亚热带流域人类活动净氮输入与河流输出响应——以东江为例

流域人类活动导致的过量氮输入是造成河流氮污染问题的主要原因.本研究基于人类活动净氮输入(NANI)模型,采用县级面板数据,评估了东江流域人类活动净氮输入与河流氮输出的时空变化特征及其影响因素.结果表明：(1)2013—2020年东江流域的NANI无显著时间变化趋势,多年平均值为8511 kg·km^-2·a^-1,化肥是最主要的输入源,平均贡献率为57.4%,其次是大气氮沉降,平均贡献率为17.3%;(2)东江流域的人类活动净氮输入呈现沿干流集中分布的特点,且上、下游输入强度高于中游,寻乌水、贝岭水以及公庄河的局部集水区域的氮输入强度较高,人口密度和GDP是影响NANI空间分布的关键因素;(3)人类活动净氮输入与河流氮通量之间存在显著的指数和线性双重响应关系,其中,河流通量与NANI的线性响应斜率高达34.6%,在国内外大型河流中处于高位,表明在亚热带的特殊气候环境下,东江流域相同的氮输入负荷可引发更高的氮输出风险.     

1980~2015年长江流域净人为氮输入与河流氮输出动态特征

为推进长江氮污染的精准防治,分析了 1980～2015年的净人为氮输入量(net anthropogenic nitrogen inputs,NANI)和大通站河流可溶性无机氮(DIN)输出通量的年际动态变化特征,构建了定量描述两者之间动态响应关系的多元回归模型,识别了河流DIN来源组成.结果表明,1980～2015年期间,长江流域NANI(以N计)从1980年的4 166 kg·(km2·a)-1持续增加至2015年的8 571 kg·(km2·a)-1,人口密度和畜禽养殖密度增加是NANI快速增加的主要原因.化肥氮和净食物/饲料氮输入是NANI的主要来源,69％的NANI进入农林地(NANIN),31％的NANI进入人居地(NANIP).长江DIN输出通量(以N计)由1980年的455 kg·(km2·a)-l持续增加到了 2015年的1 811 kg·(km2·a)-1.长江DIN输出通量的时间变化不仅与NANI及其组分密切相关,而且受到遗留氮库和建坝库容的影响.基于NANIN、NANIp和建库容量的多元非线性回归模型能解释长江DIN输出通量92％的时间变异性.该模型估算结果显示当年NANI、遗留氮库和自然背景源对长江DIN输出通量的36 a平均贡献率分别为58％、36％和6％.因此,加强NANI和遗留氮协同管理是有效控制长江氮污染的关键.     

1980~2010年浙江某典型河流硝态氮通量对净人类活动氮输入的动态响应

以浙江某典型流域为研究对象,基于1980～2010年的水质水量和氮源数据及LOADEST模型,估算了逐年河流NO-3-N通量和净人类活动氮输入(NANI),分析了河流NO-3-N通量和NANI的年际演化特征及其动态响应关系,探讨了每年NANI、滞留氮库、自然背景源对河流NO-3-N通量的贡献.结果表明,1980～2010年,河流NO-3-N通量和NANI总体上都呈现出先增后减的抛物线型变化趋势,均在1998年左右分别达到峰值5.74 kg·(hm2·a)-1和77.5 kg·(hm2·a)-1;过去31 a,河流NO-3-N通量和NANI分别净增加了～42%和～77%.化肥氮和大气氮沉降是NANI的主要来源,分别占了NANI的～48%和～40%.河流NO-3-N通量的年际变化不仅与NAIN(R2=0.27**)和化肥氮输入量(R2=0.32**)显著相关,而且与河流年均流量(R2=0.79**)或降雨量(R2=0.63**)具有更强的相关性,意味着河流NO-3-N的来源除了当年的NAIN,还受滞留氮库的影响.所建立的以NANI和流量为自变量的回归模型能很好地模拟河流NO-3-N通量变化(R2=0.94**).该模型预测结果显示,在NANI和流量分别降低30%的情况下,河流年均NO-3-N通量将分别减少～21%和～30%;每年的NANI、滞留氮库、自然背景源对河流当年NO-3-N通量的贡献率分别为～53%、～24%、～23%.河流NO-3-N通量长期的年际变化是NANI和水文要素共同作用的结果;但是,由于滞留氮库的影响,与源控制方式相比,增加"汇"景观应该能更加快速地削减河流NO-3-N通量.     

人类活动净氮输入时空变化特征及其影响因素——以香溪河流域为例

为了阐明人类活动对三峡库区第一大支流香溪河流域氮输入的影响程度,基于人类活动净氮输入（NANI）模型估算了2001~2015年间香溪河流域乡镇水平的人类活动净氮输入,分析了氮输入的主要来源及其动态变化.结果表明：时间尺度上,香溪河流域人类活动净氮输入（NANI）因氮素施用的变化而呈现先上升后下降最后上升的趋势,但2015年相对2001年的NANI下降了143kg N/（km²·a）;空间尺度上,香溪河流域NANI整体呈现北低南高的分布格局,其中NANI输入强度差异较大的区域主要有昭君镇、峡口镇和黄粮镇.从人类活动净氮输入的组成上来看,氮肥施用仍然是最主要的来源（40.06%）,其次为大气氮沉降（29.98%）和食品/饲料净氮输入（27.75%）,作物固氮仅占净氮输入总量的2.21%.香溪河流域的NANI与人口密度和耕地面积比例极显著相关（P<0.001）;而NANI与河流氮输出的相关性不显著,香溪河流域河流氮输出占NANI的比例仅为24.28%.因此,可以通过减少氮素施用降低流域尺度氮素净输入量,但该流域NANI与河流氮输出无直接的响应关系.     

洱海流域乡镇尺度上人类活动对净氮输入量的影响

人类活动引起的氮素过量输入已经成为引起水体富营养化及其他生态危害的主要原因.为了研究人类活动对流域氮素的影响,本文基于洱海流域16个乡镇行政单元的统计数据,考虑流动人口的影响,利用NANI模型估算洱海流域乡镇尺度的人类活动净氮输入量(net anthropogenic nitrogen inputs,NANI).结果表明,2014年洱海流域NANI总量为29.81×10~3t,单位面积输入强度(以氮计)为10 986 kg·(km~2·a)-1,显著高于我国平均水平.当地旅游人口带入的食品氮输入为0.26×10~3t,占到了流域居民食品氮输入的8%.从氮素的输入量的构成来看,肥料输入是最大的贡献源,占到了流域净氮输入的47%,其次为食品饲料的净氮输入.在空间分布上,乡镇单元的NANI分布呈现明显区域化特征,从流域整体上看呈现北高南低的特点.耕地或人口集中的乡镇NANI强度偏高,洱海流域具有较大的氮素污染风险.     

黄土高原降雨驱动下流域碳输移特征及其碳流失评估：以羊圈沟坝系流域为例

通过对黄土高原典型坝系流域雨季碳沉降与径流碳输移过程的研究,探讨降雨径流过程对流域碳流失的驱动机制,并进一步评估流域碳侵蚀通量.结果表明,羊圈沟坝系流域湿、干季碳沉降月通量为3.33 kg·hm~(-2)、2.18 kg·hm~(-2),干湿季碳沉降存在一定变化且对流域碳输出贡献较小.流域8月碳输出量为944.89 kg·km~(-2),其中DOC、DIC输出量分别占55.39%、44.61%;9月碳输出量为300.29 kg·km~(-2),DOC、DIC输出量分别占23.03%、79.97%,不同降雨强度径流的碳流失量不同,总体溶解性无机碳输出比重较大.羊圈沟小雨强降雨事件中径流溶解性碳输出量为156.98 kg·km~(-2),中等雨强降雨事件中径流碳输出284.60 kg·km~(-2);该流域雨季月均碳流失模数为1.89 kg·(km~2·mon)~(-1),经评估得出研究区域年碳流失模数为2.70kg·(km~2·a)~(-1).     

南方红壤区氮湿沉降特征及其对流域氮输出的影响

本研究通过对江西千烟洲香溪流域雨季氮湿沉降及径流过程进行监测,分析降雨及径流过程的各形态氮浓度变化,探讨南方红壤区氮湿沉降特征及其对流域氮输出的影响.结果表明:1 2014年雨季(3~6月)共27场降雨,产生的氮湿沉降负荷达43.64~630.59 kg,氮沉降通量为0.44~6.43 kg·hm-2,呈现出极大的季节变异性;2对其中3场降雨过程进行动态分析发现,当降雨量为8~14 mm时,流域氮沉降负荷达18.03~41.16 kg,而该地区氮湿沉降通量为0.18~0.42 kg·hm-2.其中3场次降雨事件导致流域水体的总径流量为4 189.38 m3,TN总流失负荷16.72 kg,输出通量为4.64 kg·hm-2;DTN总流失负荷为9.64 kg,输出通量为2.68 kg·hm-2;NH+4-N总流失负荷2.93 kg,输出通量为0.81 kg·hm-2;NO-3-N总流失负荷5.60 kg,输出通量为1.56 kg·hm-2.3流域氮湿沉降对流域氮输出的贡献率约为56%~94%,说明降雨对流域氮流失影响巨大,并以硝酸盐为主,流域水体中总氮浓度超过河流水体富营养化阈值(1.5 mg·L-1)存在发生富营养化的隐患.     

千岛湖流域杭州段人类活动净氮、净磷输入时空分布

为探究人类活动对流域氮磷输入的影响,基于人类活动净氮、净磷输入模型（NANI、NAPI）,分析了2008~2017年千岛湖流域杭州段氮磷输入的时空变化特征及驱动因素.结果表明：年际NANI值呈上升的趋势,10a平均值为2230kg/（km²·a）;年际NAPI值呈先上升后持续下降趋势（峰值出现在2011年）.各子单元空间差异性较为显著,NANI、NAPI值均呈西高东低、南高北低的分布特征.NANI主要输入组分年际间差异显著,2008~2014年NANI的最大贡献源为氮肥施用（37.3%~39.9%）,2015~2017年最大贡献源则为大气氮沉降（36.4%~38.4%）;NAPI主要输入组分年际间较为一致,最大贡献源为人类食品和动物饲料磷输入（44.1%~48.1%）,其次为磷肥施用（40.3%~43.4%）.影响因子中,农作物种植强度与NANI、NAPI的相关性最显著,分别为0.851和0.806.各子单元NANI、NAPI与入湖TN、TP负荷强度显著相关,NANI变化可解释其63.9%的河流TN负荷变化,NAPI变化可解释其73.3%的河流TP负荷变化.因此,千岛湖流域杭州段面源污染实际管控中应重点关注NANI、NAPI值较高的汾口镇、威坪镇及浪川乡,加强氮磷化肥污染防治,实行污染控源减排策略.     

九龙江流域氮的源汇时空模式与机理初探

综合运用定位监测、野外试验、模型模拟与GIS技术等手段和方法,定量研究了南亚热带地区九龙江流域和五川小流域氮的大气沉降、河流输送(地表径流)、淋失、反硝化和氨挥发等输入输出(源汇)时空模式与机理.结果表明,九龙江流域氮"源"以化肥与饲料输入为主(占总输入125.6kg·hm-2的86%).氮"汇"以氨挥发和河流输送为主(占总输出72.9kg·hm-2的82%).氮输入后50%以上进入大气和水环境,14.5%通过河流输送至河口与近海.大气氮沉降通量为14.9kg·hm-2,其中干沉降占34%,湿沉降占66%,形成1:2的干湿沉降结构;源于化肥施用与畜禽养殖引起的强烈氨挥发,氮沉降集中在春夏两季(占全年80%),且以铵态氮为主(39%以上).氮的径流输出及河流输送受人为氮输入与水文条件的双重控制,2004年九龙江向厦门海域输送无机氮11.5kg·hm-2,其中90%发生在春夏秋季(同期流量占全年89%);五川小流域总氯径流输出负荷为67.1kg·hm-2,其中85%发生在施肥量大、降雨集中的春夏两季(作物生长期);基流与降雨径流分别贡献25%和75%.总氮淋失负荷为27.5kg·hm-2,占总输入的9%;pH<5的酸性土壤带正电荷导致氮淋失以铵态氮为主(约占40%).九龙江流域反硝化通量为7.7 kg.hm-2,而氮挥发高达42.1kg·hm-2,氨挥发主要来自化肥施用与畜禽养殖(分别贡献50%和39%).减少春夏时期肥料氮的输入(养分管理),有效截留雨季的降雨径流(水文控制)是该流域氮素管理的关键.     

水稻种植对中亚热带红壤丘陵区小流域氮磷养分输出的影响

以湖南省长沙县的脱甲流域(高水稻种植面积比例)和涧山流域(低水稻种植面积比例)为研究对象,对比研究红壤丘陵地区典型农业流域水稻种植对河流水体氮磷浓度和输出强度的影响.连续16个月的监测结果表明,脱甲和涧山流域河流水体均存在比较严重的养分污染,尤其是氮污染;对比两个流域,脱甲流域河流水体的氮磷浓度水平和水质恶化程度均高于涧山流域.从养分组成来看,脱甲流域河流水体中氮以铵态氮为主(占总氮的58.5%),而涧山流域主要是硝态氮(占总氮的76.1%).脱甲流域中可溶性磷占总磷比例为47.1%,高于涧山流域的37.5%.从养分浓度变化的时间动态而言,两个流域河流中各形态氮素水平在1~2月和7月较高,而可溶性磷和总磷在5~6月和10~12月出现两个峰值.由于两个流域河道径流主要集中在水稻种植期间的4~10月,脱甲流域河流中较高的氮磷养分浓度意味着潜在的氮磷流失风险.脱甲流域月平均总氮输出通量为1.67 kg·(hm2·月)-1,总磷为0.06 kg·(hm2·月)-1,均高于涧山流域的0.44 kg·(hm2·月)-1和0.02kg·(hm2·月)-1.考虑到两个流域的气候、地形地貌、土壤类型、农田耕作方式相似而只是水稻种植面积比例不同,因此,在该地区传统的水稻栽培管理模式下,较高面积比例的水稻种植对流域河流水体环境存在潜在威胁.     

基于LOADEST和数字滤波的水源地基流氮素输出定量方法应用实例

地表直接径流和基流均是流域非点源氮/磷养分输出的重要水文途径.科学认识和定量模拟基流氮/磷养分输出对于准确解析水源地水体非点源污染来源至关重要.基于Load Estimator模型和数字滤波算法,建立了定量水源地基流氮素输出的方法体系.以浙江省珊溪水源地的玉泉溪流域为例,利用玉泉溪2010-01—2013-12期间逐月总氮(TN)水质监测数据和逐日流量数据,展示了该方法的计算过程.结果表明,本文建立的水源地基流氮素输出定量方法结果合理,模拟精度高,决定系数和纳什系数分别为0.83和0.80;玉泉溪流域2010—2013年TN负荷量为141.21～274.68 t·a~(-1),平均208.63 t·a~(-1),年基流TN负荷量为84.39～168.68 t·a~(-1),平均127.69 t·a~(-1);基流对玉泉溪年均TN负荷量贡献率高达60%以上,流域基流养分输出对地表水体的污染应引起足够重视.     

基于非点源溶解态氮负荷估算的率水流域土地利用结构优化研究

利用区域营养盐管理模型(ReNuMa)对率水流域2000~2010年的溶解态氮(DN)负荷进行了定量估算和来源解析.在率定期和验证期,径流和DN负荷模拟的Ens和R2都大于0.9,模型具备可靠的模拟能力.结果表明,率水流域的年均非点源DN负荷为1.11×103t·a-1,负荷强度为(0.75±0.22)t·km-2.在所有土地利用类型中,水田的DN负荷强度最大[28.60kg·(hm2·a)-1],林地的DN负荷强度最小[2.71 kg·(hm2·a)-1].农业生产用地(水田、谷物、经济作物、果园和茶园)对DN负荷的贡献最大,表明人类影响下的农业生产活动是流域非点源污染的最主要来源.基于污染负荷适量削减和农业经济产值最大化原则,开展了流域2015年土地利用结构优化分析,规划结果表明在土地利用结构最优情况下,经济收益的增长依然伴随着负荷的增加,但经济产值的增幅大于DN负荷的增幅.     

千岛湖地区上梧溪流域地表径流非点源氮污染分类识别

非点源污染的准确定量是流域非点源污染控制和治理的基本前提和重要保障.在综合考虑基流非点源污染的前提下,对传统输出系数模型(ECM)进行优化和改进,建立以周为时间步长的输出系数模型(IECM),实现上梧溪流域不同土地利用类型地表径流非点源总氮(TN)污染更加准确的定量识别.结果表明,IECM可以有效实现该流域TN负荷的模拟定量,校准期与验证期的纳什系数(NSE)分别为0.82和0.77,R²分别为0.87和0.84.基于IECM得到的上梧溪流域2020年11月至2021年10月地表径流和基流的TN输出强度分别为5.74 kg·(hm²·a)^-1和9.85 kg·(hm²·a)^-1,分别占总径流负荷的36.80%和63.20%.相较于IECM,ECM由于未考虑基流对非点源污染的贡献,其估算的地表径流TN负荷量较IECM高54.21%.显然,直接将基流非点源污染归结于地表径流将导致地表径流负荷输出强度的严重高估.基于IECM计算得到的上梧溪流域水田、草地、林地、旱地和人居地的以地表径...     

江西香溪流域干湿季交替下底泥氮释放机制及其对流域氮输出的贡献

本研究通过对江西千烟洲香溪流域的氮输出进行长期监测,并对该流域内的底泥进行基于正交试验的氮释放规律模拟研究,评估干湿季节交替下底泥氮释放对流域氮输出的贡献.结果表明:1流域底泥在静态下TN释放速率最大值为36mg·(m2·d)-1,且随着时间的延续释放速率不断变小;2对底泥氮释放影响的主次顺序为:温度扰动p H,如将扰动视为误差项,温度和p H对底泥氮释放的影响均为极显著;3 TN释放速率与温度成正比例关系,随着温度升高,释放速率增大;酸性和碱性条件均能促进底泥氮释放,且酸性条件的促进作用更强;4流域底泥TN和有效氮含量变化范围分别为:414.7~899.6 mg·kg-1和17.5~58.9 mg·kg-1,有效氮占TN的质量分数为3%~10%;5流域在旱季TN输出浓度范围为0.58~2.40 mg·L-1,在雨季TN输出浓度范围为1.73~4.87 mg·L-1;流域底泥的氮释放通量约为106.34 kg·a-1,流域氮输出总量为864.15 kg·a-1,底泥的氮释放对流域水体氮输出的贡献率约为12.31%,底泥氮释放对流域水体富营养化的贡献应引起重视.     

亚热带流域氮磷排放与养殖业环境承载力实例研究

畜禽养殖业粪便排放已经成为我国农村地区主要的农业面源污染源之一,也是制约养殖业良性发展的主要瓶颈.本文以湖南省长沙县典型亚热带流域为研究单元,基于流域水环境定位观测、耕地氮(N)磷(P)消纳能力以及养殖业调查和土壤分析资料,初步分析了亚热带丘陵区的面源污染现状及畜禽养殖业的环境承载力.结果表明,研究区金井河流域134.4 km2范围内N、P年负荷分别为N 2.72 t·km-2和P0.11t·km-2,其中养殖粪便对水体总氮(TN)、总磷(TP)负荷的贡献率分别约为42.2％和62.0％.区内平均畜禽养殖密度为3.46 AU·hm-2(相当于流域内年出栏生猪24.39万头),显著高于现有化肥用量条件下流域的实际承载力1.13 AU·hm-2(相当于流域内年出栏生猪6.35万头),因此养殖密度过高是导致研究区水体NP负荷较高的主要原因.区内N、P盈余量分别为N 35.8 kg·hm-2、P 18.61 kg·hm-2.研究区基本不施用化肥条件下畜禽养殖业的最大环境承载力为7.26 AU·hm-2,在有机肥占合理施肥量30％条件下,当地畜禽养殖业的环境承载力为2.74AU·hm-2(相当于流域内年出栏生猪19.50万头).降低养殖密度、调整养殖业空间布局以及提高养殖废弃物的资源化利用率是防治当前面源污染的有效途径.     

三峡库区典型紫色土小流域径流及氮磷流失特征

为了解三峡库区典型紫色土小流域径流污染特征,对新政小流域典型土地利用类型下降雨-径流时间过程和小流域集水区出口径流中氮磷浓度进行动态监测,监测分析库区小流域氮磷在降雨径流中的流失规律.结果表明,小流域径流氮磷损失量分别为13. 69 kg·(hm~2·a)-1和1. 50 kg·(hm~2·a)-1.农肥所含氮磷及降雨冲刷是小流域径流污染的主要原因.小流域的总氮(TN)和总磷(TP)平均浓度达10. 05 mg·L~(-1)和1. 10 mg·L~(-1),远超过富营养化发生标准,须引起关注.本研究观测的两场降雨中,8月15日降雨中硝态氮(NN)和颗粒态磷(PP)分别为69. 47 kg和6. 83 kg,分别占TN和TP的53. 91%和53. 78%; 8月26日降雨中NN、氨氮(AN)和PP分别为6. 68、5. 61和1. 36 kg,分别占TN和TP的37. 74%、31. 69%和57. 63%,表明氮素流失主要通过可溶态的方式,而磷素迁移则以颗粒态为主.小流域强降雨对于氮磷流失的影响显著.这与紫色土土层薄、耕作频繁、土壤相对疏松等性质有关.