長江流域人類活動凈氮輸入及其生態(tài)環(huán)境效應淺析

1、長江流域人類活動凈氮輸入及其生態(tài)環(huán)境效應淺析近幾十年來 , 高強度的人類活動在全球范圍內使得環(huán)境中大量的氮元素進入水生生態(tài)系統(tǒng) , 從而導致了水體富營養(yǎng)化、有害藻類赤潮頻發(fā)和近海低氧區(qū)的產生與加劇等一系列重大而緊迫的全球性環(huán)境問題。有很多學者認為, 大量的河流氮輸出主要是源于流域中人類生產活動過程中不合理的氮輸入。因此 , 流域內人類活動凈氮輸入(Net AnthropogenicNitrogenInputs,NANI)的定量源解析及其生態(tài)環(huán)境效應分析研究引起了國內外學術界的關注。NANI的模型方法是由 Howarth et al. (1996)率先提出的 , 該方法主要由四部分組成：大氣氮沉

2、降、氮肥的施用、食品飼料凈氮輸入和作物固氮, 這四部分代表了氮素進入流域的主要外界輸入。該研究為流域尺度上養(yǎng)分管理政策開創(chuàng)了新模式, 并為氮素污染問題的研究與治理提供了新的思路。此方法在國外被大量的成功應用, 為各國流域的氮素控制措施提供了積極有效的決策支持。但是 , 就目前而言 , 該方法在我國的發(fā)展與應用尚處于起步階段。自改革開放以來 , 長江流域經濟得到迅猛發(fā)展, 城市化進程加快 , 人類活動強度進一步增大,而流域生態(tài)系統(tǒng)正面臨著日益嚴峻的考驗。鑒于此 , 本文以長江流域作為研究區(qū)域, 定量研究了 19802012 年間長江流域中由人類活動引起的凈氮輸入及其生態(tài)環(huán)境效應。研究結果不僅豐富

3、了流域中氮素輸入源的理論知識 , 而且對流域氮素管理政策具有重要指導意義。本文取得的主要研究結果和認識包括：(1) 長江流域人類活動凈氮輸入存在明顯時空差異特征 (one-way ANOVA, p<0.01)。從時間尺度來看 , 長江流域中NANI整體呈現先上升后穩(wěn)定的趨勢, 從 3537.0 ± 615.3 kg N km-2 yr-1(1980年 ) 增加到 8176.6 ± 1442.1 kg N km-2 yr-1(2012年 ), 增加了兩倍多。從空間分布上來看 , 長江流域中各子流域的NANI大體上呈現出從西部到東部逐漸增加的趨勢 , 與國外相關研

4、究結果相比處于偏高水平。其中 , 太湖流域的人為凈氮輸入量最大 (18574.6±3753.7 kg N km-2 yr-1),而金沙江流域最小(3054.1± 537.1 kg N km-2 yr-1)。(2) 就氮源組成結構而言 , 氮肥的輸入是長江流域最主要的氮素輸入源。在19802012年間 , 由氮肥施用導致的氮素輸入量在總NANI中約占 51.1%(40.8%56.1%), 并在 1995 年中所占比重達到最大 , 而后呈現緩慢下降的趨勢。食品 / 飼料的凈氮輸入量和生物固氮量所占比重整體呈現出下降趨勢, 分別為 37.6% 18.3%(平均值為 26.0%)和

5、 15.3%7.4%(平均值為 9.7%)。大氣氮沉降量在總 NANI中占 13.2%(6.3%-23.5%), 其比重明顯上升。(3) 長江流域可溶性無機氮通量(Dissolved Inorganic Nitrogen, DIN)與NANI及年徑流量的回歸模擬研究結果表明, 長江流域中 DIN 輸出通量與 NANI、年徑流量顯著相關 (R2=0.90,p<0.01)。并且探討了每年NANI、滯留氮庫和自然背景源對河流 DIN 輸出通量的貢獻率 , 分別約為 56%,38%,6%,由此可知人為氮輸入的貢獻率約為94%。另外 , 滯留氮庫對流域氮輸出通量的影響可能將持續(xù)較長的時間。

6、(4) 長江口及鄰近海域赤潮的發(fā)生頻率與人為氮的大量輸入有關, 隨著氮素輸入的增加而不斷上升 , 大氣氮沉降、氮肥施用、食品 / 飼料凈氮輸入及作物固氮對赤潮的發(fā)生也均存在不同程度的促進作用, 其中大氣氮沉降的促進作用較大。三種情境模擬對 20132030 年長江流域 DIN 輸出通量的預測結果顯示：在"Status-quo" (現狀 ) 情境下 ,NANI 將增加約 75%,長江流域 DIN 輸出通量較高 ,達到2860kg N km-2 yr-1,增加約122%；在“ Tackling"( 解決) 情境下 , 長江DIN輸出通量最低, 為 1025.4 kg N km"2 yr-1,