流域人类活动净氮输入量的估算、不确定性及影响因素

人类活动使得大量的氮素进入流域生态系统,大量氮的盈余导致了一系列生态环境问题的出现。为了评估人类活动对流域生态系统的影响,Howarth等于1996年提出了人类活动净氮输入(NANI)的概念。综述了当前人类活动净氮输入的估算方法、不确定性及影响因素,并得到以下结论:导致NANI估算结果的不确定性原因主要有:内涵分歧、数据来源、尺度转换、估算方法的分歧。影响NANI的主要因素包括:各输入项、人口密度、土地利用组成;对于各输入项而言,化肥施用是最主要的氮素输入来源,占人类活动净氮输入总量的79.0%,其次为作物固氮,占17.6%,食品/饲料氮净输入量占-14.5%,大气沉降占15.7%;对于人口密度,NANI随着人口密度的增大而增大,当人口密度高于100人/km2,人口密度对NANI的影响趋于稳定,其他因素起主导作用。对于土地利用组成:NANI与森林面积比例成负相关,而与耕地面积比例成正相关。     

1990-2010年淮河流域人类活动净氮输入

1990-2010年,淮河流域粮食产量由6414× 104 t增长到10121×104 t(增幅为58％),城市化率由13％增长到35％(涨幅为22％),流域社会经济发生了显著变化.从流域整体定量评估人类活动所带来的生态环境影响将为区域生态环境管理提供科学依据.本文估算淮河流域1990-2010年人类活动净氮输入(NANI)的空间分布及变化趋势.结果表明:研究期间,淮河流域氮输入量呈现出增加趋势;1990-2001年流域内氮输入量快速增加,2001年后氮输入增加趋势减缓.1990年氮输入量为17232 kg N·km-2·a-1,2003年氮输入量最高,为28771kgN·km-2· a-1,2010年回落为26415 kg N·km-2·a-1.从氮输入的组成上来看,化肥和大气氮沉降仍然是最主要的输入来源,其次为食品/饲料和生物固氮的输入.化肥和大气沉降输入占总氮输入的比例持续增加,由1990年的64％和16％分别增长至2010年的77％和19％.单纯以增施化肥来实现粮食增产、化石燃料大量燃烧来推动经济发展的观念,应切实转变到改善农业耕种技术、实现新能源的发展轨道上来,进而推动社会经济的可持续发展.     

1990—2010年淮河流域人类活动净氮输入

1990—2010年,淮河流域粮食产量由6414×10⁴ t增长到10121×10⁴ t(增幅为58%),城市化率由13%增长到35%(涨幅为22%),流域社会经济发生了显著变化.从流域整体定量评估人类活动所带来的生态环境影响将为区域生态环境管理提供科学依据.本文估算淮河流域1990—2010年人类活动净氮输入(NANI)的空间分布及变化趋势.结果表明: 研究期间,淮河流域氮输入量呈现出增加趋势;1990—2001年流域内氮输入量快速增加,2001年后氮输入增加趋势减缓.1990年氮输入量为17232 kg N·km^-2·a^-1,2003年氮输入量最高,为28771 kg N·km^-2·a^-1,2010年回落为26415 kg N·km^-2·a^-1.从氮输入的组成上来看,化肥和大气氮沉降仍然是最主要的输入来源,其次为食品/饲料和生物固氮的输入.化肥和大气沉降输入占总氮输入的比例持续增加,由1990年的64%和16%分别增长至2010年的77%和19%.单纯以增施化肥来实现粮食增产、化石燃料大量燃烧来推动经济发展的观念,应切实转变到改善农业耕种技术、实现新能源的发展轨道上来,进而推动社会经济的可持续发展.     

海河流域水体沉积物碳、氮、磷分布与污染评价

从全流域尺度上研究海河流域水体沉积物碳、氮、磷元素含量与分布特征,对研究海河流域水环境污染现状具有重要意义.本研究采集海河流域河流与水库163个表层沉积物(0～10 cm)样品,测定沉积物有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)的含量,运用有机指数与有机氮方法评价沉积物污染状况.结果表明: 海河流域沉积物TOC、TN、TP含量具有较大的空间异质性,下游平原区明显高于山区,北四河下游平原、黑龙港及运东平原含量较高,永定河山区、北三河山区、滦河流域含量相对较低,河流沉积物TOC含量显著高于水库沉积物,而TN、TP含量与水库沉积物没有显著差异.TN与TOC、TP含量呈显著正相关(r=0.704,P<0.01;r=0.250,P<0.01).全流域有机指数总体属于“较清洁”水平,北四河下游平原总体已接近有机污染水平.全流域有机氮总体处在“尚清洁”水平,北四河下游平原、黑龙港及运东平原流域存在有机氮污染.海河流域河流、水库沉积物具有相似的污染强度.沉积物C/N平均值为12.71,表明TOC多来源于藻类等浮游动植物,其次是高等植物,水库C/N值比河流高,陆源物质输入对水库沉积物TOC的贡献比对河流大.     

陆地生态系统氮沉降增加的生态效应

 人类活动在全球范围内极大地改变着氮素从大气向陆地生态系统输入的方式和速率，人为固定的氮素正在不断积累，并对生态系统的结构和功 能产生显著影响。该文从以下几个方面综述了大气氮沉降增加对陆地生态系统的影响：1)氮输入增加可能影响植物生产力和生态系统碳蓄积能 力，生态系统响应的方向和程度取决于系统的初始氮状况(氮限制或氮饱和)以及当地的植被和土壤特征；2)持续氮输入有可能改变土壤氮循环 过程，降低土壤固持氮的能力，甚至导致土壤酸化、盐基离子损耗，进而影响到土壤有机碳的分解；3)高的氮沉降速率和持续氮输入都可能加 速含氮痕量气体的释放，但其影响程度受生态系统初始状态的影响(例如磷限制和氮限制)；4)氮沉降增加会影响生态系统的物种丰富度、植物 群落结构和动态，促进森林扩张，改变菌根真菌的物种多样性；5)持续氮输入带来的植物群落结构和植物生理特征的变化可能影响昆虫取食特 性，进而通过食物链改变生态系统的营养结构；6) 氮沉降增加对生态系统的影响并不是孤立存在的，它与CO₂浓度升高和O₃浓度变化有协同作 用，但难以从其协同效应中区分出各自的影响。最后，该文总结了我国的氮沉降研究现状，并对今后的研究前景提出了展望。     

惠州地区氮流动力学分析

富营养化是重要的水体污染问题,氮素是富营养化形成的重要因素.采用物流核算的方法研究了中国惠州地区与人类活动有关的氮流在环境系统和人类生产生活系统的状况.采用非点源污染输出系数法定量研究氮流,城市生活污水中氮的排放采用人口氮素摄入 排放法来估算.对惠州地区1998年实测资料氮流过程的统计分析和动力学分析结果表明,该地区主要氮流动力学因素为河流输送、化学肥料和动物饲料输入、人类生产生活、大气氮的转化和沉降、动物排泄物降解挥发以及燃烧过程和其它散发过程中氮的损耗.当年输入本地区的氮素有40%滞留在系统中,这些氮素可能累积从而引发环境问题.河流是系统氮素输出的主要方式,约占57%.同多瑙河和长江流域的比较发现,这3个地区单位面积氮输出量相当,人均氮素贡献率接近.     

山美水库氮营养盐滞留特征及其影响因素的多时间尺度分析

水库对氮营养盐的滞留效应对水体富营养化防控有重要影响,为揭示不同时间尺度下水库氮营养盐的滞留特征及影响因素的差异,通过构建山美水库流域生态动力学模型,在统计水库氮滞留量和滞留率的基础上,从年、月、日不同时间尺度对氮营养盐的滞留效应进行分析;并通过多元线性相关分析,对入库流量、出入库流量比、水力滞留时间、流速、温度5种因素的影响进行研究.结果表明: 不同时间尺度下山美水库的氮滞留过程均呈现波动特征.在年尺度上,水库主要呈现正滞留效应,是流域重要的氮汇;在月尺度上,氮滞留呈现丰枯期变化特征,水库在源和汇的角色上发生转变;在日尺度上,枯水年氮滞留过程波动剧烈,滞留率在-300%～100%之间变化.不同时间尺度下,出入库流量比、流速因子均是影响水库氮滞留的重要因素;随着时间尺度的降低,入库流量和温度因子对氮滞留的影响程度有所增强;水力滞留时间对氮滞留的影响程度则随时间尺度变化而有正负差异.     

模拟大气氮沉降对中国森林生态系统影响的研究进展

人类活动加剧了活性氮的生产和排放,并导致氮沉降日益增加并全球化。目前,人类活动对全球氮循环的干扰已经超出了地球系统安全运行的界限。中国已成为全球氮沉降的高发区域,高氮沉降已经威胁到生态系统的健康和安全,并成为生态文明建设过程中亟待理清和解决的热点问题。对国际上和中国森林生态系统模拟氮沉降研究的概况进行了综述,并从生物学和非生物学两大过程重点阐述模拟氮沉降增加对中国主要森林生态系统影响的研究进展。中国自2000年以后才开始重视大气氮沉降产生的生态环境问题,中国科学院华南植物园在国内森林生态系统模拟氮沉降试验研究上做出了开创性的贡献。模拟氮沉降研究表明,持续高氮输入将会显著改变森林生态系统的结构和功能,并威胁生态系统的健康发展,特别是处于氮沉降热点区域的中国中南部。森林生态系统的氮沉降效应依赖于系统的氮状态、土地利用历史、气候特征、林型和林龄等。最后,对未来的研究提出了一些建议,包括加强长期跟踪研究和不同气候带站点之间的联网研究,特别是在森林生态系统对长期氮沉降响应与适应的过程机制、地下碳氮吸存潜力研究、以及与其他全球变化因子的耦合研究等方面,以期为森林生态系统的可持续发展提供理论基础和管理依据。     

流域氮的科学图谱及其主题演变

氮是限制生态系统生产力和引发富营养化等环境问题的关键因子，受到流域研究学者的广泛关注。以Web of Science核心合集为数据源，借助科学图谱方法对2000-2019年发表的科学文献进行定量分析，围绕论文数量与期刊分布、国际及机构合作、学科交叉和研究主题与演变等方面系统地回顾了流域氮领域的研究进展。论文数量与期刊分布方面，论文的年发表量呈逐年增长趋势，发文量较高的期刊包括Science of the total environment、Biogeochemistry和Journal of hydrology。国际与机构合作方面，中国和美国的发文数量最多，是国际合作的中坚力量；中国科学院和美国地质调查局发文数量最多，两者分别是近期和早期机构合作的主导力量。学科交叉方面，流域氮领域呈现多学科交叉特点，重点学科包括环境科学、水资源学和地质学。研究主题与演变方面，氮形态与转化、营养盐与富营养化以及水质与管理是流域氮领域的研究重点；人类活动与气候变化双重驱动下流域中氮的分布特征、模型与最优管理措施在流域管理中的应用是该领域未来的研究热点。未来研究需重点关注流域氮动态的驱动机制以及流域氮管理措施的优化，量化气候变化背景下径流量等水文特征以及城市化、农业发展等人类活动驱动下土地利用类型转变对流域中氮循环和氮负荷的影响，以流域"山水林田湖草生命共同体"的理论构建基于自然的管理方案，并评估管理措施对流域生态系统供给服务。     

施氮对亚热带樟树林土壤呼吸的影响

人类活动引起全球范围内大气氮沉降量的升高,增加了陆地生态系统氮输入,从而影响土壤CO2排放.为揭示生态系统氮输入升高对土壤呼吸的影响,2010年6月至2012年1月,对亚热带樟树林(Cinnamomum camphora)进行模拟氮添加试验,每月上、下旬采用红外分析法测定4种氮输入水平(CK,0 gm-2a-1;低氮LN,5gm-2a-1;中氮MN,15 g m-2 a-1;高氮HN,30gm-2a-1)下的土壤呼吸速率.结果表明:(1)樟树林土壤呼吸存在明显的季节动态,最高值出现在6月,最小值出现在1月.氮添加处理显著抑制了樟树林的土壤呼吸,LN、MN、HN处理土壤呼吸年累积量分别较对照CK下降37.66％、30.62％、38.95％,各施氮处理间无显著差异,施氮对土壤呼吸的抑制作用随时间推移而减弱;(2)氮添加不影响土壤呼吸昼夜波动特征,但显著抑制土壤呼吸速率;(3)土壤呼吸与土壤温度间存在极显著的指数关系,与土壤湿度相关性不显著,CK、LN处理Q10相近,MN处理最小:(4)氮添加处理促进了土壤中氮的淋失,且随施氮水平的升高而增大.     

氮输入对中国东北地区土壤碳蓄积的影响

由于人类活动的干扰,通过沉降和施肥形式进入陆地生态系统的氮素持续增加,中国已经成为继欧洲和北美之后的第三大氮沉降区,同时也是最大的化肥消费国。氮输入与陆地生态系统生物地球化学循环的一系列过程都相互联系,碳循环及其格局也受到氮输入的影响。土壤有机碳库在全球碳循环中具有重要作用,氮输入能否或在多大程度上对土壤碳库产生影响已经成为全球变化和氮沉降研究中不可回避的问题。东北地区是世界三大黑土带之一,土壤碳的变化不仅对于土壤肥力维持具有重要意义,而且对区域碳收支具有重要影响。利用生态系统过程模型——CEVSA2模型,基于我国能源消费、施氮数据和降水数据生成了一套中国大气氮沉降的时空网格数据,结合大气CO_2浓度、气候、土地覆被、土壤类型和质地的时空数据,模拟评估了1961-2010年氮输入对中国东北地区土壤碳蓄积的影响。结果表明:(1)1961-2010年东北地区的平均氮沉降速率为1.00gNm~(-2)a~(-1),年增长率为0.047 gN m~(-2)a~(-1)。东北农田总氮输入速率达到5.78 gN m~(-2)a~(-1),从20世纪80年代开始显著增加。(2)氮输入促进了东北地区土壤碳的蓄积,东北陆地生态系统的土壤碳密度平均增加了135 gC/m~2,50a氮输入共增加土壤碳蓄积0.16 PgC。(3)氮输入引起的东北地区土壤碳蓄积量的变化呈现出东高西低、南高北低的空间格局,辽河平原、松嫩平原和三江平原的土壤碳密度增加量超过了300 gC/m~2。(4)不同植被类型下的土壤碳密度对氮输入的响应存在较大差异,农田土壤碳密度平均增加了230 gC/m~2,森林、灌丛和草地则分别增加了76、169 gC/m~2和89 gC/m~2。氮输入的空间差异和不同植被类型对氮输入响应的差异共同决定了东北地区土壤碳增加量的空间格局。通过本研究阐明了氮输入对东北农田土壤碳蓄积的影响,从而为农田生态系统的固碳减排和农田土壤碳氮管理提供了决策依据。     

氮输入对滨海盐沼湿地碳循环关键过程的影响及机制

滨海盐沼湿地是缓解全球变暖的有效蓝色碳汇, 但是近岸海域富营养化导致的大量氮输入对盐沼湿地稳定性和碳汇功能构成严重威胁。潮汐作用下大量氮输入对盐沼湿地植物光合碳输入、植物-土壤碳分配和土壤碳输出等碳循环关键过程产生深刻影响, 进而影响盐沼湿地碳汇功能评估的准确性。该文从植物光合固碳、植物-土壤系统碳分配、土壤有机碳分解、土壤可溶性有机碳释放、盐沼湿地土壤碳库5个方面综述了氮输入对盐沼湿地碳循环关键过程的影响。在此基础上, 针对当前研究的不足, 提出今后的研究中, 需要进一步探究氮输入对盐沼湿地植物光合固碳及碳分配过程的影响、盐沼湿地土壤有机碳分解的微生物机制、盐沼湿地土壤可溶性有机碳产生和横向流动的影响、以及氮类型对盐沼湿地土壤碳库的影响。以期为揭示氮输入对盐沼湿地碳汇形成过程与机制提供基础资料和理论依据, 为评估未来近岸海域水体富营养化影响下滨海盐沼湿地碳库的潜在变化提供新思路。     

干旱半干旱区氮沉降生态效应研究进展

随着人类活动干扰的加剧以及全球气候变化,大气氮沉降的生态效应日益成为人们关注的焦点.氮沉降的增加能够带来生态系统结构和功能的改变,引起一系列生态效应.氮沉降对干旱半干旱地区生态系统的影响主要包括以下方面:(1)在干旱半干旱地区,氮沉降主要以脉冲形式进入氮循环进而影响其它生态过程;(2)氮沉降能够增加土壤氮矿化和土壤无机氮浓度,但氮循环还会受许多其它因素的影响;(3)氮沉降对土壤微生物代谢活动有很强的促进作用,但对其生物量的影响存在争议;(4)氮沉降能够影响植物生产力、根的生长,其效应主要受到水的调节作用;(5)氮沉降能够降低本地种的物种丰富度,有利于外来1年生物种的入侵.     

城市生态系统氮代谢研究进展

城市氮代谢是当前城市物质代谢研究领域中的一个研究热点,其研究框架是将城市视为一个可进行氮代谢的生态系统整体,重点关注人类活动对城市人为活化氮代谢过程的影响及其可能产生的环境问题。本文在阐述城市氮代谢内涵、研究背景的基础上,介绍了物质流分析方法研究城市氮代谢的进展,分析了系统动态模型在城市氮代谢模拟研究中应用前景;最后从城市内部的氮代谢分析、工业氮在城市氮代谢中的归宿、氮足迹概念在城市氮代谢过程研究中运用等方面,探讨了未来城市氮代谢研究趋势与发展方向。实现不同尺度的城市氮代谢过程的准确分析,关键在于研究区域边界和氮流归宿的明确,而目前中国针对城市氮代谢分析研究很少,因此,有必要探讨适合城市氮代谢研究的多尺度分析方法及评价指标,以期为减少城市人为活化氮的排放提供理论参考。     

海洋最小含氧带氮流失过程与机制

对全球大洋氮循环的研究发现,大洋输入和输出的氮存在严重的不平衡,所固定的氮中有相当一部分被还原为N₂或N₂O从大洋中流失,而海洋最小含氧带(OMZ)被认为是发生氮流失的最主要区域,通过反硝化作用和厌氧氨氧化作用,固定氮在OMZ海区内损失量可达40～450 Tg·a^-1.对不同海区OMZ内固定氮损失的两种主要作用总结发现,异养反硝化作用在热带太平洋东部、阿拉伯海的OMZ内以及海洋沉积物内占有显著优势,在智利、秘鲁沿岸海域及阿拉伯海域也已发现自养反硝化作用的存在;而在黑海、非洲西南部的本格拉上升流、智利北部沿岸等地,厌氧氨氧化作用强烈,且其在陆架区的作用强度和面积要大于大洋区.OMZ氮的流失除受氮流失过程自身影响外,固氮作用、硝化作用、硝酸盐异化还原作用等都可能对OMZ海区内氮收支不平衡造成影响.其中固氮作用的影响最不能忽视,其在全球OMZ内固定的氮的总量可达15～40 Tg·a^-1,是对OMZ氮流失量的重要补充.区分反硝化作用和厌氧氨氧化作用对OMZ氮流失的相对贡献,明确氮流失的另一产物N₂O的形成机制和定量评估方法是当前OMZ氮流失研究中存在的最主要问题.本文针对存在问题提出了相应的研究设想,以期为海洋最小含氧带的研究提供参考.     

河流沉积物氮循环主要微生物的生态特征

微生物驱动的氮循环过程是全球生物地球化学循环的重要组成部分,由于人类活动的影响,氮循环负荷加剧,氮素的生态平衡和微生物的功能特征也相应地受到干扰。河流生态系统是陆地与海洋联系的纽带,因人类活动过量活性氮的输入导致水体富营养化,明显影响着河流的生态功能以及河口沿岸海洋生态系统的平衡。富含微生物的沉积物对氮素的转化和去除起着至关重要的作用。本文主要介绍河流沉积物氮循环主要功能微生物,包括氨氧化细菌、氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的群落特征和生态功能,总结氮相关营养盐、溶氧和季节变化等环境因子,以及河道控制管理措施和污水处理厂扰动等条件下氮循环过程主要功能类群的生态特征和响应关系。指出还需深入全面地研究河流沉积物生态系统氮循环过程的驱动机制和微生物的贡献效率,加强城市河流沉积物微生物功能作用的研究及河道生物修复技术的开发。     

市域尺度农村系统氮素流动及污染氮足迹核算——以沈阳市为例

理解农村系统的氮素流动、排放和利用过程对减少农业活动引起的潜在环境污染和促进养分资源的可持续利用具有重要意义。本研究基于集成食物链养分流动模型和氮足迹模型,提出市域尺度农村系统氮核算框架,并从种植、动物养殖和农村人居3个子系统对1998—2018年沈阳市的氮素流、循环利用和污染氮足迹开展量化比较研究。结果表明: 2018年沈阳市种植子系统、动物养殖子系统和农村人居子系统的氮素利用率分别为36.1%、59.7%和70.1%,分别比1998年增长了15.9%、9.1%和0.7%;2018年沈阳市农村系统污染氮足迹总量为123.5 Gg,比1998年增长了21.6%;1998—2014年沈阳市农村系统污染氮足迹增长较快,随后有所下降;2018年种植子系统、动物养殖子系统和人居子系统中未利用氮素分别为129.5、62.2和8.7 Gg,相当于420.4、202.1和8.7 Gg氮肥的养分资源量。总体上,农村系统氮素利用率从生产端到消费端逐渐递增,但对农村系统氮素的时空分异情况还有待进一步的研究。     

海河流域土壤中氮的库存量与流通量研究

本文通过对海河流域土壤中氮及其形态含量的研究分析结果,得出该流域土壤中氮的库存量为５．９６×１０￣（１０）ｋｇ。以成土母质、人畜粪、化肥施入量和径流带入量,大气降尘及植物的残留量等作为对土壤中氮的输入因子,同时以径流的带出,大气的扬尘量及植物体茎、叶作为氮的迁出因子,得到海河流域土体中氮的进出量分别为４．０２×１０￣９ｋｇ／ａ和３．４６×１０￣９ｋｇ／ａ,研究了土壤中氮输入与输出的流通关系。     

厦门两水库冬季水体氮的空间分布及相关环境因子

探讨了厦门市湖边、石兜-坂头两座水库冬季水体氮的空间分布特征,并分析了各形态氮与环境因子间的相关性,揭示了水库水体中氮形态的迁移转化,为水库水污染防治提供科学依据.研究表明:湖边水库水体TN的平均含量为1.36mg·L-1,石兜-坂头水库的石兜、坂头库区水体TN的平均含量分别为1.44、1.45mg·L-1.湖边水库潜在污染为外源污染,但石兜-坂头水库潜在污染为内源污染.湖边水库和石兜-坂头水库水体氮形态都以无机氮为主,占TN的比例分别为61.7%和58.0%.湖边水库主要无机氮为NO3-,石兜-坂头水库主要无机氮是NH4+.湖边水库NH4+与NO3-存在显著正相关性,NH4+与DO存在负相关性;石兜-坂头水库坂头库区NH4+与透明度存在正相关性,与pH存在负相关性.     

氮输入对东北土壤碳蓄积氮素利用效率的影响

由于人类活动影响,通过沉降和施肥方式进入生态系统的活性氮显著增加,其对土壤有机碳库产生重要影响。氮素利用效率(NUE)作为深入理解陆地生态系统碳氮耦合关系的重要参数,对NUE时空规律的研究不仅可以评估目前氮输入对陆地生态系统碳汇增加的贡献,同时也有助于预测未来氮输入情况下陆地生态系统的碳平衡。利用生态系统过程模型——CEVSA2模型的模拟结果,分析了东北地区氮输入情况下,土壤碳的氮素利用效率(SNUE)的时空变化规律及其影响因素,结果表明:(1)1961—2010年,氮输入的显著增加促进了土壤碳的蓄积,但SNUE显著下降;(2)森林的平均SNUE最高,农田最低;灌丛的下降速率最大,森林的SNUE变化趋势最不显著;(3)三江平原和长白山地区以及大小兴安岭的部分地区SNUE最大,其次是辽河平原、松嫩平原地区;内蒙古高原、呼伦贝尔高原地区以及大、小兴安岭的部分地区SNUE出现负值,说明在这些地区,外援氮输入抑制了土壤碳的蓄积;(4)氮输入的空间分异和不同生态系统响应氮输入的差异共同决定了SNUE及其变化的空间格局。该研究结果可为进一步分析不同区域氮促汇潜力和预测未来氮输入情景下的区域碳平衡提供参考。