流域人类活动净氮输入量的估算、不确定性及影响因素

人类活动使得大量的氮素进入流域生态系统,大量氮的盈余导致了一系列生态环境问题的出现。为了评估人类活动对流域生态系统的影响,Howarth等于1996年提出了人类活动净氮输入(NANI)的概念。综述了当前人类活动净氮输入的估算方法、不确定性及影响因素,并得到以下结论:导致NANI估算结果的不确定性原因主要有:内涵分歧、数据来源、尺度转换、估算方法的分歧。影响NANI的主要因素包括:各输入项、人口密度、土地利用组成;对于各输入项而言,化肥施用是最主要的氮素输入来源,占人类活动净氮输入总量的79.0%,其次为作物固氮,占17.6%,食品/饲料氮净输入量占-14.5%,大气沉降占15.7%;对于人口密度,NANI随着人口密度的增大而增大,当人口密度高于100人/km2,人口密度对NANI的影响趋于稳定,其他因素起主导作用。对于土地利用组成:NANI与森林面积比例成负相关,而与耕地面积比例成正相关。

典型小区域人类活动净氮输入量的空间格局特征

人类活动净氮输入(net anthropogenic nitrogen inputs,NANI)是水体环境质量直接的影响因素之一,准确核算NANI对于区域生态环境保护工作具有重要的现实意义。为了研究与环境管理行政辖区相契合的小区域NANI估算方法及其影响因素,选择具有典型特征的陕西省宝鸡市陇县作为研究区,从乡镇尺度上开展小区域NANI的空间格局特征及影响因素分析评估研究。研究收集了2019年陇县10个乡镇的统计资料,通过人类活动净氮输入(NANI)模型,核算了陇县2019年的人类活动净氮输入量。结果表明:陇县平均NANI值为8934 kg/(km^(2)·a);在空间分布上,NANI较高值主要集中在陇县的东南镇、城关镇、河北镇等东北区域;氮源结构上,化肥施用为主要贡献因子,占比为64.07%,其次分别是大气氮沉降,占比16.67%,食品/饲料净氮输入量,占比16.03%,农作物固氮,占比3.24%。讨论确定陇县的氮源污染防治工作应重点关注东南镇、城关镇、河北镇等NANI值较高区,同时要加强农业氮肥使用量的管理。

人类活动净氮输入时空变化特征及其影响因素——以香溪河流域为例

为了阐明人类活动对三峡库区第一大支流香溪河流域氮输入的影响程度,基于人类活动净氮输入(NANI)模型估算了2001～2015年间香溪河流域乡镇水平的人类活动净氮输入,分析了氮输入的主要来源及其动态变化.结果表明:时间尺度上,香溪河流域人类活动净氮输入(NANI)因氮素施用的变化而呈现先上升后下降最后上升的趋势,但2015年相对2001年的NANI下降了143kg N/(km^2·a);空间尺度上,香溪河流域NANI整体呈现北低南高的分布格局,其中NANI输入强度差异较大的区域主要有昭君镇、峡口镇和黄粮镇.从人类活动净氮输入的组成上来看,氮肥施用仍然是最主要的来源(40.06%),其次为大气氮沉降(29.98%)和食品/饲料净氮输入(27.75%),作物固氮仅占净氮输入总量的2.21%.香溪河流域的NANI与人口密度和耕地面积比例极显著相关(P<0.001);而NANI与河流氮输出的相关性不显著,香溪河流域河流氮输出占NANI的比例仅为24.28%.因此,可以通过减少氮素施用降低流域尺度氮素净输入量,但该流域NANI与河流氮输出无直接的响应关系.

千岛湖流域杭州段人类活动净氮、净磷输入时空分布

为探究人类活动对流域氮磷输入的影响,基于人类活动净氮、净磷输入模型(NANI、NAPI),分析了2008~2017年千岛湖流域杭州段氮磷输入的时空变化特征及驱动因素.结果表明:年际NANI值呈上升的趋势,10a平均值为2230kg/(km^(2)·a);年际NAPI值呈先上升后持续下降趋势(峰值出现在2011年).各子单元空间差异性较为显著,NANI、NAPI值均呈西高东低、南高北低的分布特征.NANI主要输入组分年际间差异显著,2008~2014年NANI的最大贡献源为氮肥施用(37.3%~39.9%),2015~2017年最大贡献源则为大气氮沉降(36.4%~38.4%);NAPI主要输入组分年际间较为一致,最大贡献源为人类食品和动物饲料磷输入(44.1%~48.1%),其次为磷肥施用(40.3%~43.4%).影响因子中,农作物种植强度与NANI、NAPI的相关性最显著,分别为0.851和0.806.各子单元NANI、NAPI与入湖TN、TP负荷强度显著相关,NANI变化可解释其63.9%的河流TN负荷变化,NAPI变化可解释其73.3%的河流TP负荷变化.因此,千岛湖流域杭州段面源污染实际管控中应重点关注NANI、NAPI值较高的汾口镇、威坪镇及浪川乡,加强氮磷化肥污染防治,实行污染控源减排策略.

基于人为氮净输入及入河系数的流域河流氮输出负荷估算

构建基于流域人为氮净输入及其入河系数的河流总氮(TN)负荷模型,以探索解决由于面源污染传输空间异质性、传统入河系数核算不确定性较大等问题所导致的典型流域基本测算单元精细化模拟结果难以向大尺度扩展的问题。以面源污染转化较复杂的亚热带南方丘陵区源头流域为研究区,通过建立流域人为氮净输入模型(NANI)和TN入河系数关键影响因子(水文、地形地貌、土地利用等)回归模型,对河流TN负荷通量进行估算。同时将基于小尺度流域(金井河)构建的相关模型向下游大尺度流域(捞刀河)进行应用。结果表明:金井河流域8个集水区(面积2.6~204.1 km^2)NANI从2012年到2017年呈现显著降低趋势,变化范围为(81.7±7.0)~(198.2±32.5)kg·hm^-2·a^-1,其中氮沉降、化肥净输入为主要输入源;构建了基于径流系数和高程为变量的NANI入河系数回归模型,并结合NANI模型对河流TN负荷进行模拟,模型决定系数(R2)、纳什效率系数(NSE)分别为0.729、0.714;将基于金井河流域构建的河流氮负荷模型应用于捞刀河流域(2543 km^2),4个监测断面模拟值与实测值误差范围为10.3%~17.2%。研究表明,基于流域人为氮净输入及其入河系数的河流TN负荷模型在一定程度上满足科学、便捷、适用性,可用于南方丘陵区农业面源污染负荷的估算。

湖北省2008~2017年人类活动净氮输入状况

为探究湖北省人类净氮输入状况,本文基于湖北省14个地级市(省直辖县)行政单元统计数据,利用人类活动净氮输入(NANI)模型,核算湖北省2008~2017年的人类活动净氮输入量.结果表明,湖北省10a平均NANI值为15929.43kg/(km^2·a).湖北总NANI值随时间呈现出先增长后下降的趋势,其中2013年达到16959.93kg/(km^2·a).在空间分布上,湖北省中东部地区(襄阳、荆门、荆州、随州、孝感、武汉、鄂州、黄冈、省直辖县)的NANI值显著高于西部地区(十堰、宜昌、恩施自治州);氮源结构上,氮肥输入(年均贡献比例60.58%)是最大输入项,其次分别为食品/饲料净氮输入(24.85%)、生物固氮(8.16%)、大气氮沉降(6.25%)和种子氮输入(0.18%).因此,减少化肥投入,提高农业产出投入比,同时合理控制人口密度,是减少区域内净氮负荷量,降低氮素污染的有效措施.

河南省人类活动净氮输入量与参数影响研究

为探究平原地区粮食主产区人类活动净氮输入量特征及其参数对估算结果的影响,以河南省为研究区,收集整理1990~2015年县级统计数据及NANI模型参数,对NANI的时空分布特征、变化趋势以及参数对估算结果的影响进行分析.结果表明:(1)时间尺度上看,1990~2015年河南省NANI呈升高趋势,1990、1995、2000、2005、2010、2015年NANI分别为14347、19146、21466、24251、23711、26156kg/(km^(2)·a),化肥施用为主要贡献因子,占比为63.56%,其次是食品/饲料净氮输入量,占比14.81%;空间尺度上看,河南省NANI较高的县市主要分布在中部和东部的平原地区,而西部山地丘陵地区县市NANI较低.(2)NANI模型输入组分中受参数影响最大的是食品/饲料净氮输入量,与选用适宜参数估算结果相比较,该项变化范围在-23.1%~71.3%,作物固氮量变化范围在-31.2%~41.2%,化肥氮输入量变化范围在-2.8%~4.5%.

不同生态类型区对人类活动净氮输入的影响——以北方农牧交错带为例

为探究中国北方农牧交错带在不同生态类型区人类活动对净氮输入的影响,基于人类活动净氮输入模型(NANI),以北方农牧交错带7省、23地级市的统计数据及相关参数,分析1985~2020年NANI的时空分布特征及影响因素.结果表明:1985~2020年研究区NANI呈先上升后下降趋势,河北省贡献最高.黄土丘陵沟壑水土流失区与北方农牧交错带NANI年际变化一致、京津冀水源涵养区和长城沿线沙化退化区NANI年际变化值呈上升趋势.空间分布呈由西北向东南逐渐降低的趋势.从输入组分来看,研究区最大贡献源为氮肥施用(30.34%~56.29%),其次是大气氮沉降(31.20%~47.23%),黄土丘陵沟壑水土流失区主要输入组分为氮肥施用和食品/饲料氮输入(累计76.46%~85.14%).对北方农牧交错带NANI影响最大的两个因素为人口密度和畜禽量.因此,中国北方农牧交错带的农业结构调整需结合分区进行管控,调整氮肥使用策略和畜禽养殖模式,促进区域农牧业与生态环境之间的深度融合.

我国三个典型流域人类活动净氮输入量估算及其影响因素

【目的】人类活动氮素过量投入是引起面源污染的重要原因之一。阐明人类活动净氮输入量的时空分布特征及其影响因素,为解决面源氮素污染问题提供数据支持。【方法】利用人类活动净氮输入量(net anthropogenic nitrogen input,NANI)模型,通过统计年鉴和文献综述获得NANI相关数据和参数,对农业化的香溪河流域、城镇化的太湖流域和全面推进农业绿色发展模式的洱海流域的净氮输入量进行评估。【结果】从NANI强度上看,3个典型流域NANI平均值按照大小排序为:太湖流域(13241 kg·km^(-2)·a^(-1))、香溪河流域(2183 kg·km^(-2)·a^(-1))、洱海流域(1582 kg·km^(-2)·a^(-1))。从来源上看,氮肥施入(Nfer)和食品/饲料氮(Nim)是NANI最大来源,占比58%—97%,对NANI贡献从大到小排序为:氮肥施入、食品/饲料氮输入、氮沉降输入、作物固氮输入。从时间尺度看,2019年同2010年相比,香溪河流域NANI中食品/饲料氮输入比例下降23个百分点,氮沉降比例上升34个百分点;洱海流域NANI中氮肥施入比例下降86个百分点;太湖流域NANI中食品/饲料氮输入比例上升31个百分点,作物固氮量和氮沉降输入比例下降14个百分点和12个百分点。从影响因素上看,3个典型流域NANI与城镇人口密度均呈现显著相关性(P<0.05),且随城镇人口密度的增加NANI随之升高;耕地面积占比与NANI的拟合上,香溪河流域有显著影响(P<0.05),但洱海流域和太湖流域均无显著影响(P>0.05)。【结论】香溪河流域中昭君镇、峡口镇和黄粮镇,洱海流域中下关镇、上关镇和凤仪镇,太湖流域中张家港市、嘉兴市秀城区、杭州市拱墅区和上海市南汇区是NANI的关键源区;以农业为主的香溪河流域化肥施入是NANI的主要来源;城镇化程度较高的太湖流域食品/饲料氮和肥料氮投入是NANI主要来源;农业绿色发展措施可显著减少人类活动净氮输入量。因此,在关键源区大力推广农业绿色发展措施,同时有效降低饲料和肥料的投入量,有利于控制农业面源污染。

我国东部典型农业流域河流氮输出对人类活动和气象因子的响应

非点源氮污染是农业流域水质退化的主要环境风险之一。本研究通过对2003—2016年浙江省嵊州市长乐江流域净人为氮输入量(net anthropogenic nitrogen input,NANI)和河流出口断面氮输出量的监测,探究河流水质对NANI和驱动非点源污染的气象因子的响应关系,并建立响应模型以分析河流氮的污染源。结果表明:2003—2016年,该流域NANI均值为95.77 kg/(hm^(2)·a),其中施肥、净人类食品和畜禽饲料、大气氮沉降、生物固氮和种子氮的输入氮量均值分别为53.90、25.62、11.94、4.18、0.13 kg/(hm^(2)·a)。流域内河流氮平均输出量为2178.78 t/a;河流氮输出与流域NANI和降水量呈正相关,与蒸发量和风速呈负相关。响应模型(R2=0.8010,纳什效率系数=0.7991)的模拟结果表明,流域内的历史遗留氮、当年NANI和河流背景氮分别占河流氮输出总量的66.8%、30.8%、2.4%。流域内的历史遗留氮不仅是河流氮污染的最大贡献者,还会长期影响河流水质,这说明河流水质对流域氮减排措施的响应具有明显的滞后效应。因此,实施长期的控氮措施是防治农业流域河流氮污染的重要策略。

珠江三角洲人类活动净氮输入时空特征及其影响因素

随着人口的爆炸式增长与长期强烈工农业活动的干扰,氮元素的人为输入不断增长并深刻影响自然生态系统健康。该研究以珠江三角洲城市群(简称“珠三角”)为研究对象,基于1997—2019年统计数据,构建人类活动净氮输入(Net Anthropogenic Nitrogen Input,NANI)模型,运用数理统计、趋势分析、空间分析、城市灰水足迹压力指数及地理探测器等多种分析相结合的方法,探讨近20 a珠三角地区人类活动影响下氮输入的时空特征、组分结构、影响因素及其带来的水体环境压力等。研究结果表明,(1)珠三角地区NANI呈现出波动上升后迅速下降的趋势,近20 a来,NANI总体下降幅度约为7.20%;早期NANI输入强度呈现较为明显的“中心—边缘”结构,随着时间的推移,珠三角核心区NANI输入强度减弱、边缘地区NANI输入强度增强,NANI空间异质性减弱。(2)珠三角地区NANI主要输入源为食物/饲料净氮输入,其次为化肥施用氮,而作物固氮及大气沉降氮占比较低,其中食物/饲料净氮输入与大气沉降氮呈现上升的趋势,化肥施用氮与作物固氮呈现出下降的趋势。(3)林地面积占比、人口密度、化肥施用强度、城镇化率、草地面积占比为珠三角地区NANI主要影响因子(P<0.01),其中林地面积占比与人口密度分别为影响珠三角地区NANI的首要土地利用因素与社会经济因素。(4)珠三角地区NANI远超全球与全国平均值,各地级市城市灰水足迹压力指数与NANI呈现显著的正相关关系(P<0.01)。高强度人类活动影响下氮输入带来严峻的水环境压力,减少氮肥使用、控制人口密度、更新管控措施是降低珠三角人为氮负荷的重要手段。

北京地区典型果园NANI解析与消减对策

人类活动引起的过量氮素输入已经成为引起区域生态环境恶化的主要原因.为探究北京地区人类活动产生的氮素对果园造成的潜在影响,基于大气沉降、肥料、食物/饲料和生物固氮四部分氮素输入之和的人类活动净氮输入(net anthropogenic nitrogen input,NANI)模型,估算了聂各庄果园2018年人类活动导致的净氮输入量.结果显示,研究区域NANI值为234 kg hm^(-2)a^(-1).其中,肥料输入强度为179 kg hm^(-2)a^(-1),占NANI的62.1%;大气沉降输入强度为65 kg hm-2a-1,占NANI的22.5%;其他依次为生物固氮(18 kg hm^(-2)a^(-1);6.1%)和食物/饲料(-27 kg hm^(-2)a^(-1);-9.3%).研究区NANI值偏高,其为我国主要流域NANI值的1.4-3.9倍.肥料是该区域NANI的主要来源,其施用量高出全国和北京地区平均水平的13%和10%.大气氮沉降是NANI的第二大来源,其为全国平均沉降量的4.7倍.肥料和大气沉降都对区域生态环境造成了一定的压力,宜采取相应措施防止多余的氮素流向下游水体.在全国和北京地区平均施肥水平为基准的情况下,通过减少肥料用量17-22 kg hm^(-2)a^(-1)可以有效降低研究区NANI值.通过减少或替换汽油驱动的汽车100万辆,可以减小大气沉降中硝态氮7.16 kg hm^(-2)a^(-1).本研究表明该区域NANI最主要的来源为肥料和大气沉降,通过一系列措施能够对区域内过量的氮素进行消减,达到净化环境的目.(图4表5参40)

洱海流域乡镇尺度上人类活动对净氮输入量的影响

人类活动引起的氮素过量输入已经成为引起水体富营养化及其他生态危害的主要原因.为了研究人类活动对流域氮素的影响,本文基于洱海流域16个乡镇行政单元的统计数据,考虑流动人口的影响,利用NANI模型估算洱海流域乡镇尺度的人类活动净氮输入量(net anthropogenic nitrogen inputs,NANI).结果表明,2014年洱海流域NANI总量为29.81×10~3t,单位面积输入强度(以氮计)为10 986 kg·(km^2·a)-1,显著高于我国平均水平.当地旅游人口带入的食品氮输入为0.26×10~3t,占到了流域居民食品氮输入的8%.从氮素的输入量的构成来看,肥料输入是最大的贡献源,占到了流域净氮输入的47%,其次为食品饲料的净氮输入.在空间分布上,乡镇单元的NANI分布呈现明显区域化特征,从流域整体上看呈现北高南低的特点.耕地或人口集中的乡镇NANI强度偏高,洱海流域具有较大的氮素污染风险.

1990—2010年淮河流域人类活动净氮输入

1990—2010年,淮河流域粮食产量由6414×104t增长到10121×104t(增幅为58%),城市化率由13%增长到35%(涨幅为22%),流域社会经济发生了显著变化.从流域整体定量评估人类活动所带来的生态环境影响将为区域生态环境管理提供科学依据.本文估算淮河流域1990—2010年人类活动净氮输入(NANI)的空间分布及变化趋势.结果表明:研究期间,淮河流域氮输入量呈现出增加趋势;1990—2001年流域内氮输入量快速增加,2001年后氮输入增加趋势减缓.1990年氮输入量为17232 kg N·km-2·a-1,2003年氮输入量最高,为28771 kg N·km-2·a-1,2010年回落为26415 kg N·km-2·a-1.从氮输入的组成上来看,化肥和大气氮沉降仍然是最主要的输入来源,其次为食品/饲料和生物固氮的输入.化肥和大气沉降输入占总氮输入的比例持续增加,由1990年的64%和16%分别增长至2010年的77%和19%.单纯以增施化肥来实现粮食增产、化石燃料大量燃烧来推动经济发展的观念,应切实转变到改善农业耕种技术、实现新能源的发展轨道上来,进而推动社会经济的可持续发展.

鄱阳湖流域人为氮磷输入演变及湖泊水环境响应

人类活动导致的氮磷营养盐富集是我国湖泊富营养化问题形成的重要驱动力.鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊,随着流域经济社会的迅速发展,湖体营养盐水平上升,降低了鄱阳湖及长江中下游地区的水环境质量.然而,人类对鄱阳湖流域氮磷输入的影响程度尚不明确,湖体氮磷浓度与流域人为氮磷输入的关系也缺乏定量研究.因此,本研究基于人为净氮输入模型(NANI)、人为净磷输入模型(NAPI)和多元统计回归模型,评估了鄱阳湖流域1949—2013年人类活动导致的氮磷输入量,构建了人为氮磷输入与湖泊氮磷浓度的响应模型.结果表明,研究期内鄱阳湖流域的人为净氮输入和人为净磷输入分别增长6倍和15倍,化肥施用是20世纪80年代以来的主要增长因子;鄱阳湖氮磷浓度与流域人为氮磷输入显著相关,根据多元回归模型的可决系数,NANI可解释88%的湖体TN浓度变化,NAPI和湖泊平均水位可解释64%的TP浓度变化.提高氮磷的循环利用率同时维持湖泊生态水位对于降低鄱阳湖富营养化水平具有重要意义.

缺水地区人类活动净氮输入与河流响应特征--以海河流域为例

人类活动净氮输入(NANI)是影响河流氮输出的重要因素,研究两者的响应关系对制定氮污染的削减策略具有重要意义.基于NANI核算模型,评估了海河流域人为氮输入强度,并采用实测数据估算了同期的河流氮输出,最终得到干旱缺水区河流氮输出对NANI的响应特征.结果表明,海河流域2008—2012年均NANI输入强度为13258 kg·km^(-2)·a^1,化肥施用、食品与饲料输入、大气沉降和农作物固氮分别占76%、17%、5%和2%;在空间分布上,黑龙港运东子流域的NANI负荷最高,达到24238 kg·km^(-2)·a^(-1),最小的是永定河子流域,为5320 kg·km^(-2)·a^(-1);海河流域主要河流的氮通量与子流域NANI输入呈现显著正相关关系(p<0.05),NANI变化可解释67%的河流氮通量变化.然而,仅2%的NANI由河流输出,这一比例低于其他地区研究成果,表明缺水地区河流作为氮输出的功能被削弱,河流不是流域氮输出的主要途径.

1980～2010年浙江某典型河流硝态氮通量对净人类活动氮输入的动态响应

以浙江某典型流域为研究对象,基于1980～2010年的水质水量和氮源数据及LOADEST模型,估算了逐年河流NO-3-N通量和净人类活动氮输入(NANI),分析了河流NO-3-N通量和NANI的年际演化特征及其动态响应关系,探讨了每年NANI、滞留氮库、自然背景源对河流NO-3-N通量的贡献.结果表明,1980～2010年,河流NO-3-N通量和NANI总体上都呈现出先增后减的抛物线型变化趋势,均在1998年左右分别达到峰值5.74 kg·(hm2·a)-1和77.5 kg·(hm2·a)-1;过去31 a,河流NO-3-N通量和NANI分别净增加了～42%和～77%.化肥氮和大气氮沉降是NANI的主要来源,分别占了NANI的～48%和～40%.河流NO-3-N通量的年际变化不仅与NAIN(R2=0.27**)和化肥氮输入量(R2=0.32**)显著相关,而且与河流年均流量(R2=0.79**)或降雨量(R2=0.63**)具有更强的相关性,意味着河流NO-3-N的来源除了当年的NAIN,还受滞留氮库的影响.所建立的以NANI和流量为自变量的回归模型能很好地模拟河流NO-3-N通量变化(R2=0.94**).该模型预测结果显示,在NANI和流量分别降低30%的情况下,河流年均NO-3-N通量将分别减少～21%和～30%;每年的NANI、滞留氮库、自然背景源对河流当年NO-3-N通量的贡献率分别为～53%、～24%、～23%.河流NO-3-N通量长期的年际变化是NANI和水文要素共同作用的结果;但是,由于滞留氮库的影响,与源控制方式相比,增加"汇"景观应该能更加快速地削减河流NO-3-N通量.