人類活動凈氮輸入時空變化特征及其影響因素——以香溪河流域為例

李曉虹,劉宏斌,雷秋良*,嚴 顥,翟麗梅,武淑霞,王洪媛,張亦濤,李 影

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人類活動凈氮輸入時空變化特征及其影響因素——以香溪河流域為例

李曉虹1,劉宏斌1,雷秋良1*,嚴 顥2,翟麗梅1,武淑霞1,王洪媛1,張亦濤1,李 影1

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部面源污染控制重點實驗室,北京 100081；2.德州農工大學黑土研究與推廣中心,德州 76502)

為了闡明人類活動對三峽庫區第一大支流香溪河流域氮輸入的影響程度,基于人類活動凈氮輸入(NANI)模型估算了2001~2015年間香溪河流域鄉鎮水平的人類活動凈氮輸入,分析了氮輸入的主要來源及其動態變化.結果表明:時間尺度上,香溪河流域人類活動凈氮輸入(NANI)因氮素施用的變化而呈現先上升后下降最后上升的趨勢,但2015年相對2001年的NANI下降了143kg N/(km2·a);空間尺度上,香溪河流域NANI整體呈現北低南高的分布格局,其中NANI輸入強度差異較大的區域主要有昭君鎮、峽口鎮和黃糧鎮.從人類活動凈氮輸入的組成上來看,氮肥施用仍然是最主要的來源(40.06%),其次為大氣氮沉降(29.98%)和食品/飼料凈氮輸入(27.75%),作物固氮僅占凈氮輸入總量的2.21%.香溪河流域的NANI與人口密度和耕地面積比例極顯著相關(<0.001);而NANI與河流氮輸出的相關性不顯著,香溪河流域河流氮輸出占NANI的比例僅為24.28%.因此,可以通過減少氮素施用降低流域尺度氮素凈輸入量,但該流域NANI與河流氮輸出無直接的響應關系.

人類活動凈氮輸入(NANI)；香溪河流域；氮肥；大氣沉降；人口密度；耕地面積

氮是地球上最豐富的元素之一[1].農田氮肥施用促進了糧食產量的增加,人類生活條件也逐漸改善[2].然而,人類活動強度的不斷增加加劇了活性氮從陸地生態系統向水生生態系統的遷移,人類活動已經成為全球環境變化的主要驅動力[3],氮肥施用、工農業氮沉降等導致環境中的氮素呈現不斷上升的趨勢[4-6],當某一區域生態系統中的氮素累積超過其自身容量時,多余的氮素就會進入環境[7-8],引發如地下水硝酸鹽污染[9]、土壤酸化、生物多樣性減少[10-11]、水體富營養化和低氧等一系列生態環境問題[12-13],因此,氮素在生態系統中的累積及輸出問題已不容忽視[14].

為了更好地評估人類活動對流域中氮輸入的影響,Howarth等[5]在1996年提出了人類活動凈氮輸入(NANI)的概念認為,NANI主要由四部分構成:氮肥的施用、食品/飼料凈氮輸入、大氣氮沉降和作物固氮,代表了流域生態系統中人為氮輸入的主要方式.NANI是一種物料平衡法,在實測數據相對缺乏的研究區具有較強的適用性.其對氮通量的影響比較敏感,基于常規統計數據,可有效地評估人為凈氮輸入量,也可以用來研究氮負荷與河流氮輸出之間的響應關系,由于該方法參數易獲取、計算簡便、結果可靠,已在在美國東北沿海流域[6]、密西根湖流域[7]、波羅的海流域[15]、密西西比河流域[16]、長江流域[17]、鄱陽湖流域[18]和海河流域[19]等國內外知名流域得到了廣泛應用.

美國及歐洲許多流域的研究均表明,NANI與河流氮輸出存在線性相關關系[20-21],用NANI來評估和預測河流氮負荷誤差較小且穩定性高[21],其中,近24%的人類活動氮輸入進入水體,剩余76%或儲存在土壤中,或進入地下水,或者通過反硝化作用進入大氣[22].Swaney等[4]對中國省域尺度的人類活動凈氮輸入進行了估算,由于省域尺度過大而難以準確識別氮源排放重點區域,也無法為后續的流域氮輸出和NANI關系的研究提供精確的數據支持.中國市域單元下的人類活動凈氮輸入均值是全國均值的2.4倍,且區域化特征明顯,相對于省域尺度的研究,市域尺度可更有效地識別重點氮源輸入區域[23].利用更加精細的空間尺度來估算人類活動凈氮輸入,可以更有效地識別氮源排放格局;當研究的空間尺度為更加精細的鄉鎮尺度時,所要求的數據精度也進一步提高,流域鄉鎮尺度上的NANI與河流的氮輸出是否與大流域尺度一樣存在響應關系也有待進一步驗證.

三峽水庫是全國最大的淡水庫,為庫區人民提供了飲用水、工農業用水保障,因此,保護好三峽庫區水資源尤為重要,2015年發布的《長江三峽工程生態與環境監測公報》[24]顯示,三峽庫區主要支流富營養化比例已達20.8%~37.7%.香溪河是三峽水庫區的第一大支流,但近年來農業面源污染問題突出,水體富營養化問題嚴重,本課題組前期研究發現,香溪河流域2007年至2013年的農業面源污染風險不斷加劇,其中總氮增幅22.3%,農業面源污染年均總氮排放量達到1145.2t/a[25].因此,開展香溪河流域鄉鎮尺度的凈氮輸入量與河流氮輸出響應關系的研究對闡明該流域氮素排放特征、保護水體水質具有重要意義.

本文以香溪河流域為研究對象,基于各鄉鎮農業統計數據,運用人類活動凈氮輸入(NANI)方法在更精細的尺度上進行氮輸入評估,分析了香溪河流域鄉鎮尺度上NANI的空間和時間變化特征、來源、構成以及其影響因素,同時評估了該流域NANI與河流氮輸出的響應關系,該研究可為香溪河流域氮素面源污染防控提供數據支撐,并為制定相應的環保政策法規等提供了理論依據.

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

圖1 香溪河流域示意

香溪河流域(東經110°25′~111°06′,北緯31°04′~ 31°34′)位于湖北省西部,是三峽水庫湖北庫區最大的支流,流域總面積3099km2,全長97.3km,其中流經興山縣內78km,是流經湖北興山與秭歸的最大河流.香溪河流域屬亞熱帶大陸型季風氣候,小氣候特征突出,區域性和季節性變化差異較大,多年平均氣溫為17.1℃.其多年平均降水量為900~1200mm,主要集中在5~9月,年均降雨130日.流域內的土地利用類型占比從大到小依次為林地(87.42%)、耕地(7.40%)、草地(4.90%)、水域(0.23%)及其它類型(0.05%)[26].研究區域(圖1)主要包括興山縣內香溪河流域古夫鎮、昭君鎮、峽口鎮、南陽鎮、榛子鄉、黃糧鎮和水月寺鎮等七個鄉鎮,其中香溪河出口斷面的坐標為東經110°78′,北緯31°11′.

1.2 研究方法

人類活動凈氮輸入(NANI)估算采用Howarth等[5]的方法,其中人類活動凈氮輸入由4個來源加和構成:氮肥的輸入、食品/飼料凈進口量、大氣氮沉降和作物固氮量.這4項輸入代表進入此流域的外來污染源,而不包括污水排放、動物糞便等,因為這些過程中的氮素是其他輸入過程的再分配和循環,并不是新的氮輸入[27-28].具體公式見文獻[5].

1.3 數據來源

本研究使用的人口數量、畜禽數量、活家禽出欄量、作物的產量及播種面積、氮肥、復合肥施用量均來自興山縣2001~2015年的統計數據,河流氮輸出等數據來自2002~2014年香溪河流域出口斷面監測數據.

人類食品中蛋白質含量:城市69g/(人·d)、農村64.6g/(人·d),NCF(蛋白質與氮含量的換算系數)= 6.25[29]、氮素攝入水平范圍:豬16.68kg/a、牛66.75kg/ a、羊6.85kg/a、家禽0.60kg/a[17]、畜禽氮素排泄量:豬5.17kg/a、牛58.51kg/a、羊5.00kg/a、家禽0.39kg/ a[17]、作物含氮量小麥1.92%、水稻1.18%、油菜籽4.56%、玉米1.40%、大豆5.62%、蔬菜作物0.32%、柑橘0.14%[18]、作物固氮能力:水稻4480kg/(km2·a)、大豆9600kg/(km2·a)[18]等系數均來自相關文獻.

1.4 數據處理與制圖

本文采用Excel2010及SPSS進行制圖與分析數據,用ArcGIS 9.3繪制流域圖和進行NANI空間可視化分析.

2 結果與分析

2.1 人類活動凈氮輸入的時空分布

從2001年至2015年,研究區內的人類活動凈氮輸入(NANI)呈現先增加后減少最后增加的趨勢,趨勢線可以看出整體呈現下降的趨勢,上升時間節點出現在2002~2004年間和2013~2014年間,下降時間節點出現在2004~2006年間和2008~2009年間(圖2),并呈現北低南高的分布格局.為了更好地闡述凈氮輸入變化特征,選取2001年、2005年、2010年和2015年來詳解其時空變化(圖2).

圖2 2001~2015年香溪河流域NANI的年際變化

昭君鎮和峽口鎮的NANI呈現逐年減少的趨勢,其中峽口鎮2001年NANI值最高,為6151kg N/(km2·a),2015年降低到4498kg N/(km2·a),水月寺鎮的NANI自2005年后有所升高之后下降,2001年為1967kg N/(km2·a),隨后2005年達到4176kg N/(km2·a),之后在2010年和2015年分別降低到2270kg N/(km2·a)和2945kg N/(km2·a)并趨于穩定,南陽鎮的NANI自2010年之后有所升高,黃糧鎮和榛子鄉呈現降低的趨勢,而古夫鎮在研究年限內變化不大.從整體來看,各鄉鎮NANI北低南高,最高的地區出現在昭君鎮、峽口鎮和黃糧鎮,最低的地區出現在古夫鎮、榛子鄉等,七個鄉鎮整體的NANI大小順序為:昭君鎮>峽口鎮>黃糧鎮>水月寺鎮>南陽鎮>古夫鎮>榛子鄉.

圖3 2001~2015年香溪河流域鄉鎮級別人類活動凈氮輸入量的空間分布

2.2 人類活動凈氮輸入各組分年際變化

導致香溪河流域NANI變化的主要原因是氮肥施用(圖4),2001~2015年間氮肥施用所占NANI的百分比與NANI變化整體上較為一致.從氮輸入的結構上來看,2001~2015年間氮肥施用是香溪河流域最主要的氮輸入來源,影響著整個流域的NANI趨勢,其次是大氣氮沉降、食品/飼料凈氮輸入,作物固氮所占比例最小,其對香溪河流域氮輸入的影響也最小.此外,大氣氮沉降和食品/飼料凈氮輸入所占比例先增大后減少最后趨于平穩,該變化與氮肥施用組分的減少和增大顯著相關.

圖4 2001~2015年香溪河流域NANI各組分的變化

圖中Nfer、Ncro、Nim、Ndep分別指氮肥施用量、作物固氮量、食品/飼料凈氮輸入量和大氣氮沉降量

2.3 人類活動凈氮輸入的影響因素

NANI與人口密度以及耕地面積占比呈極顯著線性相關(圖5),隨著人口密度(圖5a)和耕地面積占比(圖5b)的增加,香溪河流域的NANI呈線性增加的趨勢,兩因素與NANI都極顯著性相關(<0.001).這也說明在香溪河流域范圍內的氮輸入與人類活動的強度密切相關,也就是人類活動強度越大,其NANI也越大.

2.4 人類活動凈氮輸入與河流氮輸出的關系

以往研究表明NANI與河流氮輸出的響應關系對流域尺度的大小較依賴,在中到大型的流域, NANI與河流氮輸出存在一定線性關系,而流域尺度越小,由數據單元轉換所帶來的誤差也將越大[7].因此,本文分析了2002~2014年香溪河小流域鄉鎮尺度NANI與河流氮輸出的關系.通過計算河流氮輸出所占NANI的比例關系,得出河流氮輸出占NANI的百分比為7.14%~54.30%,平均值為24.28%,但NANI與河流氮輸出的相關性不顯著(>0.05),說明在香溪河流域鄉鎮尺度范圍內,NANI與河流氮輸出沒有響應關系.

3 討論

2007~2013年農業用地面積呈增長的趨勢,且2010~2013年農業用地的面積增幅較大,園地增幅達65.5%,園地中主要以柑橘為主,且主要分布在河道兩側[25].柑橘等經濟作物比重的增大,使肥料的投入量增加,其中氮肥投入量年均8614.6t,而已有研究表明柑橘園對氮的流失貢獻率最高[30].因此2001~ 2015年研究區的NANI呈現先增加后減少最后增加的趨勢,與氮肥施用所占NANI的百分比整體上變化趨勢一致.

2001~2015年間香溪河流域NANI的平均值為3703kg N/(km2·a),與全球單位面積的NANI值1570. 47kg N/(km2·a)[31]相比,仍處于較高水平.香溪河流域2009年的NANI值最低,為3134kg N/(km2·a),是全球氮輸入量的2.0倍,2004年的NANI值最高,為4320kg N/(km2·a),是全球氮輸入量的2.8倍.2010年中國大陸的NANI總量為45.15Tg,為全球平均水平的3倍[23],而2010年香溪河流域的NANI約為中國大陸NANI值的1.3倍.研究表明, NANI最高的地區為淮河流域[32],其2010年NANI值達到全球平均水平的16.8倍,是香溪河流域的7.6倍,是英國流域的2.3倍,是上海市的1.1倍.

不同區域影響NANI值大小的因素有所不同,主要因素包括人口密度、耕地面積和糧食產量等.中國市域單元內NANI值的大小主要與耕地和人口密度有關,河北、山東和江蘇等耕地較多及人口密集地區的NANI值均較高,西部和華南區域NANI值較低[23].在香溪河流域,NANI值呈現北低南高的格局,且主要受農業用地施氮行為影響.海河流域NANI在空間分布上也不均勻,呈北低南高的趨勢,主要與氮肥施用強度極顯著相關[19].滇池流域2013年平均總氮釋放4586.51t[33],1980~2010年間所有子流域的NANI值都顯著增加,尤其是東部、南部流域,這兩部分主要為施氮量較高的農田集中區[34];對于美國東北部16個流域的整體輸入輸出關系來說,降水量和排放量較高的地區NANI比例高,干旱流域較低[35].

NANI與河流氮輸出的相關關系在不同時段呈現出一定的差異性[36].有研究表明,香溪河流域總氮排放最高的為峽口鎮、黃糧鎮和高橋鄉[37],而本研究中NANI最高的鄉鎮為昭君鎮、峽口鎮、黃糧鎮,這說明河流氮輸出與NANI的關系并不是恒定的,可能受流域尺度或流域間降水、排放和溫度及其年際變化的影響[7,36].

4 結論

4.1 2001~2015年,香溪河流域NANI呈先增加后減少最后增加的趨勢,整體來看則呈下降的趨勢.空間尺度上,香溪河流域NANI值呈北低南高的格局,影響香溪河流域NANI輸入強度的主要區域為昭君鎮、峽口鎮和黃糧鎮.氮肥施用仍然是最主要的輸入來源(40.06%),其次為大氣氮沉降(29.98%)和食品/飼料凈氮輸入(27.75%)最后為作物固氮(2.21%).

4.2 從NANI與其影響因素及河流氮輸出的相關性來看,香溪河流域的NANI與人口密度和耕地面積比例兩因素極顯著性相關(<0.001),其關系呈正相關的關系;而NANI與河流氮輸出的相關性不顯著(>0.05),在香溪河流域,NANI與河流氮輸出無直接的響應關系.

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Spatio-temporal characteristics and influential factors of net anthropogenic nitrogen input: A case study of Xiangxi River Watershed.

LI Xiao-hong1, LIU Hong-bin1, LEI Qiu-liang1*, YEN Haw2, ZHAI Li-mei1, WU Shu-xia1, WANG Hong-yuan1, ZHANG Yi-tao1, LI Ying1

(1.Key laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China；2.Blackland Research and Extension Center, Texas A&M University, Texas 76502, USA)., 2019,39(2)：812~817

This study was conduct to better understand impacts of anthropogenic activities of mankind on nitrogen loads in the Xiangxi River Watershed (XRW), China, the largest tributary of the Three Gorges Reservoir Area. The net human activity on nitrogen input, its main sources and changes at the township level under XRW were investigated from 2001 to 2015 based on the Net Anthropogenic Nitrogen Input (NANI) model. The results showed that NANI in the study area was primarily affected by nitrogenous fertilizers from 2001 to 2015. It indicated an increasing trend in the beginning years (from 2002 to 2004). It was decreasing (from 2004 to 2006 and 2008 to 2009) and eventually increasing again (from 2013 to 2014). In general, the overall trend of NANI was descending. In case of spatial distribution, NANI of WRW was low at northern side and higher at the south. Areas with the higher NANI input intensity were Zhaojun Town, Xiakou Town, and Huangliang Town. Nitrogen from fertilizer application was the major cause of NANI (40.06%), followed by atmospheric deposition (29.98%), food/feed import (27.75%), and crop fixation (2.21%). NANI in XRW is significantly correlated with the population density andthe proportion of cultivated land (<0.001). Nitrogen from runoff to the river was 24.28% of NANI and had no substantial relationships with NANI. Therefore, net nitrogen input at the basin level can be reduced by reducing nitrogen application, but the NANI in this basin is not the main cause of nitrogen output in rivers.

net anthropogenic nitrogen input (NANI)；Xiangxi River Watershed；nitrogen fertilizer；atmospheric precipitation；population density；agricultural acreage

X142

A

1000-6923(2019)02-0812-06

李曉虹(1995-),女,河北衡水人,中國農業科學院碩士研究生,主要從事環境污染與修復研究.

2018-07-18

國家自然科學基金資助項目(31572208);公益性行業(農業)科研專項(201303089)

* 責任作者, 副研究員, leiqiuliang@caas.cn