全 文 ：中国生态农业学报 2011年 3月 第 19卷 第 2期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, March 2011, 19(2): 462467


* 中国科学院知识创新工程项目(KZCX2-YW-449)和中国科学院知识创新工程重大项目(KSCX1-YW-09-11)资助
** 通讯作者: 胡春胜(1965~), 男, 博士, 研究员, 主要从事农业生态学及其相关领域的研究。E-mail: cshu@sjziam.ac.cn
秦树平(1983~), 男, 博士研究生, 研究方向为土壤生态学。E-mail: qinshuping06@mails.gucas.ac.cn
收稿日期: 2010-12-17 接受日期: 2011-01-19
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00462
氮足迹研究进展*
秦树平1,2 胡春胜1** 张玉铭1 王玉英1 董文旭1 李晓欣1
(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022; 2. 中国科学院研究生院 北京 100049)
摘 要 自 19 世纪工业革命以来, 由于氮肥施用、化石燃料燃烧等人类活动带入全球生态系统的活性氮逐年
增加。这些流入生态系统的活性氮造成了严重的环境问题, 例如水体富营养化、地下水硝态氮污染、平流层臭
氧层破坏等。氮足迹模型是在全球活性氮污染日趋严重的背景下提出的。氮足迹研究在定量评价人类生产生活
方式对活性氮排放的影响, 调整人类的生产生活方式, 减少活性氮危害等方面有重要的理论价值与实践意义。
近年来, 氮足迹的研究日益受到西方各国科学家的关注, 其中已有少量相关研究发表。相比较而言, 国内科学
界对氮足迹研究的关注还不多, 目前为止还没有有关氮足迹研究的文献资料。本文综述了氮足迹的概念、研究
意义、主要模型方法、国外研究进展以及未来研究热点。并指出氮足迹计算模型的改进与发展、主要活性氮在
氮足迹计算中的权重以及活性氮污染严重区域或国家的氮足迹评价将是未来氮足迹研究的热点。
关键词 活性氮 氮足迹 氮素循环 氮素污染 生命周期分析 水体富营养化
中图分类号: Q93 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)02-0462-06
Advances in nitrogen footprint research
QIN Shu-Ping1,2, HU Chun-Sheng1, ZHANG Yu-Ming1, WANG Yu-Ying1, DONG Wen-Xu1, LI Xiao-Xin1
(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences,
Shijiazhuang 050022, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract As a result of anthropic activities such as fertilizer application and fuel burning, the amount of reactive nitrogen emitted
into global eco-system has been increased yearly since the 19th century industrial revolution. Reactive nitrogen emitted into global
eco-system has resulted in serious environmental issues such as surface water eutrophication, groundwater pollution and stratospheric
ozone depletion. Nitrogen footprint was put forward in the backdrop of increased severity of global reactive nitrogen pollution.
Research on nitrogen footprint has theoretical and practical significance in evaluating the effect of anthropic activities on reactive
nitrogen emission, regulating human life style and reducing anthropic reactive nitrogen emission. Although western scientists have
increasingly focused attention on nitrogen footprint research in recent years, and a few literatures have been published on this
discipline. On the contrary, research on nitrogen footprint is not deeply rooted in China’s scientific community. There are hardly any
published literatures of nitrogen footprint by Chinese scientists. This paper therefore reviewed the definitions, calculating models,
research advances/significance, and future research directions of nitrogen footprint. The review showed that future nitrogen footprint
research hot-pots were improving/developing calculating models, determining relative weight of reactive nitrogen species, and
assessing nitrogen footprints in heavy reactive nitrogen pollution regions/countries.
Key words Reactive nitrogen, Nitrogen footprint, Nitrogen cycle, Nitrogen pollution, Life cycle analysis, Water
eutrophication
(Received Dec. 17, 2010; accepted Jan. 19, 2011)
氮素是控制陆地、淡水以及海洋生态系统结构
与功能的关键元素之一 [1], 同时也是包括农田生态
系统在内的陆地生态系统的一种限制元素[2]。自从
20世纪初德国科学家 Fritz Haber和 Carl Bosch发明
了把大气中惰性氮转化为氨的方法后, 活性氮在满
足人类不断增加的粮食需求方面起到非常关键的作
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用[34]。但是随着农田氮肥施用量迅速增加, 很大一
部分施入农田中的活性氮不能完全被作物吸收利用
而以各种活性氮的形式释放到环境中 [5], 加上工业
革命后矿物燃料燃烧释放了大量活性氮, 导致环境
中的活性氮总量急剧增加。据科学家估算, 自然界
通过闪电产生的活性氮量约为 5.4 Tg(N)·a1[3], 通
过固氮植物固定的活性氮量约为 128 Tg(N)·a1[3]。
然而人类通过矿物燃料燃烧和肥料生产固定的活性
氮量却急剧增加。1860年人类活性氮排放量约为 15
Tg(N)·a1, 到 20世纪 90年代初, 人类排放的活性
氮约为 140 Tg(N)·a1, 几乎是 1860年的 10倍[3]。
人类活动所产生的活性氮量已超过自然界的固氮
量[6]。如此大量的活性氮进入环境中, 改变了全球生
态系统氮循环的平衡状态, 带来了诸如地表水体富
营养化[7]、地下水硝酸盐污染[8]、臭氧层破坏[9]以及
酸雨[10]等严重的环境问题。定量评价人类生产生活
方式对活性氮排放的影响, 减少活性氮的人为排放
是人类面临的严峻挑战[3,11]。
1 氮足迹的概念及其研究意义
与碳足迹类似, 氮足迹也是生态足迹的组成部
分[12]。生态足迹关注人类消耗的资源总量和地球的
资源再生能力[13]。氮足迹(Nitrogen footprint)是在生
态足迹概念基础上, 为了定量评价人类生产生活方
式对活性氮排放的影响而提出的。目前在世界范围
内还没有科学家公认的氮足迹概念。借鉴碳足迹的
概念 [14], 氮足迹可以表述为: 某种产品或者服务在
其生产、运输、储存以及消费过程中直接或间接排
放的活性氮的总和。基于单位产品或服务的氮足迹
概念, 可以计算出从个人、家庭、区域、国家到全
球尺度的氮足迹。2010 年 12 月第 5 次国际氮素大
会上, 美国佛吉尼亚州立大学 Galloway 等国际知名
科学家做了一系列有关氮足迹计算模型与应用的报
告, 受到全世界科学家的广泛关注。
氮足迹研究具有重要的理论与实践意义。首先,
基于氮足迹研究的数据, 可以指导人类的生产生活
方式, 调整其中不合理的、环境负荷过大的生产生
活方式, 进而促进全球社会经济自然复合生态系
统可持续发展。其次, 氮足迹研究可以定量个人、
家庭、区域、国家、全球各尺度上人类活动导致的
活性氮排放强度, 并转化为可相互比较的活性氮排
放量, 为评价不同社会经济自然复合生态系统的
可持续性提供定量化指标。第三, 氮足迹研究可以
评价不同地区同一人类活动对生态环境的影响, 为
制定优化环境保护政策提供理论支持。
2 氮足迹的分类
依据不同的研究对象, 氮足迹可分为产品氮足
迹、企业氮足迹与个人氮足迹。产品氮足迹是指某
种产品或者服务在其生产、运输、储存和消费过程
中所排放的活性氮总量。企业氮足迹是指企业在所
涉及的边界内生产活动所排放的活性氮总和。个人
氮足迹是指在日常生活中个人在衣、食、住、行、
用等方面所排放的活性氮的总和。另外, 依据不同
的研究尺度来划分, 氮足迹又可分为家庭氮足迹、
区域氮足迹、国家氮足迹和全球氮足迹。
3 氮足迹的计算模型与方法
生命周期分析是氮足迹计算的最常用模型[15]。
生命周期分析(Life cycle analysis)又称为生命周期评
估或者生命周期评价, 是评估某种产品或者服务在
其生产、储存、运输及消费过程中投入与产出的活
性氮对环境造成影响的工具[1618]。氮足迹的计算主
要是基于生命周期分析的概念, 通过分析研究对象
所涉及的所有产品或服务在生产、储存、运输以及
消费过程中所排放的活性氮来定量氮足迹的大小。
计算步骤如下:
首先确定研究对象的边界。简单地说, 氮足迹
计算的边界就是数据收集的时空界限。如果系统边
界考虑得过于狭小, 就有可能忽略对氮足迹计算产
生重大影响的关键过程。如果边界确定过大, 则很
难收集所有过程的相关数据, 浪费大量人力、财力
和物力。边界确定需根据具体研究对象而定, 一般
来说, 如果某种原材料的质量低于总原料的 5%时,
可忽略该原材料的影响[1920]。但是此规则不适用于
对环境有重大污染隐患的原材料[20]。
第二步是明确研究对象在其整个生命周期中所
涉及的所有与活性氮有关的输入(原材料、能量)与输
出(产品、服务、废物排放), 并对其中的活性氮排放
进行定量计算并汇总[2122]。
第三步是将生命周期分析中得到的排放数据与
研究目标相联系[23]。确定在不同阶段不同种类的活
性氮对环境影响的权重。这一步是氮足迹计算最难
也是最具争议的一步。
氮足迹分析的最后一步是对数据进行解释, 并
根据氮足迹的结构提出有针对性的建议, 指导人们有
效地减小氮足迹。美国佛吉尼亚州立大学 Galloway
教授和 Alley Leach博士开发了计算个人、家庭以致
国家等尺度的氮足迹计算模型(N-PRINT)。该模型主
要考虑到个人消费的食物、交通、住房以及其他无
形服务所产生的活性氮总量来计算个人氮足迹[15]。
通过整合人口数量与结构数据, 该模型可以将个人
氮足迹扩展到国家以致全球尺度。图 1 与图 2 分别
是采用N-PRINT模型所做的美国典型农场玉米与牛
肉在生产过程中的氮素流量图[15]。
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图 1 N-PRINT模型采用的计算美国玉米氮素的主要去向(该图源自 Alley Leach博士, 经过改编)
Fig. 1 Nitrogen flow for corn in N-PRINT model (the figure was adapted from Dr. Alley Leach)



图 2 N-PRINT模型采用的计算美国牛肉氮素的主要去向(该图源自 Alley Leach博士, 经过改编)
Fig. 2 Nitrogen flow for beef in N-PRINT model (the figure was adapted from Dr. Alley Leach)

4 氮足迹研究进展
氮足迹是比较新的概念, 学术界对其研究还不
多。发达国家出于对水体富营养化的关注而使氮足
迹研究成为继生态足迹、碳足迹和水足迹后又一研
究热点。严重的富营养化使位于墨西哥湾密西西比
河河口处约 13 000 km2区域成为万物不长的“死亡
之地”。为了确定人们的生产生活方式与海湾富营养
化“死区”之间的联系, 美国匹兹堡大学环境科学
家 Xue和 Landis[24]用生命周期分析的方法评价了当
地主要的食物, 包括主要农作物与畜禽产品的氮足
迹。通过定量分析农作物或畜禽在种植(养殖)、加工
(屠宰)、包装、运输和消费过程中的氮素流动与活性
氮排放规律, 计算了每种食品的氮足迹大小, 并与
美国卡耐基梅隆大学的 Weber和 Matthews教授[25]
所计算的碳足迹加以比较。结果表明: 在所研究的
食品中, 牛肉具有最高的氮足迹与碳足迹。因此牛
肉是对气候变化和水体富营养化影响最大的食物 :
1 kg 牛肉可产生约 22 kg 的温室气体, 同时产生约
156 g的氮污染。谷物和碳水化合物的氮足迹与碳足
迹最小, 1 kg食物只释放 3 kg温室气体, 氮足迹也非
常小。但许多食物对全球变暖和沿海生态系统富营
养化各有其不同的影响。乳制品与碳水化合物处于碳
足迹列表的底部, 但在其潜在水体富营养化方面则
仅次于牛肉, 1 kg乳制品与碳水化合物可释放 69 g氮
污染。另外乳制品还可能产生氮污染的累加效应。
据美国农业部统计署统计, 美国人平均每年消费的
乳制品食物是牛肉的 10倍, 也就是说 1年产生约 19
kg氮污染, 相比之下, 牛肉才释放近 4 kg氮污染。
此外, 人们每年消耗乳制品和牛肉所排放的温室气
体量大致相同。消费者、食品企业和决策者在力图
降低食物生产对环境的影响时, 不能只考虑产品对
气候变化的影响, 还应考虑减小产品的氮足迹。美
国佛吉尼亚州立大学Galloway教授和Leach 博士开
发了一个能在线计算个人氮足迹的软件。同时此软
件还可以根据个人氮足迹的结构提出减小个人氮足
迹的合理化建议。他们利用该软件计算了德国、美
国和荷兰的个人氮足迹, 结果表明: 美国的个人氮
足迹最大, 为 38 kg(N)·cap1·a1, 其次为德国, 30.6
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kg(N)·cap1·a1, 荷兰的个人氮足迹最小, 为 28
kg(N)·cap1·a1。在上述 3个国家中, 食品是个人
氮足迹的主要来源, 占美国个人氮足迹的 74%, 荷
兰个人氮足迹的 85%, 德国个人氮足迹的 72%。其
次是交通, 占美国个人氮足迹的 10.5%, 荷兰个人
氮足迹的 10.6%, 德国个人氮足迹的 14.5%。荷兰由
于普遍采用节能环保的建筑模式, 使得其住房在个
人氮足迹的比重降低, 为 2.5%, 而美国和德国分别
占个人氮足迹的 7.9%和 7.2%。太平洋岛屿渔业科学
中心(Pacific Islands Fisheries Science Center)的 Van
Houtan和 Hargrove等科学家以 28年来 3 939个搁浅
夏威夷绿海龟(Chelonia mydas)为研究对象, 探讨夏
威夷绿海龟搁浅死亡与海水环境污染的关系。他们
发现: 这些搁浅的夏威夷绿海龟大部分死于间皮细
胞肿瘤 (Epithelial tumor), 该肿瘤由一种疱疹病毒
(Herpesvirus)诱发。通过流行病学分析得知: 夏威夷
绿海龟肿瘤发生率与海湾的氮足迹大小在流行病学
上存在显著相关[26]。他们对其中的活性氮作用机理
进行了深入分析, 认为富营养化海水中富集的精氨
酸导致疱疹病毒大量繁殖, 进而诱发夏威夷绿海龟
间皮细胞肿瘤。
5 氮足迹未来研究热点与方向
与生态足迹、碳足迹、水足迹等相关研究相比,
氮足迹还是新近提出的概念。相关的研究处于起步
阶段, 其中有很多技术与方法上的不足需要改进。
这些方面也将是未来氮足迹研究的热点。
5.1 氮足迹概念的发展与完善
与碳足迹和水足迹一样, 氮足迹是发源于生态
足迹概念, 衡量人类活动对资源与环境的影响程度
的生态学指标。碳足迹与水足迹都有了较为清晰统
一的概念。由于科学家关注得比较晚, 氮足迹至今
还没有统一明确的定义。论证与完善氮足迹的概念
将是氮足迹研究进一步发展的基础, 同时也是短期
内氮足迹研究的热点。
5.2 氮足迹计算模型的发展
目前全世界范围内, 只有少量氮足迹模型可用
于氮足迹计算, 如上文提到的 N-PRINT模型[15]。此
模型在其他地区与国家的有效性和准确性还有待验
证。有必要发展新的氮足迹模型, 使其相互印证, 提
高氮足迹计算的精度。科学家们已提出了诸多成熟
的碳足迹计算方法。其中的投入产出法(I-O法)具有
进一步发展成氮足迹计算模型的潜力。投入产出法
是由美国经济学家瓦西里·列昂惕夫(Wassily Leontief)
于 1936 年首次提出的[27]。在之后的一系列论文中,
瓦西里·列昂惕夫不断发展和完善了这一模型[2831]。
目前投入产出模型已经发展成为一种成熟的计算工
具, 被社会及经济学家广泛采用[3235]。投入产出模
型利用投入与产出列表来计算物料的去向, 通过平
衡方程反映初始投入、中间投入和总投入与中间产
品、最终产品及总产出之间的相互关系, 反映其中
各个流量之间的来源与去向, 也反映了各个生产活
动、经济主体之间的相互依存关系[27]。投入产出法
将深刻复杂的产业经济学问题用简洁明了的数学公
式来表达, 是经济系统分析的常用工具[27]。目前已
有大量利用投入产出法进行生态足迹和碳足迹的计
算[3639], 但还未见利用此方法计算氮足迹的报道。
如何利用已成熟的生态足迹模型来计算氮足迹是氮
足迹研究的又一热点问题。
5.3 明确主要食品的活性氮排放比率
活性氮排放比率即某种产品或者服务在生产、
加工、储存、运输以及消费过程中所排放的活性氮
量占总输入氮量的比率 , 是决定氮足迹的关键因
素。人们日常消耗的食品是个人氮足迹的主要组成
部分, 所以明确各类食品在生产、加工、储存、运
输以及消费过程中的活性氮排放量是精确计算个人
氮足迹的基础。由于各个国家采用不同的种植(养殖)
模式、不同的管理制度以及不同的加工工艺, 导致
同种食品在不同国家具有不同的氮排放比率。确定
不同国家或地区主要食品的活性氮排放比率, 可为
不同国家间氮足迹比较研究提供技术支持, 同时也
为不同地区活性氮减排提供理论指导。
5.4 不同活性氮在氮足迹计算中的权重
常见的活性氮, 如硝酸根、铵根、氨气、氧化
亚氮、一氧化氮、二氧化氮等, 具有不同的环境效
应, 如何确定上述不同种类活性氮在氮足迹中的权
重是氮足迹研究中的难点与热点。目前的氮足迹计
算模型, 如 N-PRINT 模型, 只考虑活性氮总量, 而
没有考虑不同种类活性氮的权重。氮足迹与碳足迹
不同, 一般来说, 碳足迹所考虑的二氧化碳、氧化亚
氮及甲烷等气体最重要的环境效应是温室效应[4042],
但是氮足迹所考虑的活性氮的环境效应却具有多样
性。比如硝酸根和铵根等植物营养因子主要的环境
效应是水体的富营养化, 氧化亚氮则主要是温室效
应, 而氨气与其他氮氧化物则可直接影响人们的呼
吸道健康。在氮足迹研究中, 应针对不同的研究目
的来确定适宜研究目标的各种类活性氮的权重。
5.5 加强中国不同尺度氮足迹研究
中国是世界上最大的氮肥生产和消费国[43], 现
阶段我国氮肥平均利用率只有 30%~41%[4445]。这意
味着大部分施入农田的氮素以活性氮的形式释放到
环境中去了。这些释放到环境中的活性氮带来了异常
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严重的环境污染。赵永宏等[7]对我国 131个主要湖泊
进行取样分析后发现: 我国 131 个主要湖泊已有 67
个达到富营养化程度, 占 51.2%。张维理等[46]对中国
北方 13个市、县 69个点的测定结果表明, 超过一半
的地下水水样硝酸盐浓度超过国家标准(10 mg·L1)。
鉴于我国氮肥施用量大、利用率低以及氮源污染严重
的现状, 一方面我国应加强氮污染重点地区, 如太
湖、滇池等地区的氮足迹评价, 分析这些区域的氮足
迹结构, 为湖泊富营养化治理提供重要理论依据与
技术支持; 另一方面开展全国尺度的氮足迹研究, 为
环境保护政策的发展与完善服务。随着国家对环境污
染治理力度的加大, 氮足迹研究在评价我国目前的
生产生活方式对活性氮排放的影响, 评价中国生态
系统的可持续能力, 以及制定活性氮减排政策方面
具有越来越重要的理论与实际意义。

致谢 感谢美国佛吉尼亚州立大学 Leach 博士提供
部分氮足迹模型的相关资料。
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中国科学院遗传与发育生物学研究所
农业资源研究中心研究生教育简介
1 概况
中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心(以下简称中心)的前身为始建于 1978年的中国科学院石家
庄农业现代化研究所。中心拥有中国科学院院士 1人, 研究员 17人, 引进中国科学院“百人计划”人才 3名。在读硕
士和博士研究生 80人。
中心沿北纬 38度带分别在河北省元氏县、栾城县和南皮县建立了 3个野外试验台站, 形成了具有不同生态类型的
山地丘陵区—山前平原区—滨海平原区农业科学研究基地。其中栾城农业生态系统试验站已于 2005年晋升为国家野外
试验台站, 同时也是中国科学院生态网络台站成员和国际 GTOS成员。中心拥有中国科学院农业水资源重点实验室、
河北省节水农业重点实验室和中国科学院小麦转基因研究试验基地。
自 2002年进入中国科学院知识创新工程以来, 中心面向国家水安全、粮食安全、生态环境安全的重大战略需求和
农业资源与生态学前沿领域, 以农业水资源高效利用为重点, 在节水理论与技术、农业生物技术、生态系统及信息管理
等领域, 开展应用基础研究, 集成创新资源节约型现代农业模式, 为区域农业持续发展做出了基础性、战略性、前瞻性
贡献。
2 招生与培养
2.1 招生
每年秋季招收 1次生态学博士、学术型硕士和生物工程全日制专业学位硕士研究生。每年 8月左右开展免试生接
收工作。通过中心复试并获得拟接收资格的免试生, 若最终未获所在校外推指标者, 只要统考成绩通过中心的复试线,
可免复试直接录取。
2.2 培养与就业
中心十分注重培养质量, 改善人才成长环境, 努力提高学生的综合素质。每年有多位学生荣获中国科学院和中国科
学院遗传与发育生物学研究所的各种冠名奖学金。学生毕业后赴国内外大学和科研院所等企事业单位就职或从事博士
后研究工作。近 5年毕业生就业率达 96.59%, 其中 2010年毕业生就业率达 100%, 按期毕业率达 96%。
2.3 学生待遇
学生在学期间不仅不收取任何学费, 还享有相应的研究助理薪金, 硕士生奖/助学金 25000 元/年左右, 博士生 35000
元/年左右。优秀学生每年除可获得中国科学院研究生院奖学金、冠名奖学金等奖励外, 还可享有研究所设立的“振声
奖学金”和“益海嘉里奖学金”等。
学生拥有宽敞明亮并备有单独卫生间的住宿(两人间)环境和价位适中的学生食堂。
热忱欢迎地球科学、生物学、农学和林学等相关专业有志青年踊跃报考及推免！
3 联系方式
单位网址: http://www.sjziam.ac.cn 电话: 0311-85801050 传真: 0311-85815093
联系人: 王老师 E-mail: yzb@sjziam.ac.cn 邮政编码: 050022