近日，Global Environmental Change-Human And Policy Dimensions在线发表了谷保静研究员作为lead author与其他13位共同作者的合作论文Cleaning up nitrogen pollution may reduce future carbon sinks，首次发现全球碳氮排放比会随着经济水平的提高而增加，与碳氮排放自身与经济发展之间的倒U型格局显著不同，这意味着未来的地球系统可能出现相对碳多氮少的情况，会降低未来生物圈的碳汇潜力，进一步加剧全球气候变化。
图1活性氮利用与排放的转折点与经济发展的案例。(a)和(c)代表已经氮利用和排放越过转折点的案例国家；(b)和(d)代表还没有达到转折点的案例国家
经济发展与环境质量之间存在一种经典的环境库兹尼茨曲线(Environmental Kuznets Curve, EKC)关系，即随着经济的发展环境会开始退化，环境质量下降，当环境质量恶化到一定程度之后，经济的继续发展会改善环境质量，致使经济发展与环境质量之间呈现出一种U型曲线关系，或者经济发展与污染物排放之间出现一种倒U型曲线。因此，分析经济发展与污染物排放之间的关系成为国际上讨论经济与环境问题的热点。之前研究主要关注单个污染物排放量与经济发展之间的关系，例如二氧化碳(CO2)或者氮氧化物(NOx)排放量与经济发展之间的关系，很少有研究涉及到污染物之间的关联与经济发展之间的关系。
图2全球132国碳氮排放和C/N与经济发展关系。图中灰色点代表碳氮排放没有出现转折点的国家；绿色点代表已经出现转折点的国家。
CO2排放是全球气候变化的重要驱动力，为了减排CO2全球各国开展了从《京都议定书》到《巴黎气候大会》等一系列的国际政治博弈。学术界也致力于发掘地球本身的潜力去吸收CO2，减缓气候变化。地球生物圈对CO2的吸收称为碳汇，例如植树造林吸收CO2，这些碳汇可以在国际碳贸易市场上进行交易，具有巨大的市场潜力。一国碳汇增加意味着其可以获得等价的CO2排放权，由于化石能源消费是CO2排放最主要的来源，也即可以获得化石能源消费的权利，这对依靠能源来推动经济发展至关重要。
图3基于经济发展、氮肥施用强度和产量将全球国家进行聚类。Type1是已经过了转折点的国家；Type2是远没有达到转折点的国家；Type3是即将达到转折点的国家。
地球生物圈的碳汇大部分是氮限制的，也是就是说活性氮的供应量(一般通过大气氮沉降的方式实现)很大程度上决定了全球碳汇的大小，属于木桶理论里面的短板。因此，研究全球碳和氮之间的关系对气候变化具有重要的意义。那碳氮关系与经济发展又有什么联系呢？本研究通过分析全球132个国家近50年的社会经济发展与CO2排放、活性氮(Nr)使用与排放以及碳氮比(C/N)之间的关系，发现经济发展与人均CO2排放、活性氮的利用和活性氮的排放均呈现出不对称的倒U型关系(拐点前长尾)，其中倒U型的拐点大概在人均GDP达到15000美元(基于PPP和1990年价格)。也就是说经济发展在达到拐点前增加这些污染物的排放，而在人均GDP超过15000美元之后，经济发展会降低污染物的排放，但是降低的幅度小于之前增加的幅度。与此同时，人均GDP与C/N呈现出线性增加的趋势，不存在转折点。这意味着，在出现拐点之前，CO2排放的增速大于Nr排放，而过了倒U型拐点之后，CO2排放的减幅小于Nr排放。也就是说随着经济发展，地球上的CO2相对于活性氮(排放到空气中的Nr，可以沉降下来形成碳汇的部分)来说会变多，这可能会潜在减少未来生物圈碳汇的增幅。通过IBIS模型模拟，未来全球碳汇的潜力在东亚以及北美等氮沉降的热点区域会出现显著下降。在现实世界中，可以理解为发达国家通过经济发展很好地控制了环境污染，但是控制CO2排放就没有那么容易了，这导致天空很蓝，但是气候变化加剧，环境中缺乏足够的活性氮来使生物圈吸收固定空气中的CO2形成碳汇。
图4由于C/N的升高导致全球2050年潜在的碳汇变化格局
最后，论文呼吁开展碳和氮的协同管理以同时减缓全球的气候变化和环境污染。主要的策略包括同时减排CO2和活性氮，例如通过能源结构的调整和可再生能源的开发同时降低单位能耗的CO2和NOx排放量；空间上调整活性氮排放和碳汇的布局，如果两者能够很好地重合，将会极大地增加未来的碳汇。例如在城市和农业农地周边植树造林，让森林直接吸收和利用城市和农业排放出来的活性氮，来形成碳汇；走农业的可持续发展的道路，一方面农田本身潜在可能成为碳汇，另一方面农业排放了大量的氧化亚氮(N2O)，一分子的N2O相当于300左右的CO2带来的气候变暖效应。因此，合理开展农业活性氮管理可以一方面增加农田土壤潜在吸收CO2的能力，另一方面可以降低N2O的排放，同步减缓环境污染和气候变化。最后，论文倡议未来的气候变化研究要将C/N比与经济发展之间的关系考虑进去，调整对地球系统的模拟。
13位合作者来自于全球11家知名的大学和科研机构，包括中国农业大学、南京大学、墨尔本大学、瓦格宁根大学、英国生态水文中心、阿伯丁大学、阿姆斯特丹自由大学、肯特州立大学等。GEC是SCI和SSCI双收录期刊，在SSCI的Environmental Studies的105本期刊中排名第二，IF5yr=7.987，GEC上的论文不仅要求在环境科学领域有重要进展，还需要在社会科学特别是政策分析上有所贡献。该研究受到浙江大学公管学院青年教师发展协会、国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省杰出青年基金、联合国环境署氮素管理项目（INMS）以及澳大利亚国家基金的支持。
Baojing Gu*, Xiaotang Ju, Yiyun Wu, Jan Willem Erisman, Albert Bleeker, Stefan Reis, Mark A. Sutton, Shu Kee Lam, Pete Smith, Oene Oenema, Rognvald I. Smith, Xuehe Lu, Xinyue Ye, Deli Chen. Cleaning up nitrogen pollution may reduce future carbon sinks. Global Environmental Change, 2017
原文链接：https://authors.elsevier.com/a/1WGLf3Q8oPxJqs