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1工業(yè)氮的定義、分類和通量計(jì)算

1.1工業(yè)氮的定義工業(yè)氮定義為在工廠中由合成氨作為原料生產(chǎn)的、可直接被人類消費(fèi)的終端含氮產(chǎn)品,例如合成纖維、塑料、合成橡膠、合成樹脂、粘合劑、炸藥、涂料、燃料、醫(yī)藥等,不包括主要用于農(nóng)業(yè)再生產(chǎn)的合成氮肥[4].工業(yè)氮的主要代謝途徑包括:從N2生產(chǎn)合成氨開始,進(jìn)一步到生產(chǎn)胺類、氰類、硝基類、腈類中間品,最終到生成橡膠、塑料、纖維、藥品等終產(chǎn)品;這些產(chǎn)品的消費(fèi)會(huì)直接排放氮到環(huán)境中或補(bǔ)充替換系統(tǒng)中之前存留的工業(yè)氮產(chǎn)品;被替換掉的工業(yè)氮產(chǎn)品通過回收利用重新循環(huán)回生產(chǎn)系統(tǒng),或進(jìn)入垃圾處理系統(tǒng)(被填埋或燃燒)分解釋放含氮化合物到環(huán)境中(圖1).工業(yè)氮產(chǎn)品出現(xiàn)之前,人類的這種需求通常由農(nóng)業(yè)氮產(chǎn)品(如皮革、棉花、木材等)提供[15].農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本上沒有增加全球氮循環(huán)中活性氮(Nr)的種類.相反,工業(yè)氮的生產(chǎn)則急劇地增加了Nr的多樣性[9],例如新出現(xiàn)了偶氮、胺、脒和肼等含氮化合物.雖然新出現(xiàn)的Nr種類對(duì)現(xiàn)代人類生產(chǎn)和生活有重要的(不可或缺的)作用,但是部分種類也因其毒害作用而給人類帶來了環(huán)境和健康威脅[16].例如在20世紀(jì)90年代德國(guó)政府禁用了118種含氮染料,這些被禁用的染料大多數(shù)與致癌偶氮化合物有關(guān).然而在禁用之前這些有毒害的偶氮化合物已經(jīng)在工業(yè)氮生產(chǎn)中使用了幾十年[17],對(duì)人類健康造成了不可彌補(bǔ)的危害.

1.2工業(yè)氮的分類我們將工業(yè)氮?jiǎng)澐譃閮深?結(jié)構(gòu)性氮和非結(jié)構(gòu)性氮,以便更好地理解工業(yè)氮的功能和效應(yīng)(圖1).結(jié)構(gòu)性工業(yè)氮在人類-自然耦合系統(tǒng)中主要以固體形式存在,提供物理支持服務(wù)(房屋、家具、衣服等),或在非儲(chǔ)存情況下生命周期超過一年.結(jié)構(gòu)性工業(yè)氮主要包括六大類:合成纖維(尼龍、聚丙烯腈、聚氨酯)、塑料(AS,ABS)、合成橡膠(腈類、丁二烯、聚氨酯)、染料(雜環(huán)類)、涂料(硝基、氨基)和樹脂(聚氨酯).結(jié)構(gòu)性氮周轉(zhuǎn)率較低,長(zhǎng)期積累在人類居住區(qū),如塑料[18,19],使Nr庫(kù)容量增加.在現(xiàn)代氮生物地球化學(xué)循環(huán)中,人類通過結(jié)構(gòu)性氮在生物圈Nr庫(kù)之外構(gòu)建了一個(gè)新的Nr庫(kù)—工業(yè)氮庫(kù),如房屋,家具,衣服及其他生活耐用品中的Nr等.非結(jié)構(gòu)性工業(yè)氮主要包括藥品(如呋喃西林、頭孢硫脒、百生肼)、試劑(三聚氰胺、苯并三唑、二苯胺)、航天燃料(肼)、殺蟲劑(甲草胺、氰戊菊酯、敵草腈)、炸藥(硝酸銨、硝化甘油、三硝基甲苯、硝化纖維)等.這些產(chǎn)品通常周轉(zhuǎn)率較高,一般在使用后一年內(nèi)釋放到環(huán)境中.例如炸藥使用后可以快速地以NOx等化合物的形式釋放到環(huán)境中[9,16].

1.3工業(yè)氮通量計(jì)算通過定量分析系統(tǒng)的氮輸入與輸出,質(zhì)量平衡法可以確定系統(tǒng)、功能群及子系統(tǒng)的氮平衡過程及其通量變化[20,21].

2結(jié)果與分析

2.1工業(yè)氮通量時(shí)間變化及其驅(qū)動(dòng)力分析近30年來中國(guó)工業(yè)氮通量增加了13.4倍,從1980年的0.3TgN增加到2008年的3.7TgN,年均增幅達(dá)47.9%(圖2).2008年,中國(guó)工業(yè)氮通量占全球工業(yè)氮通量(25.4TgN[11,25])的14.5%.與全球其他地區(qū)相比,中國(guó)工業(yè)氮通量略低于美國(guó)(約4.5TgN[26]),而遠(yuǎn)小于歐洲(約7~8TgN[27]).在單位面積基礎(chǔ)上,中國(guó)工業(yè)氮通量(3.8kgNha1a1)低于美國(guó)(4.7kgNha1a1)和歐洲(5.4kgNha1a1).中國(guó)工業(yè)氮通量已超過食物氮(約6.9TgNa1[25])和燃料氮(約6.4TgNa1[28])量值的50%,成為中國(guó)氮賬單上的重要組成部分.近30年來中國(guó)工業(yè)氮增長(zhǎng)主要源自塑料、涂料、染料、纖維及藥品,約占中國(guó)工業(yè)氮總通量的75%(圖2).橡膠產(chǎn)品中由于其含氮的合成橡膠種類較少,氮通量增速較慢.其余約23%的工業(yè)氮通量目前還無法準(zhǔn)確區(qū)分其種類,主要涉及到炸藥、燃料、試劑、農(nóng)藥、樹脂等,大部分屬于非結(jié)構(gòu)性氮.在人均基礎(chǔ)上,中國(guó)工業(yè)氮通量近30年來增加了9.7倍:從1980年的0.3kgN增加到2008年的2.8kgN,年均增幅34.6%(圖3).盡管自2000年以來中國(guó)人均工業(yè)氮消費(fèi)水平迅速增長(zhǎng),但依舊低于全球平均水平,2008年時(shí)僅為全球平均水平的74.4%.全球人均工業(yè)氮消費(fèi)的年際變幅較大,在20世紀(jì)70年代,90年代和21世紀(jì)初出現(xiàn)了三次大的波動(dòng).相反,人均食物氮消費(fèi)量的年際變幅很小,這主要是因?yàn)橐粋€(gè)健康的成年人其年代謝需氮量穩(wěn)定在3~5kgN[30,31].上個(gè)世紀(jì)全球工業(yè)氮通量的三次急劇波動(dòng)與全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)時(shí)期基本一致,因此工業(yè)氮通量的變化可能主要由經(jīng)濟(jì)因素驅(qū)動(dòng)[32].20世紀(jì)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展受全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響較小,一直處于穩(wěn)定上升狀態(tài)[10],因此人均工業(yè)氮消費(fèi)也呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖3),這與中國(guó)人均GDP的持續(xù)增長(zhǎng)顯著相關(guān)(R2=0.98,p<0.001).中國(guó)與世界各地的聯(lián)系已日趨緊密,世界其他國(guó)家通過投資和貿(mào)易的方式促進(jìn)了中國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展,也增加了中國(guó)對(duì)世界環(huán)境的影響[33].雖然中國(guó)工業(yè)氮通量與美國(guó)接近,但是工業(yè)氮的人均通量還遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家[26].如果中國(guó)人均工業(yè)氮消費(fèi)率達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家的水平(12~15kgNa1[26]),中國(guó)工業(yè)氮總通量將會(huì)增加4~5倍,這可能會(huì)給中國(guó)工業(yè)氮管理帶來更大的挑戰(zhàn).

2.2工業(yè)氮通量空間變異及其驅(qū)動(dòng)力分析中國(guó)各省工業(yè)氮產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費(fèi)之間存在很大差異(圖4).生產(chǎn)排名前幾位的是主要分布在東部沿海地區(qū)的江蘇、浙江、廣東、上海和山東,占全國(guó)工業(yè)氮總產(chǎn)量的65%.特別是合成纖維,僅浙江和江蘇兩省生產(chǎn)的合成纖維就占了全國(guó)總量的77%.而工業(yè)氮產(chǎn)品的消費(fèi)則在全國(guó)各省之間相對(duì)均一,但依然呈現(xiàn)出東部大于中西部地區(qū)的格局.不同的是,中部地區(qū)的一些人口大省也成為工業(yè)氮產(chǎn)品的高消費(fèi)地,例如河南、四川、湖北、河北等地.工業(yè)氮產(chǎn)品消費(fèi)量的省間差異遠(yuǎn)小于生產(chǎn)量的省間差異.這種生產(chǎn)和消費(fèi)之間的地區(qū)差異使得每年在中國(guó)內(nèi)部產(chǎn)生約1TgNa1的省間工業(yè)氮流.高人均工業(yè)氮生產(chǎn)和消費(fèi)主要出現(xiàn)在高人均GDP地區(qū),特別是消費(fèi)量(圖4).上海、浙江、江蘇和廣東的人均工業(yè)氮產(chǎn)品生產(chǎn)量和消費(fèi)量比西部地區(qū)高一個(gè)數(shù)量級(jí).對(duì)人均工業(yè)氮消費(fèi)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),不管是在中國(guó)分省基礎(chǔ)上還是全球分區(qū)的基礎(chǔ)上,人均工業(yè)氮的消費(fèi)量都與人均GDP和城市化水平顯著正相關(guān)(圖5).這意味著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展在不同尺度上對(duì)工業(yè)氮消費(fèi)的促進(jìn)過程是一致的.然而在工業(yè)氮消費(fèi)與城市化水平的相關(guān)性中,中國(guó)的響應(yīng)斜率還明顯低于全球水平.這表明在城市化進(jìn)程中,中國(guó)的工業(yè)氮消費(fèi)增速緩慢,可能受到技術(shù)水平以及經(jīng)濟(jì)水平等因素的限制,類似的事情也出現(xiàn)在拉美和西亞(圖5(b))[34].不同于食物氮的個(gè)人消費(fèi),工業(yè)氮消費(fèi)更多時(shí)候是在家庭尺度上,例如家具、房屋裝飾品等的消費(fèi),這使得家庭規(guī)模的不同也會(huì)帶來工業(yè)氮消費(fèi)的差異(圖5(c)).研究表明,隨著家庭規(guī)模的變小,人均水資源、住房面積、電力等資源均顯著上升[35].工業(yè)氮消費(fèi)也表現(xiàn)出類似的行為,即隨著家庭規(guī)模的不斷變小,人均工業(yè)氮消費(fèi)也呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)(圖5(c)),帶來更大的環(huán)境影響.

2.3工業(yè)生產(chǎn)過程中的Nr流失工業(yè)生產(chǎn)過程中的Nr流失是指那些用于生產(chǎn)但沒有包含在最終產(chǎn)品中的Nr,也被稱為“虛擬工業(yè)氮”[36].2008年,中國(guó)工業(yè)氮產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的氮流失接近0.2TgN.通過對(duì)中國(guó)第一次污染普查數(shù)據(jù)的整合分析發(fā)現(xiàn),中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過程中的氮流失率約為5%(虛擬氮除以用于生產(chǎn)的總Nr輸入).高于1996年美國(guó)的數(shù)據(jù)(約為2%[9]),但是遠(yuǎn)低于食物氮生產(chǎn)過程中的氮流失率(高達(dá)50%~80%[37~39]).如果再考慮食物氮生產(chǎn)過程中更大通量的總Nr輸入(中國(guó)目前約為40TgNa1),工業(yè)氮生產(chǎn)中的總Nr損失將比食物氮小兩個(gè)數(shù)量級(jí).但是工業(yè)氮生產(chǎn)中的Nr流失是高氮濃度的點(diǎn)源污染[16].這種高濃度的局部釋放[40],使得中國(guó)東部沿海地區(qū),例如江蘇、浙江、廣東、上海,面臨高工業(yè)廢氮通量的環(huán)境和健康威脅.工業(yè)區(qū)附近的地下水污染通常特別嚴(yán)重[6],例如太湖流域工業(yè)廢水的排放已經(jīng)導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐牡乇硭偷叵滤廴緡?yán)重,給居民的健康帶來威脅[41].而且,工業(yè)氮流失往往與重金屬和其他有害化學(xué)物結(jié)合,使得處理高濃度的工業(yè)廢水Nr,減少其環(huán)境和健康效應(yīng)十分困難[42].幸運(yùn)的是,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展(用人均GDP來衡量),尤其是技術(shù)進(jìn)步,工業(yè)生產(chǎn)中每單位GDP的Nr流失快速降低(圖6(a)).類似的情況也在發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)歷中出現(xiàn)[6,40].然而,雖然單位GDP的工業(yè)氮流失在減少,但是中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)總量的快速增長(zhǎng)仍將導(dǎo)致工業(yè)氮總流失量的增加(圖6(b)).工業(yè)生產(chǎn)過程的Nr流失中,70%以上是NH4+[24].除了NH4+之外,還包括非活性的N2以及N2O,NOx等Nr.例如,Davidson[43]發(fā)現(xiàn)利用己內(nèi)酰胺生產(chǎn)尼龍時(shí)會(huì)釋放N2O,是全球變暖的重要源頭之一.生產(chǎn)硝酸相關(guān)產(chǎn)品會(huì)釋放NOx,導(dǎo)致局部和區(qū)域空氣污染,帶來灰霾和酸雨等[9].同時(shí),由于工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程往往會(huì)伴隨化石燃料燃燒的供能過程,也會(huì)帶來大量的NOx排放.此外,目前的工業(yè)廢水處理技術(shù),主要是將Nr通過硝化-反硝化氧化還原為N2來降低其環(huán)境和健康效應(yīng)[42].雖然該過程是一種環(huán)境無害化處理[44],但是也浪費(fèi)了大量用于Nr生產(chǎn)和廢Nr處理的能量.而且可能造成N2O的大量釋放[43],導(dǎo)致大氣污染和氣候變化[45].通過能量節(jié)約的方式減少生產(chǎn)過程中的工業(yè)Nr污染仍存在挑戰(zhàn).

2.4工業(yè)氮消費(fèi)后的滯留效應(yīng)2008年中國(guó)工業(yè)氮產(chǎn)品的70%屬于結(jié)構(gòu)性氮,而在1980年該比例僅為20%[10].這意味著目前中國(guó)每年約有2.6TgNa1積累在人類居住區(qū),特別是城市地區(qū).Kaye等[20]認(rèn)為城市地區(qū)是凈Nr匯,然而他們只關(guān)注了與食物相關(guān)的Nr積累.食物Nr通常會(huì)很快循環(huán)回環(huán)境中,對(duì)一個(gè)地區(qū)穩(wěn)定的長(zhǎng)期氮匯沒有貢獻(xiàn).考慮到結(jié)構(gòu)性工業(yè)氮較長(zhǎng)的壽命(數(shù)十年),工業(yè)Nr在人類居住區(qū)的總積累量會(huì)遠(yuǎn)大于每年的新增加量.由于工業(yè)氮消費(fèi)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展顯著相關(guān)(圖5),中國(guó)相對(duì)發(fā)達(dá)以及城市化水平較高的東部地區(qū)會(huì)比中西部地區(qū)積累更多的工業(yè)Nr.同一地區(qū)內(nèi),城市會(huì)比農(nóng)村積累更多的Nr,人居區(qū)成為工業(yè)Nr積累的主要區(qū)域.Schlesinger[46]通過追蹤全球人為源輸入的150TgNa1Nr(包括Haber-Bosch固氮和固氮作物種植)的去向,只發(fā)現(xiàn)了其中124TgNa1的去向,這說明存在尚未被人們了解的人為源Nr匯.我們關(guān)于結(jié)構(gòu)性工業(yè)Nr積累的發(fā)現(xiàn)可能是未知人為源Nr匯的解釋之一,這意味著未來全球氮的生物地球化學(xué)研究需要額外關(guān)注工業(yè)氮循環(huán).然而,目前對(duì)工業(yè)氮積累的估計(jì)還存在很大不確定性.例如,Domene和Ayres[9]估計(jì)美國(guó)1996年結(jié)構(gòu)性工業(yè)Nr的比例可能為27%~70%,產(chǎn)生如此大的范圍跨度主要是由于很難將不同種類的工業(yè)Nr產(chǎn)品區(qū)分開來.本文關(guān)于中國(guó)數(shù)據(jù)的估算采用了國(guó)家統(tǒng)計(jì)的所有可得數(shù)據(jù),但是還缺失許多未知種類的工業(yè)氮數(shù)據(jù),這也可能會(huì)帶來很大誤差.例如目前還缺乏硝基類、農(nóng)藥類和試劑類等產(chǎn)品的分類數(shù)據(jù),涉及到多種化合物形態(tài)和最終產(chǎn)品(圖3).這些不確定性為我們量化工業(yè)氮通量以及評(píng)估其最終環(huán)境效應(yīng)帶來了困難,未來進(jìn)一步的工作來減少這些不確定性是十分必要的.在自然生態(tài)系統(tǒng)中,生物通過光合作用吸收大氣中的CO2,然后與Nr以穩(wěn)定的C/N比耦合形成有機(jī)質(zhì)積累在系統(tǒng)中,因此Nr的積累往往意味著碳匯增加[46].與自然生態(tài)系統(tǒng)中人為源Nr的積累相比,結(jié)構(gòu)性工業(yè)氮在人類居住區(qū)的積累對(duì)全球碳匯的貢獻(xiàn)很小.主要是由于:(1)工業(yè)氮產(chǎn)品中的碳固定主要是來自于化石燃料,對(duì)減少大氣CO2濃度沒有太大的貢獻(xiàn),而且工業(yè)氮產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的能量消耗還可能會(huì)帶來CO2釋放;(2)工業(yè)氮產(chǎn)品的C/N比相對(duì)較低,例如合成纖維(<1~5),塑料(<1~8),橡膠(<1~6).結(jié)構(gòu)性工業(yè)氮延遲了Nr向環(huán)境的釋放過程[18],這與森林生物量積累延遲Nr釋放的過程類似[46].盡管這種延遲減少了短期Nr污染,但是經(jīng)過幾十到上百年后,最終積累在人類居住區(qū)的結(jié)構(gòu)性氮(目前中國(guó)的年均通量為2.6TgNa1)仍會(huì)全部釋放到環(huán)境中[18,19],而且延遲釋放引起的滯留效應(yīng)還可能會(huì)對(duì)人類和環(huán)境健康產(chǎn)生更大的潛在威脅.結(jié)構(gòu)性氮釋放到不同環(huán)境媒介(水體、大氣、土壤)中的比例主要受不同管理方式(填埋、焚燒等)的影響.雖然當(dāng)前中國(guó)合成橡膠回收率高達(dá)90%[47],但是其他結(jié)構(gòu)性工業(yè)氮的回收率不足30%[48],剩余部分主要被填埋、焚燒或者直接堆棄.填埋是目前中國(guó)最主要的垃圾處理方式,占垃圾總量的56.6%,主要在城市地區(qū)[49].結(jié)構(gòu)性工業(yè)Nr的填埋可能會(huì)釋放多種有毒有害含氮中間化合物(如氫氰酸,三聚氰胺),污染土壤和水體,并進(jìn)一步影響人類健康[5].除了填埋,垃圾焚燒以供能量循環(huán)是城市垃圾處理的另一種主要方式[8],占垃圾總量的12.9%,其處理過程可對(duì)環(huán)境和健康產(chǎn)生直接影響.除HCN這種可以直接對(duì)人類健康產(chǎn)生影響的焚燒產(chǎn)物外,NOx和N2O也是結(jié)構(gòu)性工業(yè)Nr焚燒的產(chǎn)物[9],它們引起懸浮顆粒物的形成、近地面臭氧的生成和平流層臭氧的減少,以此影響大氣質(zhì)量和氣候變化[15].人類居住區(qū)積累的結(jié)構(gòu)性氮也可能經(jīng)由突發(fā)事件而釋放到環(huán)境中,這種不可預(yù)測(cè)的Nr釋放過程可能對(duì)人類健康造成致命的威脅.例如,2010年12月上海的火災(zāi)致使58人死亡,其主要原因就是由于建筑物裝修過程中使用了大量的聚丙烯腈和聚氨酯泡沫材料,火災(zāi)發(fā)生時(shí)釋放大量HCN,使人中毒死亡[50,51].中國(guó)目前還有28.7%的城市垃圾和幾乎全部的農(nóng)村垃圾都隨意堆放,由于緩慢的生物降解速率,這些結(jié)構(gòu)性工業(yè)Nr在環(huán)境中可以留存數(shù)十年到上百年[18],特別是在農(nóng)村地區(qū)[52].這些結(jié)構(gòu)性氮的長(zhǎng)期存留會(huì)帶來多重的環(huán)境影響,如塑料和橡膠的廢棄堆放會(huì)帶來占地、微生物疾病傳播、生物入侵等問題[18].因此,必須嚴(yán)格檢測(cè)各類工業(yè)Nr的健康效應(yīng),監(jiān)控和減緩結(jié)構(gòu)性氮的滯留效應(yīng).非結(jié)構(gòu)性氮產(chǎn)品一經(jīng)使用,其所含Nr會(huì)被快速釋放到環(huán)境中,與食物和燃料中的Nr釋放行為相似[2].雖然一些非結(jié)構(gòu)性工業(yè)Nr在環(huán)境中也可以存在一段時(shí)間,但是仍少于一年,例如殺蟲劑[53].通過整合分析,我們發(fā)現(xiàn)含氮?dú)⑾x劑在降解為簡(jiǎn)單含氮化合物前,其半衰期通常少于60天,但是其環(huán)境效應(yīng)在分解后仍會(huì)持續(xù)[53].中國(guó)目前非結(jié)構(gòu)性氮的通量約為1.1TgNa1,除了一些非結(jié)構(gòu)性氮產(chǎn)品在使用過程中會(huì)釋放N2[9],大部分的非結(jié)構(gòu)性氮產(chǎn)品均釋放Nr到環(huán)境中.由于缺乏具體的產(chǎn)品種類數(shù)據(jù),我們還無法準(zhǔn)確估算這1.1TgNa1的非結(jié)構(gòu)性氮釋放到大氣、水體和土壤中的比例.非結(jié)構(gòu)性氮的分解產(chǎn)物也會(huì)通過氮級(jí)聯(lián)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為其他的含氮化合物,一些中間物可能帶來嚴(yán)重的環(huán)境和健康效應(yīng).此外,NH3本身作為非結(jié)構(gòu)性氮也被作為終產(chǎn)品消費(fèi).如NH3可以用在化石燃料燃燒后清潔煙道氣的技術(shù)中,用來催化或非催化地吸收NOx和SO2[27].NH3可以替代氯氟烴作制冷劑,緩解全球變暖等[54].

3未來趨勢(shì)與管理建議

伴隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,工業(yè)Nr通量會(huì)持續(xù)增加,結(jié)構(gòu)性工業(yè)Nr庫(kù)也將隨之而增大.從全球特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展軌跡看,這種趨勢(shì)在短期內(nèi)不會(huì)改變.因而工業(yè)氮帶來的環(huán)境問題將日趨嚴(yán)峻.如果沒有突出的技術(shù)進(jìn)步,將很難降低人類福祉對(duì)含氮工業(yè)產(chǎn)品的依賴[55].不同地區(qū)人均工業(yè)Nr通量的差異,也暗示著隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中國(guó)中西部地區(qū)會(huì)有很大的工業(yè)氮增長(zhǎng)潛力.工業(yè)氮造成的環(huán)境改變會(huì)產(chǎn)生反饋,直接影響人類健康和福利,例如通過釋放有毒的含氮污染物,或者間接地通過對(duì)氣候改變而帶來影響[2,4].目前,工業(yè)氮循環(huán)已經(jīng)給我們帶來了全面的挑戰(zhàn),即如何在減小其負(fù)面影響的同時(shí)將其對(duì)人類的福利最大化.考慮到工業(yè)氮的復(fù)雜組成,環(huán)境移動(dòng)性和區(qū)域間的差異性,沒有單一的策略可以滿足上述要求.理解了工業(yè)Nr的環(huán)境和健康效應(yīng)有助于大眾和決策者制定出更好、更加可持續(xù)的政策,減少工業(yè)氮污染并使其服務(wù)最優(yōu)化.首先,降低工業(yè)氮生產(chǎn)中的點(diǎn)源氮流失.雖然工業(yè)生產(chǎn)過程中的氮流失相對(duì)農(nóng)業(yè)來說很小,但是其高濃度的點(diǎn)源釋放依舊是中國(guó)未來環(huán)境治理的重點(diǎn),必須通過新的回收再利用技術(shù)以及處理技術(shù)來降低這些點(diǎn)源釋放.第二,降低工業(yè)氮產(chǎn)品的滯留效應(yīng).針對(duì)不同的工業(yè)氮產(chǎn)品特性,設(shè)計(jì)合理的控制策略來降低使用和廢棄之后的環(huán)境效應(yīng).例如在聚丙烯腈和聚氨酯產(chǎn)品中增加阻燃劑,避免意外燃燒時(shí)候的HCN釋放[56].第三,將工業(yè)氮整合到區(qū)域和全球生物地球化學(xué)模型中.現(xiàn)有的氮的生物地球化學(xué)模型中沒有包括工業(yè)氮過程[55,57],特別是工業(yè)氮的積累過程,因此當(dāng)進(jìn)行全球變化和健康研究時(shí)就會(huì)出現(xiàn)很大的不確定性,尤其是在城市地區(qū)[20].結(jié)構(gòu)性氮的滯留效應(yīng)可能會(huì)對(duì)環(huán)境帶來意外和閾值,導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)果.因此,將工業(yè)氮整合進(jìn)地球系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬中,減少模擬的不確定性,對(duì)于理解地球系統(tǒng)非常重要.這需要多個(gè)領(lǐng)域的交叉合作研究,例如生物地球化學(xué)、工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和生態(tài)學(xué)等.

4小結(jié)

在過去半個(gè)多世紀(jì)中,工業(yè)氮循環(huán)已經(jīng)重塑了區(qū)域及全球氮循環(huán).我們發(fā)現(xiàn)工業(yè)氮主要是結(jié)構(gòu)性的,趨向于在人居環(huán)境中積累形成Nr庫(kù).工業(yè)氮通量主要由經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng),并可能隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而增長(zhǎng).減緩工業(yè)氮環(huán)境威脅的最好策略就是循環(huán)利用結(jié)構(gòu)性氮,減少污染物排放,減小工業(yè)Nr庫(kù)的大小.未來研究應(yīng)該將工業(yè)氮整合到地球系統(tǒng)氮循環(huán)的動(dòng)態(tài)模擬中,全面評(píng)估工業(yè)氮對(duì)環(huán)境和人類健康的滯留效應(yīng).

作者：谷保靜楊國(guó)福羅衛(wèi)東杜園園葛瀅常杰單位：浙江大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院浙江大學(xué)可持續(xù)發(fā)展研究中心