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濟的發(fā)展，人為活動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量，滿足了人類對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過程，極大地干擾了氮在大氣、水、生物、土壤等圈層的相互轉化及運動。地球生態(tài)系統(tǒng)中的氮素超負荷承載，導致了地球環(huán)境自然平衡的破壞，從而引起溫室效應、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、控制機制、影響因素和變化趨勢，對于提出針對性的氮素管理措施，從根本上控制氮素流失、加強資源保護、改善生態(tài)環(huán)境、促進社會經濟可持續(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。本研究利用實驗監(jiān)測數據、農戶調查數據、統(tǒng)計年鑒數據、圖形數據與公開發(fā)表的文獻資料等，通過建立氮素投入(生物固氮、化學氮肥、糧食和飼料進口

3、以及大氣沉降)和氮素支出(氨揮發(fā)、流入水體、反硝化和儲存、糧食和飼料出口以及生物質燃燒)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、過程機制、變化規(guī)律、影響因素及其環(huán)境效應，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論：
　　 1、在以稻作為主的句容農業(yè)小流域，連續(xù)兩年的觀測數據和農業(yè)調查數據顯示，2007-2009年該流域總氮投入為1272ton，單位面積通量280kg N ha-1yr-1

4、?；瘜W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％，通過糧食和飼料進口的氮體現(xiàn)在農作物種子的買進，僅占總氮投入量的0.6％。
　　 作為典型的農業(yè)流域，該地區(qū)沒有大規(guī)模的養(yǎng)殖場和工廠等，流域內生產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肥，通過農田有機肥和化學氮肥氨揮發(fā)的氮為188ton，占總氮投入的14.8％。

5、調查顯示該流域農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)和生物質燃燒的方式排放到大氣中。氮素以氨揮發(fā)、生物質燃燒排放到流域外是影響該流域氮素循環(huán)的主要因素。該農業(yè)流域內每年有637ton氮被土壤系統(tǒng)本身所去除或被儲存于土壤中，占總氮素投入的50％。歷史資料

6、和實測數據顯示，當地土壤全氮含量并沒有明顯增加，因此大部分盈余氮通過反硝化進入環(huán)境。當地獨特的自然景觀對氮素的攔截作用、反硝化作用對水體氮的去除和大量的氨揮發(fā)、生物質燃燒是水體氮輸出低的主要原因。因此，從減少氮素損失和治理環(huán)境污染的角度出發(fā)，對于稻作農業(yè)流域內的氮素管理，應該更加關注氮素的氣態(tài)損失。
　　 2、在人口密集，工農業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)高度發(fā)達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)和生物質燃燒進入大氣的氮分別為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入環(huán)境或儲存在系統(tǒng)中。
　　 太湖地區(qū)水污染嚴重，大量未經處理的生活污水、工業(yè)廢水直接排入水體是導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準。通過農村生活污水、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田徑流和淋溶，為17.0％。作為典型的河網平原地區(qū)，水產養(yǎng)殖也是該地區(qū)水體氮的一個重要來源之一，占總量的8.1％。因此，在控制當地城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水等主要水體氮污染源的同時，也要采取措施控制農村生活污水、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)糧食和飼料凈進口的現(xiàn)狀，截止2007年，通過糧食和飼料進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，約20％。22年間生物質燃燒排放氮占總氮投入的5.3-7.7％。通過物質平衡法估算，反硝化

11、約占總氮支出的41％，系統(tǒng)儲存占17％，大量的氮投入通過反硝化途徑進入環(huán)境。與其他國家和地區(qū)相比，我國化學氮肥的施用是導致氮素投入水平過高的主要原因，而因此導致的大氣氮沉降、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、經濟發(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存、流入水體的氮、總氮投入呈極顯著直線正相關關系；耕地面積占總面積百分比、人均GDP與氮總投入、氨揮

12、發(fā)、反硝化和儲存、流入水體直線顯著正相關。除林地面積百分比與生物質燃燒排放的氮直線顯著正相關外，草地面積百分和林地面積百分比與氮素總投入、氨揮發(fā)、反硝化和儲存、流入水體直線顯著負相關。因此，在人口密度較大、經濟相對發(fā)達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，相應的氮素流失量也較大。而在廣大西北、西南地區(qū)，經濟發(fā)展水平相對較低、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、對環(huán)境的影響相

13、應較小。
　　 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測值相比，除黃河流域因常年斷流、農田灌溉用水等原因導致估算值偏高外，其他兩個流域估算值與實測值一致。
　　 4、不同尺度下的氮素收支研究顯示，人為活動嚴重影響了氮素的生物地球化學循環(huán)。化學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)儲存進入到環(huán)境中，反硝化與

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