长三角地区氮污染源解析及其调控机制研究

Human activities have more than doubled the global nitrogen input to terrestrial ecosystems, leading to serious nitrogen pollutions and posing threats to the environment and human health. Once releasing to the environment, reactive nitrogen is hard to be removed, therefore, the source appointment, and further implementing source control is the key to address nitrogen pollutions. This proposal chooses Yangtze River Delta region, the highly urbanized and industrialized, and also most polluted area in China, as a case study, taking nitrogen balance of coupled human and natural systems as framework, through field investigation & sampling, controlled experiments, remote sensing monitoring and 15N stable isotope determination, to build a more accurate regional nitrogen pollution source appointment system. The key scientific questions are: 1) What are the changes of drivers of nitrogen biogeochemical cycles by human in urbanized area? 2) What is the role of human factors for the formation and regulation of the nitrogen pollution in urbanized area? 3) What is the role of technical and policy regulation in the nitrogen pollution in the urbanized area? Furthermore, ecological modeling will be used to conduct scenario analysis and feasibility analysis of different pollution control strategies, and cost-benefit analysis and incentives-punishment mechanism will be also integrated into the screening of the optimal strategy.Results of this project will provide new understandings for the nitrogen biogeochemical cycling studies of coupled human and natural systems, meanwhile, providing supports for decision-makers of Yangtze River Delta region on more effective sustainable development strategies.

人类活动已使全球陆地生态系统氮输入加倍，由此带来的氮污染对环境和人类健康已造成严重威胁。活性氮一旦进入环境便难以彻底移除，因此对氮污染进行源解析，实施源头控制是解决氮污染的关键。本项目选择我国城市化和工业化最发达、氮污染最严重的长三角地区为案例，以人类-自然耦合系统氮平衡体系为核心，通过野外调查取样、控制实验、遥感监测和15N稳定同位素测定，构建更加精确的区域氮污染源解析体系。拟解决：1)城市化区域中人类对氮生地化循环的驱动有哪些改变？2)人类因素在城市化区域氮污染形成和调控中的作用是什么？3)技术和政策调控在城市化区域氮污染中的角色是什么？并通过生态建模进行污染控制策略的情景分析与可行性分析，将成本-收益分析和激励-惩罚机制整合到最优策略的筛选中来。本项目的研究结果可为人类-自然耦合系统氮生地化循环研究提供新的理解，同时也可为长三角地区决策者制定更有效的可持续发展策略提供支持。

人类活动通过工业固氮、化石燃料燃烧和固氮作物的种植，在满足人类的食物、药品、能源等产品需求和福祉的同时，已经使陆地生态系统的氮输入比自然状态下增加了3倍以上。全球人源活性氮(Reactive nitrogen, Nr，除了氮气之外的具有生物学和环境效应的氮)的通量目前已经接近200 Tg N yr-1 (1 Tg = 100万吨)，而且依旧呈增加趋势(Fowler et al., 2013)。氮既是一种资源又是一种污染物，作为资源它不仅关乎到人类的食物生产，也关乎到工业产品的生产以及资源和能源的有效利用；作为污染物它是大气污染(PM2.5)、水体污染(蓝藻暴发)、酸雨以及全球变暖(强力温室气体N2O排放，单分子增温潜势是CO2的300倍)的关键污染源(Erisman et al., 2013)，活性氮环境污染广泛、复杂、持久，被认为是21世纪重大环境问题。. 本项目通过对活性氮循环及其污染源解析和调控的研究，全面分析了从区域到全球的活性氮来源、流通、去向、有效管理、生态建模和环境经济学等方面的内容。在建立了人类-自然耦合系统(CHANS)氮循环管理体系的基础上，结合野外监测和卫星遥感数据，耦合区域社会经济发展，在活性氮环境污染来源解析及其社会经济驱动、工业氮循环过程、活性氮环境污染的管理调控等领域取得了一系列进展。构建了人类主导的城市及其周边地区活性氮管理模式、并将该模式与计算机协助自动化计算分析结合，建立了城市化区域氮循环模型(URCNC)，为区域社会经济和环境的可持续发展提供了理论和方法论基础。到目前为止已经在PNAS，Frontiers in Ecology and the Environment，Scientific Reports，Environmental Science & Technology，Global Environmental Change等国际地球科学、环境科学、生态学与经济管理类交叉领域期刊上发表论文11篇，其中SCI收录9篇，SSCI收录1篇，影响因子>5的有6篇。本项目的研究成果为区域的可持续发展和政策制定提供了重要的理论和应用支撑。