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。

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%.

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。

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。

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.

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.

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.