温宗国教授课题组在Nature Food上发表文章并被专题评论介绍：城市群食品系统可持续性氮管理策略

原文标题：

Uneven agricultural contraction within fast-urbanizing urban agglomeration decreases the nitrogen use efficiency of crop production

作者：

Chen Chen, Zongguo Wen*, Ni Sheng, Qingbin Song

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s43016-024-00980-5

发表期刊：

Nature Food

发表时间：2024.5

引用信息：

Chen, C., Wen, Z., Sheng, N. et al. Uneven agricultural contraction within fast-urbanizing urban agglomeration decreases the nitrogen use efficiency of crop production. Nat Food (2024). https://doi.org/10.1038/s43016-024-00980-5

城市集群发展背景下，城市群内各城市发展路径多样化，产业分工差异显著，导致农业生产规模的不均衡性突出，改变城市间食品供给消费格局和食品系统（涵盖食品生产、加工、消费以及废物处理的综合系统）氮污染时空特征。减缓城市群整体氮污染需明晰食品系统氮元素时空代谢机制，避免局地型管理模式下氮污染空间溢出加剧，充分发挥城市间协同效应，提升氮利用效率和系统可持续性。已有研究大多关注区域整体食品系统氮流动和氮污染排放，而区域内部多城市间食品贸易隐含氮污染转移的演变格局、空间关联机制及其对整个区域氮管理的潜在挑战尚不明确。

本研究以中国粤港澳大湾区为案例，融合长时间序列物质代谢数据和元素流分析、贸易隐含污染转移模型、空间计量分析等多学科研究工具，刻画了城市群食品系统氮代谢动态特征，解析了不同城市发展特征对氮污染空间溢出的影响。研究揭示了城市群农业生产不均衡性加剧过程中，高度发达城市向欠发达城市的食品贸易隐含氮污染转移显著增加，降低城市群作物氮利用效率和食品系统可持续性，识别了社会经济政策、技术创新实现协同削减多城市氮污染的潜力，为推进城市群氮污染协同控制和氮可持续性管理转型提供科学参考。

1. 城市群食品氮生产向较低城市化水平的城市集中

基于累积生产分布曲线定义农业生产集中指数（CAPI）。1989-2006年间，大湾区城市化程度相对较低的城市逐渐拥有更高比例的耕地，且对作物、畜禽产品、水产品中氮素生产的贡献显著增加。深圳、东莞和珠海等城市在快速城市化进程中耕地面积不断减少，农业氮生产规模大幅降低。2006年后，在耕地保护政策等因素的作用下，作物氮生产的集中程度趋于稳定，畜禽产品氮生产的集中程度则持续增加（图1）。

图1 食品氮生产集中度。a. 累积生产分布曲线和CAPI的定义。b-f. 1989-2018年耕地面积（b）、作物氮（c）、畜禽产品氮（d）、水产品氮（e）和农产品氮（f）的CAPI值以及1989年（研究首年）、2006年（作物生产CAPI值的转折年）和2018年（研究末年）的累积生产分布曲线。

2. 食品系统氮代谢动态特征

基于元素流分析方法建立食品系统氮元素跨介质代谢分析模型，模拟氮元素输入食品系统，在自然及人为活动过程中发生物理、化学或生物反应，以不同形态进入环境或重新被利用的全过程。1989-2018年间，氮向水体和土壤中的排放显著增加，主要源于食品生产和废物处理过程（图2）。1989-2007年间，大湾区作物生产氮利用效率从45.2%降至29.3%，在作物氮生产的集中程度趋于稳定后逐渐上升。从氮排放的环境介质来看，研究期内气态氮排放呈下降趋势，主要由于作物种植中氨挥发的减少。液态氮排放在2001年达到峰值，之后得益于污水处理脱氮技术的推广而降低。固态氮排放增长则最为显著，主要源于耕地和污泥中的氮累积（图3）。

图2 大湾区食品系统氮流动桑基图（1989、2018年）。2018年氮流量值显示在流名称后，而1989年的相应值显示在括号中。灰色、粉红色、蓝色、紫色、橙色和绿色线分别代表原材料和产品、N2、进入大气、进入地表水、进入固体废物或土壤以及被回收的氮流。

图3 大湾区食品系统氮排放特征。a. 1989-2018年间作物、畜禽产品和水产品生产氮利用效率的变化。b. 气态氮排放。c. 液态氮排放。d. 固态氮排放。

3. 食品系统氮排放的空间集聚特征

在1989年和2018年，城市人均氮排放与城市化率之间存在负相关关系，且在较低和较高城市化率城市之间的差异增大。随着城市群的发展，城市化进程较快的城市承受的食品系统氮污染增速低于其人口增速（甚至可能随人口增加而减小），而较低城市化水平的城市面临更加严重的氮污染压力（图4）。

图4 大湾区 11个城市食品系统氮排放特征（1989、2018年）。a. 城市化率与氮排放之间的关系。每个圆圈的位置代表一个城市的城市化率和人均氮排放量，圆圈的大小与城市总氮排放量成正比。b. 1989-2018年城市耕地面积（饼图）、耕地氮排放（背景色）和作物平均氮负荷（直方图）的变化。

4. 城市间食品贸易隐含氮污染转移加剧

基于各城市氮代谢分析结果和改进的引力模型建立城市间贸易隐含氮污染转移核算模型。1989-2006年间，随较高城市化水平城市食品氮自给率的降低，食品贸易隐含氮污染转移量从32.9 Gg N/a增加到120.9 Gg N/a。整个研究期内，贸易隐含氮污染占总农业生产氮污染的比例由12.3%增大到42.2%，其中转移到肇庆和江门的污染比例从51.3%增加到91.1%，这与全球食品贸易中向欠发达经济体氮污染转移加剧的现象相似（图5）。1989年，整个珠三角城市群在供给香港和澳门食品中承担了27.8 Gg/a的氮污染转移，而其内部的氮污染转移规模小于2.5 Gg/a；到2018年，广州、深圳、东莞和佛山向其它城市的氮污染转移均超过12.0 Gg/a。大湾区的多核心化发展模式驱动了城市间食品贸易隐含氮污染转移格局的变化（图6）.

图5 1989-2018年大湾区城市间食品贸易隐含氮污染。a. 食品贸易中的氮流和隐含氮污染转移，及贸易隐含氮污染占总农业生产氮污染的比例。b. 各城市向其他城市转移的氮污染。c. 各城市承担的氮污染转移。d. 城市间氮污染转移在各环境介质中的分布。

图6 香港、澳门和珠三角城市群间的食品贸易隐含氮污染转移。a. 1989年。b. 2018年。

5. 城市食品系统氮排放的空间相互影响机制

建立基于STIRPAT（随机性环境影响评估模型）的空间杜宾模型，测算8项城市关键社会经济指标对多介质氮排放的空间溢出效应，以识别加剧城市间食品系统氮污染转移的因素及社会经济政策、技术创新在协同削减多城市氮污染中的潜力。农业劳动力流失、环境规制水平差异等因素驱动氮污染的空间转移，而化肥施用和废物处置的技术进步具有推进多城市协同减污的积极效应。研究提出了协调城市扩张与农田保护，促进专业化规模化农业生产、强化城市间经济和技术层面协作等管理政策建议。

大湾区农业生产规模的不均衡性显著扩大期间，耕地流失和破碎化可能阻碍农业现代化、集约化发展，使得城市化和工业化在提升知识、技术、设备等方面的优势难以充分服务于农业氮管理水平的提升。部分城市农业生产规模的大幅度削减可能带来食品供应韧性降低、城市间环境压力不平衡程度扩大、氮污染传输加剧、氮循环利用潜力降低等问题，对城市群整体食品系统可持续性造成挑战。本研究建议，城市化进程中需对高质量耕地实施优先保护和集中管理策略，开发适应当地劳动力条件的农业生产经营模式以推进农业机械化和现代化，充分发挥先进技术的空间示范效应，以及利用专项资金等经济手段来协调食品供应城市在贸易中承担的环境成本。

比利时鲁汶大学地球与环境科学系可持续食品经济研究组Erik Mathijs教授等在Nature Food同期发表的News & Views中以“追踪城市间氮污染”（Tracing inter-city nitrogen pollution）为题对本研究进行了专题介绍，指出本研究填补了“农业生产、城市化和贸易之间的联系，以及这些联系如何随时间变化的细粒度分析”方面的空缺，证明了快速城市化地区应保护高质量耕地，并利用城市间协同效应充分发挥农业现代化对提升氮利用效率的贡献。