城市氮代谢过程网络关联机理、格局及其调控研究

The high nitrogen input and output caused by human activities have greatly changed the biogeochemical cycle of nitrogen. Therefore, it has become a hot spot to study the nitrogen transfer process from the aspects of nitrogen input, transformation and output. However, the current nitrogen studies focus on the nitrogen budget and evaluation, the research of simulated nitrogen transfer process is also relatively rare. So it is difficult to form a methodology to serve nitrogen management decisions effectively. This study integrated ecological network analysis, input-output analysis and GIS technology, with "metabolism", "network", "pattern" from the perspective of the whole process of tracking nitrogen transfer process, to construct the ecological nitrogen metabolism network model. We also carry out the study on the mechanism and pattern simulation of nitrogen metabolism and the optimal regulation of Beijing, exploring the temporal, spatial dynamics and its driving mechanism of nitrogen input, transfer and output. Furthermore, the dynamic changes of nitrogen metabolism in Beijing and the distribution area of environmental imprinting were studied in long term, which can alleviate the pressure of nitrogen input and output and improve the efficiency of nitrogen flow in the city, then provide scientific methods and quantitative basis for the establishment of reasonable action plan and policy measures. Also, it can effectively promote the construction of related disciplines, enrich the research content and method system of urban ecosystem, and then serve the urban environment and ecological management.

人类活动引发的高氮输入输出已极大地改变了氮的生物地球化学循环过程，因此，从氮输入、转化、输出等环节入手，追踪氮流转过程，成为当前研究热点。但目前氮素研究多集中于收支核算与评价，模拟氮流转过程的研究相对较少，还难以形成系统的方法体系服务于有效的氮管理决策。本研究集成生态网络分析、投入产出分析、数量统计分析等方法及GIS技术，以“代谢”、“网络”、“格局”视角，全过程追踪氮流转过程，构建氮代谢生态网络模型，开展北京氮代谢机理与格局模拟及优化调控等创新性研究，探求氮素输入、流转与输出的时空动态变化规律及驱动机制，并深入探讨长时间序列北京氮代谢腹地动态变迁规律及环境印迹分布区域、相隔距离，为缓解城市氮输入输出压力、提高城市内部氮流转效率，制定合理的行动方案及政策措施提供科学方法和量化依据，可有力地促进相关学科建设，完善城市生态系统的研究内容及方法体系，服务于城市环境与生态管理。

人类活动已经显著改变了氮的生物地球化学循环过程，并带来了一系列生态环境问题，威胁人类的生存和健康。这些问题在人口高度聚集的城市尤为显著。因此，从氮输入、转化、输出等环节入手，追踪城市氮流转过程，成为当前研究热点。但目前氮素研究多集中于收支核算评价，模拟氮流转过程的研究相对较少，缺乏基于氮流转过程剖析主体间关联性的相关研究，还难以形成系统的方法体系服务于有效的氮管理决策。项目集成生态网络分析、投入产出分析、影响因素分析等方法及GIS技术，以“代谢”、“网络”、“格局”为视角，全面追踪城市氮流转过程，构建氮代谢网络模型；以北京为案例城市，探究氮收支变化规律，揭示腹地供应格局，解析网络关联机理，模拟氮代谢系统层阶结构；重点关注氮消耗、氮足迹两个评价指标，构建因素分解模型，并进行情景设置与优化调控。结果表明，1979-2019年北京市总氮输入量和总氮输出量分别波动上涨了19.7%和29.0%，主要受外部氮输入量和氮排放量上涨拉动，外部氮输入中57.0%以上来自于中国其他省市；城市内存在持续且大量（≥57.24 Gg）的氮累积；氮消耗和氮足迹分别增长了0.5倍和1.1倍；氮供应腹地格局由围绕北京分散的片状分布向沿东部沿海带状分布演变。化学原料和化学制品制造业、种植业、化粪池、垃圾填埋、粪便处理厂和污水处理厂等节点的综合流量均大于4.5%；系统层阶结构由相对稳定的金字塔型向不规则杠铃型转变。氮消耗和氮足迹的增长主要受到经济规模（>17.0%）和人均可支配收入（>13.0%）的拉动，而物质生产强度、物质消费强度和产业结构因素起到抑制作用。产业-消费转型调控可最大幅度降低北京氮消耗（12.4%）和氮足迹（16.0%）。本研究为缓解城市氮资源环境压力、提高城市氮流转效率、促进区域协调发展，制定合理化的行动方案及政策措施提供了科学依据，服务于城市的环境生态管理，也有力地促进相关学科建设。