长江流域人类活动净氮输入及其生态环境效应浅析

1、长江流域人类活动净氮输入及其生态环境效应浅析近几十年来 , 高强度的人类活动在全球范围内使得环境中大量的氮元素进入水生生态系统 , 从而导致了水体富营养化、有害藻类赤潮频发和近海低氧区的产生与加剧等一系列重大而紧迫的全球性环境问题。有很多学者认为, 大量的河流氮输出主要是源于流域中人类生产活动过程中不合理的氮输入。因此 , 流域内人类活动净氮输入(Net AnthropogenicNitrogenInputs,NANI)的定量源解析及其生态环境效应分析研究引起了国内外学术界的关注。NANI的模型方法是由 Howarth et al. (1996)率先提出的 , 该方法主要由四部分组成：大气氮沉

2、降、氮肥的施用、食品饲料净氮输入和作物固氮, 这四部分代表了氮素进入流域的主要外界输入。该研究为流域尺度上养分管理政策开创了新模式, 并为氮素污染问题的研究与治理提供了新的思路。此方法在国外被大量的成功应用, 为各国流域的氮素控制措施提供了积极有效的决策支持。但是 , 就目前而言 , 该方法在我国的发展与应用尚处于起步阶段。自改革开放以来 , 长江流域经济得到迅猛发展, 城市化进程加快 , 人类活动强度进一步增大,而流域生态系统正面临着日益严峻的考验。鉴于此 , 本文以长江流域作为研究区域, 定量研究了 19802012 年间长江流域中由人类活动引起的净氮输入及其生态环境效应。研究结果不仅丰富

3、了流域中氮素输入源的理论知识 , 而且对流域氮素管理政策具有重要指导意义。本文取得的主要研究结果和认识包括：(1) 长江流域人类活动净氮输入存在明显时空差异特征 (one-way ANOVA, p<0.01)。从时间尺度来看 , 长江流域中NANI整体呈现先上升后稳定的趋势, 从 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 ), 增加了两倍多。从空间分布上来看 , 长江流域中各子流域的NANI大体上呈现出从西部到东部逐渐增加的趋势 , 与国外相关研

4、究结果相比处于偏高水平。其中 , 太湖流域的人为净氮输入量最大 (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) 就氮源组成结构而言 , 氮肥的输入是长江流域最主要的氮素输入源。在19802012年间 , 由氮肥施用导致的氮素输入量在总NANI中约占 51.1%(40.8%56.1%), 并在 1995 年中所占比重达到最大 , 而后呈现缓慢下降的趋势。食品 / 饲料的净氮输入量和生物固氮量所占比重整体呈现出下降趋势, 分别为 37.6% 18.3%(平均值为 26.0%)和

5、 15.3%7.4%(平均值为 9.7%)。大气氮沉降量在总 NANI中占 13.2%(6.3%-23.5%), 其比重明显上升。(3) 长江流域可溶性无机氮通量(Dissolved Inorganic Nitrogen, DIN)与NANI及年径流量的回归模拟研究结果表明, 长江流域中 DIN 输出通量与 NANI、年径流量显著相关 (R2=0.90,p<0.01)。并且探讨了每年NANI、滞留氮库和自然背景源对河流 DIN 输出通量的贡献率 , 分别约为 56%,38%,6%,由此可知人为氮输入的贡献率约为94%。另外 , 滞留氮库对流域氮输出通量的影响可能将持续较长的时间。

6、(4) 长江口及邻近海域赤潮的发生频率与人为氮的大量输入有关, 随着氮素输入的增加而不断上升 , 大气氮沉降、氮肥施用、食品 / 饲料净氮输入及作物固氮对赤潮的发生也均存在不同程度的促进作用, 其中大气氮沉降的促进作用较大。三种情境模拟对 20132030 年长江流域 DIN 输出通量的预测结果显示：在"Status-quo" (现状 ) 情境下 ,NANI 将增加约 75%,长江流域 DIN 输出通量较高 ,达到2860kg N km-2 yr-1,增加约122%；在“ Tackling"( 解决) 情境下 , 长江DIN输出通量最低, 为 1025.4 kg N km"2 yr-1,