1 引言
河流是向近海生態(tài)系統(tǒng)輸入源營養(yǎng)鹽最主要的源之一，據(jù)報(bào)道，人類活動(dòng)輸入陸地氮的30%由河流最終輸送至海洋.而海洋中磷(特別是活性磷)的來源，主要是通過河流的輸送(Delaney，1998).海灣河口區(qū)域是大陸與海洋的交匯處，在全球經(jīng)濟(jì)占有重要地位，我國海岸線分布著近60個(gè)面積100 km2以上的海灣.目前我國多數(shù)半封閉型海灣污染嚴(yán)重，Liu et al.報(bào)道了長江向河口和近海輸送的氮、磷的通量在近50年中增加了3~6倍，氮磷比上升了5倍，長江河口及東海的營養(yǎng)水平和生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化.錢國棟等(2009)的研究也表明近30年來膠州灣海水無機(jī)氮上升近10倍，氮磷比上升3倍，海灣生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化.據(jù)報(bào)道，未來20年全球河流氮磷污染負(fù)荷仍將持續(xù)增加，地表水環(huán)境繼續(xù)惡化.因此，河流營養(yǎng)鹽的輸出在全球和區(qū)域生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用已越來越受到人們的關(guān)注.
然而，已有的報(bào)道大多專注于評價(jià)河流或海灣的營養(yǎng)鹽演化歷史和評估水體的營養(yǎng)狀況，很少有報(bào)道對流域河口/海灣的連續(xù)體的陸地營養(yǎng)鹽收支平衡變化及河口/海灣的響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測，或?qū)α饔蚝涌?海灣系統(tǒng)的營養(yǎng)鹽綜合管理提出對策.對于大尺度上的區(qū)域營養(yǎng)鹽從陸地向河口的輸送變化預(yù)測研究，Seitzinger et al.提出了全球流域營養(yǎng)鹽輸出模型(GlobalNEWS; http://marine.rutgers.edu/globalnews/mission.htm)，不同的學(xué)者基于GlobalNEWS模型方法模擬了過去、現(xiàn)在及未來不同階段全球及區(qū)域營養(yǎng)鹽從陸地向河口及近海的輸送變化.其中，對于未來趨勢，GlobalNEWS 模型采用了千年生態(tài)系統(tǒng)評估(Millennium Ecosystem Assessment，MEA)的4種預(yù)測情境(Scenarios)，預(yù)測今后幾十年中在人口增加、經(jīng)濟(jì)增長、技術(shù)進(jìn)步，以及氣候變化等驅(qū)動(dòng)力的作用下生態(tài)系統(tǒng)的4種變化情景.不同學(xué)者基于MEA情景模擬了未來全球及區(qū)域營養(yǎng)鹽的收支平衡變化以及營養(yǎng)鹽在自然生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)，如Bouwman 等預(yù)測了全球氮循環(huán)的空間分布差異，到2050年如未采取積極的應(yīng)對措施，發(fā)展中國家的區(qū)域氮過剩量將進(jìn)一步增加，相應(yīng)地，從陸地向河口及近海輸送的氮通量也將進(jìn)一步加大.Yan等預(yù)測了2050年長江流域的氮過剩及向河口輸出的氮通量變化，但未對其空間差異性進(jìn)行分析，未能識(shí)別流域氮污染的重點(diǎn)區(qū)域.此外，由于非點(diǎn)源排放的無序性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，開展定量化的評價(jià)并制定針對性的管理措施仍十分困難.
綜上所述，本文研究目的是分析人類活動(dòng)影響下河流向河口和近海水域輸送氮通量的變化規(guī)律，預(yù)測未來長江流域溶解態(tài)無機(jī)氮通量的變化趨勢，識(shí)別流域氮排放的主要區(qū)域和主要來源，為因地制宜地控制污染源向河流的輸入提供決策依據(jù)，本項(xiàng)目對于消除或緩和河口/海灣地區(qū)的水體富營養(yǎng)化和生態(tài)環(huán)境惡化等問題有重要意義.
本研究采用GlobalNEWS模型方法，基于1970—2010年的時(shí)間序列數(shù)據(jù)以及MEA框架，開展以下研究內(nèi)容：(1)基于MEA提出的4種情景，預(yù)測2050年長江流域溶解態(tài)無機(jī)氮的區(qū)域循環(huán)與河流輸出通量的變化趨勢;(2)提出流域河口/海灣氮綜合管理的對策建議.
2 材料與方法
2.1 長江流域溶解態(tài)無機(jī)氮模型
長江流域溶解態(tài)無機(jī)氮(NEWSDIN)模型基于第一代GlobalNEWS模型的建模方法，采用0.5度研究格網(wǎng)，模擬了長江流域通過人類活動(dòng)及自然過程的點(diǎn)源輸入及非點(diǎn)源輸入，包括化肥、糞便、生物固氮、大氣沉降等，并考慮了不同作物，土地利用類型及禽畜種類等的區(qū)別，對人類活動(dòng)影響下長江向河口輸出的溶解態(tài)無機(jī)氮進(jìn)行了模擬.隨著數(shù)據(jù)庫的不斷完善，以及對模型參數(shù)的研究不斷深入，長江流域的NEWSDIN模型得到進(jìn)一步的完善模型架構(gòu)及主要參數(shù)如表 1所示.
表1 長江流域溶解態(tài)無機(jī)氮輸出模型(NEWSDIN)
2.2 基于4個(gè)MEA情景的模型參數(shù)設(shè)置
(1)水文參數(shù)
調(diào)水?dāng)r截系數(shù)(Qrew)：2000 年長江調(diào)水量為68 億m3，約占長江年平均徑流量的0.75%，根據(jù)方程(7)計(jì)算調(diào)水系數(shù)Qrew為0.22;三線南水北調(diào)工程建成后，每年可從長江調(diào)水660 億 m3 輸往黃淮海流域，調(diào)水量約占長江多年平均徑流量的7.3%，調(diào)水?dāng)r截系數(shù)Qrew可增加約0.11，基于長江流域人均用水量及未來人口預(yù)測數(shù)據(jù)，，預(yù)計(jì)2050 年長江的調(diào)水?dāng)r截系數(shù)Qrew為0.34± 0.10.
大壩截留系數(shù)(Ddin)：2050 年，長江新增庫容量將達(dá)到1265 億m3，這些水庫的建設(shè)對河流中DIN 的截留效應(yīng)大約為0.048，基于2003 年的Ddin(取值為0.21，Yan，2010)，2050 年Ddin 取值為0.26.
河流反硝化截留系數(shù)(Lden)：長江河道對氮的反硝化截留系數(shù)取值(Lden =0.65)參考Yan等的報(bào)道.
徑流量(runoff)：1950—2005 年長江徑流量呈周期性波動(dòng)變化，雖然20 世紀(jì)90 年代長江發(fā)生了頻繁的洪水災(zāi)害，而且在長江流域內(nèi)建了4 萬多座水庫，也沒有改變長江入海徑流量的平穩(wěn)變化趨勢.從長期而言，隨著全球平均表面溫度的上升，全球降水將會(huì)增加，但不同區(qū)域的降水量變化存在顯著空間差異.據(jù)報(bào)道，中國區(qū)域的降雨量在未來并不一定增加，在不同的排放情景下，長江流域未來的徑流量變化波動(dòng)幅度較大.曾小凡等認(rèn)為未來40年長江流域的降水量不會(huì)出現(xiàn)明顯的增加趨勢.基于上述分析，我們采用長江多年平均(1970—2010年)徑流量作為2050年的預(yù)測徑流量(runoff=0.53±0.05 m · a-1)
(2)點(diǎn)源氮輸入?yún)?shù)
人口密度(H)：1970—2010年長江流域的平均人口增長率達(dá)到1.4%，根據(jù)聯(lián)合國人口展望數(shù)據(jù)庫以及聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)對中國人口的預(yù)測，2050年全國人口總數(shù)為12~16 億(http://www.un.org/zh/development/progareas/population.shtml)，其中，長江流域內(nèi)總?cè)丝谠谌珖側(cè)丝谥兴嫉谋壤s為30%，據(jù)此預(yù)測2050年不同情景下的人口數(shù)量及人口密度.
人均GDP：1970—2010年，長江流域GDP年均增長率為13%.2014年中國經(jīng)濟(jì)增長速度放緩，但仍達(dá)到7.4%的增長水平，長江流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平略高于全國平均水平，假設(shè)2050 年長江流域的經(jīng)濟(jì)增長率為 8%±2%，預(yù)測不同情境下的長江流域GDP 總量及人均GDP.
污水收集系統(tǒng)覆蓋率(I)：我國的污水收集系統(tǒng)覆蓋區(qū)域主要為城市人口居住區(qū)，根據(jù)聯(lián)合國人口展望數(shù)據(jù)庫，到2050 年，中國的城市人口將會(huì)超過70%(http://www.un.org/zh/development/progareas/population.shtml)，預(yù)計(jì)2050 年長江流域的污水收集系統(tǒng)覆蓋率可達(dá)到 0.72±0.05.
污水處理設(shè)施氮去除率(TNfrem)：根據(jù)建設(shè)部《建設(shè)事業(yè)“九五”計(jì)劃和2020 年規(guī)劃綱要》，參照建設(shè)部《城市缺水問題研究》成果預(yù)測，到2050 年城市污水處理率可達(dá)到70%以上，4種情景下的污水處理率見表 2.根據(jù)表 2參數(shù)，估算2050 年4種情景下的污水總氮輸入通量和污水DIN 輸入通量.
表2 MEA 4種情景下的污水設(shè)施氮去除率
(3)非點(diǎn)源氮輸入?yún)?shù)
大氣氮沉降通量(TNdep)：大氣氮沉降通量與能源消費(fèi)量密切相關(guān)，2050年中國煤炭消耗量占全國總能耗的份額將由70%降至40%，預(yù)計(jì)未來大氣氮沉降量將有所下降.Lamarque等模擬了2030—2100年的全球氮沉降，研究表明，在不同的模擬情境下未來東亞地區(qū)的氮沉降約為690~1021 kg · km-2 · a-1，Yan等(2010)報(bào)道了長江流域的氮沉降為(1732±610)kg · km-2 · a-1.基于上述分析，假設(shè)2050年長江流域大氣氮沉降通量為(1500±500)kg · km-2 · a-1.
生物固氮通量(TNfix)：1970—2010 年長江流域生物固氮通量在變化不大(約為(1100±67)kg · km-2 · a-1)，基于該數(shù)據(jù)假設(shè)2050 年長江流域不同情景下的TNfix為(1150±50)kg · km-2 · a-1.
流域的化肥氮輸入通量(TNfe)、畜禽糞便氮輸入通量(TNma)、作物收割氮輸出通量(TNexp)：1985—2010年長江流域化肥輸入量(TNfe)持續(xù)增長(年均復(fù)合增長率達(dá)7.9%)，國際肥料工業(yè)協(xié)會(huì)(IFA)預(yù)測全球氮素肥料供應(yīng)到2015—2016年將出現(xiàn)過剩，國家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示，2014年我國化肥量下降0.7%.預(yù)計(jì)未來長江流域的TNfe不會(huì)持續(xù)增加，甚至有可能下降，基于上述分析及IFA預(yù)測結(jié)果(http://www.fertilizer.org/Statistics)，我們預(yù)測了2050年不同情景下的長江流域化肥氮輸入通量(TNfe)(見表 4).此外，不斷增加的人口將需求更多禽畜肉類及糧食作物，相關(guān)分析表明，長江流域TNma、TNexp等參數(shù)與流域人口密度具有較高的相關(guān)性(分別為 r=0.98，0.96，p<0.001).基于1970—2010年統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，采用SPSS17.0的回歸分析方法，建立如表 3所示回歸方程.
表3 長江流域非點(diǎn)源氮輸入的回歸方程
依據(jù)表 3所列回歸方程，結(jié)合前文對流域人口密度參數(shù)的取值，估算2050年不同情景下的糞便氮輸入通量(TNma)以及作物收割氮輸出通量(TNexp)等.
長江流域2050 年4種情景下的各項(xiàng)參數(shù)取值及與2000年參數(shù)的比較見表 4.
表4(Table 4)
3 結(jié)果與討論
3.1 長江流域氮平衡分析
如圖 1a所示，1970—2010年，長江流域氮輸入量從2.86×103 增加到10.1×103 kg · km-2 · a-1，增加了近5倍.同時(shí)，流域通過作物收割輸出的氮素從 1.26×103 增加到 2.54×103 kg · km-2 · a-1，通過化肥和糞便的反硝化損失的氮素從0.20×103 增加到 1.49 ×103 kg · km-2 · a-1.因此，流域氮輸出總量從1.46×103 增加到 4.03×103 kg · km-2 · a-1.基于流域氮的總輸入和輸出量，可知1970—2010年流域氮剩余量從 1.40×103增加到 6.07×103 kg · km-2 · a-1.
與世界上其他流域相比，長江流域的氮剩余量偏高.在1970年，長江流域的氮剩余量與南亞地區(qū)的N剩余量數(shù)值接近(1.90×103 kg · km-2 · a-1)，而高于北亞地區(qū)(1.14×103 kg · km-2 · a-1)，低于歐洲地區(qū)(3.93×103 kg · km-2 · a-1). 然而，自1970年以來長江流域的氮剩余量增加非常迅速，到2000年其氮剩余量約為北亞地區(qū)(0.85×103 kg · km-2 · a-1)的8倍.
此外，長江流域的耕地面積在1970—2010年間增加了 4.75%(從 41.6×104增加到 43.6×104 km2)，作物收割輸出氮量增加了約2倍，化肥氮輸入量增加了9倍(從 0.36×103 增加到 3.43×103 kg · km-2 · a-1)，然而，流域氮素吸收率在此期間卻從 44.1%降低到25.2%. 這表明，對作物生產(chǎn)而言，流域氮輸入并不是越多越好.相反，流域氮輸入的快速增加反而在一定程度上降低了氮素吸收率.流域的氮素吸收率降低，意味著過量氮素儲(chǔ)存于土壤，而溶解態(tài)無機(jī)氮(DIN)是極易隨著徑流流失的.從1970—2010年，長江向河口輸出的DIN 通量呈波動(dòng)式增加的趨勢，從1970 年的0.128×103 kg · km-2 · a-1增加到了2010 年的1.01×103 kg · km-2 · a-1，增加了8倍.
可見，流域氮輸入量的大量增加是導(dǎo)致長江輸出DIN 通量增加的重要原因，另外，氮輸入量的增加以及土地利用方式的改變還導(dǎo)致流域?qū)Φ慕亓袈氏陆�，以及土壤中的氮趨向飽�?
3.2 基于MEA框架的長江流域氮輸出通量預(yù)測
長江流域在1°×1°單元格網(wǎng)的未來氮輸入與DIN輸出的空間變化.2050年流域總氮輸入量為(8.98±1. 13)×103 kg · km-2 · a-1，單元氮輸入量變化范圍為1.01~80.1 kg · km-2，輸入量較高的單元集中在長江下游太湖流域、漢江流域、洞庭湖流域，岷江流域等，上述子流域的氮輸入對長江流域總氮輸入的貢獻(xiàn)率達(dá)到66%，而金沙江流域、長江上游區(qū)、嘉陵江流域等區(qū)域的單元氮排放量較低，特別是金沙江流域，平均氮排放量僅為1.01~18.8 kg · km-2.非點(diǎn)源氮輸入是各地區(qū)總氮主要輸入源(約占總氮輸入量的85%～99%)，長江下游-太湖流域、漢江流域、沅江湘江洞庭湖流域、贛江鄱陽湖流域及岷江流域，非點(diǎn)源輸入量明顯高于其他子流域.河流最終輸出的DIN的變化范圍為平均每單元0~11.3 kg · km-2，如圖 2b所示.從長江流域氮輸入與輸出空間變化的對比中發(fā)現(xiàn)，漢江流域、洞庭湖流域、鄱陽湖流域及太湖流域等區(qū)域同時(shí)具有高的氮輸入量和DIN輸出量，這些地區(qū)同時(shí)也是人口密集、工業(yè)發(fā)達(dá)并且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相對活躍的地區(qū)，這表明，在這些區(qū)域人為輸入氮的增加是導(dǎo)致河流輸出DIN通量升高的主要原因.
在MEA的4種情景下，2050年長江DIN輸出通量具有明顯差異，其中，在采取被動(dòng)保護(hù)環(huán)境措施的OS情景下，長江DIN輸出量較高(達(dá)到 1.25×103 kg · km-2 · a-1)，而相比之下，在先進(jìn)技術(shù)發(fā)展及采取主動(dòng)保護(hù)環(huán)境措施的TG情景下，長江DIN輸出通量最低，為0.707×103 kg · km-2 · a-1. 與2000年數(shù)據(jù)相比，2050年4種情景下的營養(yǎng)鹽輸出通量，僅有TG情景下是下降的，而其他3個(gè)情景下均有不同程度的增加，其中，OS情景下的長江DIN輸出通量增加較多，而GO及AM情景下的長江DIN輸出通量增加較少，這表明，采取主動(dòng)保護(hù)環(huán)境措施對控制流域氮素向河口流失的具有重要作用.
流域氮素的各輸入源對從長江DIN輸出通量的貢獻(xiàn)率差異顯著.其中，化肥輸入對長江DIN輸出通量的貢獻(xiàn)率最高，4種情景下的貢獻(xiàn)率為30%~38%，其中OS情景下的化肥輸入貢獻(xiàn)率略高于其他情景.此外，畜禽糞便氮輸入對長江DIN輸出通量的貢獻(xiàn)率也較高，達(dá)到26%~29%，其中，GO情景下的畜禽糞便氮輸入貢獻(xiàn)率略低于其他情景.相比之下，點(diǎn)源污水氮輸入對長江DIN輸出通量的貢獻(xiàn)率最低，4種情景下的貢獻(xiàn)率為3.1%~5.3%，其中，TG情景下的污水氮輸入貢獻(xiàn)率明顯低于其他情景.
3.3 對策建議
MEA 4種情景下的預(yù)測結(jié)果表明，2050年長江流域向河口/海灣輸送的氮負(fù)荷將達(dá)到(0.981±0.38)×103 kg · km-2 · a-1，氮負(fù)荷的增加將造成長江河口及東海的水體氮磷比例失衡，改變水體中葉綠素含量和溶解氧水平，從而導(dǎo)致長江河口及東海的生態(tài)結(jié)構(gòu)遭到破壞.可見，改善整個(gè)長江流域河口/海灣系統(tǒng)的水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵在于從源頭控制流域的氮輸入量.研究結(jié)果表明，假設(shè)2050年長江各級(jí)支流水質(zhì)全面達(dá)到我國水體功能區(qū)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，則長江流域氮輸入總量需要控制在(6.63±0.85)×103 kg · km-2 · a-1，2050年長江流域的氮輸入量需要削減29%.其中，長江下游太湖流域的氮輸入量需要削減40%，重點(diǎn)削減宜興市等45個(gè)市縣的化肥使用量.漢江流域的氮輸入量需要削減43%，重點(diǎn)削減襄陽縣、棗陽市等84個(gè)市縣的化肥及畜禽糞便的排放量.沅江湘江洞庭湖流域的氮輸入量需要削減31%，重點(diǎn)削減岳陽縣等38個(gè)市縣的化肥使用量及畜禽糞便排放量.岷江流域的氮輸入量需要削減23%，重點(diǎn)削減成都市等24個(gè)市縣的化肥使用量及畜禽糞便排放量.贛江鄱陽湖流域的氮輸入量需要削減14%，重點(diǎn)削減南昌縣等30個(gè)市縣的化肥及畜禽糞便的排放量.
研究結(jié)果表明，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增多，長江流域氮輸入量將持續(xù)增加并導(dǎo)致土壤中的氮趨向飽和以及流域?qū)Φ慕亓袈氏陆�，河流向河口和近海輸送的溶解態(tài)無機(jī)氮通量將會(huì)繼續(xù)增加，從而加劇河口和近海地區(qū)水體的污染程度.但是4種情景下的營養(yǎng)鹽輸出通量有差別，以O(shè)S 情景下的溶解態(tài)無機(jī)氮輸出通量最高，TG 情景下的輸出通量最低.這說明在OS 情景下，由于缺乏區(qū)域協(xié)作，采取消極的環(huán)境管理政策，不能遏制長江溶解態(tài)無機(jī)氮輸出通量增加的趨勢，環(huán)境污染問題仍很嚴(yán)重;在TG 情景下，技術(shù)革新取得了顯著成效，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，積極有效地去解決發(fā)展過程中出現(xiàn)的環(huán)境問題，可大幅度降低營養(yǎng)鹽的輸出通量，緩解水污染狀況，改善環(huán)境，但伴隨科技發(fā)展也會(huì)出現(xiàn)一些新的問題.結(jié)合我國水污染防治行動(dòng)計(jì)劃及環(huán)境保護(hù)等要求，未來幾十年中，優(yōu)化流域河口/海灣生態(tài)系統(tǒng)管理措施的關(guān)鍵是在識(shí)別污染源排放重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)來源的基礎(chǔ)上，制定污染物總量控制等針對性措施.對于長江流域而言，非點(diǎn)源氮輸入將是長江氮污染的主要來源，其中以化肥氮輸入為主，其次為禽畜糞便氮輸入.降低化肥使用以及管理禽畜養(yǎng)殖糞便對流域氮負(fù)荷的沖擊是改善長江河口/海灣水質(zhì)的關(guān)鍵，長江流域管理的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)殚L江下游太湖流域、沅江湘江洞庭湖流域、贛江鄱陽湖流域及岷江流域.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
1)提出了一個(gè)能夠識(shí)別流域非點(diǎn)源污染物的重點(diǎn)排放區(qū)域、重點(diǎn)來源的模型方法(NEWSDIN)，并在長江流域應(yīng)用和驗(yàn)證，為我國流域河口/海灣的氮污染綜合管理提供科學(xué)依據(jù).
2)長江流域氮輸入量的大量增加是導(dǎo)致長江輸出DIN 通量增加的重要原因，流域土壤中的氮已經(jīng)達(dá)到飽和并且氮過剩量持續(xù)增加，流域?qū)Φ慕亓袈氏陆?
3)2050年長江流域的輸入及DIN輸出存在顯著的空間差異，其中，長江下游太湖流域、沅江湘江洞庭湖流域、贛江鄱陽湖流域及岷江流域的氮輸入及河流DIN輸出通量明顯高于其他區(qū)域，是長江流域氮污染的重點(diǎn)控制和管理區(qū)域.
4)2050年不同情景下長江流域的氮循環(huán)以及長江輸出DIN通量具有明顯差異，其中，與2000年數(shù)據(jù)相比，僅有TG情景下的DIN輸出通量是下降的，而其他3個(gè)情景下均有不同程度的增加.
5)2050年要實(shí)現(xiàn)長江水系水質(zhì)全面達(dá)標(biāo)，長江流域的氮輸入量需要削減29%，其中長江下游太湖流域削減40%，漢江流域削減43%，沅江湘江洞庭湖流域削減31%，岷江流域削減23%，贛江鄱陽湖流域削減14%.優(yōu)化長江流域生態(tài)系統(tǒng)管理措施的關(guān)鍵是降低重點(diǎn)子流域的化肥使用以及禽畜養(yǎng)殖糞便對流域水體的沖擊.
