策略的组合实施将使面临饥饿风险的人口减少到2.34亿，比2010年减少5.9亿，比BAU情景下少5400万，比NrRB-BAU情景下少5.07亿。到2050年，食品价格将比2010年低19%（比BAU情景低14%)，全球N盈余到2050年将减少到65 Tg N yr-1（是2010年的58%）。

地区氮肥盈余仍然会触及中东和北非的区域边界，粮食生产仍将受到临界N剩余的限制；全球氮肥需求将减少到2050年的35 Tg N yr-1。

另外，结合所有策略达到地区氮边界将有助于为《巴黎协定》做出更大的贡献。

2050年在1.5℃目标下预期的农业非CO₂排放量将会在2.9-4.9GtCO₂ yr-1的范围，而NrRB-Combined情景在2050年能够相比BAU情景降低2.3Gt CO2 yr-1，包括1.0GtCO₂每年的甲烷减排和1.3GtCO₂每年的氧化亚氮减排（由于更少的肥料施用）。

在氮约束条件下，本研究考虑的大多数单独的氮缓解措施能够在2050年提升全球的食品安全程度，减少饥饿风险的人口数量（6700万到4.2亿）和食品价格（下降7%到26%）。所有这些情景都通过减少的氮盈余在不同量级上缓解了全球环境压力，虽然不同的情景下，对非CO2温室气体的排放的预测并不一致。

提高氮利用效率是最高效的降低饥饿风险人口，氮盈余和氮肥需求的手段。

直接减少粪肥管理的氮盈余，从而在区域N盈余总量受限的情况下，特别是在已经接近或超过临界N剩余的地区，可以允许农田和牧场系统有更多的N盈余。与NrRB-BAU方案相比，该方案将面临饥饿风险的人口减少了6700万(主要是在中国和印度)。

改善污水处理和回收(NrRB-Sewage)情景不会对粮食安全指标产生很大影响，因为它不会改变农业用地上的N盈余。但减少了N直接排入地表水(点负荷)。从污水处理厂回收去除的N对降低肥料需求的影响较小(−4 Tg N yr-1))． 减少收获损失增加供应而不使用任何额外的土地或肥料。在整个供应链中减少食物浪费有效地减少了满足人类食物需求所需的农业生产。因此，与NrRB-BAU方案相比，更多人可以用更少的粮食产量获得食物，从而减少2.24亿面临饥饿风险的人口。这情景将减少所有地区的营养不良。

改变饮食，减少动物产品将使面临饥饿风险的人口减少2.08亿人，因为植物性饮食会降低食品生产的总系统成本，动物产品的氮效率往往较低且温室气体排放强度较高，减少肉类和牛奶的消费可以将温室气体排放降低到4.2GtCO2每年，预计到2050年，全球氮肥需求将比2010年减少5TgN yr-1（相比NrRB-BAU情景）。主要源于两个相反方向的影响：来自农作物产品的饲料需求量减少以及矿物氮肥的需求量由于粪肥的可获得性减少而增加。

图5 不同情景下不同参数的估算结果 依次为人均每日饮食能量、人均每日蛋白质摄取量、农业商品价格、饥饿风险人口、氮肥需求量、氮盈余、非二氧化碳温室气体排放量

对气候变化的影响：与BAU情景相比，RCP8.5情景下食品价格会上升4%，导致2050年全球膳食能量和蛋白质的可获得性均减少，并造成额外6300万人营养不良。并且将区域氮盈余约束在一个固定的边界下还会放大气候变化产生的负面影响。

与NrBU-BAU情景相比，RCP8.5情景下价格预计上涨6%，营养不良人口增加1.17亿。

而氮缓解策略可以环节气候变化带来的上述额外负面影响，实施全部的氮缓解策略仅导致额外3200万人营养不良，气候对食品安全的影响因地区而异。

RCP8.5气候情景下，北美、东南亚、南亚和撒哈拉以南非洲的作物的干物质产量会明显下降，而大洋洲、前苏联区域和欧洲则会因气候变化收获更多的粮食产量，通过调整贸易与供需关系，RCP8.5气候情景下高全球变暖会导致全球粮食价格上涨并会造成在北美、东南亚、南亚等地区更低的能量和蛋白质的可获得性。

气候变化对食品安全的影响在中等气候变化情景（RCP4.5, RCP6.0）下并不显著。

图6 不同情景下不同地区饥饿人群的估算结果以及地区分布情况

研究方法

Globiom模型介绍：GLOBIOM模型是一个全球的部分均衡模型，基于土地可获得性约束条件下对土地活动进行划分，并实现生产者和消费者剩余的最大化。该模型以地理上0.5°×0.5°的格点分辨率进行的土地基础的活动作为支撑。农业生产过程被划分为18种作物和7种类型的牲畜，供给食物、饲料和生物质能的市场总产出。任何一种活动都在格点尺度上借助EPIC、RUMINANT、CENTURY等模型的科技参数被描述。

GLOBIOM模型还能够得出土地利用的竞争关系和贸易关系。我们的社会经济叙述遵循SSP2的相应参数，包括量化的经济和人口增长假设，能源强度提升，生物质能资源和使用，技术成本进步，土地利用发展、产量和投入强度的增长、食品需求、损失和浪费等等。

GLOBIOM模型在动态递归的设置下运行，步长为2000到2050年每10年一步，可以算出市场（需求、供给、贸易、价格等）与环境变量（土地和水利用、温室气体源和汇、氮平衡等）。

研究者在全球农业系统以及相关的人类食物系统当中应用了氮循环。首先将相关的生物质能流动转换为氮的流动，之后考虑另外的氮流动，包括农作物的残渣、粪便和肥料施用、大气沉降等，以及氮损失（渗透与温室气体）。

在未来预测中，模型能够模拟产量、需求和与食物、饲料和牲畜产品相关的土地利用。因为土地利用模型不包含一个基于生产的土地氮循环的表示，研究者因此假设土地投入与产出之间长期的氮平衡，认为不存在净增长或净损失，这对于农业土地可持续发展的利用也是合理的。为了预测未来的肥料施用情况，地区的氮使用效率被作为一个外生情景参数，其未来发展取决于情景设置。

GLOBIOM模型中历史的农业氮流动（2000年和2010年）从以往研究和统计数据中得出并进行核对，而全球氮流动和氮使用效率数据则和以往研究与预测是可比的。近年来地表氮循环模型领域取得了重大进步，但是重要的不确定性仍然普遍存在，尤其是考虑到粪肥、管理、应用和沉积的时候。

本研究中，研究者考虑了所有主要农业源的CH₄和N₂O的排放，包括肠道发酵、粪肥管理和稻谷种植等不同来源的CH4排放与农田、牧场和粪肥管理的N₂O排放。

虽然GLOBIOM模型运行了37个区域，研究者最终基于地理位置和经济发展的相似程度将其整合成10个主要区域：东亚、欧洲、前苏联、拉美、中亚和北非、北美、大洋洲、南亚、东南亚和撒哈拉以南非洲。

建立地区氮盈余边界条件：传统的氮边界是基于投入建立的，例如氮行星边界或全球的关键氮的农业投入都是基于关键氮（NH₃）的大气排放和关键氮由于地表水的损失建立起来的，并考虑对生物多样性和水体生态系统的影响，而在本研究中地区氮边界仅仅在农业土地利用的关键氮浓度的基础上建立起来。在所有地区这都是最具有约束力的条件，不超过这一约束往往意味着可接受的泄露率和大气中氨的排放。

本研究计算的是一种关键氮盈余而不是一种关键氮的投入，原因在于这是一个接近常数的值，并且它基于一个关键的水流的约束能够把氮盈余和氮泄露联系起来。而氮投入也受到氮利用效率的影响，这会通过改进的肥料管理方式发生剧烈的改变。因此研究者基于地表水的关键氮约束使用关键氮盈余。

约束氮盈余和对食品安全的传导影响：

上面不等式左边分别代表着农田、牧场和牲畜系统在经济区域r的氮盈余量，本研究中约束条件被应用于2030到2050年之间，在基准情景下，模型区域氮盈余在2020年会以线性递减的方式下降到2050年。

在所有NrRB的情景中，区域氮盈余都被用于作为一个额外的约束求解该模型，从而避免氮的过度使用。

在一个区域内，我们假定给定作物和牧草的氮利用效率（NUE）与其位置和管理系统无关，从而导致在区域水平上对特定作物的施氮量与其产量之间存在线性关系。因此，对于农业N剩余总量超过确定的区域边界且没有相应的NrRB情景中考虑的专门的N缓解战略的地区，对作物的N投入的减少将导致其产量成比例地减少，而这反过来将导致产量的下降导致食品价格上涨。价格的上涨还将触发一些内源性调整机制。

估算受饥饿风险的人口数量：营养不足或者饥饿人群的狭义定义是至少一年缺乏卡路里，不包括短期的临时灾害的影响。估算饥饿风险人群的具体方法基于FAO的农业经济模型方法。

理论上，饥饿风险可以根据GLOBIOM预测出的平均饮食可获得的能量进行计算，关键有三个指标：平均饮食能量可获得程度、平均最低饮食能量摄取和国内饮食能量消耗分配（默认为对数正态分布）的相关关系。

启示与思考

这篇文章是GLOBIOM模型在农业领域的一个重要应用，关注了目前非常紧迫的氮边界与氮过量的问题，并从模型与情景构建的角度对未来的饥饿人群、气候变化、氮肥需求、食品价格等参数进行了预测，最终得出的结论显示了全球不同区域的异质性，并有助于从定量的角度分析与比较氮缓解措施的效果并能够更好地提供政策建议。

由于GLOBIOM模型针对全球进行模拟，且步长较长，在不同区域里的准确度与分辨率仍有待提高，且本文没有详细阐述模型结果的不确定性，因此模型结果可能仍需要进一步求证。

编辑&排版：房晨

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