珠江三角洲人類活動(dòng)凈氮輸入時(shí)空特征及其影響因素

蘇泳松，宋松,2*，陳葉，葉子強(qiáng)，鐘潤(rùn)菲，王昭堯

1.廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 511458；3.暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632；

氮的循環(huán)和轉(zhuǎn)化對(duì)區(qū)域乃至全球生態(tài)環(huán)境質(zhì)量都有深刻的影響（Wedin et al.，1996；張玉蘭等，2021）。長(zhǎng)期高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張、人口增長(zhǎng)、化石燃料開采消耗等人為干擾致使氮循環(huán)以創(chuàng)歷史記錄的速度加快，大量人為活性氮帶來土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化、溫室效應(yīng)、臭氧空洞加劇等一系列生態(tài)環(huán)境問題（Groffman et al.，2000；吳雅麗等，2014；郭群，2019）。人為氮輸入已成為全球大多數(shù)區(qū)域的主要氮源，其時(shí)空變化對(duì)于區(qū)域水體氮通量具有顯著解釋力度（Hong et al.，2012；高偉等，2019）。厘清氮元素人為輸入源及其時(shí)空變異規(guī)律對(duì)于降低區(qū)域營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷水平、完善環(huán)境管理政策、緩解區(qū)域水環(huán)境壓力具有重要作用。

人為氮輸入時(shí)空異質(zhì)性極高，行政區(qū)域尺度研究對(duì)比表明，相較省級(jí)尺度，市域尺度對(duì)于識(shí)別氮素重點(diǎn)聚集區(qū)具有明顯優(yōu)勢(shì)（Swaney et al.，2012；高偉等，2014）。受數(shù)據(jù)源及計(jì)算方法所限，人為氮輸入強(qiáng)度估算不確定性較大，可靠翔實(shí)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其時(shí)空分布數(shù)據(jù)可顯著影響人為氮的水平與空間分布（Han et al.，2014；高偉等，2014；李曉虹等，2019）。人類活動(dòng)凈氮輸入的估算在流域及行政區(qū)域?qū)用鎻V泛開展（Hong et al.，2012；劉艷萍，2019），已有研究多關(guān)注農(nóng)業(yè)活動(dòng)活躍地區(qū)氮元素來源及其遷移轉(zhuǎn)化過程，并指出氮肥使用對(duì)人為氮輸入貢獻(xiàn)高達(dá)60%—80%（張汪壽等，2014a，b）。針對(duì)大型城市及城市群的人為氮輸入評(píng)估與解析仍然較少，人為氮輸入結(jié)構(gòu)及變遷機(jī)制尚不清楚?；谑杏虺叨仍u(píng)估量化典型城市群 NANI，對(duì)于合理規(guī)劃社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、緩解區(qū)域水環(huán)境壓力具有重要的意義。

珠江三角洲地區(qū)已成為世界人口和面積最大的城市群，是中國(guó)經(jīng)濟(jì)中心之一，在粵港澳大灣區(qū)、“一帶一路”等國(guó)家及區(qū)域戰(zhàn)略支撐下，該區(qū)域人口與經(jīng)濟(jì)具有進(jìn)一步增長(zhǎng)的潛力，人類活動(dòng)氮輸入風(fēng)險(xiǎn)將持續(xù)增長(zhǎng)，并對(duì)近海區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成威脅（蘇瑀等，2019）。因此，本文以珠江三角洲共9個(gè)地級(jí)市為研究區(qū)域，利用全國(guó)農(nóng)業(yè)普查數(shù)據(jù)，基于人為氮輸入模型，探討近20 a珠江三角洲地區(qū)人為氮輸入的時(shí)空變化、結(jié)構(gòu)特征、影響因素及其帶來的水環(huán)境效應(yīng)，為珠江三角洲氮素污染的防控與治理提供決策支持，為大型城市及城市群氮素研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

珠江三角洲（以下簡(jiǎn)稱“珠三角”）位于中國(guó)大陸廣東省的中南部、珠江流域的下游地區(qū)，地勢(shì)低平，光、熱、水資源十分豐富，。本文的研究區(qū)域如圖1所示，共包括廣州、佛山、中山、珠海、江門、東莞、肇慶、惠州和深圳共計(jì)9個(gè)地級(jí)市，其國(guó)土面積為5.48×104km2，常住人口為6446.89×104人（楊新洪等，2020）。珠三角以不到0.5%的國(guó)土面積，支撐全國(guó)5%人口與10%的GDP，人口密度、經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度長(zhǎng)期位于前列。

圖1 珠江三角洲地理位置及其2020年土地利用狀況Figure 1 Geographical location of the Pearl River Delta and its land use in 2020

1.2 數(shù)據(jù)來源與說明

中國(guó)在1996、2006、2016年分別進(jìn)行了第一、第二和第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查，但由于普查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總所需時(shí)間較長(zhǎng)，在1997、2007、2017年的統(tǒng)計(jì)年鑒中并未公布此次普查的結(jié)果，有學(xué)者建議采用多年平均數(shù)據(jù)作為該時(shí)期人類活動(dòng)凈氮輸入（NANI）的整體狀況（Howarth et al.，2012），故本研究使用1997—1999、2007—2009、2017—2019 3個(gè)時(shí)期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的均值作為3次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查時(shí)期數(shù)據(jù)以進(jìn)行NANI的估算。

本研究的數(shù)據(jù)主要來源于1998—2020年廣東省以及各地級(jí)市的統(tǒng)計(jì)年鑒、廣東農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒、廣東省統(tǒng)計(jì)局以及各地級(jí)市統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站公開統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、部分公開發(fā)表的文獻(xiàn)、國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源共享服務(wù)平臺(tái)（http://www.cnern.org.cn/index.jsp）及中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。主要包括1995—2020年土地利用數(shù)據(jù)、土地面積、常住人口數(shù)、氮肥施用情況、大氣氮沉降通量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況等，同時(shí)為使數(shù)據(jù)可比，在處理 2017—2019年深圳市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)深汕合作區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行扣除。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究數(shù)據(jù)分析使用工具為Arcigis 10.6、Excel 2019和Origin 2021，Excel 2019主要用于數(shù)據(jù)的處理與分析，Arcgis10.6與Origin 2021主要用于數(shù)據(jù)的可視化及圖件的制作。

1.4 研究方法

1.4.1 人類活動(dòng)凈氮輸入模型

目前對(duì)于人類活動(dòng)影響下的氮輸入存在多種估算模型（Leach et al.，2012；Gu et al.，2013），而Howarth et al.（1996）提出的人類活動(dòng)凈氮輸入（Net Anthropogenic Nitrogen Input，NANI）模型是人為氮輸入估算與模擬的重要手段，具有操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)要求低、方式較靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用（Chen et al.，2016；Han et al.，2020；Xv et al.，2021）。該模型計(jì)算方式如表1所示。

表1 人類活動(dòng)凈氮輸入模型Table 1 Net anthropogenic nitrogen input model

1.4.1.1 化肥施用氮量（NFe）

肥料的施用是重要的氮輸入源之一，其按類型分為有機(jī)肥料與化學(xué)肥料。有機(jī)肥屬于其他氮輸入源的再循環(huán)與分配（陳飛，2016），故不納入化肥施用氮量的計(jì)算中，故本研究的化肥施用氮量的計(jì)算僅包括化學(xué)肥料的施用量，即氮肥與復(fù)合肥。計(jì)算方法如表1所示。

1.4.1.2 食物/飼料凈輸入氮量（NH/L）

本研究采用Jordan et al.（1996）提出的食物/飼料凈輸入氮計(jì)算方法，將食物/飼料凈輸入氮分為4個(gè)子項(xiàng)，分別為人類攝入食物氮量、禽畜攝入飼料氮量、禽畜產(chǎn)品產(chǎn)氮量、作物產(chǎn)品產(chǎn)氮量，具體計(jì)算方法如表1所示。

在禽畜攝入飼料氮量分項(xiàng)中，考慮了珠三角的禽畜養(yǎng)殖業(yè)情況，選擇了豬、牛、羊、家禽共四種指標(biāo)用作禽畜攝入飼料氮量的計(jì)算，不同禽畜攝入飼料氮量如表2所示（Van Horn，1998；Han et al.，2014；丁雪坤等，2020）。由于不同禽畜的養(yǎng)殖周期存在差異，牛、羊以存欄量計(jì)，豬、家禽以出欄量計(jì)（高偉等，2014）。

表2 不同禽畜單個(gè)個(gè)體攝入飼料氮量Table 2 Feed nitrogen intake of different livestock

在禽畜產(chǎn)品產(chǎn)氮量和作物產(chǎn)品產(chǎn)氮量分項(xiàng)中，考慮了珠三角禽畜養(yǎng)殖業(yè)與農(nóng)作物種植業(yè)的情況，分別選擇了7種禽畜產(chǎn)品指標(biāo)與9種農(nóng)作物產(chǎn)品指標(biāo)，不同禽畜、農(nóng)作物產(chǎn)品的氮含量如表3所示（楊月欣，2018；丁雪坤等，2020）。

表3 不同禽畜產(chǎn)品與作物產(chǎn)品氮含量Table 3 Nitrogen content of different livestock products and crop products

1.4.1.3 大氣沉降氮量（NDe）

大氣沉降氮分為大氣濕沉降與干沉降，主要包括硝態(tài)氮（NOx）和氨氮（NHy）。NHy在局地即可完成循環(huán)，且大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同NOx為外部來源（張汪壽等，2014a），故在進(jìn)行NANI的估算時(shí)，僅計(jì)算NOx沉降的量。本文大氣NOx濕沉降數(shù)據(jù)主要來源于國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 1996—2015年中國(guó)大氣無機(jī)氮濕沉降空間格局?jǐn)?shù)據(jù)集（賈彥龍等，2019），并通過線性插值的方式，獲得2017—2019年的NOx濕沉降通量以進(jìn)行NANI的估算。而大氣NOx干沉降通量主要按一定比例進(jìn)行換算。具體計(jì)算方法如表1所示。

1.4.1.4 作物固氮量（NNF）

作物固氮是指農(nóng)作物通過固氮作用將空氣中的氮固定到體內(nèi)。根據(jù)珠三角地區(qū)農(nóng)作物種植情況以及數(shù)據(jù)可獲性，共選擇了4種農(nóng)作物用于作物固氮量的計(jì)算，不同作物的固氮系數(shù)如表4所示（丁雪坤等，2020；徐浩林等，2020）。具體計(jì)算方法如表1所示。

表4 不同作物固氮系數(shù)Table 4 Nitrogen fixation coefficient of different crops

1.4.2 城市灰水足跡壓力指數(shù)（載荷系數(shù)）

本研究利用城市灰水足跡壓力指數(shù)（載荷系數(shù)）（孫才志等，2016；李允潔，2017）衡量珠三角地區(qū)水環(huán)境壓力，其計(jì)算公式如下所示：

式中：

I——珠三角各地級(jí)市城市灰水足跡壓力指數(shù)；

Gi——城市生態(tài)系統(tǒng)灰水足跡，衡量灰水足跡的污染物均為氮元素；

Ei——生態(tài)最低需水量；

i——對(duì)應(yīng)年份，I越大，說明水環(huán)境壓力越大，污染越嚴(yán)重。其詳細(xì)計(jì)算過程見參考文獻(xiàn)冼超凡等（2019），同時(shí)為使數(shù)據(jù)可比，以線性插值的方式對(duì)于缺失年份及環(huán)保排污統(tǒng)計(jì)口徑改變后廢水中的氨氮排放數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。

1.4.3 地理探測(cè)器

本研究主要利用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)，其原理如下：

探測(cè)Y的空間分異，及探測(cè)某因子X多大程度解釋Y的空間分異，用q值進(jìn)行度量。

式中：

q——取值范圍為[0,1]，值越大說明X對(duì)Y的空間分布影響力越強(qiáng)；h=1,2,3,…；

L——變量Y或因子X的分層或分區(qū)；

Nh和N——層h和全區(qū)的單元數(shù)（王勁峰等，2017）。

2 結(jié)果與分析

2.1 珠三角NANI時(shí)間變化

珠三角 NANI總體呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，研究時(shí)段內(nèi)，NANI的均值由17172.65 kg·km-2·a-1輕微上升至17812.30 kg·km-2·a-1，隨后又迅速下降至15936.24 kg·km-2·a-1（圖2）?；适┯玫淖兓荖ANI變化的主要原因之一，城市化與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整帶來的化肥用量減少降低了珠三角人為氮輸入強(qiáng)度。深圳市、肇慶市、惠州市三市NANI略有增長(zhǎng)，江門市基本持平，主要由于人口集聚帶來的食物需求增長(zhǎng)所導(dǎo)致。

圖2 近20 aNANI時(shí)間變化情況Figure 2 Temporal changes of net anthropogenic nitrogen input in recent 20 years

2.2 珠三角NANI空間變化

利用“均值-標(biāo)準(zhǔn)差法”（陳松林等，2009）對(duì)NANI強(qiáng)度進(jìn)行等級(jí)劃分為，其空間分布如圖3所示。珠三角地區(qū)NANI輸入以中高強(qiáng)度為主，人口高度密集、經(jīng)濟(jì)更加發(fā)達(dá)的廣州、佛山、東莞與深圳等區(qū)域輸入強(qiáng)度最高，空間分布呈現(xiàn)出明顯的“中心—邊緣”結(jié)構(gòu)，研究時(shí)段內(nèi)“中心—邊緣”結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)弱化的趨勢(shì)，NANI空間異質(zhì)性降低。

圖3 近20 aNANI空間分布情況Figure 3 Spatial distribution of net anthropogenic nitrogen input in recent 20 years

2.3 珠三角NANI組分特征

綜合考慮NANI在時(shí)間與空間上的差異，本研究采用線性擬合的方式，揭示前文時(shí)空分析所劃分區(qū)域中不同輸入源與NANI的關(guān)系，如圖4所示?？傮w上（圖4a）食物/飼料凈輸入氮對(duì)NANI的變化影響較大（R2=0.820，P=0.000），在珠三角地區(qū)的氮輸入水平起決定性作用。具體來看，空間變化（圖4b）所劃分的區(qū)域中，中心區(qū)與邊緣區(qū)主導(dǎo)輸入源存在差異。中心區(qū)相對(duì)于邊緣區(qū)其城市化進(jìn)程較快，人口較多，因而其NANI受食物/飼料凈氮輸入（R2=0.523，P=0.000）影響較大，而邊緣區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)仍占有較高的地位，NANI受化肥施用氮（R2=0.807，P=0.000）影響較顯著。時(shí)間變化（圖4c）所劃分的不同區(qū)域中，食物/飼料凈氮輸入對(duì)NANI的影響仍占主導(dǎo)地位，化肥施用氮與NANI的關(guān)聯(lián)性有所增強(qiáng)，說明食物/飼料凈氮輸入以及化肥施用氮是影響NANI趨勢(shì)的主要輸入源?？傮w來說，NANI主要受食物/飼料凈氮輸入的影響，但不同地區(qū)存在時(shí)空差異，需要關(guān)注化肥施用氮對(duì)于個(gè)別地區(qū)NANI的貢獻(xiàn)。

圖4 珠三角不同輸入源與NANI關(guān)系Figure 4 Relationship between different input sources and net anthropogenic nitrogen input in the Pearl River Delta

2.4 人均NANI

目前，在關(guān)于NANI的研究中，較多集中于研究單位面積上的NANI（高偉等，2014；徐浩林等，2020），較少?gòu)娜司慕嵌汝P(guān)注NANI的變化。近20 a珠三角地區(qū)人均NANI由24.72 kg·person-1·a-1下降到13.88 kg·person-1·a-1，均值為19.19 kg·person-1·a-1，而全球平均的人均NANI則為21.4 kg·person-1·a-1（Han et al.，2020），珠三角地區(qū)人均NANI低于全球均值。不同地級(jí)市間人均NANI存在較大差異（表5），人口密度較低的地級(jí)市，如肇慶、江門、惠州，其人均NANI較高，而人口密度較高的地級(jí)市，如深圳，人均NANI則較低。張汪壽等（2014a）與丁雪坤等（2020）研究NANI與人口密度關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)人口密度存在閾值，超過一定閾值時(shí)，人口密度對(duì)于NANI的解釋力降低，其他因素對(duì)NANI影響上升。而在本研究中，人口密度與人均NANI同樣出現(xiàn)一個(gè)閾值（圖5），隨著人口密度的增加，人均NANI呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，到一定閾值后，其趨勢(shì)放緩，說明將人口密度控制在一定閾值內(nèi)，有利于管控個(gè)人對(duì)環(huán)境施加的氮污染壓力。

表5 近20 a珠三角地區(qū)人均NANI與人口密度Table 5 Per capita net anthropogenic nitrogen input and population density in the Pearl River Delta in recent 20 years

圖5 人口密度與人均NANI關(guān)系Figure 5 Relationship between population density and per capita net anthropogenic nitrogen input

3 討論

3.1 不同地區(qū)主要輸入源及其貢獻(xiàn)率比較

近20 a珠三角不同輸入源及其貢獻(xiàn)率如圖6所示，食物/飼料凈氮輸入與大氣氮沉降貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，而化肥施用氮與作物固氮呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，Zhou et al.（2021）對(duì)同屬?gòu)V東省的湛江灣區(qū)NANI進(jìn)行研究，其結(jié)果顯示，在1978—2018年間，食物/飼料凈氮輸入從 75.5%下降到21.77%，化肥施用氮從19.08%上升到76.77%，其趨勢(shì)與珠三角地區(qū)相反，該變化趨勢(shì)可能與人口、城市化水平有關(guān)（丁雪坤等，2020），湛江灣區(qū)相對(duì)于珠三角地區(qū)，其人口較少、經(jīng)濟(jì)與城市化水平較低，從而導(dǎo)致NANI變化趨勢(shì)存在差異。

圖6 珠三角地區(qū)不同輸入源及其貢獻(xiàn)率Figure 6 Different input sources and its contribution rates in the Pearl River Delta

Han et al.（2020）及張汪壽等（2014a）從全球尺度對(duì)NANI組成進(jìn)行了分析，指出化肥施用氮是全球NINA的主要組成部分。在國(guó)內(nèi)其他地區(qū)，如洱海流域（李影等，2018）、淮河流域（張汪壽等，2015）、長(zhǎng)江流域（Chen et al.，2016）、三峽庫(kù)區(qū)（丁雪坤等，2020）以及湖北?。ㄐ旌屏值?，2020）等，化肥施用氮均為第一大輸入氮源。珠三角地區(qū)NANI結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他地區(qū)存在特殊性，在研究期間，食物/飼料凈氮輸入為第一大輸入氮源，占比為41.26%—53.55%，其次分別為化肥施用氮（39.19%—31.20%）、大氣沉降氮（5.70%—8.53%）及作物固氮（13.85%—6.73%）。目前，中國(guó)人的飲食結(jié)構(gòu)正逐步由充足型向營(yíng)養(yǎng)型過渡，對(duì)肉、蛋、奶等消費(fèi)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，特別是在人口密集的大城市（Han et al.，2014），珠三角地區(qū)相對(duì)于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)，其經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密，對(duì)肉蛋奶需求量大，從而導(dǎo)致食物/飼料凈氮輸入成為該地區(qū)第一大輸入源。

3.2 NANI區(qū)域比較

為了探究珠三角地區(qū)NANI在國(guó)內(nèi)乃至全球中的地位，將珠三角地區(qū)近20 a NANI的均值（16973.73 kg·km-2·a-1）同其他區(qū)域NANI進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。從世界范圍上看，全球平均NANI為1044.33 kg·km-2·a-1，NANI較高區(qū)域分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的北美、歐洲地區(qū)，以及分布在人口較多、農(nóng)業(yè)占比較高的亞洲、加勒比海地區(qū)。從國(guó)內(nèi)范圍上看，中國(guó)平均 NANI為5013 kg·km-2·a-1，是全球平均值的4.8倍，國(guó)內(nèi)NANI較高區(qū)域主要分布在農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)或人口較為密集地區(qū)，與高偉等（2014）研究類似，淮河流域、河南省及海河流域等位于華北平原，是中國(guó)重要的產(chǎn)糧區(qū)，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，而珠三角、北京地區(qū)為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，人口數(shù)量大，人口密集。珠三角地區(qū)NANI是亞洲的7.3倍、全球平均值的16.25倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過亞洲以及全球的平均值。全國(guó)范圍內(nèi)，珠三角地區(qū)NANI是中國(guó)平均值的3.39倍，人類活動(dòng)影響下的氮素輸入水平較高，如何保持珠三角經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)兼顧好減弱因氮素富集而產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，已成為環(huán)保領(lǐng)域必須解決的科學(xué)問題。

圖7 珠三角地區(qū)與其他區(qū)域NANI情況對(duì)比Figure 7 Comparison of net anthropogenic nitrogen input between Pearl River Delta and other regions

3.3 NANI與水環(huán)境壓力

水體承載著接納從陸地流失的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能，研究表明，約1/4的人類活動(dòng)凈氮輸入隨水流向水體排放，且人類活動(dòng)凈氮輸入與水體氮輸出呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系，為水環(huán)境帶來巨大的壓力（Howarth et al.，2006；繆今典等，2021）。人類活動(dòng)凈氮輸入與珠三角各地級(jí)市城市灰水足跡壓力指數(shù)如圖8所示，人類活動(dòng)凈氮輸入量與城市灰水足跡壓力指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說明人類活動(dòng)越強(qiáng)烈，水環(huán)境所承受的氮污染風(fēng)險(xiǎn)越大，削減珠三角地區(qū)的人類活動(dòng)凈氮輸入對(duì)減緩城市生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境壓力具有重要意義。目前，由于人為原因排入淡水的氮已超安全排放閾值估計(jì)值的2.7倍（Yu et al.，2019），過高的氮排放除了對(duì)淡水環(huán)境造成水體富營(yíng)養(yǎng)化外，同時(shí)對(duì)近海環(huán)境亦產(chǎn)生較大影響。Chen et al.（2016）研究表明，NANI與赤潮發(fā)生頻率呈現(xiàn)冪函數(shù)相關(guān)性，珠三角位于珠江下游的近海岸地區(qū)，其特殊的地理位置使得NANI可隨河流進(jìn)入近海，增加近海環(huán)境中的溶解態(tài)無機(jī)氮（Dissolved inorganic nitrogen，DIN）而導(dǎo)致赤潮的發(fā)生（李麗等，2009），因此，需對(duì)高值地區(qū)NANI進(jìn)行管控。

圖8 各地級(jí)市人類活動(dòng)凈氮輸入與城市灰水足跡壓力指數(shù)關(guān)系Figure 8 Relationship between net anthropogenic nitrogen input and urban grey water footprint pressure index in various cities

3.4 NANI影響因素

本研究所選取的影響因素主要分為兩大類，分別為社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素及土地利用因素，考慮NANI為單位面積上的氮輸入，故對(duì)所選取因子亦作相應(yīng)處理，具體選取因子如下表所示。在進(jìn)行因子探測(cè)前，需對(duì)自變量X進(jìn)行離散化處理，主要運(yùn)用自然間斷點(diǎn)法將各因子分為5級(jí)，因子探測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 NANI影響因子選取及因子探測(cè)結(jié)果Table 6 Selection of net anthropogenic nitrogen input impact factors and factor detection results

在土地利用影響因子中，林地面積占比q值最高，說明在珠三角地區(qū)，林地面積對(duì)NANI產(chǎn)生較大影響。已有研究表明林地面積與NANI呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系（丁雪坤等，2020），因此，可通過增加林地面積以削減NANI帶來的環(huán)境影響。相對(duì)于現(xiàn)有研究所報(bào)道的NANI與耕地面積呈現(xiàn)較強(qiáng)線性關(guān)系而言（Zhang et al.，2016；李曉虹等，2019），珠三角耕地面積占比q值最低，其對(duì)NANI影響不顯著，與Lian et al.（2018）研究類似。較高NANI除了分布在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)外，人口集中地區(qū)同樣可導(dǎo)致較高的NANI的產(chǎn)生（高偉等，2014）。

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因子中，人口密度、化肥施用強(qiáng)度、城鎮(zhèn)化率q值較高，對(duì)NANI產(chǎn)生較大影響。Lian et al.（2018）指出，人口增長(zhǎng)及城鎮(zhèn)化建設(shè)與氮輸入存在著顯著的相關(guān)性，珠三角地區(qū)人口密集，同時(shí)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，飲食結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化（Han et al.，2014），在較高人口密度與飲食結(jié)構(gòu)變化的影響下，可導(dǎo)致較高NANI的產(chǎn)生。已有研究表明化肥施用量與區(qū)域NANI呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（徐浩林等，2020），盡管珠三角地區(qū)化肥施用氮輸入量占比下降，但仍達(dá)1/3，中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受各種條件的限制，只能依靠氮肥，并且農(nóng)業(yè)氮足跡主要來源是化肥的施用（周濤等，2014；王敬國(guó)等，2016），這就造就了化肥施用量在眾多輸入源中仍占有一席之地。因此，需對(duì)農(nóng)田進(jìn)行氮管控，以減少陸地氮素向水體流失，從而降低水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文以1997—2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合珠三角地區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、人口和土地利用等相關(guān)數(shù)據(jù)，探討珠三角地區(qū)近20 a的人類活動(dòng)凈氮輸入（NANI）的時(shí)空變化，得出以下結(jié)論：

（1）近20 a來，珠三角地區(qū)NANI與人均NANI總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，分別由1997—1999年的17172.65 kg·km-2·a-1、24.72 kg·person-1·a-1下降到2017—2019年的15936.24 kg·km-2·a-1、13.88 kg·person-1·a-1；空間上NANI的分布呈現(xiàn)出明顯的“中心—邊緣”結(jié)構(gòu)，但空間異質(zhì)性趨于減弱；組分結(jié)構(gòu)上，不同地級(jí)市存在差異，但食物/飼料凈氮輸入與化肥施用氮是珠三角地區(qū)NANI主要的來源。

（2）珠三角地區(qū)NANI與各地級(jí)市城市灰水足跡壓力指數(shù)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），削減人類活動(dòng)輸入氮可提升地表水水質(zhì)，緩解地表水體富營(yíng)養(yǎng)化壓力，同時(shí)考慮到珠三角地區(qū)地處沿海，削減NANI可降低沿岸赤潮發(fā)生頻率。

（3）林地面積占比、人口密度、化肥施用強(qiáng)度城鎮(zhèn)化率、草地面積占比是影響NANI差異的主要影響因素，其中林地面積占比是影響NANI的首要土地利用因素，人口密度是影響NANI的首要社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。

（4）不同區(qū)域NANI情況對(duì)比結(jié)果表明，珠三角地區(qū)NANI是全球平均值的16.25倍、全國(guó)平均值的3.39倍，需防范較高的人類活動(dòng)氮輸入帶來的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。