亚洲氮循环案例研究

以IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)方法为基础,用IAP-N-1.0氯循环模型分析1961～2030年时间序列、亚洲各国家和地区的氮收支情况.农作物数据来源于联合国粮农组织(FAO)数据库.各参数及排放因子以亚洲国家检测出的数据为主,缺省值采用IPCC的默认值.本文主要讨论了活性氮产生及其不同的迁移和转化途径,以及环境对氮的富集作用和主要驱动因子.亚洲地区活性氮含量从1961年约14.4 Tg N/a迅速地增加到2000年约67.7 TgN/a,预计到2030年可能达105.3Tg N/a.人类对食物和能源需求的增长,以及缺乏提高氮肥利用率、降低矿物燃料燃烧释放NOx的有效措施,使得由人类活动产生的大部分活性氮在环境中累积.解决这一问题还有待于用先进的生物技术,研制出新型高效氮源来代替目前的合成氮.     

增加粮食需求,减少对无机氮的依赖性

较高的作物产量通常需要较高的养分使用率,因此就使无机氮的使用增加.到2030年,估计粮食的年需求量约为28亿t,相应的无机氮消耗量为9600万t(在1995～1997年间,无机氮的年消耗量为7800万t).从全球范围来讲,由于使用无机肥料而流失到周围环境中去的无机氮目前为每年3600万t,价值117亿美元,它们对环境保护起反作用.但是,新型的提高肥料使用效率(FUE)技术可以增加产量但不使无机氯的使用成比例增加.并且,含氮养分的供应可以通过改进农业生产系统和开发如生物固氮(BNF)等可替代资源而扩大.到2030年,随着出台适当的政策、实施技术转让、对研究和投资提供支持以及在农田采用化肥使用效率(FUE)和生物固氮(BNF)技术等,可以使无机氯每年节省1000万t,价值33亿美元.     

辽宁省1980-2003年氮氧化物排放清单初步研究

根据能源消费历史状况和氮氧化物(NOx)排放因子,分别对辽宁省20多年(1980-2003年)来的NOx排放总量以及不同燃料类型和行业的NOx排放量进行了估算.结果表明:尽管个别年份存在一些波动,但NOx排放总量总体上仍呈增长的趋势,年均增长率为4.30%.2003年辽宁省NOx排放总量达108×104 t.NOx排放总量增长趋势与能源消费总量的增长趋势基本吻合,煤炭消耗是大气中NOx排放的主要来源,占总量的65%以上,最大排放量为2003年的10.17×104 t.绝大部分NOx排放来自能源加工转换、工业和交通运输业,三者约占总量的90%,其中电力行业占28.10%～40.85%,预计在未来一段时间内电力行业仍将是辽宁省NOx排放的主要来源;交通运输部门NOx排放所占比例逐年上升,尤其在2000年后的增长趋势更为明显.      

三峡库区1980～2005年农业用地氮平衡时空变化研究

利用三峡库区分区县农业统计资料,对OECD土壤表观氮平衡模型进行适当改进,计算分析三峡库区1980~2005年农业用地氮平衡时空变化格局及驱动机制.结果表明,1980~2005年库区氮总输入和总盈余量呈显著增长趋势,分别从23.4万t和14.4万t增长到45.6万t和30万t;氮总输出量1980~1995年呈增加趋势,从9.0万t到16.7万t,1995年后基本保持稳定趋势;单位面积氮盈余量1980~1998年总体呈持续增加趋势,从133.4 kg/hm2增长到310.3 kg/hm2,1998年后逐步趋向稳定,但空间分布区域差异性增强,主要集中在库中和库首区县,与库区移民数量空间分布具有一定的相似性;氮输入贡献主要来源于化肥、牲畜粪便、人粪尿和生物固氮,累计占总输入90%以上;1995年前库区氮平衡变化主要受国内大量使用化肥宏观环境影响,1995年后受水库淹没和移民影响较大,但其具体影响程度有待进一步分析;建议考虑适当发展副业、改变农业种植结构或进行生态移民等措施减少氮排放量.     

湖北省2008~2017年人类活动净氮输入状况

为探究湖北省人类净氮输入状况,本文基于湖北省14个地级市（省直辖县）行政单元统计数据,利用人类活动净氮输入（NANI）模型,核算湖北省2008~2017年的人类活动净氮输入量.结果表明,湖北省10a平均NANI值为15929.43kg/（km²·a）.湖北总NANI值随时间呈现出先增长后下降的趋势,其中2013年达到16959.93kg/（km²·a）.在空间分布上,湖北省中东部地区（襄阳、荆门、荆州、随州、孝感、武汉、鄂州、黄冈、省直辖县）的NANI值显著高于西部地区（十堰、宜昌、恩施自治州）;氮源结构上,氮肥输入（年均贡献比例60.58%）是最大输入项,其次分别为食品/饲料净氮输入（24.85%）、生物固氮（8.16%）、大气氮沉降（6.25%）和种子氮输入（0.18%）.因此,减少化肥投入,提高农业产出投入比,同时合理控制人口密度,是减少区域内净氮负荷量,降低氮素污染的有效措施.     

中国大气NH3和NOx排放的时空分布特征

根据我国不同氨源的数量、燃料消费量和相应的氨与氮氧化物排放因子,计算了我国大陆地区1995~2004年历年的氨(NH3)排放量与1985~2005年历年的氮氧化物(NOx)排放量,在此基础上模拟了2006~2010年的NOx排放量,并分析了NH3和NOx排放强度的空间分布.结果表明:2004年,我国NH3排放量为12.0Tg,比1995年的10.6Tg增加了大约13.2%;2004年的NOx排放量为20.6Tg,比1995年的12.2Tg增加了大约68.9%,比1985年的6.2Tg增加了大约2.3倍.在1996年以前,我国NH3和NOx的排放量基本相当,但是此后NH3的年排放量在经历了1997~1999年的下降之后,变化比较平稳,而NOx的排放量自2000年之后呈逐年迅速增加的趋势.2004年全国NH3的排放总量中,畜禽排泄、氮肥施用、人类粪便、氮肥与合成氨生产的贡献率分别为69.2%、15.2%、13.9%和1.9%;2004年全国NOx的排放总量中,由于受到我国能源消费结构的制约,煤炭来源的NOx占到了排放总量的77.4%.NH3和NOx的排放强度都具有明显的空间差异,表现在中东部地区的排放强度明显高于西部地区,这与中东部地区人口多、能源消费量大以及畜禽养殖数量大有关.     

湖南蔡家塘森林小流域氮和硫的输入输出特征

以湖南韶山蔡家塘小流域2001～2003年的监测数据为基础,对森林在酸沉降作用下无机氮(NH 4,NO-3)和硫输入、输出的月均通量进行了研究.结果表明,总氮的年输入通量为24～28 kg·hm-2·a-1,主要以NH 4形式(占总输入氮的62%～67%)输入该森林生态系统;年氮输出通量为2～3kg·hm-2·a-1,主要以NO-3形式(占总输出N的83%～98%)输出该森林生态系统.韶山森林年无机氮的滞留量达到22～26kg·hm-2·a-1,其中NH 4占到总氮净截留量的68%～72%.硫的截留量为13～21 kg·hm-2·a-1.高氮沉降导致了一部分氮的输出,但是输出氮仅占到输入氮的8%～9%.有超过90%的氮被生态系统截留.由此可以推断,韶山森林尽管有高氮输入,但是生态系统远没有达到氮饱和状态.     

土地管理措施对营养物质排放的影响

采用分布式的非点源污染模型SWAT(soil and water assessment tool),结合GIS技术,模拟了张家冲小流域化肥施用量变化、等高种植和退耕还林对营养物质氮磷排放的影响.结果表明,当农业用地的氮肥施用量由630 kg/hm2增加到955 kg/hm2,磷肥施用量由200 kg/hm2增加到300 kg/hm2时,氮、磷营养物质排放量也呈现增大的趋势.其中,硝态氮负荷达到了3 776.59 kg,增加了19.7%,变化率最大,变化率最小的为无机磷,仅增加了2.7%.采取等高种植的方式对氮、磷排放负荷的影响较小.当小流域内坡度25%的坡耕地全部退耕还林后,各种形态氮、磷排放负荷下降,其中有机态磷下降16.3%;有机氮、氨氮和无机磷与退耕还林前相比,分别降低了22.7%,25.4%和27.9%,在张家冲小流域,对坡度25%的坡耕地实行退耕还林、减少化肥施用量对减少氮磷负荷排放作用明显.     

福建省地级市人为源活性氮排放及其特征分析

在人口增长和快速城市化的背景下,活性氮排放对生态环境的影响日益加剧.为研究省级尺度活性氮排放规律,采用排放因子法建立2000、2005及2010年福建省人为源活性氮排放清单,分析各地市3个年份活性氮排放量及排放强度特征.结果表明,3个年份福建省活性氮排放总量分别为538.4、587.0和619.97 Gg,呈整体增加趋势.在9个地级市中,增速最快的为莆田市,而漳州市排放量有所下降.排放量最大的为漳州和泉州,排放量最小的为宁德与厦门.从排放来源看,90%以上的排放来自农田生态系统和畜禽养殖系统.能源活动贡献较小,但其排放增长最为显著.2010年,各地市单位面积活性氮排放强度呈"东南沿海高西北内陆低"的格局,最高为厦门市,最低为三明市;GDP和人口排放强度则呈"东南沿海低西北内陆高"的格局,最高为南平市,最低为厦门市.在分析各地市活性氮排放源特征的基础上,探讨了不同地区活性氮减排重点,研究结果可为福建省及下辖各地市活性氮减排提供科学依据.     

三峡库区人类活动净氮输入量估算及其影响因素

建立包括食品/饲料,氮肥,大气沉降和生物固氮4部分的人类活动净氮输入模型（NANI）,采用单因素方差分析法（one-way ANOVA）和灰色关联度法,研究2006~2016年三峡库区人类活动净氮输入估量的时空分布、组成特征及其贡献率、影响因素.结果表明：（1）三峡库区的NANI估量存在明显的时空差异特征,从2006年的10715.2kg/（km²·a）到2016年的11974.1kg/（km²·a）,整体呈现先线性上升后下降的年际变化趋势,以及库首,库尾高,库区腹地低且南部高,北部低的空间分布特征.（2）三峡库区的NANI的组成中,氮肥施用量所占比重最大为50%~56%,是主要输入源,其次是大气氮沉降量,所占比重为22%~24%;相关性分析中,氮肥施用量与NANI相关性最强,R²达到了0.81（P<0.0001）.（3）人口密度,粮食产量,农业生产总值和地区生产总值等与NANI的关联度均较高,分别为0.901,0.867,0.794,0.689,NANI值随人口密度的增大而增大,但当人口密度到达一定值（500人/km²）时,其值不再变化;NANI值随着耕地面积的增加而增大,随着森林面积的增加而减小.