唐山市氮代謝過程分析

顧永波

關(guān)鍵詞：氮代謝;唐山市;產(chǎn)業(yè)部門;氮氧化物;活性氮

21世紀(jì)以來，城市化的進(jìn)程不斷加快，氮在人類活動的影響下通過各種途徑進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)。隨著人口的不斷增加、重工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，環(huán)境中的活性氮含量不斷增加。關(guān)于氮代謝，不同學(xué)者從多個角度作了分析研究。秦樹平等[1]針對氮足跡進(jìn)行研究，提出了氮足跡的概念、研究的意義以及研究方法，對氮的足跡和代謝進(jìn)行了詳盡的分析。張妍等[2-3]針對多尺度人類活動影響下氮的代謝和循環(huán)，分析了氮在各種流轉(zhuǎn)過程中的變化規(guī)律，為氮的管理決策提供了可行性措施和建議。方華等[4]研究了活性氮對環(huán)境的威脅，發(fā)現(xiàn)由于城市中氮氧化物的大量排放和人類生產(chǎn)生活的影響，活性氮的含量不斷增加，對生態(tài)系統(tǒng)造成了很大危害，通過分析活性氮的來源，提出了減少活性氮的建議和可行性措施。高群等[5]研究了城市化對氮循環(huán)的影響，發(fā)現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)的增長、人們生活水平的提高、城市化進(jìn)程不斷加快改變了城市的氮循環(huán)過程，加重了氮對環(huán)境的污染，在氮循環(huán)特征的基礎(chǔ)上，分析城市化過程中氮污染物的來源等，對城市氮的管理有很大的啟示意義。冼超凡等[6]研究了城市生態(tài)系統(tǒng)的氮代謝，將城市作為研究的基本單元，描述了城市中氮代謝的內(nèi)涵，采用物質(zhì)流分析的方法研究城市氮代謝的進(jìn)展，分析探討城市氮代謝研究的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)了不同尺度下城市氮代謝過程的準(zhǔn)確分析。石磊等[7]通過建立城市尺度物質(zhì)流分析框架，計算輸入量和輸出量、獲取城市中的凈存量，然后配合一些實際數(shù)據(jù)作出假設(shè)測算。本研究以唐山市產(chǎn)業(yè)部門的氮代謝[8]作為研究單元，分析產(chǎn)業(yè)部門之間氮的流動關(guān)系及輸入、輸出規(guī)律，有助于提高唐山產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，加快經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 區(qū)域概況

唐山歷史悠久，是一座沿海的重工業(yè)城市，地處環(huán)渤海中心，面積廣闊，人口眾多，能源非常豐富，尤其是煤炭資源，唐山的鋼產(chǎn)量在全國排名第一。在唐山的空氣質(zhì)量狀況中，良最多、輕度污染偏多，唐山的霧霾現(xiàn)象有目共睹，嚴(yán)重時能見度不足100 m，威脅了人們的健康。硫氧化物、氮氧化物的排放量在全國占有很大比例，使城市中的溫室氣體增加、平均氣溫升高，嚴(yán)重影響了氮代謝的途徑，增加了氮輸入的來源。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以唐山市各產(chǎn)業(yè)部門為基本研究單元，測算分析唐山市近5年煤炭燃燒排出的氮氧化物量以及各產(chǎn)業(yè)中氮氧化物的排出情況，數(shù)據(jù)主要來自唐山市政府官網(wǎng)統(tǒng)計信息中的《唐山市統(tǒng)計年鑒》。通過分析計算各行業(yè)中氮代謝的氮氧化物的輸入、間接能耗，研究唐山市產(chǎn)業(yè)部門氮代謝的狀態(tài)。

2.2 研究方法

2.2.1 物質(zhì)流分析法

物質(zhì)流分析在城市生態(tài)系統(tǒng)代謝分析中占有重要位置，根據(jù)質(zhì)量守恒定律對經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)之間的物質(zhì)輸入流、輸出流和存量進(jìn)行核算，研究代謝過程。

（1）代謝效用指代謝流到達(dá)最終用戶的有效部分。代謝系統(tǒng)遵守物質(zhì)守恒及熱力學(xué)定律，因此，轉(zhuǎn)化有一定的損失，剩余部分形成有效產(chǎn)品或服務(wù)，表達(dá)式：

MU=MI-ML （1）

式中：MU為代謝效用，MI為代謝系統(tǒng)總輸入，ML為代謝損失，量綱為“J”或“t”[9]。

（2）代謝效率是代謝分析的一個重要指標(biāo)，基本定義為某一過程的輸入與輸出量之比，表達(dá)式：

η=MU/MI （2）

式中：

η為代謝效率，MU、MI的定義同式（1）。以此作為指標(biāo)反映唐山產(chǎn)業(yè)部門氮代謝的狀態(tài)，對唐山市的氮氧化物排放提出相應(yīng)的措施[10]。

2.2.2 計算氮代謝過程中氮氧化物的輸入量

考慮數(shù)據(jù)的可得性，城市氮代謝的輸入過程主要是煤炭燃燒氮氧化物的排放，其他可忽略不計?？梢谩董h(huán)境統(tǒng)計手冊》中方品賢的計算方法（第99和100頁），假設(shè)燃燒1 kg煤產(chǎn)生10 m³煙氣：

G（NOx）=1.63×（B×N×β+0.000 938） （3）

式中：G（NOx）代表氮氧化物排放量，kg;B代表消耗的燃煤（油）量，kg;N代表燃料中的含氮量，《環(huán)境保護(hù)實用數(shù)據(jù)手冊》胡名操和《環(huán)境統(tǒng)計手冊》方品賢統(tǒng)計數(shù)據(jù)一致，取0.85%;β代表燃料中氮的轉(zhuǎn)化率，取70.00%。通過計算，燃燒1 t煤產(chǎn)生的氮氧化物量大約為18.64 kg。

3 結(jié)果分析

3.1 各產(chǎn)業(yè)部門氮代謝中氮氧化物的排放量分析

根據(jù)《唐山市統(tǒng)計年鑒》中給出的數(shù)據(jù)，將幾個主要產(chǎn)業(yè)的氮代謝中氮氧化物的排放量統(tǒng)計在一起，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在2013年所有產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)的氮氧化物排放量最多，遠(yuǎn)高于其他行業(yè)，占總排放量的79.80%左右。這是由于唐山是一座具有130多年歷史的重工業(yè)城市，是我國鋼產(chǎn)大市，“因煤而建、因鋼而興”。在鋼和一些原材料的生產(chǎn)過程中，需要燃燒大量煤炭等高能耗的燃料，所以排出的氮氧化物量較高。其次是交通中氮氧化物的排放量較多，占總排放量的18.90%，主要來自各種卡車運輸，不僅造成擁堵，尾氣排出的各種污染物還會造成嚴(yán)重的大氣污染。在城鎮(zhèn)服務(wù)中，氮氧化物的排出量最少，所占比例也最小，總共才占總排放量的1.20%。2014年、2015年、2016年、2017年各個行業(yè)的排放量不斷降低，2017年工業(yè)的氮氧化物排放量略有升高，占很大的比例。

3.2 氮代謝中煤燃燒氮氧化物的輸入量分析

根據(jù)《唐山市統(tǒng)計年鑒》中的煤炭燃燒量和《環(huán)境統(tǒng)計手冊》方品賢的計算方法計算氮氧化物的排出量，統(tǒng)計2013年、2014年、2015年、2016年、2017年氮代謝中煤燃燒氮氧化物的輸入量發(fā)現(xiàn)，近幾年唐山市氮氧化物的輸入量呈下降趨勢，由于企業(yè)的產(chǎn)業(yè)部門結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型比較成功，對新能源的開發(fā)使各種污染物的排放大量減少，對煤炭的需求量也大大降低。還有企業(yè)引入一些新型技術(shù)，使氮氧化物的排放量大大減少。通過計算發(fā)現(xiàn)，2013年氮的代謝效率最高，大約為95.00%;2014年的代謝效率最低，大約為61.00%。2013年，氮氧化物的排放達(dá)到了310000 t之多，而2017年的輸入量只有280000 t，所以要繼續(xù)加強(qiáng)對煤炭用量的把控，努力開發(fā)新型清潔能源，使氮氧化物的排放處于城市生態(tài)系統(tǒng)可接受范圍，推動資源的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

氮循環(huán)及氮代謝的流轉(zhuǎn)過程呈現(xiàn)出多對一、一對多的網(wǎng)絡(luò)態(tài)，未來采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的方法，通過多尺度下氮研究的耦合，形成多個級別、多個角度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型?？梢詫⒊鞘凶鳛橐粋€點研究流域，或者打破城市這個點，研究城市內(nèi)部部門間的氮代謝網(wǎng)絡(luò)，探究多種狀態(tài)下氮代謝的演變規(guī)律，并且分析規(guī)律的相同之處與差異，識別出不同條件下氮流轉(zhuǎn)過程中的影響因素。由于城市中的活性氮含量不斷增加，對環(huán)境造成了很大危害，必須對氮代謝、氮的來源以及氮含量增加的后果進(jìn)行更細(xì)致、科學(xué)的探討，加強(qiáng)活性氮的管理，更好地掌握氮代謝的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。