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

李晓虹,刘宏斌,雷秋良*,严 颢,翟丽梅,武淑霞,王洪媛,张亦涛,李 影



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

李晓虹1,刘宏斌1,雷秋良1*,严 颢2,翟丽梅1,武淑霞1,王洪媛1,张亦涛1,李 影1

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,农业部面源污染控制重点实验室,北京 100081；2.德州农工大学黑土研究与推广中心,德州 76502)

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/(km2·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(<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.

人类活动净氮输入(NANI)；香溪河流域；氮肥；大气沉降；人口密度；耕地面积

氮是地球上最丰富的元素之一[1].农田氮肥施用促进了粮食产量的增加,人类生活条件也逐渐改善[2].然而,人类活动强度的不断增加加剧了活性氮从陆地生态系统向水生生态系统的迁移,人类活动已经成为全球环境变化的主要驱动力[3],氮肥施用、工农业氮沉降等导致环境中的氮素呈现不断上升的趋势[4-6],当某一区域生态系统中的氮素累积超过其自身容量时,多余的氮素就会进入环境[7-8],引发如地下水硝酸盐污染[9]、土壤酸化、生物多样性减少[10-11]、水体富营养化和低氧等一系列生态环境问题[12-13],因此,氮素在生态系统中的累积及输出问题已不容忽视[14].

为了更好地评估人类活动对流域中氮输入的影响,Howarth等[5]在1996年提出了人类活动净氮输入(NANI)的概念认为,NANI主要由四部分构成:氮肥的施用、食品/饲料净氮输入、大气氮沉降和作物固氮,代表了流域生态系统中人为氮输入的主要方式.NANI是一种物料平衡法,在实测数据相对缺乏的研究区具有较强的适用性.其对氮通量的影响比较敏感,基于常规统计数据,可有效地评估人为净氮输入量,也可以用来研究氮负荷与河流氮输出之间的响应关系,由于该方法参数易获取、计算简便、结果可靠,已在在美国东北沿海流域[6]、密西根湖流域[7]、波罗的海流域[15]、密西西比河流域[16]、长江流域[17]、鄱阳湖流域[18]和海河流域[19]等国内外知名流域得到了广泛应用.

美国及欧洲许多流域的研究均表明,NANI与河流氮输出存在线性相关关系[20-21],用NANI来评估和预测河流氮负荷误差较小且稳定性高[21],其中,近24%的人类活动氮输入进入水体,剩余76%或储存在土壤中,或进入地下水,或者通过反硝化作用进入大气[22].Swaney等[4]对中国省域尺度的人类活动净氮输入进行了估算,由于省域尺度过大而难以准确识别氮源排放重点区域,也无法为后续的流域氮输出和NANI关系的研究提供精确的数据支持.中国市域单元下的人类活动净氮输入均值是全国均值的2.4倍,且区域化特征明显,相对于省域尺度的研究,市域尺度可更有效地识别重点氮源输入区域[23].利用更加精细的空间尺度来估算人类活动净氮输入,可以更有效地识别氮源排放格局;当研究的空间尺度为更加精细的乡镇尺度时,所要求的数据精度也进一步提高,流域乡镇尺度上的NANI与河流的氮输出是否与大流域尺度一样存在响应关系也有待进一步验证.

三峡水库是全国最大的淡水库,为库区人民提供了饮用水、工农业用水保障,因此,保护好三峡库区水资源尤为重要,2015年发布的《长江三峡工程生态与环境监测公报》[24]显示,三峡库区主要支流富营养化比例已达20.8%~37.7%.香溪河是三峡水库区的第一大支流,但近年来农业面源污染问题突出,水体富营养化问题严重,本课题组前期研究发现,香溪河流域2007年至2013年的农业面源污染风险不断加剧,其中总氮增幅22.3%,农业面源污染年均总氮排放量达到1145.2t/a[25].因此,开展香溪河流域乡镇尺度的净氮输入量与河流氮输出响应关系的研究对阐明该流域氮素排放特征、保护水体水质具有重要意义.

本文以香溪河流域为研究对象,基于各乡镇农业统计数据,运用人类活动净氮输入(NANI)方法在更精细的尺度上进行氮输入评估,分析了香溪河流域乡镇尺度上NANI的空间和时间变化特征、来源、构成以及其影响因素,同时评估了该流域NANI与河流氮输出的响应关系,该研究可为香溪河流域氮素面源污染防控提供数据支撑,并为制定相应的环保政策法规等提供了理论依据.

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

图1 香溪河流域示意

香溪河流域(东经110°25′~111°06′,北纬31°04′~ 31°34′)位于湖北省西部,是三峡水库湖北库区最大的支流,流域总面积3099km2,全长97.3km,其中流经兴山县内78km,是流经湖北兴山与秭归的最大河流.香溪河流域属亚热带大陆型季风气候,小气候特征突出,区域性和季节性变化差异较大,多年平均气温为17.1℃.其多年平均降水量为900~1200mm,主要集中在5~9月,年均降雨130日.流域内的土地利用类型占比从大到小依次为林地(87.42%)、耕地(7.40%)、草地(4.90%)、水域(0.23%)及其它类型(0.05%)[26].研究区域(图1)主要包括兴山县内香溪河流域古夫镇、昭君镇、峡口镇、南阳镇、榛子乡、黄粮镇和水月寺镇等七个乡镇,其中香溪河出口断面的坐标为东经110°78′,北纬31°11′.

1.2 研究方法

人类活动净氮输入(NANI)估算采用Howarth等[5]的方法,其中人类活动净氮输入由4个来源加和构成:氮肥的输入、食品/饲料净进口量、大气氮沉降和作物固氮量.这4项输入代表进入此流域的外来污染源,而不包括污水排放、动物粪便等,因为这些过程中的氮素是其他输入过程的再分配和循环,并不是新的氮输入[27-28].具体公式见文献[5].

1.3 数据来源

本研究使用的人口数量、畜禽数量、活家禽出栏量、作物的产量及播种面积、氮肥、复合肥施用量均来自兴山县2001~2015年的统计数据,河流氮输出等数据来自2002~2014年香溪河流域出口断面监测数据.

人类食品中蛋白质含量:城市69g/(人·d)、农村64.6g/(人·d),NCF(蛋白质与氮含量的换算系数)= 6.25[29]、氮素摄入水平范围:猪16.68kg/a、牛66.75kg/ a、羊6.85kg/a、家禽0.60kg/a[17]、畜禽氮素排泄量:猪5.17kg/a、牛58.51kg/a、羊5.00kg/a、家禽0.39kg/ a[17]、作物含氮量小麦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]等系数均来自相关文献.

1.4 数据处理与制图

本文采用Excel2010及SPSS进行制图与分析数据,用ArcGIS 9.3绘制流域图和进行NANI空间可视化分析.

2 结果与分析

2.1 人类活动净氮输入的时空分布

从2001年至2015年,研究区内的人类活动净氮输入(NANI)呈现先增加后减少最后增加的趋势,趋势线可以看出整体呈现下降的趋势,上升时间节点出现在2002~2004年间和2013~2014年间,下降时间节点出现在2004~2006年间和2008~2009年间(图2),并呈现北低南高的分布格局.为了更好地阐述净氮输入变化特征,选取2001年、2005年、2010年和2015年来详解其时空变化(图2).

图2 2001~2015年香溪河流域NANI的年际变化

昭君镇和峡口镇的NANI呈现逐年减少的趋势,其中峡口镇2001年NANI值最高,为6151kg N/(km2·a),2015年降低到4498kg N/(km2·a),水月寺镇的NANI自2005年后有所升高之后下降,2001年为1967kg N/(km2·a),随后2005年达到4176kg N/(km2·a),之后在2010年和2015年分别降低到2270kg N/(km2·a)和2945kg N/(km2·a)并趋于稳定,南阳镇的NANI自2010年之后有所升高,黄粮镇和榛子乡呈现降低的趋势,而古夫镇在研究年限内变化不大.从整体来看,各乡镇NANI北低南高,最高的地区出现在昭君镇、峡口镇和黄粮镇,最低的地区出现在古夫镇、榛子乡等,七个乡镇整体的NANI大小顺序为:昭君镇>峡口镇>黄粮镇>水月寺镇>南阳镇>古夫镇>榛子乡.

图3 2001~2015年香溪河流域乡镇级别人类活动净氮输入量的空间分布

2.2 人类活动净氮输入各组分年际变化

导致香溪河流域NANI变化的主要原因是氮肥施用(图4),2001~2015年间氮肥施用所占NANI的百分比与NANI变化整体上较为一致.从氮输入的结构上来看,2001~2015年间氮肥施用是香溪河流域最主要的氮输入来源,影响着整个流域的NANI趋势,其次是大气氮沉降、食品/饲料净氮输入,作物固氮所占比例最小,其对香溪河流域氮输入的影响也最小.此外,大气氮沉降和食品/饲料净氮输入所占比例先增大后减少最后趋于平稳,该变化与氮肥施用组分的减少和增大显著相关.

图4 2001~2015年香溪河流域NANI各组分的变化

图中Nfer、Ncro、Nim、Ndep分别指氮肥施用量、作物固氮量、食品/饲料净氮输入量和大气氮沉降量

2.3 人类活动净氮输入的影响因素

NANI与人口密度以及耕地面积占比呈极显著线性相关(图5),随着人口密度(图5a)和耕地面积占比(图5b)的增加,香溪河流域的NANI呈线性增加的趋势,两因素与NANI都极显著性相关(<0.001).这也说明在香溪河流域范围内的氮输入与人类活动的强度密切相关,也就是人类活动强度越大,其NANI也越大.

2.4 人类活动净氮输入与河流氮输出的关系

以往研究表明NANI与河流氮输出的响应关系对流域尺度的大小较依赖,在中到大型的流域, NANI与河流氮输出存在一定线性关系,而流域尺度越小,由数据单元转换所带来的误差也将越大[7].因此,本文分析了2002~2014年香溪河小流域乡镇尺度NANI与河流氮输出的关系.通过计算河流氮输出所占NANI的比例关系,得出河流氮输出占NANI的百分比为7.14%~54.30%,平均值为24.28%,但NANI与河流氮输出的相关性不显著(>0.05),说明在香溪河流域乡镇尺度范围内,NANI与河流氮输出没有响应关系.

3 讨论

2007~2013年农业用地面积呈增长的趋势,且2010~2013年农业用地的面积增幅较大,园地增幅达65.5%,园地中主要以柑橘为主,且主要分布在河道两侧[25].柑橘等经济作物比重的增大,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园对氮的流失贡献率最高[30].因此2001~ 2015年研究区的NANI呈现先增加后减少最后增加的趋势,与氮肥施用所占NANI的百分比整体上变化趋势一致.

2001~2015年间香溪河流域NANI的平均值为3703kg N/(km2·a),与全球单位面积的NANI值1570. 47kg N/(km2·a)[31]相比,仍处于较高水平.香溪河流域2009年的NANI值最低,为3134kg N/(km2·a),是全球氮输入量的2.0倍,2004年的NANI值最高,为4320kg N/(km2·a),是全球氮输入量的2.8倍.2010年中国大陆的NANI总量为45.15Tg,为全球平均水平的3倍[23],而2010年香溪河流域的NANI约为中国大陆NANI值的1.3倍.研究表明, NANI最高的地区为淮河流域[32],其2010年NANI值达到全球平均水平的16.8倍,是香溪河流域的7.6倍,是英国流域的2.3倍,是上海市的1.1倍.

不同区域影响NANI值大小的因素有所不同,主要因素包括人口密度、耕地面积和粮食产量等.中国市域单元内NANI值的大小主要与耕地和人口密度有关,河北、山东和江苏等耕地较多及人口密集地区的NANI值均较高,西部和华南区域NANI值较低[23].在香溪河流域,NANI值呈现北低南高的格局,且主要受农业用地施氮行为影响.海河流域NANI在空间分布上也不均匀,呈北低南高的趋势,主要与氮肥施用强度极显著相关[19].滇池流域2013年平均总氮释放4586.51t[33],1980~2010年间所有子流域的NANI值都显著增加,尤其是东部、南部流域,这两部分主要为施氮量较高的农田集中区[34];对于美国东北部16个流域的整体输入输出关系来说,降水量和排放量较高的地区NANI比例高,干旱流域较低[35].

NANI与河流氮输出的相关关系在不同时段呈现出一定的差异性[36].有研究表明,香溪河流域总氮排放最高的为峡口镇、黄粮镇和高桥乡[37],而本研究中NANI最高的乡镇为昭君镇、峡口镇、黄粮镇,这说明河流氮输出与NANI的关系并不是恒定的,可能受流域尺度或流域间降水、排放和温度及其年际变化的影响[7,36].

4 结论

4.1 2001~2015年,香溪河流域NANI呈先增加后减少最后增加的趋势,整体来看则呈下降的趋势.空间尺度上,香溪河流域NANI值呈北低南高的格局,影响香溪河流域NANI输入强度的主要区域为昭君镇、峡口镇和黄粮镇.氮肥施用仍然是最主要的输入来源(40.06%),其次为大气氮沉降(29.98%)和食品/饲料净氮输入(27.75%)最后为作物固氮(2.21%).

4.2 从NANI与其影响因素及河流氮输出的相关性来看,香溪河流域的NANI与人口密度和耕地面积比例两因素极显著性相关(<0.001),其关系呈正相关的关系;而NANI与河流氮输出的相关性不显著(>0.05),在香溪河流域,NANI与河流氮输出无直接的响应关系.

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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

李晓虹(1995-),女,河北衡水人,中国农业科学院硕士研究生,主要从事环境污染与修复研究.

2018-07-18

国家自然科学基金资助项目(31572208);公益性行业(农业)科研专项(201303089)

* 责任作者, 副研究员, leiqiuliang@caas.cn