近日，我校商学院余亚东副教授与清华大学化工系胡山鹰教授课题组等研究团队合作，在氮-磷耦合循环网络韧性研究中取得重要进展。该研究以“Decreasing resilience of China’s coupled nitrogen-phosphorus cycling network requires urgent action”为题，发表于国际知名期刊Nature Food。
氮和磷元素既是食品系统的重要营养元素，也是导致环境污染的关键物质。联合团队通过物质流分析方法首次构建了中国氮-磷耦合循环网络，在此基础上运用生态网络分析等方法测度了网络韧性并揭示了其影响因素。研究表明：中国氮-磷耦合循环网络为由283个节点组成的双层网络，其中185个节点为氮磷耦合节点，通过氮和磷元素在自然生态系统和食品系统的代谢过程将氮网络层和磷网络层紧密连接在一起，从而形成复杂的氮-磷耦合循环系统。在1980-2020年间，中国的氮-磷耦合循环网络处于过度高效阶段，韧性呈下降趋势，氮、磷网络层韧性最大最小值之差分别为7.61%和12.57%。这将导致中国氮-磷耦合系统抗击外界风险冲击的能力发生降低，存在系统性崩溃的风险。食品需求增长驱动的化肥施用比例增加是导致氮-磷耦合网络韧性降低的关键因素。中国的氮-磷耦合循环网络中的节点对氮网络层和磷网络层韧性的变化同时存在协同效应和权衡效应。相比氮网络层而言，磷网络层受到人类活动的影响更大。
图1.中国氮-磷耦合循环网络的结构示意图
基于共享社会经济路径（SSP）情景，联合团队还预测了中国2060年的氮-磷耦合循环网络及其韧性。研究表明：在SSP2+清洁能源情景下，中国的氮-磷耦合系统将受到绿氨和锂电池等清洁能源需求的驱动而发生代谢规模和代谢路径变化。清洁能源需求对氮网络层影响较大，而食品需求对磷网络层影响更显著。清洁能源需求会导致更多的流量集中在氮和磷特有节点，削弱了氮网络层和磷网络层之间的耦合强度。如无任何调控措施，中国氮-磷耦合循环网络的韧性将进一步降低（特别是氮网络层），不仅会降低氮-磷耦合系统抗风险冲击能力，从而威胁到中国的粮食安全，而且还可能会向环境排放更多的活性氮，从而扰乱氮元素循环，加剧能源和粮食系统之间的冲突。
为提高中国氮-磷循环网络韧性并推进中国氮-磷资源的可持续管理工作，联合团队分别从生产、消费和贸易端提出了5项措施并且量化了这些措施的效果。这些措施包括降低化学肥料使用量、提高水产养殖饲料效率、减少食物浪费、采用更健康的饮食习惯和优化食品贸易策略。
图2.1980-2060年中国氮-磷循环网络韧性的历史趋势和未来演变
图3.共享社会经济路径下2060年中国氮-磷循环网络结构及其韧性
清华大学化工系博士生罗梓梦和我校余亚东副教授为本文共同第一作者，余亚东和清华大学化工系胡山鹰教授为本文共同通讯作者。研究的合作者还包括国际应用系统分析研究所阿里·卡拉兹高级研究员、布莱恩·法斯首席研究员，日本东北大学松江和世教授，广东工业大学梁赛教授，清华大学化工系朱兵教授、陈定江副教授，以及我校马铁驹教授。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
Nature Food同期专门邀请芬兰阿尔托大学Vilma Sandström博士针对本文撰写了题为“Systems perspective reveals interconnections in nitrogen and phosphorus flows”的评论文章，认为本文对氮-磷耦合流动的分析揭示了食品系统与能源系统之间的协同与权衡效应。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s43016-023-00889-5