典型小區域人類活動凈氮輸入量的空間格局特征

盛強， 楊銀科， 曹興達， 程佳明， 邵鵬鯤

(長安大學水利與環境學院， 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室， 西安 710054)

氮元素是生物體的基本組成部分，是水生生態系統中的重要營養物質[1]，其地球化學循環過程易受人類活動的影響。1961—2009年，全球總氮輸入從378 kg/km2上升到1 226 kg/km2，增加2.24倍，中國總氮輸入量從1985年的3 081 kg/km2增加到2007年的5 426 kg/km2，增加了76%[2]。過量的氮輸入會導致一系列經濟和環境問題，如溫室效應、臭氧層破壞、酸雨、地下水中的硝酸鹽污染、湖泊和近海水體富營養化以及區域和全球生物多樣性的減少[3]。河流氮通量與人為氮素輸入具有很強的相關性，其中氮素的輸出比例(20%～30%)反映了流域氮污染和滯留的潛在風險[4]。據統計，目前，全球約有75%以上的封閉型地表水體存在富營養化問題。而在中國131個主要湖泊中有近50%的湖泊已達富營養程度，在39個代表性水庫中有30%的水庫已達富營養程度[5]。蔣鴻昆等[6]指出，氮非點源污染負荷已經占收納水體污染負荷的50%以上。因此，了解人類活動對區域凈氮的輸入量、輸入強度和分布的影響機理，將有助于河流水質管理，減輕水體富營養化程度。

為了更好地評價人類活動對生態系統中氮輸入量的影響，1996年，Howarth 等[7]提出了人類活動凈氮輸入(net anthropogenic nitrogen inputs，NANI)模型，從食品/飼料凈氮輸入、氮肥使用、大氣氮沉降、作物固氮等四個方面對北美流入北大西洋河流中的氮通量進行了估算。目前，NANI及其改進方法被應用于世界各地的不同時空尺度上，被認為是評估區域氮污染現狀的重要指標[8]。如在國外的密歇根湖流域、密西西比河流域[9]、美國東北部地區[10]、美國大陸[11]、加拿大[12]、印度[13]，中國長江流域[14]、鄱陽湖流域[15]、珠江流域[16]等地區均得到了較好的應用研究。

人類活動凈氮輸入的研究區域選擇大多以地表水體流域范圍為界，自然流域范圍往往與政府行政管轄區域在空間上格局上不一致，研究結果不能直接被生態環境行政主管部門采納應用，進而影響環境管理措施的準確制定與有效實施[17]。現有的人類活動凈氮輸入方面的研究多以地表水體流域匯水范圍作為研究區域，或者以省(自治區)、市(盟)行政轄區范圍作為研究區域。大尺度范圍的NANI研究難以精準識別重點氮素來源，研究結果在小區域應用方面，往往存在計算尺度轉換上的不確定性。基于此，在更精細的鄉鎮尺度上計算NANI，并分析其影響因素成為該領域研究的新趨勢。

目前，以縣域為研究區域，在鄉鎮空間尺度計算NANI的研究相對較少。現選擇渭河流域具有典型代表性的陜西省寶雞市隴縣作為研究區域，準確識別研究區面源污染的重點源和關鍵區，同時從社會經濟因素和土地利用方式兩個方面揭示人類活動凈氮輸入的影響因子，研究方法與結果可以為地表水體氮素污染防治提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

隴縣位于106°26′～107°8′E、34°35′～35°6′N之間，東西長約60 km，南北寬約58 km，總面積2 277 km2，隸屬于陜西省寶雞市，屬暖溫帶大陸性季風氣候區，多年年均氣溫10.7 ℃，多年年平均降水量600 mm。千河是境內最大的河流，流域面積占全縣土地總面積的96%。隴縣下轄10鄉鎮，104個行政村，總人口約27萬，各鄉鎮名稱及占地面積見表1和圖1。隴縣境內農業較為發達，城鎮化程度僅有39%。種植作物主要為玉米、大豆、薯類、小麥等，主要養殖種類為豬、牛、羊、家禽類，以分散養殖為主。

表1 研究區各鄉鎮名稱及占地面積

圖1 隴縣行政區劃及高程Fig.1 The distribution and topographic map of Longxian administrative region

1.2 數據來源

2019年隴縣各鄉鎮土地面積、土地利用類型、人口數量、畜禽養殖量、農作物產量、化肥使用量的數據來源于隴縣統計手冊及國民經濟和社會發展公報。

1.3 凈氮輸入計算方法

人類活動凈氮輸入(NANI)是基于Howarth等[7]提出的方法模型的基礎上進行估算研究，即大氣氮沉降量、氮肥施用量、農作物固氮量與人類食品/動物飼料氮凈輸入量之和，計算公式為

NANI=Nim+Nfer+Nfix+Ndep

(1)

式(1)中：NANI為人類活動凈氮輸入；Nim為人類食品/動物飼料凈氮量；Nfer為氮肥施用量；Nfix為農作物固氮量；Ndep為大氣氮沉降量，計量單位均為kg/(km2·a)。

1.3.1 人類食品/動物飼料凈氮量

人類食品/動物飼料凈氮量是人類、畜禽氮消耗與氮產品輸出量的差值，其計算公式為

Nim=Nhc+Nlc-Nlp-Ncp

(2)

式(2)中：Nhc和Nlc為人類和畜禽的氮消耗量；Nlp為供給人類使用的動物產品中氮含量；Ncp為作物產品中的含氮量。當Nim為正值時，說明研究區人類和畜禽氮銷量較大，食物與飼料供不應求，人類食品/動物飼料凈氮呈輸入狀態，反之則說明人類食品/動物飼料凈氮呈輸出狀態。

人類氮消耗量一般采用人口數量與人均氮消耗量乘積計算。本文中人口數據來源于統計年鑒，因城鎮與農村生活條件存在差異性，參考前人的研究成果，研究區農村人口人均氮消耗按照3.16 kg/a核算，城鎮人口人均氮消耗按照3.48 kg/a核算[18]。畜禽飼料氮(Nlc)消耗量由該年的畜禽數量與畜禽年均消耗量相乘獲得，根據高偉等的研究成果，羊、牛采用存欄數量統計，雞、鴨、豬等采用出欄數量統計[19]。供給人類使用的動物產品氮輸入量為畜禽氮消耗量與排泄量的差值(表2)。作物產品中的氮含量為作物的產量與各作物氮含量(表3)相乘獲得。

表2 畜禽氮攝入量與排泄量[15]

1.3.2 化肥使用量

研究區的化肥使用量數據來源于隴縣相關統計數據，具體如表4所示。氮素來源于氮肥和復合肥兩部分，氮肥含氮量一般為40%[20]，中國(N-P2O5-K2O，15-15-15)復合肥是主流產品，其含氮量為15%[21]。

表3 作物含氮量[17]Table 3 Nitrogen content of crops[17]

表4 研究區的化肥使用量

1.3.3 農作物固氮

農作物固氮量是研究區內農作物將大氣和土壤內的氮元素固定在作物體內。隨著固氮作物大面積的種植，作物中的固氮量也成了研究區人類活動凈氮輸入重要來源。作物固氮量為各作物固氮能力與種植面積相乘而得。根據研究區的作物種植情況，選取了小麥、玉米等作物，每種作物的固氮能力[22]見表5。

表5 各作物固氮能力

1.3.4 大氣氮沉降量

大氣氮沉降量是指大氣中氮元素以NHx和NOy的形式沉降，主要有干沉降和濕沉降兩種。隨著近年來礦物燃料的燃燒、現代化農業的迅速發展等，受人類活動的影響，大氣氮素沉降也在迅速增加[23]。根據魏樣等[24]在陜西省不同區域大氣氮沉降量的研究成果，研究區大氣氮沉降量采用了統一值1 489 kg/(km2·a)。

2 結果與分析

2.1 NANI總量特征

隴縣2019年人類活動凈氮輸入量為8 934 kg/(km2·a)，其中氮肥使用量的貢獻最大，為5 724 kg/(km2·a)，占總量的64.07%，其次為大氣沉降和食品與飼料輸入，分別為1 489 kg/(km2·a)、1 432 kg/(km2·a)，各占總量的16.67%、16.03%，最后為作物固氮289 kg/(km2·a)，占總量的3.24%。隴縣凈氮輸入量遠高于全球平均水平1 570 kg/(km2·a)[25]，同時也高于全國平均水平4 716 kg/(km2·a)[19]。從全縣的凈氮輸入總量來看，溫水鎮和城關鎮對全縣凈氮輸入總量貢獻最大，分別為3 360.16、3 319.23 t，占全縣的16.52%和16.32%。從全縣各鎮NANI值及各項氮源輸入量的變化范圍來看(表6)，均顯示出隴縣的氮源輸入具有高度的空間差異性。從變異系數上看，4個氮源輸入中，因大氣氮沉降量采用統一數值進行計算，未進行分析，其他氮源輸入項的變異系數均大于80%，NANI值的變異系數大于70%，也說明了各鎮氮源輸入空間差異明顯。

表6 隴縣NANI強度統計特征值Table 6 Statistical characteristic value of NANI strength in Longxian Prefecture

2.2 空間特征

研究表明，空間尺度小的數據元能夠更有效地識別優化控制區域，能夠以更小的區域面積實現更大的氮源輸入控制量，有利于更準確地甄別主要排放源，更加有利于行政部門對氮素污染的環境管理。當氮源輸入控制目標分別為25%、50%和75%時，鄉鎮尺度的數據僅需控制國土面積的18.2%、33.3%和48.8%。

從圖2所示研究區NANI分布圖來看，隴縣整體分布中部、東北部分偏高，北部、東部次之，南部和西部最弱。從行政區的位置來看，東南鎮NANI值最高，為26 554 kg/(km2·a)，為隴縣平均值的2.97倍；城關鎮19 407 kg/(km2·a)，為隴縣平均值的2.17倍；河北鎮12 343 kg/(km2·a)，為隴縣平均值的1.38倍；最低值分布在固關鎮、天成鎮、八渡鎮，僅有3 000～4 000 kg/(km2·a)。從圖3所示研究區人類活動氮輸入各組分來看，因大氣氮沉降量采用了統一值，各鄉鎮沒有區別；食品/飼料氮輸入量(Nim)各鄉鎮均為正值，說明研究區內人與畜禽的氮需求量大于當地氮的產生量，研究區凈氮以輸入為主；作物固氮量(Nfix)與研究區內的耕地面積及作物種類有關，在圖中顯示，城關鎮806 kg/(km2·a)、東南鎮955 kg/(km2·a)高于全國平均值563 kg/(km2·a)，其余鄉鎮均低于全國平均值，可能是研究區種植作物以固氮能力較弱的玉米為主，固氮能力較強的豆類作物種植面積僅占作物種植總面積的5.85%；氮肥輸入量(Nfer)主要集中在研究區的東北部，該區域的氮肥平均使用量大于5 000 kg/(km2·a)，該區域是研究區的主要產糧區。綜上可知，研究區內人類活動氮元素輸出量較高的地區為東南鎮、城關鎮、河北鎮，其中氮肥使用量是主要的輸出源。

圖2 隴縣的NANI的空間分布Fig.2 Spatial distribution of NANI in Longxian Prefecture

2.3 結構特征

對研究區人類活動凈氮輸入NANI與各輸入項之間進行相關性分析，因大氣氮沉降量使用統一值，不做分析，結果如圖4所示，NANI與各輸入項均存在顯著性相關。為進一步了解各輸入項與NANI的關系，分析NANI各輸入項的貢獻比例，結果如圖5所示，氮肥使用量所占比例最大，為35.91%～79.42%，研究區平均氮肥使用量為5 723.53 kg/(km2·a)，占研究區NANI的64.07%，這與徐浩林等[26]研究成果相似；食品/飼料等凈氮輸入與大氣氮沉降所占比例波動較大，分別為5.65%～28.90%、5.61%～44.13%，研究區食品/飼料等凈氮輸入與大氣氮沉降平均輸入量分別為1 432、1 489 kg/(km2·a)，占NANI的16.03%、16.67%；作物固氮貢獻比例比較穩定，為2.03%～4.15%，研究區作物固氮平均輸入量為289 kg/(km2·a)，占NANI的3.24%。化肥使用是研究區氮輸入的主要來源，減少氮肥的使用量，可以有效控制氮素的輸入。

圖3 隴縣的NANI各組分的空間分布Fig.3 Spatial distribution of NANI in Longxian Prefecture

圖4 隴縣NANI與其組分的相關關系Fig.4 Correlation between NANI and its components in Longxian Prefecture

圖5 NANI各鄉鎮各輸入項貢獻比例Fig.5 Contribution ratio of each input item of NANI

2.4 人類活動凈氮輸入影響因素

圖6 隴縣NANI與社會經濟的關系Fig.6 Relationship between NANI and social economy in Longxian Prefecture

為了進一步探究人類活動對凈氮輸入量的影響，本文從社會經濟因素和土地利用方式兩個方面進行分析了。社會經濟因素中，選擇的因子包括人口密度、農業產值、糧食產量、家禽養殖密度。NANI與各因子之間的相關性如圖6所示，NANI與人口密度顯著相關，r2=0.86(p<0.01)，研究區內氮的輸入與人類活動密切相關，也就是人類活動強度越大，其NANI也越大。這一結論與多位學者[8,27-28]的研究成果一致。同時，NANI也與農業產值、食品產量存在明顯的相關性，農業產值、食品產量是農業活動的產物，其值的高低與化肥的使用量密切關聯，化肥使用量越高，其值越高。進一步說明了氮肥使用量是氮輸入的主要來源。

蔣鴻昆等[6]學者研究指出，土地利用方式與凈氮輸入量存在明顯的相關關系，利用方式的不同影響著田間氮素的輸入量以及氮素的空間分布。土地利用方式中，選取了三種占比較大的土地利用類型，耕地、林地和建設用地。NANI與耕地面積關系不顯著[圖7(a)]，研究發現東南鎮(51.56 t/km2)、城關鎮(50.86 t/km2)耕地施肥強度遠遠大于研究區的平均耕地施肥強度(36.94 t/km2)，將其他8個鎮的耕地面積與NANI做相關性分析，發現相關性顯著[圖7(b)]，這說明凈氮輸入量不僅與耕地面積相關，同時還與耕地的施肥強度有關。隨著林地面積的增加，NANI呈下降趨勢[圖7(c)]，說明凈氮輸入量與林地面積呈反比關系，與張汪壽等[29]、Boyer等[10]學者的研究結果一致。同時，凈氮輸入量與建設用地也存在者明顯的相關性[圖7(d)]，這表明除了農業之外，城市化也是該區氮的主要來源[12]。

圖7 隴縣NANI與土地利用方式的關系Fig.7 Relationship between NANI and land use in Longxian Prefecture

數據來源：鄱陽湖流域[15]、珠江流域[16]、洞庭湖流域[22]、長江流域[14]、淮河流域[31]、河南省[32]、湖北省[26]、中國[19]、美國 東南部[11]、印度[13]、歐洲、亞洲[33]、全球[25]圖8 全球主要地區氮素輸入組成Fig.8 Composition of nitrogen inputs in major regions of the world

3 討論

定量分析評價了研究區隴縣境內NANI空間分布格局及影響因素，進一步對比分析了研究區與國內外其他地區的NANI特征值，結果如圖8所示。總體而言，研究區NANI處于較高值。研究區NANI值為8 934 kg/(km2·a)，是全球[1 570.47 kg/(km2·a)]的5.7倍，是中國大陸[4 716 kg/(km2·a)]的1.9倍。研究表明，人類活動凈氮輸入中，氮肥使用量是其主要來源，除了美國東南部外，其余區域氮肥使用量在總凈氮輸入中貢獻比例均大于50%。中國的淮河流域、河南省、湖北省的NANI值遠遠高于大陸平均值，這些地區農業發達，是國家主要的糧食產區。現有研究中，淮河流域的NANI值最大，其值[26 415 kg/(km2·a)]是全球平均水平的16.8倍，是中國大陸的5.6倍，也是研究區的2.9倍，其氮肥使用量在總凈氮輸入中貢獻占比高達77%。

研究表明，人口密度、生產總值、土地利用方式等對區域NANI值均有一定的影響。中國大陸NANI值在空間分布上呈東高西低特點，這可能是因為河北、山東、江蘇、河南、安徽、四川、廣東等地是耕地或人口集中的地區；而西部地區和華南部分區域的NANI值普遍較低，主要原因可能是食品凈氮的大量輸出所致。河南省作為中國重要的商品糧生產基地，其NANI的高值主要集中在人口密集或傳統農業發達的區域，如鄭州、新鄉等地。而在千島湖流域中，農村人口密度對NANI值有較大影響，NANI較高值主要集中在流域中農村人口較多的西南部[30]。隴縣因受流域地形和農業分布的影響，研究發現NANI值東北部較高，西南部較低。

4 結論

(1)2019年研究區隴縣NANI值為8 934 kg/(km2·a)，其中化肥使用量是其主要來源，為5 724 kg/(km2·a)，占氮素總輸入的64.07%，其次是大氣氮沉降(16.67%)和食品/飼料凈氮(16.07%)，作物固氮量占比最小(3.24%)。空間尺度上，鄉鎮尺度數據識別重點控制區域時具有明顯優勢，當氮源輸入控制目標分別為25%、50%和75%時，僅需控制國土面積的18.2%、33.3%和48.8%。空間分布上，研究區NANI值整體呈東北部較高，西南部較低，NANI較高值主要集中在東南鎮、城關鎮、河北鎮的河谷地區。

(2)研究區NANI的組成中，食品/飼料氮輸入、化肥使用量、作物固氮，三者均與NANI值有較好的相關性，相關系數分別為r2=0.85(p<0.01)、r2=0.98(p<0.01)、r2=0.97(p<0.01)；貢獻占比中，氮肥使用量占比最大，為35.91%～79.42%，是主要輸入源，其次是食品/飼料等凈氮輸入(5.65%～28.90%)與大氣氮沉降(5.61%～44.13%)，作物固氮貢獻比例最小(2.03%～4.15%)。

(3)研究區NANI值與社會經濟因素的相關性研究中，人口密度、農業產值、糧食產量與NANI值都有顯著的相關性，相關系數分別為r2=0.86(p<0.01)、r2=0.69(p<0.01)、r2=0.50(p<0.01)；在與土地利用的相關性研究中顯示，NANI與林地呈顯著的負相關關系，與建設用地呈顯著的正相關關系。NANI值與耕地面積相關性較差，剔除施肥強度較大的鄉鎮后，NANI值與耕地面積相關性顯著，NANI值不僅與耕地面積相關，同時還與耕地的施肥強度有關。