我国三个典型流域人类活动净氮输入量估算及其影响因素

目的 人类活动氮素过量投入是引起面源污染的重要原因之一。阐明人类活动净氮输入量的时空分布特征及其影响因素,为解决面源氮素污染问题提供数据支持。方法 利用人类活动净氮输入量（net anthropogenic nitrogen input,NANI）模型,通过统计年鉴和文献综述获得NANI相关数据和参数,对农业化的香溪河流域、城镇化的太湖流域和全面推进农业绿色发展模式的洱海流域的净氮输入量进行评估。结果 从NANI强度上看,3个典型流域NANI平均值按照大小排序为：太湖流域（13 241 kg·km^-2·a^-1）、香溪河流域（2 183 kg·km^-2·a^-1）、洱海流域（1 582 kg·km^-2·a^-1）。从来源上看,氮肥施入（Nfer）和食品/饲料氮（Nim）是NANI最大来源,占比58%—97%,对NANI贡献从大到小排序为：氮肥施入、食品/饲料氮输入、氮沉降输入、作物固氮输入。从时间尺度看,2019年同2010年相比,香溪河流域NANI中食品/饲料氮输入比例下降23个百分点,氮沉降比例上升34个百分点;洱海流域NANI中氮肥施入比例下降86个百分点;太湖流域NANI中食品/饲料氮输入比例上升31个百分点,作物固氮量和氮沉降输入比例下降14个百分点和12个百分点。从影响因素上看,3个典型流域NANI与城镇人口密度均呈现显著相关性（P<0.05）,且随城镇人口密度的增加NANI随之升高;耕地面积占比与NANI的拟合上,香溪河流域有显著影响（P<0.05）,但洱海流域和太湖流域均无显著影响（P>0.05）。结论 香溪河流域中昭君镇、峡口镇和黄粮镇,洱海流域中下关镇、上关镇和凤仪镇,太湖流域中张家港市、嘉兴市秀城区、杭州市拱墅区和上海市南汇区是NANI的关键源区;以农业为主的香溪河流域化肥施入是NANI的主要来源;城镇化程度较高的太湖流域食品/饲料氮和肥料氮投入是NANI主要来源;农业绿色发展措施可显著减少人类活动净氮输入量。因此,在关键源区大力推广农业绿色发展措施,同时有效降低饲料和肥料的投入量,有利于控制农业面源污染。     

复杂流域氮磷污染物输出特征及模拟 ——以南京市云台山河流域为例

为定量分析复杂流域下垫面氮磷面源污染对流域水环境的影响,研究以南京市云台山河流域为研究对象,结合原位观测,并构建降雨-径流水文模型以及面源污染负荷模型,对云台山河总氮(TN)、总磷(TP)浓度的时空变化特征以及流域不同下垫面TN面源污染产生及入河特征进行分析。水质监测结果表明:云台山河TN平均浓度为5.1 mg·L^-1,各河段TN均超Ⅳ类水质标准。TP平均浓度为0.14 mg·L^-1,仅阳山河支流超Ⅳ类水质标准。TN浓度整体表现为下游高于上游,旱季高于雨季。TP浓度空间变化不明显,年内变化缓慢,表现为逐渐下降的趋势。水文模型及面源污染负荷模型对TN的模拟效果较好,模拟结果表明云台山河流域TN年产生量为581.1 t,主要来自农田径流与农村生活源,胜利河片区和主干流片区是TN污染物的主要来源区域。流域TN年入河量为187.8 t,占面源产生量的32%。受土地利用方式及城镇化程度影响,不同片区TN面源污染入河量呈现明显的空间差异性。为达到目标水质,流域TN需削减量为137.3 t·a^-1,其中农田径流与农村生活污染需削减量分别为55.5 t·a^-1和39.7 t·a^-1。研究表明在流域水文资料较缺乏的情况下,结合原位观测与模型构建,可实现流域面源污染物负荷的定量估算。     

珊溪水源地净人为氮输入演变及总氮浓度响应

水体氮浓度/通量对流域净人为氮输入(net anthropogenic nitrogen inputs,NANI)的响应非常敏感,但是目前有关水源地氮浓度对NANI的动态响应的研究仍鲜见报道。以浙江省珊溪水源地作为研究对象,以2005—2014年为研究时段,定量分析总氮(TN)浓度对流域NANI的动态响应关系。结果表明,珊溪水源地NANI具有增长趋势,10 a间增加了6.7%。NANI多年平均值为85.76 kg·hm^-2·a^-1,是2009年全国平均值的1.7倍。其中,大气沉降氮、化肥施用氮、食物和饲料氮,以及农作物固定氮的平均贡献率分别为40.98%、34.06%、20.25%和4.70%。NANI的空间差异较大,呈现从上游山区向下游增加的趋势,其中瑞安市是该水源地氮污染的关键源区。NANI是TN浓度回归模型的唯一自变量,方差解释率达到55.4%。未来应将降低化肥施用氮、食品和饲料氮输入强度作为主要目标,通过降低流域NANI强度实现水质改善的目标。     

潮河流域人类活动氮输入对河流硝态氮通量的影响

为了有效评估流域内人类活动氮输入量,并确定其对河流硝态氮通量的影响,本研究将净人类活动氮输入分为人为点源和非点源输入两部分,估算了1995—2014年人为点源和非点源氮输入量变化,构建了其与河流硝态氮通量的多元回归模型(R²=0.73),分析了该流域氮素输出及滞留的影响因素。结果显示,20年间潮河流域净人类活动氮平均输入量为5 569.27kg·km^-2·a^-1,其中非点源输入约占净人类活动氮输入量的76.87%,点源输入占23.13%。在非点源输入中化肥氮输入占净人类活动氮输入总量的比重最大,约为35.92%,其次是食品饲料氮输入,占21.12%,大气氮沉降占15.05%,种子氮输入和农业固氮分别占4.35%和0.43%。潮河流域河流平均硝态氮通量为115.94 kg·km^-2·a^-1,由人类活动导致的氮输入量约占潮河流域硝态氮通量的96.65%。流域内人类活动氮输入对河流氮通量影响较大,点源氮输入、化肥氮输入和种子氮输入是河流氮通量的主要来源。受水文气象及下垫面等因素影响,...     

太湖地区农业源对水体氮污染的贡献——以宜溧河流域为例

宜溧河流域是太湖上游的主要集水流域,该流域的污染物排放是太湖污染负荷的重要来源。重点针对种植业、畜禽养殖业和水产养殖业三种农业污染源,基于统计年鉴、遥感解译、野外监测和调研等多种手段,对种植业、水产养殖业和禽畜养殖业分行业进行了氮污染负荷核算。结果表明,2013年宜溧河流域主要农业源氮污染负荷总量为6861 t,单位排放强度为22.2 kg·hm^-2;种植业和禽畜养殖业是宜溧河流域氮污染的主要来源,其中种植业源TN排放量最大,为3832 t,占总负荷的55.9%,种植业中蔬菜地对氮污染的贡献较大,TN排放量占总农业源负荷的18.7%;禽畜养殖业源TN排放量次之,占总负荷的34.4%;水产养殖业源TN排放量最小,占总负荷的9.8%.因此,针对宜溧河流域农业源氮污染的治理,在考虑禽畜养殖和水产养殖的同时,应以种植业污染尤其是菜地作为重点研究对象,制定合理的控制措施。     

汉江流域农业面源污染的源解析

农业面源污染是水体污染的重要污染源。为明确汉江流域农业面源污染负荷及其空间分布,运用输出系数法,对2015年汉江流域范围内的13个地市的农业面源污染总氮(TN)、总磷(TP)污染负荷量进行估算,采用等标污染负荷法进行污染评价,再运用GIS软件分析农业面源污染负荷空间分布格局,通过快速聚类法划分汉江流域各地市的农业面源污染类型。结果表明:2015年汉江流域的TN、TP污染负荷量分别为179 127、26 975 t,相应的等标污染负荷量为2.26×10~(11)、1.68×10~(11)m~3;汉江流域农业面源污染TN等标污染负荷贡献率最大的污染源是农田化肥,TP等标污染负荷贡献率最大的污染源是畜禽养殖;TN、TP的等标污染负荷在空间分布上有很强的一致性,但各地市的等标污染负荷仍存在差异,等标污染高负荷区集中在流域中游,TN、TP的等标污染负荷最大值均出现在流域中游的南阳市;基于快速聚类结果确定汉江流域主要有6种污染类型。汉江流域的农业面源氮磷污染物污染负荷和空间分布研究为汉江流域面源污染的防治提供了决策参考。     

“产业治污”模式削减丘陵区农业面源氮排放

丘陵是我国南方面积最大的地貌类型,是降雨径流易发区和水土流失敏感区。诸多因素使农业面源氮排放成为丘陵区农村环境整治和乡村振兴的难题。为此,本研究以目标区域的产业发展为前提,基于丘陵小流域氮素流失特点,以氮资源循环利用为核心,针对农村生活源、农田种植源和畜禽养殖源分别构建了生活污水的稻田安全消纳净化技术、生态种植串联沟渠塘堰的立体消减技术和种养结合的畜禽粪污多级循环全消纳技术体系,提出了"产业治污"运行及管理模式,即:根据流域环境承载力确定产业结构和规模,建立"企业订单+基地+农户+专家团队"的产业控污机制和"村企合一参与式"的治污管理体系。并基于国家典型流域农业面源污染综合治理专项,在湖北省竹溪县竹溪河源头流域农业面源污染综合治理试点项目中进行了具体的工程设计和应用。实践证明,"产业治污"模式实现了目标区域污染治理与产业发展的有机融合,在有效削减丘陵区农业面源氮排放的同时,推动了产业结构调整,提升了农民收入,促进了农业经济发展与环境保护双赢。     

招苏台河城镇生活污水污染负荷核定与方法研究

文章主要以招苏台河城镇生活污水处理厂实际监测数据为主,通过统计法计算点源排放量,采用ARCGIS定点和测距方法确定直排源入河距离,进行入河系数修正,构建了适宜于招苏台河点源污染负荷的核定模型,核定点源污染负荷,以期为其他流域核定点源污染负荷做出贡献。     

汾河灌区农业面源污染经验统计模型的构建与验证

以山西省汾河平原灌区为研究区,根据2004—2008年灌区小店桥和义棠2个水文控制站有限的、离散的径流量和污染物浓度月监测值,采用河流污染物时段通量法分别计算2站点河道断面的总氮(TN)和总磷(TP)年通量,得到灌区TN和TP年负荷量;采用传统输出系数法确定了同期灌区农业种植、农村人口和畜禽养殖等污染源的TN和TP输出量。由此确定了灌区TN和TP迁移过程中的流域损失系数,建立了流域损失系数和年径流模数的非线性关系;构建了包含各类污染源数量、输出系数和年径流模数的灌区农业面源污染经验统计模型;用该模型模拟了2009—2010年灌区的TN和TP负荷量,与实测值相比误差均小于40%,满足精度要求。所建模型适合用于我国平原灌区面源污染负荷的估算和预测。     

松涛水库上游流域土地利用类型变化对氮负荷影响

土地利用类型变化是非点源污染呈现时空分布不均匀性和随机性的重要原因.以松涛水库上游为研究区构建SWAT模型,分析28年来流域内非点源污染氮负荷的时空分布以及不同土地利用类型与氮负荷的关系.结果表明:(1)构建的SWAT模型适用于松涛水库上游地区非点源污染氮负荷的估算;(2)1988—2002年流域全年总氮负荷增加了11...     

湖北省三峡库区1991—2014年农业非点源氮磷污染负荷分析

为研究湖北省三峡库区农业非点源氮磷污染负荷的时空分布特征,分析主要农业污染源和重点控制区域,运用改进的输出系数模型结合入河系数对研究区1991—2014年的不同农业源（农村生活、畜禽养殖和农田种植）和不同地区（夷陵、秭归、兴山、巴东）总氮总磷负荷量、排放强度进行估算,并对时空分布特征进行了分析。结果表明,1991—2014年湖北省三峡库区农业非点源污染总氮、总磷年均负荷量分别为2 132.10、222.64 t·a^-1,年均排放强度分别为1.85、0.19 kg·hm^-2·a^-1。2006年以前,总氮、总磷负荷较低,而后缓慢增加。相比于1991年,2014年总氮年负荷量降低了4.22%,总磷年负荷量增加了12.30%。从各类污染源贡献来看,旱地和乡村人口是总氮的主要贡献源,旱地和猪的养殖是总磷的主要贡献源。从氮磷负荷空间分布看,巴东县的总氮、总磷负荷最高,夷陵次之。从排放强度的空间分布看,巴东县的排放强度最高,其次是秭归。研究表明,农田种植和畜禽养殖是总氮、总磷负荷的主要贡献源,巴东县是农业非点源防治的重点控制区域,湖北省三峡库区的农业非点源污染防治工作仍需努力。     

农业面源污染中氮排放时空变化及其健康风险评价研究——以淮河流域为例

以保护淮河流域环境和居民健康为出发点,为揭示流域农业面源污染负荷时空分布特征,采用清单分析法和排污系数法核算了流域35个地级市的畜禽养殖、农村生活、农田种植3种污染源总氮(TN)的排放量和排放强度。利用GIS软件对氮素耕地、水体污染排放强度进行时空变化分析,分析出流域面源污染的重点污染源、污染类型及其空间分布特征,并根据健康风险评价模型估算流域内地下水中硝态氮对人体潜在的健康风险。结果表明:2015年淮河流域农村生活、化肥使用和畜禽粪便TN排放量分别为42.17万、644.44万t和213.86万t,排放比重分别为3.58%、72.39%和24.03%,化肥的施用仍是氮素污染的主要来源;耕地氮素污染负荷方面,农田种植畜禽养殖农村生活;地表水氮素污染负荷方面,农田种植≈畜禽养殖农村生活。流域内不同地区污染物负荷强度受耕地面积和水资源量的影响,分布存在一定区域空间分异现象,淮河流域西北部地区负荷强度高于东南部。地下水硝态氮健康风险指数在0.49~3.18之间,健康风险阈值超过"1"的城市数量占整个淮河流域的82.86%,应注意饮用水的安全问题。     

基于LOADEST模型和小波变换的河流氮磷污染动态分析

河流中污染物负荷量的估算及其演变规律的分析是开展流域非点源污染治理的基础。然而,常见的每月1~2次的低频率人工采样水质监测资料并不能反映河流水体中负荷量的每日连续变化。基于2003—2016年浙江省长乐江出口断面每月1次的水质监测资料,建立和验证了该河流总氮(TN)和总磷(TP)负荷量估算的LOADEST模型。应用该模型和连续的流量资料,核定了研究期间长乐江TN和TP的每日负荷量。结果表明,2003—2016年间长乐江TN年平均负荷量为(2 207.71±862.48)t·a^-1,TP年平均负荷量为(71.43±31.56)t·a^-1。TN和TP的日均负荷量变异较大,分别为(6.04±11.81)t·d^-1和(0.19±0.26)t·d^-1,它们在研究期间总体均呈上升趋势。采用小波分析方法,进一步揭示了研究期间长乐江TN和TP负荷量变化的基本规律。结果显示,长乐江TN负荷量以18个月的时间跨度为主发生着多时频的周期性变化;TP负荷量的变化主周期与TN负荷量的变化类似,但变化强度相对较弱。TN和TP负荷量周期性变化的决定性因素是河流流量的变化,受TN和TP浓度变化的影响较小。     

降雨和施肥对秦岭北麓俞家河水质的影响

为了探讨小流域内种植业的施肥措施对流域内地面水质的影响机制,选取秦岭北麓的俞家河小流域为研究对象,设置8个覆盖整个流域特征的监测断面,并于该流域主要经济作物猕猴桃的3个典型施肥时期的不同降雨条件下对河流水质进行监测,分析水体中氮、磷和有机污染物含量的时空分布特征以及降雨和施肥对其产生的影响。结果表明:俞家河流域总氮浓度的变化范围是4.53~11.45 mg·L~(-1),平均值为6.51 mg·L~(-1);总磷平均浓度的变化范围是0.004~1.377 mg·L~(-1),平均值为0.312 mg·L~(-1);CODMn浓度的变化范围为0.89~11.23 mg·L~(-1),平均值为3.15 mg·L~(-1)。早春基肥期总氮平均负荷为227.03 g·d-1,流域负荷增加了73.34%;盛夏追肥期总磷平均负荷为11.36 g·d-1,流域负荷增加了117.36%。大雨时期总氮、总磷、COD_(Mn)负荷分别为228.10、9.94、174.53 g·d-1,对应增加的百分比为35.93%、84.31%、69.65%。水体总氮、总磷浓度与降雨密切相关,雨强越大,浓度和负荷增加越显著,雨强是造成该流域氮素流失的主要气象参数。早春基肥期果园施加氮肥是水体总氮的主要来源,盛夏追施肥会增加水体磷素污染风险,早春施肥期大雨后存在较高的COD_(Mn)污染风险,降雨和施肥的叠加效应是导致面源污染发生的主要因素。河流污染负荷较高的区域集中于中部,主要由两岸猕猴桃园施肥引起,居民的生活污染也有一定贡献。     

香溪河流域土地利用变化过程对非点源氮磷输出的影响

选取三峡库区香溪河流域(3150 km~2),根据1990、2000、2010年Landsat TM/ETM遥感影像,在Arc GIS支持下,应用景观特征分析和氮磷输出系数模型方法,在分析流域景观格局转变过程的基础上,研究了土地利用变化对非点源氮磷输出的影响。结果表明:1990—2000年土地利用变化较为缓和,2000—2010年土地利用转变较为剧烈,变化面积占到总面积的4.3%,为前10年变化量占比的3倍之多。1990—2000年和2000—2010年,土地利用转变量最为明显的均为林地转旱地和旱地转林地;从单位时间土地利用变化率来看,1990—2000年旱地变化最为剧烈,2000—2010年居民地变化最为剧烈;从土地利用相对动态度来看,1990—2000年和2000—2010年旱地均最高。1990—2000年土地利用的变化对非点源总氮(TN)和总磷(TP)输出影响较小,TN增加1.57 t·a~(-1),TP减少0.073 t·a~(-1);2000—2010年土地利用的变化显著降低了TN、TP的输出量,净值分别为78.5、6.1 t·a~(-1)。土地利用转变方式对TN、TP的负荷影响不同,旱地转变为林地时TN负荷表现为消减,林地转变为旱地时TN负荷增加;水田转变为林地时TP负荷减少,旱地转变为水田时TP负荷增加。在输出系数与各土地利用类型面积关系的建立中,使用土地利用状态量变化面积不能真实计算出其对非点源氮磷负荷输出量的影响,通过土地利用过程量面积的变增才能真实反映土地利用变化导致的非点源氮磷负荷输出量。     

基于GWLF模型的于桥水库流域氮磷负荷估算及来源变化解析

外源氮磷污染物输入是于桥水库富营养化加剧的主要原因之一。为了研究“水十条”实施以来于桥水库流域氮磷污染负荷的变化,采用GWLF模型模拟各个子流域产流量,再乘以子流域出口断面总氮（TN）、总磷（TP）监测浓度,进而估算整个流域氮磷污染负荷,并对2016—2017年氮磷污染的来源和变化情况进行分析。结果显示：2016—2017年于桥水库流域年均TN负荷2 574.6 t,TP负荷94.6 t。引滦调水、入境河流、库周产流和大气降水对TN的贡献占比分别为27.9%、46.8%、17.3%和8.0%,对TP贡献占比分别为66.3%、17.3%、13.6%和2.8%。与2016年相比,2017年流域TN负荷增加35.6%,主要是由于引滦调水TN浓度大幅上升（增幅239%）、沙河等流域产流量增加（增幅11.4%）导致;2017年流域TP负荷减少74.0%,主要是由于引滦调水和沙河等河流TP浓度均明显下降（降幅分别为87.8%和71.0%）导致。因此,建议于桥水库流域环境管理部门加强总氮面源污染防控,同时选择大黑汀水库氮磷浓度较低的时期调水,以减少氮磷污染负荷。     

多环芳烃(菲)添加对珠江河口农村和城市河流湿地土壤氮矿化过程的影响

为研究多环芳烃(菲)添加对珠江口河流湿地土壤氮矿化的影响,选取珠江三角洲番禺区的农村河流和城市河流湿地,采用鲜土对两种湿地土壤添加3种浓度的菲(0、15、100 mg·kg-1)进行为期42 d的室内培养实验,分析了两类湿地土壤氮矿化速率以及影响氮矿化过程的脲酶活性及氨氧化古菌(AOA)与氨氧化细菌(AOB)的比例变化。结果表明:土壤氮矿化速率变化范围为-4.885～5.877 mg·kg-1·d-1,氨化速率变化范围为-3.823～4.677 mg·kg-1·d-1,硝化速率变化范围为-4.990～5.369 mg·kg-1·d-1。所有处理中脲酶活性均呈下降趋势,下降比例在26.1%～83.4%的范围内。多环芳烃添加处理组下降比例显著小于无添加对照组(P0.05),而农村河流湿地中的高浓度处理组除外(P0.05)。农村河流湿地中,无添加和高浓度处理下培养后的AOB在氨氧化过程中的占比比培养前减少25.85%和7.31%,低浓度添加则增加36.37%。而菲添加对城市河流湿地AOA和AOB两者比例变化的影响较小。研究表明,除高浓度多环芳烃添加利于城市河流湿地土壤氮矿化外,其他添加实验均显示多环芳烃不利于土壤氮矿化。与对照组相比,多环芳烃的添加对土壤脲酶活性有促进作用(农村河流湿地高浓度处理除外)。在农村河流湿地土壤中,AOB对多环芳烃适应性比AOA更强,低浓度适应性最高,而多环芳烃对城市河流湿地土壤氨氧化微生物群落结构基本无影响。     

不同降雨强度下旱地农田氮磷流失规律

为阐明旱地农田径流氮磷流失规律,以种植空心菜的旱地为研究对象,采用人工模拟降雨方式,设计10、15、25 mm·h^-1三个降雨强度,研究不同雨强下旱地氮磷流失特征和径流拦截效果。结果表明：在相同降雨量条件下,旱地径流量随降雨强度的增大而增加,10、15、25 mm·h^-1雨强下产生的径流总量分别为197.07、381.92、649.45 m³·hm^-2,对应的径流系数分别为0.20、0.38、0.65。总氮（TN）浓度变化随产流时长呈现出先上升后下降的趋势,峰值明显,氮的流失形态以硝酸盐氮（NO₃^--N）为主;TN流失量随着降雨强度的增大而增加,10、15、25 mm·h^-1雨强下分别为0.67、2.48、9.74 kg·hm^-2。总磷（TP）流失浓度随降雨强度的增大而降低,流失过程相对平缓,磷的流失形态以颗粒态磷（PP）为主;10、15、25 mm·h^-1雨强下TP流失量分别为0.061、0.050、0.030 kg·hm^-2。通过田间沟渠水位的管控,可有效减少TN的径流排放,不同雨强下减少比例分别为100.00%、63.56%、33.98%。研究表明,氮的拦截是控制旱地面源污染的重点,在拦截能力有限的情况下,选择污染负荷较高的时段可有效提高面源污染拦截效果。