《Scientific Reports》发表我院刘俊国课题组最新研究成果

近日，环境科学与工程学院刘俊国教授团队在《Scientific Reports》上发表论文“减少人类食物生产的氮利用”（Reducing human nitrogen use for food production）。该文在国际上首次在全球尺度从食物生产、消耗和贸易三方面研究了人类氮利用（氮足迹），并阐述了减少氮足迹的可能途径。

为了满足全球人口增长导致的食物需求，人类大量生产和使用氮肥以提高农作物产量。但是，在粮食生产所引起的人类氮足迹中，仅有一小部分真正用于生产食物；其他很大一部分损失到环境中，对土壤、水体和大气等造成污染。如图1所示，在2000年，全球用于满足人类食物生产的氮足迹为1.71亿吨，其中1.37亿吨用于生产作物产品，其余用于生产牲畜产品所需的牧草。在这1.37亿吨中，仅有38%最终保留在粮食中，其余则累积在作物秸秆中，或作为污染物被排放到水体或大气中。

图 1 全球食物生产所引发的氮足迹。左图表示氮元素的来源；右图表示氮元素的最终去向。

在全世界范围内，各个国家的氮足迹各有不同。如图2A-C所示，中国的氮使用量占据全球总量的22.2%，人均氮使用量低于世界的平均水平；美国占据全球氮使用总量的15.4%，人均氮使用量却远远高于世界平均水平。由于各个国家之间氮使用量的不均衡，为了满足各自国家人民的食物需求，不同国家之间存在以食物贸易为形式的氮足迹交换。如图2D所示，不同国家的氮贸易量存在显著差别。例如，中国属于世界上最大的氮进口国家行列，而美国属于最大的氮出口国家行列。

图 2 农作物氮使用量和氮贸易量空间分布图。A：人均氮使用量空间分布情况；B：国家人均氮使用量；C：每个国家氮使用量占全球的比例；D：国家氮进口量。

随着全球人口的增加，相比2000年，到2050年生产食物的氮足迹将增加70-100%。针对未来全球食物需求的增加和多余的氮对环境可能造成的不良影响，该论文作者通过情景分析，定量评价了未来氮足迹可能的减缓策略。研究结果表明，减少食物浪费和提高氮使用效率是减少氮足迹的两条有效途径。该文章对于合理利用氮资源，保障全球粮食安全和环境安全提供了数据支撑和政策支持。

图 3 全球氮足迹的历史演变趋势和不同情境下的未来氮足迹。A：历史演变趋势及基准情景下2020和2030年氮足迹。B：未来五种情景下的氮足迹。BA：基准情景；HD：健康饮食情景；WR：减少食物浪费情景；EI：提高氮使用效率情景；HB：各种政策的结合。研究包括了175个国家，包括有69个饥饿问题严重的低收入国家（LIFD）。

《Scientific Reports》是2011年Nature集团推出的综合性科学期刊，实行开放获取，发表生物学、化学、物理和地球科学在内的所有自然科学领域高水平研究。

刘俊国教授课题组这一成果得到了北京市自然科学基金（8151002）、国家自然科学基金（41571022、91425303和91325302）、国家科技重大专项（2015ZX07203-005）等计划资助。