湛江灣區(qū)域氮收支估算

孟亞飛，陳法錦，肖　波，曾　珍

（廣東海洋大學(xué) //廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088）

湛江灣區(qū)域氮收支估算

孟亞飛，陳法錦，肖波，曾珍

（廣東海洋大學(xué) //廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088）

利用2010年湛江灣區(qū)域的自然條件、人口、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)保等基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)對(duì)該區(qū)域氮的收支進(jìn)行估算，分析其產(chǎn)生原因和環(huán)境影響。結(jié)果表明，2010年湛江灣區(qū)域氮的輸入總量為53 718.55 t，各氮源按輸入量大小排序?yàn)榛实?、人畜排泄物氮、大氣沉降氮、農(nóng)田自身固氮、作物殘?bào)w氮、農(nóng)田共生固氮和工業(yè)廢水氮；區(qū)域氮輸出量為44 536.75 t，其中34.12%由水體輸送到湛江灣，33.53%通過(guò)反硝化和17.13%經(jīng)揮發(fā)進(jìn)入大氣，作物收獲氮帶走了剩余的 15.22%；盈余氮量 9 181.80 t儲(chǔ)存于區(qū)域內(nèi)。湛江灣區(qū)域氮負(fù)荷為 249.99 kg·hm-2·a-1，陸地氮通量為200.11 kg·hm-2·a-1，遠(yuǎn)高于北江流域、珠江三角洲地區(qū)，僅稍低于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江三角洲地區(qū)。

湛江灣；氮收支；氮負(fù)荷；陸地氮通量

氮是生物所必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是限制生物生產(chǎn)力的一種重要元素［1-4］。自然條件下，生態(tài)系統(tǒng)僅靠生物、微生物或閃電過(guò)程將 N2固定成可以被生物利用的氮?dú)浠虻趸衔?，稱為自然來(lái)源。由化學(xué)合成、化石燃料燃燒產(chǎn)生的NOX、人為擴(kuò)種固定的氮（如種植豆科作物和水稻）稱為人為來(lái)源。工業(yè)革命以來(lái)，人為來(lái)源氮輸入環(huán)境的量急劇上升［1-2，5-8］，已由1860年的約15 Tg·a-1，增加到1990年的約140 Tg·a-1，并預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到267 Tg·a-1，幾乎是1990年的2倍［9-10］。日益增加的氮對(duì)全球氮循環(huán)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響并引發(fā)了廣泛的環(huán)境問(wèn)題：大氣污染、N2O等溫室氣體排放增加、森林退化、土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化和生物多樣性減少等［1，5-6，11-15］，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了極大影響。

量化和評(píng)估一個(gè)區(qū)域的氮收支，對(duì)于有效控制該地區(qū)的氮排放，科學(xué)管理氮循環(huán)非常重要。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在此方面的研究已取得一定成果，Galloway和 Howarth［8，11］分別對(duì)全球和北大西洋沿岸地區(qū)的氮收支的估算；邢光熹等［13，16-19］對(duì)中國(guó)及三大河流（黃河、長(zhǎng)江、珠江）、太湖等區(qū)域氮收支進(jìn)行了評(píng)估；沈志良等［15］和鄧美華等［2］分別對(duì)長(zhǎng)江流域和長(zhǎng)江三角洲氮收支進(jìn)行了估算，郭勁松，劉京等［20-21］對(duì)三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地小流域氮收支的估算，陳法錦等［5］對(duì)北江流域氮收支的估算，謝麗純等［4］對(duì)珠江三角洲氮收支演變的研究等。目前，對(duì)區(qū)域氮收支的估算大多集中于河流流域，對(duì)海灣區(qū)域的估算還鮮有研究。鑒于此，本文選取典型海灣地區(qū)——湛江灣區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，獲取氮收支參數(shù)來(lái)估算湛江灣區(qū)域氮的輸入、輸出量，分析氮污染的來(lái)源，產(chǎn)生原因和對(duì)環(huán)境的影響，以期為海灣區(qū)域氮素污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)域概況

湛江灣區(qū)域位于廣東省西部，雷州半島東北側(cè)。海灣呈南北走向，周邊沿岸有赤坎、霞山、麻章、坡頭、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)（含東海島）5個(gè)市轄區(qū)及遂溪縣北部區(qū)域（圖1），大半?yún)^(qū)域?qū)僬拷袇^(qū)。湛江灣區(qū)域處于北回歸線以南的低緯地區(qū)，終年受季風(fēng)和海洋影響，形成了獨(dú)特的熱帶海洋性季風(fēng)氣候。它具有氣溫高，夏季長(zhǎng)，無(wú)寒冬，濕度大，風(fēng)力不大但季風(fēng)明顯等特征。

根據(jù)湛江統(tǒng)計(jì)年鑒2011［22］（本文數(shù)據(jù)除有說(shuō)明外均來(lái)源于湛江統(tǒng)計(jì)年鑒 2011）和廣東統(tǒng)計(jì)年鑒2011［23］，2010年湛江市及湛江灣區(qū)域部分基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，2010年廣東省部分基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖1　湛江灣區(qū)域地理位置Fig.1　Location of the Zhanjiang Bay area

表1　2010年湛江市及湛江灣區(qū)域部分基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 1　Selected basic statistics data of Zhanjiang and Zhanjiang Bay area in 2010

表2　2010年廣東省部分基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 2　Selected basic statistics data of Guangdong province in 2010

遂溪河從馬安鄉(xiāng)坑口村入遂溪縣境，從北向南流經(jīng)分界、牛路、西溪、新橋、官湖、林東，于黃略鎮(zhèn)石門(mén)五里港注入湛江港。經(jīng)計(jì)算遂溪縣有約20%的國(guó)土面積屬于湛江灣區(qū)域，故工業(yè)產(chǎn)值、耕地面積按20%計(jì)算（下文該地區(qū)計(jì)算參數(shù)亦按此比例），人口數(shù)據(jù)來(lái)自當(dāng)?shù)卣W(wǎng)站。

2　湛江灣區(qū)域氮收支估算方法

氮的收支過(guò)程可分為輸入、輸出以及盈余。氮的輸入來(lái)源可分為人為來(lái)源和自然來(lái)源［16-18］：人為來(lái)源包括化肥，農(nóng)田自身、共生固定，人畜排泄物，工業(yè)廢水，大氣沉降，作物殘?bào)w和進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品帶入；自然來(lái)源包括自然陸地和雷電過(guò)程。氮的輸出包括反硝化、氨氮揮發(fā)、水體輸出、作物收獲和農(nóng)產(chǎn)品出口。氮盈余量=氮輸入量-氮輸出量。

2.1氮的輸入

氮的各輸入來(lái)源中，進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品輸入氮所占比例很小，參照鄧美華［2］、Xing［16］等的處理方法，本文不考慮該部分氮。此外，全球范圍內(nèi)通過(guò)閃電產(chǎn)生的氮僅占陸地生態(tài)系統(tǒng)固定氮的 2%左右［10］，在以往的氮估算研究中學(xué)者都沒(méi)有把這部分氮估算在內(nèi)，故本文也不考慮閃電作用的固氮量。因此，氮的輸入量=化肥氮+農(nóng)田自身固氮+農(nóng)田共生固氮+人畜排泄物氮+工業(yè)廢水氮+大氣沉降氮+作物殘?bào)w氮。

1）化肥氮：由2010年湛江市各區(qū)氮肥、復(fù)合肥的施用量及其各自平均含氮比例折算。根據(jù)鄧美華等［2］的研究，復(fù)合肥的平均含氮比例為60%。

2）農(nóng)田自身固氮：旱地和水田的固氮參數(shù)分別為15 kg·hm-2·a-1和45 kg·hm-2·a-1［2，4，5］，再根據(jù)2010年湛江灣區(qū)域耕地中旱地與水田的面積進(jìn)行計(jì)算（水澆地視作水田）。

3）農(nóng)田共生固氮：固氮作物主要有大豆，花生等，固氮量=種植面積×固氮率。根據(jù)花生和大豆的固氮率，分別為 112 kg·hm-2·a-1和 105 kg·hm-2· a-1［5，24］，再由兩者的種植面積進(jìn)行計(jì)算。

4）人畜排泄物氮：人排泄物氮為4 kg·a-1·人-1，豬、牛、羊、家禽的排泄物氮分別為8、42、7、0.6 kg·a-1·頭-1［17，18］，乘以相應(yīng)的數(shù)量即可得排泄物氮輸入量。由 2010年湛江統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可直接得到湛江灣區(qū)域常住人口數(shù)和豬、牛、羊的存欄數(shù)；家禽數(shù)量由各區(qū)禽蛋產(chǎn)量占全市總產(chǎn)量的比例乘以全市家禽存欄數(shù)得出。

5）工業(yè)廢水氮：工業(yè)廢水以100%排入水體計(jì)算［5］，由湛江灣區(qū)域規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值占廣東省規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值的比例乘以廣東省 2010年排放的工業(yè)廢水中氨氮總量計(jì)算。

6）大氣沉降氮：2010年湛江市年均降水量為1 630.9mm［22］。以2010年雷州半島雨水含氮數(shù)據(jù)（NO3--N:0.87 mg·L-1，NH4+-N:1.11 mg·L-1）代表湛江灣區(qū)域降水含氮濃度［25］。大氣沉降氮量=區(qū)域面積×年降水量×氮濃度。

7）作物殘?bào)w氮：作物殘?bào)w約有 38%會(huì)以肥料的形式重新回到農(nóng)田中［16］。由于統(tǒng)計(jì)年鑒中給出的僅為作物食用部分的產(chǎn)量，因此在計(jì)算作物殘?bào)w部分產(chǎn)量時(shí)參考?xì)報(bào)w部分/食用部分的經(jīng)驗(yàn)比值，先計(jì)算出相應(yīng)作物殘?bào)w部分的產(chǎn)量，然后再根據(jù)不同作物不同部位的平均含氮量（表3）［2，4］來(lái)計(jì)算該部分所含的氮量；公式：作物產(chǎn)量×（莖葉/種子質(zhì)量比）×莖葉（秸稈）氮含量×38%。

表3　各類農(nóng)作物不同部分氮含量及其質(zhì)量比［2，4］Table 3　Nitrogen concentration in different crops and the ratios of stems/seeds

2.2氮的輸出

湛江灣區(qū)域氮輸出的主要途徑有反硝化、氨氮揮發(fā)、作物收獲、水體輸出和農(nóng)產(chǎn)品出口［2，4，5，10］，其中 1995年中國(guó)農(nóng)畜產(chǎn)品出口輸出氮約為 0.11 Tg·a-1，占總輸出的 0.3%［16］，農(nóng)產(chǎn)品出口帶走的氮比例很小，參照鄧美華［2］的處理方法，本文忽略不計(jì)。

1）反硝化氮量：謝麗純等［4］研究珠三角地區(qū)氮收支時(shí)采取了 20%的轉(zhuǎn)換參數(shù)，Xing等［16］報(bào)道的珠江流域反硝化參數(shù)（指反硝化細(xì)菌在缺氧條件下將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2或N2O的效率）介于16%～25%之間，陳法錦等［5］對(duì)北江流域反硝化程度的估算值約為27.8%。本文考慮到湛江灣區(qū)域與珠江、北江流域同處亞熱帶，僅相隔300多公里，故采用陳法錦等的反硝化率（27.8%）來(lái)估算湛江灣區(qū)域反硝化氮量。

2）揮發(fā)氮量：氨氮揮發(fā)分為人畜排泄物氮揮發(fā)和化肥氮揮發(fā)。根據(jù) Xing等［16］的研究，人畜排泄物氨氮揮發(fā)系數(shù)為0.20，水田、旱地的化肥氨氮揮發(fā)系數(shù)分別為0.25和0.09。

3）作物收獲氮量：作物收獲部分氮包括作物食用部分氮和作物殘?bào)w氮（非食用部分）。參照鄧美華［2］、謝麗純［4］的處理方法，由表3的作物殘?bào)w與食用部分產(chǎn)量比值和不同類型作物不同部位平均含氮量對(duì)作物收獲氮分開(kāi)計(jì)算（作物非食用部分約有62%被收獲）。

4）水體輸出氮量：根據(jù)Xing等［16］的估算，化肥氮，農(nóng)田自身固氮，農(nóng)田共生固氮和工業(yè)廢水氮約30%的量會(huì)經(jīng)由水體輸出而流失；人類每年產(chǎn)生的廢棄物排入水體損失的氮量約3.3 kg/人；而對(duì)于禽畜廢棄物排入水體損失的氮量因缺乏有效數(shù)據(jù)不計(jì)算在內(nèi)。

3　結(jié)果分析

按上述方法對(duì) 2010年湛江灣區(qū)域氮的輸入與輸出進(jìn)行估算，得出湛江灣區(qū)域氮的收支情況，見(jiàn)表4。

表4　2010年湛江灣區(qū)域氮輸入和輸出估算Table 4　Nitrogen input and output budget of Zhanjiang Bay area in 2010

3.1湛江灣區(qū)域各來(lái)源氮的輸入量及產(chǎn)生原因

從表4、圖2可以看出，2010年湛江灣區(qū)域氮的輸入總量為5 3718.55 t；各氮源的貢獻(xiàn)依次為：化肥氮、人畜排泄物氮、大氣沉降氮、農(nóng)田自身固氮、作物殘?bào)w氮、農(nóng)田共生固氮和工業(yè)廢水氮，這一估算結(jié)果與其他農(nóng)業(yè)區(qū)域得出的結(jié)論相似［2，4，5］，這與當(dāng)前我國(guó)工農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀以及人口分布等情況是密不可分的。

1）化肥氮的貢獻(xiàn)達(dá)到了49.00%，再加上農(nóng)田自身和共生固氮以及作物殘?bào)w氮，與農(nóng)業(yè)活動(dòng)相關(guān)的氮源就貢獻(xiàn)了氮輸入總量的55.79%，這與湛江灣區(qū)域以農(nóng)業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖2　2010年湛江灣區(qū)域各氮源貢獻(xiàn)比例Fig.2　Each nitrogen source proportion of the Zhanjiang Bay area in 2010

2）人畜排泄物氮占了氮輸入量的31.04%，其中195.73萬(wàn)常住人口排泄物含氮量7 829.20 t，牲畜排泄物含氮量為8 847.12 t。究其原因可能是湛江市區(qū)人口眾多，對(duì)肉、蛋等的需求量大，刺激了該區(qū)域畜牧業(yè)的發(fā)展。

3）大氣沉降氮也占了很大的比例，可能是由于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展以及工業(yè)大發(fā)展；再加上農(nóng)田水體的反硝化、氨氮揮發(fā)等，大量含氮化合物排入大氣。

4）對(duì)于氮輸入貢獻(xiàn)量最小的工業(yè)廢水氮，原因可能是該區(qū)域工業(yè)發(fā)展水平還很低和廢水處理達(dá)標(biāo)率較高。湛江灣區(qū)域占了湛江市國(guó)土面積的16.25%，但該地區(qū)排放的工業(yè)廢水占了全市排放工業(yè)廢水總量的73.76%。

3.2湛江灣區(qū)域氮負(fù)荷及陸地氮通量

為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)湛江灣區(qū)域氮輸入強(qiáng)度，對(duì)其氮負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，即單位國(guó)土面積接受的全部氮量。由表1、表4計(jì)算得2010年湛江灣區(qū)域氮負(fù)荷為249.99 kg·hm-2·a-1，遠(yuǎn)高于1995年全國(guó)平均值（約64 kg·hm-2·a-1）［16］和北江流域 2006年平均值（約84.61 kg·hm-2·a-1）［5］，也高于珠江三角洲2010年平均值（190.65 kg·hm-2·a-1）［4］，但低于2002年長(zhǎng)江三角洲的值（約291 kg·hm-2·a-1）［2］。這可能與湛江灣區(qū)域以農(nóng)業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)（29.02%）有關(guān)，而2006年北江流域?yàn)?1.01%，2010年珠三角地區(qū)為24.16%，2002年長(zhǎng)江三角洲為33.86%。

此外，為評(píng)估氮對(duì)環(huán)境的影響強(qiáng)度，1996年Howarth［8］提出了陸地氮通量的概念，即單位面積每年施用化肥氮與人畜排泄物氮的總和。2010年湛江灣區(qū)域陸地氮通量為200.11 kg·hm-2·a-1，原因可能是湛江灣區(qū)域粗放式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)度施用化肥，農(nóng)村大規(guī)模的畜牧養(yǎng)殖以及環(huán)灣城區(qū)高密度的人口。在其他學(xué)者的研究中，中國(guó)陸地氮通量從新中國(guó)成立初期的約6 kg·hm-2·a-1持續(xù)增長(zhǎng)至1999年的近45 kg·hm-2·a-1［2］；謝麗純計(jì)算的 2010年珠三角地區(qū)的平均陸地氮通量為120.39 kg·hm-2·a-1［4］；鄧美華估算的2002年長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的陸地氮通量平均為224 kg·hm-2·a-1［2］。 由此可見(jiàn)，湛江灣區(qū)域的陸地氮通量已處于較高的水平。

3.3湛江灣區(qū)域氮輸出估算及其環(huán)境影響

由圖3可以看出，2010年水體輸出氮最多，這是由于湛江灣區(qū)域處于亞熱帶地區(qū)，雨水充沛，大量農(nóng)田淋洗損失的氮進(jìn)入了河流。同時(shí)亞熱帶的高溫氣候也為農(nóng)田、水體的反硝化提供了條件，因此該區(qū)域反硝化氮量也很大。氨氮揮發(fā)量大的原因可能是湛江灣區(qū)域大的化肥施用量和發(fā)達(dá)的畜牧業(yè)。作物收獲輸出氮量最小，可能是由于作物大多被人畜消耗，產(chǎn)物又返回農(nóng)田或進(jìn)入水體中。

圖3　2010年湛江灣區(qū)域氮輸出量（t）及其比例Fig.3　The nitrogen output and proportion of Zhanjiang Bay area in 2010

2010年湛江灣區(qū)域氮的盈余量為9 181.80 t，占氮輸入總量的 17.09%。單位面積盈余氮量為42.73 kg·hm-2·a-1，低于珠三角地區(qū)（約51.92 kg·hm-2·a-1）［4］。這些盈余氮儲(chǔ)存于區(qū)域內(nèi)的土壤、植被和水體中。需要指出的是由于缺少相應(yīng)參考資料及數(shù)據(jù)，本文沒(méi)有計(jì)算出口農(nóng)產(chǎn)品等其他形式的氮輸出量，因此氮輸出量相比實(shí)際輸出量要偏低，盈余則偏高。

4　結(jié) 論

1）湛江灣區(qū)域氮的輸入主要以化肥氮（49.00%），人畜排泄物氮（31.04%），大氣沉降氮（12.92%）為主；氮的輸出方面，44 536.75 t輸出氮中34.12%由水體輸送進(jìn)入湛江灣，33.53%通過(guò)反硝化和17.13%經(jīng)由揮發(fā)進(jìn)入大氣，剩余的15.22%被作物收獲帶走；盈余的9 181.80 t氮?jiǎng)t儲(chǔ)存在區(qū)域內(nèi)。

2）湛江灣區(qū)域氮負(fù)荷為249.99 kg·hm-2·a-1，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平；陸地氮通量為200.11 kg·hm-2· a-1，僅稍微低于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)；單位面積氮盈余量為42.73 kg·hm-2·a-1；這些都充分說(shuō)明當(dāng)前湛江灣區(qū)域面臨嚴(yán)峻的潛在風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)湛江灣區(qū)域的氮污染已處于較嚴(yán)重程度，如不及時(shí)采取對(duì)策必將威脅湛江的水產(chǎn)養(yǎng)殖等海洋產(chǎn)業(yè)，危及該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和區(qū)域的生態(tài)平衡。

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（責(zé)任編輯：任萬(wàn)森）

Nitrogen Budgets of the Zhanjiang Bay Area

MENG Ya-fei，CHEN Fa-jin，XIAO Bo，ZENG Zhen
（Guangdong Ocean University //Guangdong Province Key Laboratory for Coastal Ocean Variation and Disaster Prediction Technologies，Zhanjiang 524088，China）

Based on the basic statistical data of the natural conditions，population，agriculture，industry，environmental protection and related parameters in 2010，the nitrogen budgets of the Zhanjiang Bay area was estimated，and its environmental effects was discussed.The results indicate that total nitrogen input to the Zhanjiang Bay area in 2010 was 53718.55 tons.Nitrogen source come from fertilizer nitrogen，human and animal excreta，atmospheric deposition，farmland fixing，crop.residues，farmland symbiotic fixation and industrial wastewater.The regional nitrogen output quantity was 44536.75 tons.34.12% of the total nitrogen was transported into the Zhanjiang Bay through river，while 33.53% of the input was emitted by denitrification and 17.13% by volatilization，the remaining 15.22% nitrogen was went away by crop harvesting.About 9181.80 tons nitrogen was stored within the area.The nitrogen loading of the Zhanjiang Bay area was 249.99 kg·hm-2·a-1and the terrestrial nitrogen flux 200.11 kg·hm-2·a-1，which was much higher than that of Beijiang River Basin，the Pearl River Delta region，only slightly lower than that of the Yangtze River Delta region.

Zhanjiang Bay； nitrogen budget； nitrogen loading； nitrogen flux on land

P717

A

1673-9159（2015）01-0076-06

2014-09-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41476066）；國(guó)家海洋局第二海洋研究所開(kāi)放基金（LMEB201404）；廣東海洋大學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（C13437）；廣東海洋大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（1312155）

孟亞飛（1990-），男，碩士研究生，主要從事海洋生物地球化學(xué)方面的研究。E-mail：mengyafei199001@sina.com

陳法錦，男，副教授，E-mail：fjchen04@163.com