小流域不同土地利用類型氮素平衡特征

王煥曉,王曉燕,2①,杜 伊,李雨芯

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048;2.首都師范大學(xué)首都圈水環(huán)境研究中心,北京 100048)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,受過(guò)量施肥、集約化畜禽養(yǎng)殖和大量化石燃料燃燒等人類活動(dòng)的影響,全球活性氮排放大幅增加[1]。當(dāng)高負(fù)荷氮輸入超過(guò)脆弱陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮吸收和儲(chǔ)存容量時(shí),超出的氮主要通過(guò)地下水、河流和大氣沉降等途徑轉(zhuǎn)移到水體中,給水生生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)巨大的環(huán)境壓力,嚴(yán)重破壞了自然界中氮循環(huán)平衡,從而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此,有關(guān)氮平衡破壞帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

利用養(yǎng)分平衡法量化和評(píng)估氮收支是了解流域尺度上氮素循環(huán)的主要途徑,也為土地養(yǎng)分管理和流域水環(huán)境保護(hù)提供重要依據(jù)。針對(duì)不同尺度研究區(qū)域的氮平衡及環(huán)境問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了廣泛研究,包括全球尺度、區(qū)域尺度、流域尺度、地區(qū)尺度和農(nóng)田尺度[2-5]。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)于區(qū)域氮素平衡已有了深入研究,但由于受地理位置、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的制約,因估算方法中所用參數(shù)不同而導(dǎo)致不同區(qū)域尺度下氮平衡計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。目前,我國(guó)關(guān)于區(qū)域氮素平衡的研究工作多集中于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)[6-7],研究?jī)?nèi)容包括氮素收支的過(guò)程、機(jī)制與環(huán)境效應(yīng),并取得了顯著進(jìn)展。閆瑞等[8]通過(guò)建立養(yǎng)分收支模型對(duì)黃土高原農(nóng)田氮素平衡開展研究,認(rèn)為化肥氮輸入是氮素的主要來(lái)源,作物收獲是氮素輸出的主要方式,且流域氮素輸入的1/3沒有得到充分利用,滯留在流域內(nèi)。杜偉等[3]對(duì)長(zhǎng)三角稻區(qū)氮平衡的研究,也得出基本相似的結(jié)論。如果以土地利用類型為統(tǒng)計(jì)單元對(duì)小尺度流域氮素收支進(jìn)行估算,那么可以對(duì)流域氮素的輸入、輸出過(guò)程進(jìn)行更為細(xì)致的探討,這對(duì)于指導(dǎo)流域土地利用規(guī)劃、養(yǎng)分管理和非點(diǎn)源污染的科學(xué)防控具有切實(shí)可行的重要意義。基于此,筆者以密云水庫(kù)上游蛇魚川小流域5種土地利用類型為研究對(duì)象,利用養(yǎng)分收支模型,定量分析氮素在不同土地利用類型中的收支變化及盈余,針對(duì)流域養(yǎng)分優(yōu)化管理提出建議。

1 研究區(qū)概況

蛇魚川小流域毗鄰北京市密云水庫(kù),地理位置為北緯40°35′～40°39′,東經(jīng)116°47′～116°57′,流域面積為26.40 km2;屬于白河水系,蛇魚川河直接注入密云水庫(kù),小流域跨密云水庫(kù)一級(jí)和二級(jí)水源保護(hù)區(qū);隸屬于密云區(qū)石城鎮(zhèn),轄2個(gè)行政村、13個(gè)自然村。地勢(shì)西北高，東南低,海拔為135～980 m,相對(duì)高差為845 m,大部分為山區(qū),山地面積占總面積的2/3以上;氣候類型為暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候,四季分明,冬季寒冷干燥,夏季濕熱多雨;流域多年平均降水量為625 mm,75%集中在6—9月;該流域土壤以褐土為主,質(zhì)地松散,保水性差,容易發(fā)生土壤侵蝕;蛇魚川小流域土地利用以生態(tài)林地(21.28 km2)為主,占流域總面積的80%,經(jīng)濟(jì)林(3.38 km2)以板栗和核桃為主,占總面積的12%。耕地(0.48 km2)主要農(nóng)作物為玉米,其面積約占總面積的2%。流域居民區(qū)面積為0.15 km2,人口共計(jì)1 070人,其中,勞動(dòng)力人口為897人;畜禽養(yǎng)殖為規(guī)?；B(yǎng)殖(0.04 km2),其面積占流域總面積的0.15%。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以蛇魚川小流域5種土地利用類型為研究單元,2011年12月對(duì)研究區(qū)每個(gè)自然村的社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況進(jìn)行隨機(jī)抽樣調(diào)查。每村抽樣農(nóng)戶數(shù)約占農(nóng)戶總數(shù)的10%。收集的資料包括:(1)家庭基本情況(人口數(shù)量等);(2)每戶化肥和有機(jī)肥施用量(包括化肥施用類型,施肥時(shí)間、頻率);(3)農(nóng)作物種植面積、種類及產(chǎn)量;(4)畜禽種類及出售和自己消費(fèi)的數(shù)量,飼料消耗量(該區(qū)畜禽養(yǎng)殖均選用成品飼料);(5)畜禽糞便處理情況(有機(jī)肥、直排)。各村實(shí)際人口數(shù)量來(lái)自于石城鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)年鑒;生活垃圾產(chǎn)生量則依據(jù)筆者所在課題組對(duì)該流域的相關(guān)研究結(jié)果獲取;最后,對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一匯總及分析。根據(jù)調(diào)查戶數(shù)和小流域?qū)嶋H總戶數(shù)比例折算小流域總值。

2.2 模型的建立

根據(jù)氮平衡量的定義和物質(zhì)守恒原理,系統(tǒng)內(nèi)氮素輸入與輸出的差值稱為氮平衡量。當(dāng)?shù)剌斎胄∮谳敵鰰r(shí),氮平衡量為負(fù)值,系統(tǒng)氮素表現(xiàn)為虧損狀態(tài);當(dāng)?shù)剌斎氪笥谳敵鰰r(shí),氮平衡量為正值,系統(tǒng)氮素表現(xiàn)為盈余狀態(tài),此時(shí),氮平衡量也稱氮盈余量。

根據(jù)蛇魚川小流域2011年實(shí)際調(diào)查結(jié)果和區(qū)域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),結(jié)合流域土地利用數(shù)據(jù),以小流域內(nèi)5種土地利用類型為研究單元,確定氮素在不同土地利用類型中的輸入與輸出項(xiàng)目。氮輸入包括化肥輸入氮、人畜糞便返田氮、固氮、大氣沉降氮、食品飼料輸入氮、新生幼崽輸入氮,氮輸出包括作物收獲氮、反硝化脫氮、氨揮發(fā)脫氮、徑流損失以及淋失損失、畜禽產(chǎn)品輸出氮、生活垃圾輸出氮等。建立的氮素平衡模型見圖1。

圖1 不同土地利用類型氮素平衡模型框架

通過(guò)對(duì)區(qū)域中氮素輸入項(xiàng)與輸出項(xiàng)的核算,利用計(jì)算結(jié)果判斷其養(yǎng)分盈余或虧損的狀態(tài),以此來(lái)評(píng)價(jià)養(yǎng)分平衡狀況對(duì)區(qū)域環(huán)境的影響。采用式(1)計(jì)算不同土地利用類型氮素平衡,采用式(2)～(3)計(jì)算不同土地利用類型氮素輸入和輸出。

Mb=Ni-No,

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中,Mb為某種土地利用類型氮素平衡量,kg;Ni為氮素輸入量,kg;No為氮素輸出量,kg;Ii為第n種氮素來(lái)源的輸入量,kg;Oj為第m種氮素輸出源的輸出量,kg;n和m分別為輸入項(xiàng)與輸出項(xiàng)的類別數(shù)。

采用Microsoft Excel 2007和Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表制作。

2.3 氮素收支計(jì)算

在氮素收支計(jì)算中,各項(xiàng)輸入、輸出總量來(lái)自地方統(tǒng)計(jì)資料和流域詳細(xì)調(diào)查結(jié)果。由于參數(shù)存在地域性,故參數(shù)選擇依據(jù)筆者所在課題組在該流域的研究結(jié)果以及流域調(diào)查結(jié)果、地方統(tǒng)計(jì)資料,有關(guān)該流域公開發(fā)表的文獻(xiàn)和手冊(cè)以及全國(guó)平均水平參數(shù)等,詳細(xì)說(shuō)明如下。

2.3.1氮素輸入項(xiàng)

(1)大氣氮沉降,包括干沉降和濕沉降,指大氣中的顆粒態(tài)和氣態(tài)氮元素通過(guò)降水或降塵方式返回到地面的過(guò)程[9]。大氣沉降氮輸入量用不同土地利用類型面積乘以氮沉降通量得到,該研究中大氣氮沉降通量采用北京地區(qū)的實(shí)測(cè)結(jié)果(28.50 kg·hm-2)[10]。

(2)固氮指固氮微生物將大氣中的分子態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡倪^(guò)程[11],分為生物固氮和非生物固氮。該研究區(qū)主要農(nóng)作物為玉米,花生、豆類等固氮作物種植較少,因此只考慮生態(tài)林和經(jīng)濟(jì)林的生物固氮量。參考韓玉國(guó)等[12]對(duì)北京地區(qū)氮累積研究得到的林地固氮量(1 000 kg·km-2·a-1);而耕地的非生物固氮量則用該土地利用類型面積乘以固氮系數(shù)得到,采用的固氮系數(shù)為15.00 kg·hm-2[13-14]。

(3)肥料輸入的氮素,包括氮肥、農(nóng)家肥和復(fù)合肥。該研究中化肥施用帶來(lái)的氮素輸入用折合成純氮的氮肥施用量來(lái)表示,氮肥(折純)施用量數(shù)據(jù)來(lái)自密云區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒,農(nóng)家肥施用量則用農(nóng)家肥返田量乘以含氮系數(shù)(表1)得到。

表1 氮素平衡計(jì)算涉及的物質(zhì)氮含量

Table 1 Measured N content used for calculation of N budget

物質(zhì)種類含氮量/%物質(zhì)種類含氮量/% 食品農(nóng)作物和肥料 糧食1.80 玉米1.28 豆類5.30 板栗0.70 薯類0.32 核桃2.00 花生4.40 有機(jī)肥1.03 蔬菜0.30 農(nóng)家肥0.42 鮮果0.09 化肥46.00 豬肉2.50飼料和畜禽排泄物 牛肉2.90 肉雞飼料3.20 羊肉2.90 肉豬飼料2.40 禽肉3.70 雞糞1.03 蛋類2.22 豬糞0.24 奶類0.50

(4)農(nóng)藥使用與種子氮輸入。該流域?qū)儆谒幢Ｗo(hù)區(qū),限制農(nóng)藥的使用;板栗林不使用化學(xué)農(nóng)藥,其他農(nóng)作物使用少量農(nóng)藥,折純后數(shù)值較小,忽略不計(jì);該區(qū)耕地面積僅占2%,種子輸入氮量不計(jì)入。

(5)食品與飼料氮素輸入。根據(jù)《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》[15]農(nóng)村居民食品消費(fèi)情況與《中國(guó)食物成分表》[16],確定研究區(qū)域居民食品消費(fèi)輸入氮量。據(jù)調(diào)查,研究區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖場(chǎng)全部使用成品飼料。各類食品與飼料含氮量見表1。

(6)新生幼仔輸入氮素量,以畜禽幼仔質(zhì)量與其含氮量相乘計(jì)算得到。幼仔數(shù)量來(lái)自小流域調(diào)查結(jié)果,以流域外部輸入為主。

2.3.2氮素輸出項(xiàng)

(1)作物收獲與畜禽出欄輸出氮素。對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品收獲氮素輸出,利用各農(nóng)作物產(chǎn)量乘以相應(yīng)籽粒含氮量,累加可得到農(nóng)產(chǎn)品收獲輸出氮量;畜禽產(chǎn)品是主要的氮素輸出項(xiàng)目,其輸出的氮素量以畜禽出欄體質(zhì)量與含氮量相乘計(jì)算得到。農(nóng)產(chǎn)品含氮量參考《中國(guó)食物成分表》[16],畜禽體質(zhì)量和含氮量參考楊鳳[17]的研究結(jié)果。各類農(nóng)產(chǎn)品與畜禽產(chǎn)品含氮量見表1。

(2)生活垃圾氮素輸出。用流域內(nèi)人口數(shù)量乘以每人每年生活垃圾氮產(chǎn)量得到。生活垃圾主要有廚余垃圾、草木灰、塑料和紙類等,研究區(qū)域內(nèi)生活垃圾實(shí)行分類收集,除廚余垃圾運(yùn)出研究區(qū)域進(jìn)行處理外,其余就地處理。根據(jù)鄭玉濤等[18]對(duì)密云水庫(kù)地區(qū)農(nóng)村居民垃圾和污水的調(diào)查結(jié)果,普通農(nóng)戶廚余垃圾量為2.70 kg·人-1·月-1,含氮量為2.39%。

(3)人畜排泄輸出氮素。人畜排泄的糞便除了一部分作為有機(jī)肥還田外,其余部分則直接或間接排入水體。據(jù)調(diào)查,養(yǎng)雞場(chǎng)糞便處理率為70%,養(yǎng)豬場(chǎng)糞便處理量為36×103kg·a-1。該研究中人類氮排泄系數(shù)為4.00 kg·人-1·a-1[19]。根據(jù)中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院于2006年編寫的《全國(guó)飲用水水源地環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》技術(shù)培訓(xùn)講義和相關(guān)文獻(xiàn)資料匯總,得到該區(qū)畜禽排泄污染物輸出系數(shù)[20](表1)。

(4)土壤侵蝕損失氮素。土壤侵蝕損失氮素量,以土壤侵蝕系數(shù)與生態(tài)林、經(jīng)濟(jì)林、耕地面積進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)吳敬東[21]2008年對(duì)蛇魚川小流域土壤侵蝕情況的調(diào)查結(jié)果,該流域年平均土壤侵蝕模數(shù)為58.00 t·km-2,氮素總流失量為17.00 kg·hm-2。

(5)肥料損失氮素。氮素流失受施肥行為影響較大,在經(jīng)濟(jì)林與耕地氮素平衡模型中,淋失、地表徑流、氨揮發(fā)和反硝化作用損失的氮素以氮肥輸入量和相應(yīng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。采用相關(guān)研究中的淋失系數(shù)2%,徑流損失系數(shù)5.00%[11];反硝化系數(shù)16.00%[22];有機(jī)肥氨揮發(fā)系數(shù)20.00%[23]。在生態(tài)林氮素平衡模型中,氣態(tài)氮揮發(fā)損失量為1.00 kg·hm-2[24]。

2.3.3不確定性分析

數(shù)據(jù)來(lái)源的不確定性:所用數(shù)據(jù)來(lái)源于統(tǒng)計(jì)年鑒和已有研究文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)研,在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)精度上具有不確定性,但是社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以用來(lái)反映人類活動(dòng)對(duì)氮平衡的影響,在缺乏對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的情況下,可將其作為評(píng)價(jià)人類活動(dòng)影響的一種有效方法。

研究方法的不確定性:模型中用到的一些參數(shù),比如淋失系數(shù)、徑流損失系數(shù)、反硝化系數(shù)、氨揮發(fā)系數(shù),以及生態(tài)林的氣態(tài)氨揮發(fā)系數(shù),均直接引用了他人研究成果。由于研究區(qū)域和自然環(huán)境條件不同,這些參數(shù)不可避免地會(huì)帶有地區(qū)局限性。

3 結(jié)果與討論

3.1 各土地利用類型氮素平衡狀況

3.1.1生態(tài)林

流域生態(tài)林氮素平衡計(jì)算結(jié)果見表2。生態(tài)林受人類活動(dòng)影響小,氮素輸入強(qiáng)度僅為95.17 kg·hm-2,其中,林地固氮為生態(tài)林的主要氮素輸入源,占輸入源的70.05%。輸出強(qiáng)度為18.00 kg·hm-2,土壤侵蝕損失為主要輸出源,占輸出源的94.44%。氮素盈余強(qiáng)度為77.17 kg·hm-2。保存于生態(tài)林系統(tǒng)內(nèi)部的氮素,一部分被植物吸收,增加了木材蓄積量;另一部分進(jìn)入土壤,增加了土壤養(yǎng)分含量。

表2 生態(tài)林氮素平衡計(jì)算結(jié)果

Table 2 Nitrogen balance of ecological forest

項(xiàng)目強(qiáng)度/(kg·hm-2)占比/% 輸入 大氣沉降28.5029.95 固氮66.6770.05 合計(jì)95.17100.00 輸出 土壤侵蝕17.0094.44 氨揮發(fā)1.005.56 合計(jì)18.00100.00 盈余77.17

3.1.2經(jīng)濟(jì)林

從上述階段劃分可知，中國(guó)農(nóng)村公共服務(wù)供給的研究受到國(guó)家政策的重要影響，在各個(gè)時(shí)期國(guó)家都有不同的農(nóng)村發(fā)展目標(biāo)和任務(wù)，這也引導(dǎo)著農(nóng)村公共服務(wù)研究的發(fā)展方向。

流域經(jīng)濟(jì)林氮素平衡計(jì)算結(jié)果見表3。經(jīng)濟(jì)林氮素輸入強(qiáng)度為756.13 kg·hm-2,農(nóng)家肥和固氮是經(jīng)濟(jì)林氮素的主要來(lái)源,兩者之和占氮素輸入的92.14%。氮素輸出強(qiáng)度為262.41 kg·hm-2,通過(guò)肥料損失的氮素占總輸出量的89.36%,這不僅造成養(yǎng)分的大量流失,也增加了流域生態(tài)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)。以土壤侵蝕途徑損失的氮素占總輸出量的6.48%,這部分氮素的損失是造成地下水和地表水硝態(tài)氮濃度增加的原因之一。農(nóng)產(chǎn)品氮輸出僅占輸出總量的4.16%。氮素盈余強(qiáng)度為493.72 kg·hm-2。

表3 經(jīng)濟(jì)林和耕地氮素平衡計(jì)算結(jié)果

Table 3 Nitrogen balance of economic forest and farmland

項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)林耕地強(qiáng)度/(kg·hm-2)占比/%強(qiáng)度/(kg·hm-2)占比/% 輸入 農(nóng)家肥630.0083.3263.0025.77 有機(jī)肥30.964.09—— 大氣沉降28.503.7728.5011.66 固氮66.678.8215.006.13 化肥——138.0056.44 合計(jì)756.13100.00244.50100.00 輸出 反硝化105.7540.3032.1630.52 氨揮發(fā)82.4731.4321.7420.63 徑流損失33.0512.5910.059.54 土壤侵蝕17.006.4817.0016.13 農(nóng)產(chǎn)品10.924.1620.4019.36 淋失損失13.225.044.023.82 合計(jì)262.41100.00105.37100.00 盈余493.72—139.13—

3.1.3耕地

流域耕地氮素平衡計(jì)算結(jié)果見表3。耕地氮素輸入強(qiáng)度為244.50 kg·hm-2,化肥和農(nóng)家肥等人為源是耕地氮素輸入的主要來(lái)源,占輸入總量的82.21%,打破了原始農(nóng)田的氮平衡結(jié)構(gòu)。因此,人類活動(dòng)勢(shì)必干擾農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)。氮素輸出強(qiáng)度為105.37 kg·hm-2,肥料損失氮素占輸出總量的64.51%,農(nóng)產(chǎn)品氮素輸出占19.36%,是耕地重要的氮素輸出源之一。盈余強(qiáng)度為139.13 kg·hm-2。盈余氮素常以淋溶、地表徑流和田間灌溉等方式進(jìn)入水體。當(dāng)降水和灌溉強(qiáng)度超過(guò)耕地土壤水分飽和狀態(tài)時(shí),土壤中溶解態(tài)和顆粒態(tài)氮將隨地表徑流流失,最終進(jìn)入河流、湖泊等地表水體,并通過(guò)植物根系進(jìn)入地下水。因此,耕地中氮素的徑流流失、淋溶損失,不僅造成氮肥浪費(fèi),而且會(huì)引起水環(huán)境問(wèn)題。

綜上,經(jīng)濟(jì)林和耕地的主要輸入、輸出源均為肥料施用,且占比較高。筆者利用農(nóng)作物氮吸收量與該土地利用類型氮素輸入量之比計(jì)算不同土地利用類型氮素利用率。由表3可知,經(jīng)濟(jì)林的氮素利用率為1.44%,遠(yuǎn)低于耕地的氮素利用率(8.34%),但兩者的氮素利用率總體都較低。這主要是因?yàn)樯唪~川流域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)為主,且我國(guó)農(nóng)村長(zhǎng)期存在“高施肥高產(chǎn)出”理念,有研究表明,氮肥僅有26%～28%被作物吸收[25],過(guò)量施氮在導(dǎo)致資源浪費(fèi)的同時(shí),也可能帶來(lái)土壤板結(jié)、土壤氮累積問(wèn)題,同時(shí)也增加了土壤硝態(tài)氮的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。因此,在流域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,合理施用化肥對(duì)保護(hù)土壤和減少農(nóng)業(yè)投入具有重要作用。

3.1.4養(yǎng)殖區(qū)

流域養(yǎng)殖區(qū)氮素平衡計(jì)算結(jié)果見表4。養(yǎng)殖區(qū)氮素輸入強(qiáng)度為10 539.18 kg·hm-2,遠(yuǎn)高于其他土地利用類型,最主要的氮素輸入源為飼料,其輸入量占輸入總量的98.85%。養(yǎng)殖區(qū)氮素輸出強(qiáng)度為5 744.03 kg·hm-2,輸出強(qiáng)度大,對(duì)流域生態(tài)環(huán)境造成威脅,這與耿潤(rùn)哲等[26]對(duì)密云水庫(kù)上游流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的研究結(jié)果,即畜禽養(yǎng)殖是流域非點(diǎn)源氮素污染的主要來(lái)源相一致。禽畜出欄為主要輸出源,其輸出量占57.52%;禽畜排泄物與氣態(tài)氮揮發(fā)輸出的氮素占養(yǎng)殖區(qū)氮素輸出的42.48%,略低于畜禽出欄氮素輸出,在流域氮素管理中與畜禽出欄同樣重要。氮素盈余強(qiáng)度為4 795.15 kg·hm-2。氮素盈余強(qiáng)度大,主要是由于飼料大量輸入,禽畜產(chǎn)生的廢棄物和排泄物處理率較低所致。實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),該流域養(yǎng)殖區(qū)污水處理方式為下滲,污水處理設(shè)備少,使用率低,同時(shí)對(duì)畜禽糞便的處理方式比較粗放。因此,加強(qiáng)該區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提高養(yǎng)殖戶的環(huán)保意識(shí),尤為重要。

表4 養(yǎng)殖區(qū)氮素平衡計(jì)算結(jié)果

Table 4 Nitrogen balance of farm

項(xiàng)目強(qiáng)度/(kg·hm-2)占比/% 輸入 飼料10 418.0098.85 新生幼仔92.680.88 大氣沉降28.500.27 合計(jì)10 539.18100.00 輸出 禽畜出欄3 304.2057.52 禽畜排泄1 173.1520.42 氮揮發(fā)1 266.6822.06 合計(jì)5 744.03100.00 盈余4 795.15

3.1.5居民區(qū)

流域居民區(qū)氮素平衡計(jì)算結(jié)果見表5。居民區(qū)氮素輸入強(qiáng)度為289.50 kg·hm-2,僅次于經(jīng)濟(jì)林和養(yǎng)殖區(qū),食品消費(fèi)為主要的氮素輸入來(lái)源,占輸入總量的90.16%,與韓玉國(guó)等[12]對(duì)北京地區(qū)氮累積的研究結(jié)果一致。由于居民區(qū)人口密度相對(duì)較大,人類食品氮輸入也就較大。氮素輸出強(qiáng)度為220.98 kg·hm-2,人類排泄為主要輸出項(xiàng)目,占輸出總量的75.61%。盈余強(qiáng)度為68.52 kg·hm-2。

3.2 小流域氮素平衡

3.2.1流域氮素平衡特征

蛇魚川小流域氮素平衡模型結(jié)構(gòu)見圖2,在此基礎(chǔ)上對(duì)全流域氮平衡進(jìn)行估算。研究區(qū)氮素收支狀況見表6。

表5 居民區(qū)氮素平衡計(jì)算結(jié)果

Table 5 Nitrogen balance of residential area

項(xiàng)目 強(qiáng)度/(kg·hm-2)占比/% 輸入 食品消費(fèi)261.0090.16 大氣沉降28.509.84 合計(jì)289.50100.00 輸出 人類排泄167.0875.61 生活垃圾53.9024.39 合計(jì)220.98100.00 盈余68.52

圖2 流域氮素平衡模型框架

表6 小流域氮素收支平衡計(jì)算結(jié)果

Table 6 Nitrogen input-output budgets in the small watershedkg·hm-2

土地利用類型輸入強(qiáng)度輸出強(qiáng)度盈余強(qiáng)度 生態(tài)林 95.17 18.00 77.17 經(jīng)濟(jì)林756.13262.41493.72 耕地244.50105.37139.13 養(yǎng)殖區(qū)10 539.185 761.034 795.15 居民區(qū)289.50237.9868.52 流域平均204.0862.59141.49

研究區(qū)平均氮素輸入強(qiáng)度為204.08 kg·hm-2,主要的輸入源為農(nóng)家肥,其輸入量占氮素輸入的41.83%。固氮和大氣氮沉降輸入次之,分別占31.99%和13.97%。韓增等[4]對(duì)亞熱帶小流域氮平衡的研究表明飼料和肥料是流域(森林-農(nóng)區(qū))主要的氮素輸入源,占比高達(dá)63.90%,筆者研究結(jié)果與之具有較高的一致性。氮素輸出強(qiáng)度為62.59 kg·hm-2,主要輸出源為肥料施用損失(淋失損失、徑流損失、反硝化脫氮、氨揮發(fā)損失),占氮素輸出的58.26%,其中,氨揮發(fā)與反硝化等氣態(tài)氮損失占42.56%。相關(guān)研究表明密云區(qū)有36.19%的氮輸出是通過(guò)氣態(tài)氮途徑損失的[27],筆者研究結(jié)果與之基本一致。就氨揮發(fā)而言,養(yǎng)殖區(qū)氨揮發(fā)強(qiáng)度最大,相關(guān)研究表明,我國(guó)畜禽養(yǎng)殖氨排放量占總排放量的54.06%[28],可見,有效控制畜禽養(yǎng)殖氨排放對(duì)于削減人為源氨排放起到關(guān)鍵作用,進(jìn)而對(duì)改善空氣質(zhì)量有著重要意義。其次是土壤侵蝕,其氮素輸出占氮素總輸出的28.43%,這種氮素輸出極易對(duì)地表水造成污染;流域內(nèi)土地利用氮素整體呈盈余狀態(tài),流域內(nèi)平均盈余強(qiáng)度為141.49 kg·hm-2。

就輸入強(qiáng)度而言,生態(tài)林最低,養(yǎng)殖區(qū)最高。相較于其他4種土地利用類型,生態(tài)林受人類活動(dòng)影響小,輸入項(xiàng)僅為大氣氮沉降和生物固氮兩項(xiàng),且輸入強(qiáng)度低。耕地輸入強(qiáng)度低于經(jīng)濟(jì)林,與種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變有關(guān)。退耕還林政策使得經(jīng)濟(jì)林成為流域重要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源,相較于耕地來(lái)說(shuō),經(jīng)濟(jì)林受人類活動(dòng)影響更大。5種土地利用類型輸出強(qiáng)度與輸入強(qiáng)度由大到小排序一致,養(yǎng)殖區(qū)輸出強(qiáng)度最高。分布在河道附近的養(yǎng)殖區(qū),由于集中養(yǎng)殖,畜禽排泄物采用水沖直排方式,管理粗放,加之所受景觀截留作用較小,致使總氮輸出量較大,對(duì)密云水庫(kù)水體水質(zhì)威脅較大。對(duì)潮河流域的相關(guān)研究顯示,由于畜禽養(yǎng)殖區(qū)呈規(guī)模分布,加之管理粗放,致使總氮輸出量較大,對(duì)水庫(kù)水體造成威脅[29]。由此看來(lái),人類活動(dòng)是影響流域氮素平衡的重要因素。

3.2.2流域內(nèi)土地利用污染潛勢(shì)分析

土地利用中引發(fā)環(huán)境污染的原因有氨揮發(fā)、淋失和反硝化以及含氮污染物直接排放到環(huán)境中,另外就是氮素盈余。筆者研究中各種土地利用類型氮素均處于盈余狀態(tài),其中,養(yǎng)殖區(qū)盈余強(qiáng)度最高,為4 795.15 kg·hm-2,主要的氮素輸入源為飼料氮輸入;經(jīng)濟(jì)林氮素盈余強(qiáng)度次之,為493.72 kg·hm-2。實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),由于近年來(lái)密云區(qū)退耕還林政策的實(shí)施,種植結(jié)構(gòu)由農(nóng)田種植向經(jīng)濟(jì)林轉(zhuǎn)變,從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)林氮肥施用量增加;該區(qū)耕地氮素盈余強(qiáng)度為139.13 kg·hm-2。有研究指出,當(dāng)農(nóng)田氮盈余強(qiáng)度大于50 kg·hm-2·a-1時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅[30],明顯低于筆者研究中耕地氮盈余強(qiáng)度,說(shuō)明盈余氮已嚴(yán)重威脅蛇魚川小流域的生態(tài)環(huán)境?；实氖┯迷谠黾幼魑锂a(chǎn)出的同時(shí),也加劇了流域內(nèi)氮素流失、固氮量增加和氮素利用率降低等問(wèn)題。筆者研究中耕地的農(nóng)產(chǎn)品氮素輸出僅占19.36%(表3),氮素利用率較低,對(duì)流域氮污染具有重要影響。

蛇魚川小流域氮素平均盈余強(qiáng)度為141.49 kg·hm-2(表6),筆者研究的氮素盈余強(qiáng)度與韓玉國(guó)等[12]對(duì)北京地區(qū)氮累積的研究結(jié)果(116.00 kg·hm-2)基本一致,但明顯高于國(guó)內(nèi)其他研究區(qū)氮素盈余強(qiáng)度(山西岔口小流域?yàn)?7.50 kg·hm-2,湖南東北部為76.90 kg·hm-2)[4,8],說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)氮素并沒有得到充分有效的利用,對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展來(lái)說(shuō),造成資源浪費(fèi);對(duì)于環(huán)境而言,如果在陸地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)發(fā)生氮素盈余,必然會(huì)導(dǎo)致流域內(nèi)氮發(fā)生累積并最終達(dá)到飽和狀態(tài),從而增加流域內(nèi)氮素隨地表徑流流失和地下水淋失的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí),由于蛇魚川小流域位于密云水庫(kù)上游且距離近,氮素污染物經(jīng)過(guò)截留損失的過(guò)程較短,會(huì)導(dǎo)致大量陸地來(lái)源的污染物直接進(jìn)入水體,對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)的威脅也就越大。因此,蛇魚川小流域仍存在氮累積量增加的隱患,不容忽視。

4 結(jié)論

(1)蛇魚川小流域氮素總輸入強(qiáng)度為204.08 kg·hm-2,輸出強(qiáng)度為62.59 kg·hm-2。就不同土地利用類型而言,氮素的輸入和輸出存在較大差異。養(yǎng)殖區(qū)氮素輸入強(qiáng)度最高(10 539.18 kg·hm-2),生態(tài)林輸入強(qiáng)度最低(95.17 kg·hm-2),經(jīng)濟(jì)林氮素輸入強(qiáng)度約為耕地的3倍。與氮素輸入類似,養(yǎng)殖區(qū)輸出強(qiáng)度最高(5 761.03 kg·hm-2),生態(tài)林最低(18.00 kg·hm-2)。

(2)研究區(qū)經(jīng)濟(jì)林與耕地的主要氮素輸入源均為肥料輸入,其中,經(jīng)濟(jì)林農(nóng)家肥氮素輸入達(dá)83.32%,耕地則以化肥輸入為主(56.44%),而主要的輸出源也為肥料施用損失(淋失損失、徑流損失、反硝化脫氮、氨揮發(fā));生態(tài)林主要輸入源為固氮輸入(生物固氮和非生物固氮)，其占比高達(dá)70.05%,輸出源主要為天然輸出;居民區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)主要氮素輸入源分別為食品和飼料輸入,分別以廢棄物排泄和畜禽產(chǎn)品收獲為主要輸出源。

(3)流域內(nèi)各土地利用類型均呈氮盈余狀態(tài),而不同土地利用類型氮盈余強(qiáng)度差異明顯,其中,養(yǎng)殖區(qū)(4 795.15 kg·hm-2)和經(jīng)濟(jì)林(493.72 kg·hm-2)盈余強(qiáng)度較高,耕地次之(139.13 kg·hm-2),生態(tài)林(77.17 kg·hm-2)和居民區(qū)(68.52 kg·hm-2)較低。