不同空間尺度區(qū)域氮素收支.pdf

1、氮是生命必須的元素之一，隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人為活動(dòng)增加了地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮投入。人為活化氮的投入一方面提高了作物的產(chǎn)量，滿足了人類對(duì)食物和能源等的需求，但是另一方面化肥過量施用、畜牧養(yǎng)殖廢污排放、化石燃料大量使用等人類活動(dòng)過程，極大地干擾了氮在大氣、水、生物、土壤等圈層的相互轉(zhuǎn)化及運(yùn)動(dòng)。地球生態(tài)系統(tǒng)中的氮素超負(fù)荷承載，導(dǎo)致了地球環(huán)境自然平衡的破壞，從而引起溫室效應(yīng)、臭氧層破壞、酸雨、地下水硝酸鹽污染、湖泊與近海水體富營養(yǎng)化等

2、一系列從區(qū)域到全球尺度的生態(tài)環(huán)境問題。因此，研究氮素的輸入輸出過程、控制機(jī)制、影響因素和變化趨勢，對(duì)于提出針對(duì)性的氮素管理措施，從根本上控制氮素流失、加強(qiáng)資源保護(hù)、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
　　 近年來盡管我國在氮素投入支出方面的研究取得一定的成就，但整體上還不夠完善。本研究利用實(shí)驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)與公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料等，通過建立氮素投入(生物固氮、化學(xué)氮肥、糧食和飼料進(jìn)口

3、以及大氣沉降)和氮素支出(氨揮發(fā)、流入水體、反硝化和儲(chǔ)存、糧食和飼料出口以及生物質(zhì)燃燒)模型，研究我國不同區(qū)域空間尺度氮素特征，以明確氮素的來源去向、過程機(jī)制、變化規(guī)律、影響因素及其環(huán)境效應(yīng)，探索氮素流失的控制環(huán)節(jié)和主要途徑。本研究取得如下主要成果和結(jié)論：
　　 1、在以稻作為主的句容農(nóng)業(yè)小流域，連續(xù)兩年的觀測數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2007-2009年該流域總氮投入為1272ton，單位面積通量280kg N ha-1yr-1

4、。化學(xué)氮肥是主要的氮投入來源，占總量的78.7％；流域的大氣干濕沉降為39kg N ha-1yr-1，是第二大氮源；流域生物固氮占總氮投入的13.8％，通過糧食和飼料進(jìn)口的氮體現(xiàn)在農(nóng)作物種子的買進(jìn)，僅占總氮投入量的0.6％。
　　 作為典型的農(nóng)業(yè)流域，該地區(qū)沒有大規(guī)模的養(yǎng)殖場和工廠等，流域內(nèi)生產(chǎn)的糧食和食品大部分輸出到流域之外。人畜排泄物基本還田作有機(jī)肥，通過農(nóng)田有機(jī)肥和化學(xué)氮肥氨揮發(fā)的氮為188ton，占總氮投入的14.8％。

5、調(diào)查顯示該流域農(nóng)作物秸稈露天燃燒量很高，通過秸稈露天和作為燃料燃燒排放到大氣中的氮為140 ton，占總氮投入的11％。作為流域唯一出水口的水庫，氮輸出僅9.3 ton，不到總氮投入的1％，這表明句容農(nóng)業(yè)流域投入的人為活化氮大部分通過氨揮發(fā)和生物質(zhì)燃燒的方式排放到大氣中。氮素以氨揮發(fā)、生物質(zhì)燃燒排放到流域外是影響該流域氮素循環(huán)的主要因素。該農(nóng)業(yè)流域內(nèi)每年有637ton氮被土壤系統(tǒng)本身所去除或被儲(chǔ)存于土壤中，占總氮素投入的50％。歷史資料

6、和實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)?shù)赝寥廊坎]有明顯增加，因此大部分盈余氮通過反硝化進(jìn)入環(huán)境。當(dāng)?shù)鬲?dú)特的自然景觀對(duì)氮素的攔截作用、反硝化作用對(duì)水體氮的去除和大量的氨揮發(fā)、生物質(zhì)燃燒是水體氮輸出低的主要原因。因此，從減少氮素?fù)p失和治理環(huán)境污染的角度出發(fā)，對(duì)于稻作農(nóng)業(yè)流域內(nèi)的氮素管理，應(yīng)該更加關(guān)注氮素的氣態(tài)損失。
　　 2、在人口密集，工農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)高度發(fā)達(dá)的太湖流域常熟地區(qū)，單位面積氮素總投入為23927kg N km-2yr-1，折合27

7、707 ton?；瘜W(xué)氮肥是最大的氮源，占總氮投入的56.6％；大量的糧食和飼料的進(jìn)口是該地區(qū)氮投入的主要特征，總量為6186ton，單位面積5342kg N km-2yr-1，占總氮投入的22.3％；大氣氮沉降和生物固氮分別占總氮投入的15.5％和5.6％。
　　 通過氨揮發(fā)和生物質(zhì)燃燒進(jìn)入大氣的氮分別為3535ton和172ton，占總量的12.8％和6.2％；通過水體輸出的氮為8108ton(7002kg N km-2yr-

8、1)，占總投入量的29.3％。差減法顯示，51.7％的氮素通過反硝化進(jìn)入環(huán)境或儲(chǔ)存在系統(tǒng)中。
　　 太湖地區(qū)水污染嚴(yán)重，大量未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水直接排入水體是導(dǎo)致水體氮污染的主要原因。本研究顯示，該地區(qū)地表水輸出平均氮濃度為6mg N L-1，高于我國地表水劣五類標(biāo)準(zhǔn)。通過農(nóng)村生活污水、禽畜養(yǎng)殖排放到水體的氮是水體氮的第一大源，占總量的26.5％；城鎮(zhèn)居民生活污水和工業(yè)廢水是第二的水體氮源，為2085ton，占流入水體總

9、氮量的25.7％；來自農(nóng)田徑流和淋溶的氮占總流入水體總氮量的17.9％，大氣氮沉降所占的比例僅次于農(nóng)田徑流和淋溶，為17.0％。作為典型的河網(wǎng)平原地區(qū)，水產(chǎn)養(yǎng)殖也是該地區(qū)水體氮的一個(gè)重要來源之一，占總量的8.1％。因此，在控制當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)生活污水、工業(yè)廢水等主要水體氮污染源的同時(shí)，也要采取措施控制農(nóng)村生活污水、禽畜排泄物排的排放。
　　 3、1985，1990、1995、2000、2005、2007年我國大陸生態(tài)系統(tǒng)氮投入總量分別為

10、3081、3778、4418、4610、5238、5426 kg N km-2yr-1，22年間投入量增加76.1％?；瘜W(xué)氮肥是第一大氮源，生物固氮所占比例呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，大氣氮沉降約占總氮投入的24％。1985年以后出現(xiàn)糧食和飼料凈進(jìn)口的現(xiàn)狀，截止2007年，通過糧食和飼料進(jìn)口的氮占總氮投入的3.5％。氨揮發(fā)和流入水體的氮占總氮投入比例相當(dāng)，約20％。22年間生物質(zhì)燃燒排放氮占總氮投入的5.3-7.7％。通過物質(zhì)平衡法估算，反硝化

11、約占總氮支出的41％，系統(tǒng)儲(chǔ)存占17％，大量的氮投入通過反硝化途徑進(jìn)入環(huán)境。與其他國家和地區(qū)相比，我國化學(xué)氮肥的施用是導(dǎo)致氮素投入水平過高的主要原因，而因此導(dǎo)致的大氣氮沉降、氨揮發(fā)等也顯著高于其他國家和地區(qū)。
　　 受地理位置、人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、土地利用類型等因素的影響，我國氮素收支在省域尺度上差別很大。人口密度與反硝化和儲(chǔ)存、流入水體的氮、總氮投入呈極顯著直線正相關(guān)關(guān)系；耕地面積占總面積百分比、人均GDP與氮總投入、氨揮

12、發(fā)、反硝化和儲(chǔ)存、流入水體直線顯著正相關(guān)。除林地面積百分比與生物質(zhì)燃燒排放的氮直線顯著正相關(guān)外，草地面積百分和林地面積百分比與氮素總投入、氨揮發(fā)、反硝化和儲(chǔ)存、流入水體直線顯著負(fù)相關(guān)。因此，在人口密度較大、經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的東部和東南沿海地區(qū)以及耕地面積比例較大的河南、山東、河北等省，氮素投入總量較高，相應(yīng)的氮素流失量也較大。而在廣大西北、西南地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低、人口密度小、土地利用類型以林地和草地為主，氮素投入較低、對(duì)環(huán)境的影響相

13、應(yīng)較小。
　　 我國長江、黃河、珠江三大河流水體存在不同程度的氮污染情況，本研究對(duì)三大流域的水體氮輸出估算顯示，長江流域是三大流域中水體氮輸出最高的流域，1985、1990、1995、2000、2005、2007年水體氮輸入分別為1.90、2.43、2.59、2.76、2.61Tg，相應(yīng)年份河口氮輸出量為1.33、1.7、1.81、1.93、1.83Tg；黃河、珠江流域流入水體、河口輸出的氮相對(duì)較低，不足1Tg。1985-200

14、7年間，三大流域的氮輸出均呈增加的趨勢，以長江流域增長較低，為37.4％，黃河流域增長最大，為61.5％。三大流域河口氮輸出估算值與實(shí)測值相比，除黃河流域因常年斷流、農(nóng)田灌溉用水等原因?qū)е鹿浪阒灯咄?，其他兩個(gè)流域估算值與實(shí)測值一致。
　　 4、不同尺度下的氮素收支研究顯示，人為活動(dòng)嚴(yán)重影響了氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)?；瘜W(xué)氮肥的投入在不同尺度下均為最大的氮素來源。不同尺度下，大部分氮素都通過反硝化或者系統(tǒng)儲(chǔ)存進(jìn)入到環(huán)境中，反硝化與

15、系統(tǒng)儲(chǔ)存的氮約占總氮投入的50％左右。在以農(nóng)業(yè)種植為主的農(nóng)業(yè)小流域，氮素投入支出與農(nóng)業(yè)活動(dòng)緊密相關(guān)，投入到環(huán)境中的氮素主要通過氨揮發(fā)、生物質(zhì)燃燒等氣體形式排放到大氣中，地表水徑流輸出很低。而在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中尺度河網(wǎng)平原地區(qū)，除化學(xué)氮肥外，糧食的進(jìn)口占氮素投入的比重較高。大量未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水、人畜排泄物等流入水體導(dǎo)致水體氮濃度過高，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重。國家尺度下，氮素的投入支出時(shí)空變化差異較大，氮素的循環(huán)過程主要受人均GDP、土地