基于質量平衡方程的渾河上游清原流域氮素時空變化

2022-05-17 00:21:21石新竹魏建兵劉景琦吳尚遇

安徽農業科學 2022年9期

石新竹魏建兵劉景琦吳尚遇

摘要以渾河上游的清原流域為例，對水源保護區存在的氮素污染問題進行探討，采用質量平衡方程結合ArcGIS空間分析的方法，研究流域尺度氮素收支的時空動態及其影響因素。結果表明，研究區氮輸入以化肥施用為主，輸入總量為15 492.02 t，其中化肥占總輸入量的49%，氮沉降占比為25%，氮礦化占26%;研究區的氮輸出總量為6 305.67 t，氨揮發和植物吸收作為研究區最主要的2種輸出方式，二者的氮輸出總量占研究區氮輸出總量的90%;研究區氮盈余為9 186.45 t，氮盈余約占氮輸入總量的59%;從整體上看，研究區氮盈余量隨四季動態變化，春季和夏季的氮盈余較高于秋季和冬季，并在土地利用類型上呈現出耕地面積較大和上游兩岸地區的盈余量較高于其他地區。

關鍵詞氮素;質量平衡方程;時空變化;水源保護區;渾河上游清原流域

中圖分類號 X 524? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）09-0072-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.09.018

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Temporal and Spatial Variation of Nitrogen in Qingyuan Basin in Upper Hunhe River Based on Mass Balance Equation

SHI Xin-zhu， WEI Jian-bing，LIU Jing-qi et al

（College of Environment， Shenyang University，Key Laboratory of Eco-restoration of Regional Contaminated Environment，Ministry of Education，Shenyang，Liaoning 110044）

Abstract Taking the Qingyuan Basin in the upper Hunhe River as an example， the N pollution problem in the water source protection area was discussed. The mass balance equation combined with ArcGIS spatial analysis method was used to study the temporal and spatial dynamics of the nitrogen budget at the basin scale and its influencing factors.The results showed that the nitrogen input in the study area was mainly chemical fertilizer application， with a total input of 15 492.02 t， in which chemical fertilizer accounts for 49% of the total input， nitrogen deposition accounts for 25%， and nitrogen mineralization accounts for 26%. The total output of nitrogen in the study area was 6 305.67 t ammonia volatilization and plant absorption were the two most important output modes in the study area， and their total output of nitrogen accounts for 90% of the total output of nitrogen in the study area.The nitrogen surplus in the study area was 9 186.45 t， accounting for about 59% of the total nitrogen input.On the whole， the nitrogen surplus in the study area changed dynamically with the seasons. The nitrogen surplus in spring and summer was higher than that in autumn and winter. In terms of land use types， there were more cultivated land and the surplus in the upstream banks was higher than that in other areas.

Key words Nitrogen;Mass balance equation;Temporal and spatial variation;Water source protection zone;Qingyuan Basin in the upper Hunhe River

隨著國家對污染治理的重視和技術的增強，點源污染已經得到良好控制，而非點源污染問題卻沒能有效治理，非點源污染是由于農用耕地、城市街道路面、污水和生活垃圾等分散排放造成的，影響因素較多且難以控制，目前仍沒有得到有效治理。隨著“生態文明”戰略的實施和公眾環保意識的逐步增強，作為集中式湖庫型水源地流域點源污染已經得到較好的控制，我國面臨的主要水體污染問題也由點源污染逐步轉變為非點源污染[1]，尤其是農業非點源，據調查，農業總氮、總磷排放量分別占總排放的57.2%和67.4%[2]。我國的化肥使用量非常大，約占全球使用量的31%，總量超出其他國家1倍，但農藥利用率不到使用量的30%，約70%的N、P匯入水體[3]，對作為水源地的湖庫水體質量造成了嚴重的威脅。

渾河上游流域是大伙房集水區，作為國家九大集中式飲用水源地之一，為撫順、鞍山、營口等7大城市提供充足的水資源。2014年9月被國務院批準確定為國家重點保護和優先修復的湖泊水庫之一，然而時至今日，根據環境部門的監測，COD出現下降，但N、P污染超標問題的解決依然面臨挑戰。通過實地考察，農業非點源污染是研究區現在主要污染來源。筆者以渾河上游清原流域為研究區，針對流域地表水體的氮污染問題，在污染特征調查評價的基礎上，利用氮質量平衡模型模擬流域氮收支空間分異性和季節動態，為流域削減氮素污染的治理實踐提供科學數據和決策依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

渾河清原流域位于清原滿族自治縣境內，包括境內的9個鄉鎮，面積2 232 km2，是大伙房水庫的上游流域，也是渾河的發源地，坐標為124°20′06″～125°28′58″E、41°47′52″～42°28′25″N，與吉林省相鄰（圖1）。整個流域均屬于大伙房水庫的集水區，區內社會經濟以森林經營和農業生產為主，2017年人口21.23萬，GDP 38.22億元。研究區位于長白山脈西南的邊緣，屬于長白山龍崗支脈。區域內多為低緩圓滑的山丘形態，中部河流沖擊形成的河谷平原是主要的耕種區域。整體以眾多河流、山澗溝谷為網絡，形成了丘陵、溝谷相互交錯的地貌特征。

研究區屬于中溫帶大陸性季風氣候，降雨主要集中在夏季，春季和秋季有少量降雨，年平均降水量在800 mm左右。森林是研究區最主要的土地利用類型，旱田和少量水田位于河流兩側谷地。植被種類豐富，植被類型以森林為主，樹種多達130余種，主要的樹種有樟子松、遼東櫟、落葉松、紅松林等。土壤有機質含量高，以棕壤為主（80%）。

1.2 研究方法

流域尺度的氮收支采用N素輸入輸出質量平衡方程[4]。以鄉鎮區域和土地利用類型為單元，數據來源為2015年清原縣土地利用調查矢量數據和2017年的現場測繪調查修訂，采用收集數據、實地觀測、模型指南推薦等綜合方法，參數化每個空間單元上的輸入輸出量，依據潛在N超負荷量值判別流域潛在的N源和N匯，使用ArcGIS 10.2軟件制圖和分析其年內四季時空分布動態格局（2017年）。建立質量方程如下：

X=（I+F+M）-（U+D+V）（1）

式中，X為潛在超負荷氮量（kg）;I為干濕沉降（kg）;F為化肥輸入氮量（kg）;M為土壤氮礦化（kg）;U為植物吸收量（kg）;D為土壤反硝化（kg）;V為氨揮發量（kg）。

1.2.1

干濕沉降監測與計算。在渾河上游清原流域，綜合考慮研究區的地貌與水系分布、社會活動與土地利用、人口分布與周邊地區情況，在上、中、下游的灣甸子鎮、敖家堡鄉、清原縣城、紅透山鎮、北三家子鎮共設置5個具有代表性的干濕沉降監測點。干沉降樣品利用內徑為20 cm的玻璃集塵缸進行采集，每月采集一次，濕沉降采用聚乙烯塑料桶（口徑50 cm、高30 cm）收集，每次降雨或降雪后進行采集。所有采集到的樣品進行冷凍處理，送回實驗室后對總氮和硝態氮、銨態氮進行測定[5]。干、濕沉降通量計算公式如下[6-7]：

Id=C×Vf×s（2）

IW=（P×C/100）（3）

式中，Id為大氣氮干沉降通量（kg/km2）;V為干沉降提取液體積（L）;C為氮沉降濃度（mg/L）;s為集塵缸的面積（cm2）;f為采樣時間系數。IW為大氣氮濕沉降通量（kg/km2）;P為每個月的降雨量（mm）。

1.2.2 化肥施用。通過查閱《清原縣統計年鑒》（2017年），研究區施用的含氮元素肥料僅有氮肥和復合肥2種，并且尿素的施用量遠大于復合肥的施用量，根據我國化肥折純率得到，尿素的折純率為46%，復合肥的折純率為18%[8]。根據統計年鑒中不同化肥的施用量與其相應的折純率，通過公式（4）計算出化肥施用的N素總量。

F=（A×Xi）（4）

式中，F為化肥N素折純量（kg）;A為折純率;Xi為i類化肥總量（kg）。

1.2.3

土壤氮礦化量。根據質量平衡方程中氮礦化估算方法，先確定各土地利用類型的氮礦化系數，其中森林的氮礦化系數為12.57 kg/（hm2·a），耕地的氮礦化系數為4.12 kg/（hm2·a）[9]。面積與礦化系數之積即為土壤礦化量，土壤礦化量受溫度影響較大，因此各個季節的氮礦化量不盡相同，春季、夏季、秋季、冬季的氮礦化系數比為2∶5∶2∶1[10]。土壤礦化量計算公式如下：

M =（I×S）（5）

式中，M為土壤礦化量（kg）;I為礦化系數[kg/（hm2·a）];S為土地類型面積（hm2）。

安徽農業科學2022年

1.2.4

氨揮發量。通過查閱國內外氨估算方法并參考我國發行的《大氣氨源排放清單編制技術指南》對研究區的氨揮發量進行估算[11-12]，計算公式如下：

E=（Ai×EFi）（6）

式中，E為氨揮發量（kg）;Ai為i種氨的揮發量（kg）;EFi為氨揮發類型EFi排放因子。根據《大氣氨源排放清單編制技術指南》相關系數計算，林地排放因子為0.02 g/（m2·a）[13];尿素排放因子為20.85%;復合肥排放因子為4%;生物質燃燒排放因子為1.32 g/（kg·a）;人體排放因子0.787 kg/（a·人）;土地本底排放因子為1.8 kg/（hm2·a）[14]。

1.2.5

反硝化通量。根據質量平衡方程指南手冊中的推薦值和研究區的氣候特征，結合與遼東地區相關的研究結果，確定林地、旱田、水田的反硝化系數分別為1.95、9.10、12.70[15]。土壤反硝化在季節上變化較為明顯，春季、夏季、秋季、冬季的權重分別為0.45、0.15、0.30、0.10。反硝化通量計算公式如下：

D=（A×Si）（7）

式中，D為反硝化通量（kg）;Si為i類土地利用類型的土地面積（hm2）;A為反硝化系數。

1.2.6 植物吸收量。氮輸出的重要環節是植物吸收，不同土地利用類型的植物吸收氮素系數分別為森林8.4 kg/hm2、水田9.5 kg/hm2、旱田25.0 kg/hm2[16]。根據研究區的氣候條件，植物生長發生在春季、夏季和秋季，植物吸收量在這3個季節的占比分別為0.25、0.60和0.15。通過植物吸收系數計算植被吸收的N素總量，并按照比重分配給各個季節，具體計算公式如下：

U=（a×Si）（8）

式中，U為植物吸收的N素總量（kg）;Si為i類植被的土地面積（hm2）;a為植物吸收系數。

2 結果與分析

2.1 流域土地利用

清原流域土地總面積為2 231.86 km2，其中林地面積占比最大（表1），水系較為豐富。從土地利用的空間分布（圖2）來看，森林是整個流域的基底，農田和建設用地分布于干流和各級支流的兩側溝谷地帶。

2.2 流域氮盈余

利用質量平衡方程分別從流域鄉鎮分布和土地利用類型2個方面對氮收支進行計算和空間表達，結果發現（表2），整個流域的氮輸入總量為15 492.02 t，其中化肥的施用占氮輸入總量的49%，為7 583.54 t，是流域內氮輸入的主要途徑，氮沉降3 851.52 t，占25%，氮礦化4 056.96 t，占26%;氮輸出總量為6 305.67 t，其中植物吸收2 615.95 t，氨揮發3 059.53 t，土壤反硝化630.19 t，氨揮發和植物吸收兩者占總輸出量的90%;氮盈余總量為9 186.45 t，占氮輸入總量的59%，流域氮盈余量均值為38.65 t。從總體上看，流域的氮盈余量較高。

2.3 鄉鎮氮盈余量分布

根據各鄉鎮分區盈余量數據（表2）和季節權重，利用ArcGIS反距離權重插值法得到各個鄉鎮4個季節的氮盈余量空間分布圖（圖3）。從總體上看，研究區渾河中部干流一帶的盈余量相對較大，呈現出中部向周圍逐漸遞減的趨勢，東南區域的氮盈余量相對較小，敖家堡鄉和英額門鎮除秋季中等外，其他季節的氮盈余量都較高，這2個鄉鎮農田面積比重大、農業活動較多，畜禽散養和化肥的管理應該受到關注。同一鄉鎮在不同季節的氮盈總體上來看春季>夏季>秋季>冬季。

整個流域的氮盈余總量為9 186.45 t，9個鄉鎮中氮盈余總量較多的有清原鎮、南口前、英額門，敖家堡、構乃甸和紅透山的氮盈余總量較小。同一鄉鎮不同季節之間的氮盈余量差異也很大，主要由于耕地占比、化肥施用以及人為活動等因素導致，總體上呈現出春季>夏季>秋季>冬季的趨勢。

流域主要的氮輸入方式是化肥施用，占49%，施用氮肥為尿素和復合肥，氮肥輸入量7 583.54 t，氮肥輸入量相對較高的鄉鎮有灣甸子、清原鎮、英額門和南口前，氮肥輸入量較低的鄉鎮有敖家堡、紅透山和大蘇河。土壤氮礦化也是氮輸入的方式之一，灣甸子和南口前的鄉鎮面積均超過了30 000 hm2，面積較大于其他鄉鎮，氮礦化總量也相對較大，灣甸子和南口前2個鄉鎮的的面積雖相近，但灣甸子森林面積較大，因此氮礦化量與南口前相差較多。

流域主要的輸出方式是氨揮發和植物吸收，占90%。氨揮發總量為3 059.53 t，氨揮發總量最高的鄉鎮是英額門鎮。氨揮發占比較大的是施肥排放和畜禽排放，兩者占總揮發的93%。研究區森林和農田面積較大，植物和農作物的生長期主要在春夏季。由于植被豐富和耕地面積較大，導致英額門、南口前、灣甸子、清原鎮4個鄉鎮的植物吸收量高于其他幾個鄉鎮。

2.4 各土地利用類型氮盈余及其時空分布

計算流域各土地利用類型的氮盈余量，通過對肥料、氮沉降、氮礦化、氨揮發、反硝化、植物吸收6種參數各季節的權重計算，得到不同土地利用類型的四季氮盈余量（表3），運用ArcGIS屬性賦值和空間制圖得到氮盈余4個季節空間分布圖（圖4）。從圖4可以看出，林地的氮盈余情況總體偏低，春季、夏季旱田和水田的氮盈余明顯高于其他土地利用類型，秋冬季的氮盈余主要來自建設用地和旱田。

從土地利用類型上來看，旱田和水田是氮盈余主要的土地類型，且秋冬季的盈余量明顯小于春夏季，是由于該地區氮輸入的主要來源為化肥施用。

在春夏兩季旱田和水田的氮盈余明顯高于林地和建設用地，主要由于耕地施肥和濕沉降，濕沉降主要發生在夏季，夏季溫度升高且降雨較多，農業生產中施用的化肥中的氨氣和畜禽養殖中產生的氨氣更容易揮發到大氣中，再通過降雨返回到地表。秋冬兩季的氮盈余主要來自建設用地和旱田。由于秋冬季的降雨和降雪相對減少，人類活動、秋季秸稈燃燒和冬季農村的生物質燃燒以及城市供暖產生的大量有機氮和氧化物質大部分以干沉降的方式返回地表。渾河清原流域主要以森林景觀為主，近幾十年通過關閉污染型企業和截封排污口等一系列環境整治措施，點源污染已經得到很好的控制，但該區域農村居民點較多，農田面積大，人類活動、施肥、畜禽養殖等非點源污染成為主要的污染方式，導致流域內氮素盈余。但與其他地區相比（表4），該流域氮盈余量處于較低的水平。

該研究區與其他流域研究區域主要的輸入氮源都直接與農田相關，化肥已成為最大的氮源，因此加強農田氮素的管理是非常必要的。

經濟發達程度對氮污染也有很大影響，該研究區處于水源保護區，森林景觀面積大，且以農業種植和畜牧養殖為主，相比于其他研究區，經濟發展較為緩慢，沒有工業污染源，氮輸入量相對處于較低水平。與其他的國內流域研究區相比，該研究區的氮盈余水平相對較低，對環境影響較小，但該流域作為大伙房水庫飲用水源的集水區，通過退耕還林、分散源污染控制、測土施肥等措施進一步改善水源保護區的水質還是很必要的，另外，如何在限制工業與城鎮開發和保護生態環境的背景下轉變經濟發展方式、創新生態補償機制、提升當地居民的收入水平是急需研究和解決的環境與經濟協調發展的問題。

3 結論與討論

（1）清原流域氮輸入總量為15 492.02 t，氮輸出總量為6 305.67 t，氮盈余總量為9 186.45 t。在氮的輸入方面，清原流域最主要的氮源是化肥，占總輸入量的49%，氮沉降和氮礦化分別占25%和26%，氮源分布的地區差異較大。在氮的輸出中，氨揮發和植物吸收兩者占總輸出量的90%。氮盈余約占氮輸入總量的59%，分布在大氣、植物秸稈、土壤中，隨著徑流進入水體后，對流域造成污染。

（2）由于清原流域內各鄉鎮的土地面積、土地利用類型、耕地、林地等自然因素和人口密度等差異，在季節和時空分布上，不同地區單位面積的氮盈余也存在較為顯著的差異，春夏季的盈余量較高，秋冬季的盈余量較低;從空間分布上看，相對于其他地區，流域兩岸和耕地面積較大的地區氮盈余量較高。

（3）通過調查整個清原流域的畜禽養殖和化肥施用量很大，從而增加了氨排放量。因此，加強農田氮素管理、重視人畜排泄物等有機肥的利用、對動物排泄物進行資源化處理是減少氮污染的有效途徑，同時引進先進的技術，對作物秸稈進行處理生成有機肥，加強畜禽糞便有效利用的同時減少焚燒秸稈對環境造成的污染。

（4）渾河上游生態環境相對優良，但經濟發展和人民生活水平較低，如何協調二者之間的關系，維護區域的可持續發展是未來急需深入研究的問題之一。

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