王雨蓉,曾慶敏,陳利根,龍開勝①

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)科技信息研究所,上海 2014032;2.南京農(nóng)業(yè)大學公共管理學院,江蘇 南京 210095)

富營養(yǎng)化是一種由營養(yǎng)過剩引起的水污染,氮(N)是富營養(yǎng)化的主要污染元素[1]。水體中的氮濃度增加和人類活動密切相關(guān)[2-3],比如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的肥料施用、種植固氮的農(nóng)作物、消費和養(yǎng)殖高蛋白畜牧產(chǎn)品等。HOWARTH等[4]首次提出了人類活動凈氮輸入(net anthropogenic nitrogen input, NANI)的概念,并利用相對原始的地區(qū)數(shù)據(jù)作為對照組,估算出許多溫帶地區(qū)的流域氮輸入在工業(yè)化之后增加了2～20倍,所以采用NANI指標表征人類活動導(dǎo)致的氮輸入量和來源,有助于流域可持續(xù)管理和改善水質(zhì)環(huán)境[5-6]。

自NANI提出以來,該方法已被用于估算全球[7-8]、美國[6]、歐洲[9]、印度[10]和日本[11]等區(qū)域的流域氮輸入。中國關(guān)于NANI的研究始于2011年韓玉國等[12]對北京地區(qū)人類活動氮輸入的計算,之后應(yīng)用于中國大陸[2,13]、淮河流域[14]、滇池流域[15]、太湖流域[3]等區(qū)域。已有研究表明氮過量輸入會給水生生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的環(huán)境壓力,已成為我國流域環(huán)境可持續(xù)的重要制約因素[16]。為解決該問題,生態(tài)補償作為可以協(xié)調(diào)流域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護關(guān)系的有效手段在中國各省份開展了有益的嘗試[17]。安徽省黃山市新安江流域是我國第1個跨區(qū)域流域生態(tài)補償試點,從2012年開始實施以解決下游千島湖的富營養(yǎng)化問題[18]。新安江流域生態(tài)補償通過一系列的項目改變流域地區(qū)人類活動行為,從而達到控制氮污染的目的?；诖?筆者以2008—2017年新安江流域為研究范圍,從縣級尺度對NANI進行估算,檢驗流域生態(tài)補償實施是否影響新安江氮輸入,便于更精細和準確地識別氮源輸入的重點區(qū)域,達到改善流域生態(tài)環(huán)境的目的,為完善我國流域生態(tài)補償評估提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究方法

NANI是一種簡單的準物料平衡方法,包括4個組成部分:氮肥施用(fertilizer N application)、大氣氮沉降(atmospheric N deposition)、作物氮固定(agricultural N fixation)和食品/飼料凈輸入量(net N food and feed imports)。其中,食品/飼料凈輸入量包括人類和動物取自食物的氮消費量減去動物產(chǎn)品和作物產(chǎn)品的含氮量。這4個組成代表進入流域的外來氮源,動物糞肥施用于農(nóng)作物等氮的流轉(zhuǎn)形式未納入其中,因為這是流域內(nèi)部氮的循環(huán)和重新分配過程。整個流域的氮循環(huán)與NANI的關(guān)系如圖1所示。

流域中包括人類、動物和作物3類主體,氮在三者間通過養(yǎng)殖、食用、種植等生產(chǎn)和生活方式流動。具體來說,在一個流域中,一方面氮會通過動物和作物變成動物產(chǎn)品和農(nóng)產(chǎn)品而輸出到其他地區(qū);另一方面,人類通過投入化肥種植作物和糧食、投入飼料喂養(yǎng)牲畜、燃燒化石或其他燃料等向流域中輸入氮,這些行為都會產(chǎn)生活性氮,并通過大氣沉降作用重新回到流域。輸入到流域生態(tài)系統(tǒng)中的氮一部分通過河流輸出流域而威脅下游環(huán)境,另一部分儲存在土壤或地下水中,會再次釋放重新進入水體,繼續(xù)危害流域生態(tài)環(huán)境[19]。因此,動物氮產(chǎn)品和作物氮產(chǎn)品是流域中主要的氮輸出項,大氣氮沉降、作物固氮、氮肥施用、人類氮消費和動物氮消費是氮輸入來源。由此得到NANI(INAN)的計算公式為

INAN=Nfert+Nfix+Ndepo+Nffi=Nfert+Nfix+

Ndepo+Nhc+Nlc-Nhp-Nlp。

(1)

式(1)中,Nfert為氮肥施用量，kg·km-2·a-1;Nfix為作物固氮量，kg·km-2·a-1;Ndepo為大氣氮沉降量，kg·km-2·a-1;Nffi為食品/飼料氮凈輸入量，kg·km-2·a-1;Nhc和Nlc分別為人類和動物氮消費量,kg·a-1;Nhp和Nlp分別為動物產(chǎn)品中供人類食用的含氮量和作物產(chǎn)品的含氮量,kg·a-1。

1.2 研究區(qū)域

新安江發(fā)源于黃山市休寧縣,是安徽省內(nèi)第3大水系,也是浙江省最大的入境河流。新安江流域總面積為11 452.5 km2,干流總長為359 km,詳細范圍見表1。新安江流域多年平均天然徑流量(地表水資源量)為126.7億m3,其中年均入千島湖水量115.2億m3,是下游地區(qū)重要的戰(zhàn)略水源地和生態(tài)安全屏障[18]。

表1 新安江流域(黃山市境內(nèi))范圍Table 1 The Xin′an River Basin in the territory of Huangshan City

歙縣個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政區(qū)劃有變動,以新安江生態(tài)補償實施第1年(2012年)的行政區(qū)劃為準。

20世紀初新安江水質(zhì)不斷下降。2001—2007年街口江段水質(zhì)是較差的Ⅳ類水,2008年變成更差的Ⅴ類水,以總氮這項關(guān)鍵污染指標來看,個別月份甚至是最差的劣Ⅴ類水。2006—2010年千島湖總氮指標為Ⅲ～Ⅳ類,濃度變化范圍為0.82～1.01 mg·L-1,全湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)范圍為29～34,總體為中營養(yǎng)狀態(tài)[18]。新安江水質(zhì)惡化對下游千島湖水質(zhì)的影響十分明顯。為遏制新安江水環(huán)境不斷惡化,皖浙兩省政府于2012年正式實施了新安江流域水環(huán)境補償試點,兩輪試點期分別為2012—2014年和2015—2017年。流域上下游省份以協(xié)議方式明確各自職責和義務(wù),促進流域水環(huán)境不斷好轉(zhuǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

該研究估算了黃山市7個區(qū)縣2008—2017年期間的NANI,涵蓋了兩輪新安江生態(tài)補償試點期。所需數(shù)據(jù)均來自2009—2018年安徽省統(tǒng)計年鑒、黃山市統(tǒng)計年鑒和相關(guān)期刊文獻,個別年份缺失的數(shù)據(jù)采用線性插值法補全。

(1)氮肥施用量。NANI計算中僅考慮化肥的氮輸入,因為有機肥主要來源于區(qū)域內(nèi)部,沒有新的氮源輸入。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上含氮化學肥料主要包括兩大類:氮肥和復(fù)合肥。氮肥中的含氮量直接采用年鑒中統(tǒng)計的氮肥折純施用量計算。復(fù)合肥中的含氮量采用年鑒的復(fù)合肥施用量和復(fù)合肥的含氮系數(shù)進行換算,參照針對安徽省農(nóng)用地的研究,該地區(qū)復(fù)合肥含氮量w約為18.5%[20]。

(2)作物固氮量。農(nóng)作物可通過生物固氮作用將空氣中的氮固定在植物體內(nèi),固氮作物的大面積種植使作物固氮成為重要輸入氮源。黃山市種植的主要固氮作物有大豆、花生和稻谷,這3種作物的固氮速率分別為9 600、8 000和3 000 kg·km-2·a-1[21],再結(jié)合有關(guān)作物的種植面積計算作物固氮量。

(3)大氣氮沉降量。大氣氮沉降是指大氣中的氮以氨氮(NHx)和氮氧化物(NOy)的形式降落的過程,以降塵方式降落被稱為大氣氮干沉降,以降水方式降落被稱為大氣氮濕沉降。由于化學氮肥的施用、燃料的施用和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模擴大導(dǎo)致活性氮產(chǎn)量顯著增加[22],使得中國成為繼北美、歐洲之后的全球三大氮沉降集中區(qū)之一[23]。NANI核算模型中僅考慮NOy形態(tài)的氮干濕沉降量,因為NHx主要來自化肥、有機肥等肥料的揮發(fā),不是新的氮源,而且它們在大氣中存留的時間較短,一般會重新沉降到原區(qū)域[1]。估算區(qū)域大氣氮沉降量需要大量的監(jiān)測站點數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)較難獲取,因此NANI核算模型中大氣氮沉降量大多使用前人研究結(jié)果進行估計[2,15,24]。該研究選擇HAN等[2]估算的2009年安徽省大氣氮沉降數(shù)據(jù)(2 739 kg·km-2·a-1)為參考,再結(jié)合XU等[25]估算的長江流域2011—2015年大氣氮沉降平均增長率(36 kg·km-2·a-1),對新安江流域2008—2017年大氣氮沉降量進行估算。

(4)食品/飼料氮凈輸入量。人類食品和畜禽飼料的氮消費量減去動物產(chǎn)品中供人類食用的含氮量和作物產(chǎn)品的含氮量,即為食品/飼料氮凈輸入量。如果食品/飼料氮凈輸入量計算結(jié)果為正,說明該地區(qū)生產(chǎn)的食品和飼料供小于求,需要從其他地區(qū)引進食品/飼料;反之,結(jié)果為負說明該地區(qū)生產(chǎn)的食品和飼料不僅可以滿足當?shù)鼐用窈蛣游锏男枨?還可以輸出到其他地區(qū)。食品/飼料中的氮通過食物鏈的跨地區(qū)轉(zhuǎn)移成為流域重要的NANI來源。

首先,估算人類氮消費量。人類食物中的含氮物質(zhì)來源是蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)中含氮量w平均為16%[26],通過估算人均蛋白質(zhì)消費量計算人類氮消費量。研究發(fā)現(xiàn),城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民蛋白質(zhì)消費量存在差異,每人每天分別為75.4和63.7 g[27],2016年對黃山地區(qū)200戶家庭的調(diào)研數(shù)據(jù)表明每人每天平均攝入蛋白質(zhì)69.9 g[28]。據(jù)此估算,黃山地區(qū)城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民每人每天的蛋白質(zhì)攝入量為75.4和63.7 g。采用新安江流域內(nèi)城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口數(shù)分別乘以城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村居民的蛋白質(zhì)攝入量,再乘以16%可得人類氮消費量。

第二,估算動物氮消費量。與人類氮消費量計算思路類似,動物氮消費量通過流域內(nèi)禽畜養(yǎng)殖數(shù)量乘以各自的氮消費量得出?？紤]到養(yǎng)殖周期,牛、羊數(shù)據(jù)選擇期末存欄數(shù),豬、家禽選擇期末出欄數(shù)計算[13]。動物的氮消費量參照HAN等[2]的研究數(shù)據(jù)。

第三,估算動物產(chǎn)品中供人類食用部分的含氮量。動物產(chǎn)品中供人類食用的部分主要指肉類、牛奶、雞蛋等禽畜產(chǎn)品。一般估算方法有2種:第1種是由動物氮消費量減去動物排泄等消耗的氮計算,第2種是根據(jù)動物產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)含量計算[13]。該研究結(jié)合2種方法,對于牛、羊、豬和家禽的動物產(chǎn)品供人類食用的含氮量采取第1種方法測算,動物排泄等消耗的氮采用HAN等[2]的研究數(shù)據(jù);黃山地區(qū)盛產(chǎn)蜂蜜和水產(chǎn)品,這2種產(chǎn)品采用第2種方式測算,蛋白質(zhì)含量數(shù)據(jù)參照文獻[29]中的安徽合肥地區(qū)數(shù)據(jù),再乘以16%換算為含氮量。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 動物的氮消費量和動物產(chǎn)品含氮量Table 2 Animal N consumption and production

第四,估算作物產(chǎn)品的含氮量。通過作物產(chǎn)量與單位產(chǎn)品含氮量相乘得到作物產(chǎn)品的含氮量。統(tǒng)計年鑒中黃山市主要作物有18種,其蛋白質(zhì)含量數(shù)據(jù)來源于文獻[29-31],用蛋白質(zhì)含量乘以16%得到含氮量。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同作物產(chǎn)品含氮量Table 3 N in agricultural crop products g·kg-1

草莓、芝麻、綠茶、薯類數(shù)據(jù)來自文獻[30],薯類含氮量是由甘薯含氮量(2 g·kg-1)和馬鈴薯含氮量(3.2 g·kg-1)按照黃山地區(qū)總產(chǎn)量比例(約15∶1)的權(quán)重平均得到;油菜籽數(shù)據(jù)來自文獻[31];其余數(shù)據(jù)為文獻[29]中合肥地區(qū)相關(guān)作物種類的加權(quán)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 NANI及其組成部分的時間變化

2008—2017年,新安江流域(黃山市境內(nèi))的NANI計算結(jié)果見表4。

從表4可知,這一時期新安江流域內(nèi)的NANI總體呈下降趨勢。從全市范圍來看,NANI的數(shù)值先升后降,由-4 637.23 kg·km-2·a-1升至-4 118.35 kg·km-2·a-1,再降為-9 576.49 kg·km-2·a-1,大幅下降發(fā)生在2012年以后,即流域生態(tài)補償試點實施期。從各個地區(qū)來看,下降明顯的區(qū)域有屯溪區(qū)、歙縣,它們由凈氮輸入地區(qū)變?yōu)閮舻敵龅貐^(qū)的時間拐點分別是第二輪和第一輪新安江生態(tài)補償試點期。

2008—2017年黃山市不同類型NANI見表5。由表5可知,作物固氮量略有下降,氮肥施用量下降明顯,食品/飼料氮凈輸入量也顯著減少?？傮w上來看,黃山市由于食物/飼料氮的凈輸出,導(dǎo)致了人類活動的凈氮輸出。

表5 不同時期黃山市各類型人類活動凈氮輸入量(NANI)Table 5 The components of NANI in Huangshan City at different periods kg·km-2·a-1

2.2 氮素通量變化

2008和2017年新安江流域的氮通量變化如圖2所示。從全流域來看,氮肥施用是氮的主要輸入來源,其占氮輸入通量的比例從2008年的44.94%下降為2017年的25.39%。大氣沉降氮具有線性增加趨勢,從2008年的25.89%增加為40.9%。其原因是該研究參考了安徽省和長江流域的已有研究數(shù)據(jù),假設(shè)大氣沉降氮是按照一定速率逐年增加的,導(dǎo)致該項占比也逐年增加。作物固氮輸入量較少且變化不大,保持在2.1%～2.3%區(qū)間。動物氮消費輸入和人類氮消費輸入緩慢上升,分別從2008年的20.65%和6.37%上升至2017年的24.4%和7.18%。作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品是該地區(qū)氮的主要輸出項,其中作物產(chǎn)品對氮輸出的貢獻更大,一直保持在88%左右,動物產(chǎn)品對氮輸出通量的貢獻穩(wěn)定在11%左右。

將人類、動物和作物3類主體分別作為食物消費系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)和農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)[32],其中,氮輸入以氮肥投入為主、氮輸出以作物產(chǎn)品為主的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對流域氮通量影響最大。

2.3 NANI的空間變化

黃山市7個區(qū)縣NANI分布表現(xiàn)出區(qū)域差異。結(jié)合表5和圖3可知,NANI的高值區(qū)集中在歙縣和屯溪區(qū),也就是新安江流域的下游地區(qū)。除歙縣為693.885 kg·km-2·a-1外,其他6個區(qū)縣的NANI年平均值均為負,意味著新安江流域(黃山市境內(nèi))為凈氮輸出區(qū)域。歙縣早期大量施用氮肥,中期開始控制化肥使用,NANI從2008年的12 470.29 kg·km-2·a-1下降為2012年的4 091.14 kg·km-2·a-1,也從人類活動的凈氮輸入地區(qū)轉(zhuǎn)為輸出地區(qū)。從圖3可見,2011年以后新安江流域NANI明顯下降,這個時間點也是第一輪新安江生態(tài)補償試點期,之后各區(qū)縣的NANI值一直穩(wěn)定在0以下。

考慮到不同區(qū)域NANI還會有氮來源結(jié)構(gòu)上的差異,因此根據(jù)不同氮輸入項的10 a平均值分析黃山市各區(qū)縣的氮來源。由于作物固氮和大氣氮沉降最高只占NANI的6%左右,大豆、花生等固氮作物的種植面積在黃山市并不高,且主要集中在歙縣、休寧縣和祁門縣。因此筆者主要關(guān)注各個區(qū)縣的氮肥施用量和食物/飼料凈氮輸入量(表6)。

表6 黃山市不同區(qū)縣主要氮輸入項平均值Table 6 Changes in the source of NANI, and average NANI to different research areas kg·km-2·a-1

屯溪區(qū)和歙縣是氮肥施用量最高的2個區(qū)縣,其次是徽州區(qū)和休寧縣。屯溪區(qū)和徽州區(qū)也是食物/飼料凈氮輸出最高的區(qū)縣,因此屯溪區(qū)和徽州區(qū)可以通過食物大量輸出達到降低凈氮輸入的目的。歙縣的食物凈氮輸出排在第4位,但由于氮肥施用量高,再加上作物固氮和大氣氮沉降的氮輸入,無法完全依靠食物/飼料凈氮輸出抵消這3項氮輸入,所以歙縣是新安江流域唯一NANI為正的地區(qū)。

3 討論

實施生態(tài)補償后,新安江流域的氮素輸入得到抑制。下面將從新安江生態(tài)補償?shù)木唧w實施措施,結(jié)合新安江生態(tài)建設(shè)保護局的調(diào)研數(shù)據(jù),討論新安江生態(tài)補償降低NANI的途徑(圖4)。

首先,大部分流域的氮輸入來源為氮肥,氮肥造成的農(nóng)業(yè)面源污染在水域富營養(yǎng)化中的貢獻率呈逐年增加趨勢[33]。因此,減少氮肥施用是控制流域氮輸入的重點途徑。新安江生態(tài)補償控制氮肥輸入的措施主要包括開展測土配方施肥、農(nóng)作物秸稈綜合利用、冷浸田農(nóng)藝措施和養(yǎng)分管理等綜合治理工作,增加秸稈和畜禽糞便有機肥的利用,可減少化肥施用量,從源頭上控制面源污染。補償試點實施期間,黃山市氮肥施用強度總體呈現(xiàn)下降趨勢。2017年氮肥施用強度為16 416 kg·km-2,相比2010年下降31.67%。與此同時,在氮肥施用量總體下降的情況下,2010—2017年黃山市有機肥銷售量呈逐年上升趨勢，由2010年的800 t上升到2017年的15 000 t,有機肥銷售量增長了16.75倍(表7)?？梢娧a償試點實施期間,新安江流域既用有機肥保證了作物產(chǎn)品的含氮量,也減少了氮肥對流域環(huán)境的輸入。

表7 2010—2017年黃山市氮肥和有機肥施用情況Table 7 The use of nitrogen fertilizer and organic fertilizer in Huangshan City from 2010 to 2017

其次,針對食物/飼料氮凈輸入方面,新安江流域(黃山市境內(nèi))的做法主要有以下幾點:第一,實施了規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖整治等工作,科學制定畜禽養(yǎng)殖規(guī)劃,截至2017年底已全面完成禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)124家畜禽養(yǎng)殖場的關(guān)閉或搬遷,關(guān)停數(shù)量(豬當量)42 995 頭;第二,對河道網(wǎng)箱進行退養(yǎng),歙縣網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要在深渡、新溪口、武陽、坑口、小川和街口6個鄉(xiāng)鎮(zhèn);徽州區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要集中在豐樂河流域,共涉及養(yǎng)殖戶787戶2 750余人。目前,新安江干支流累計退養(yǎng)6 379只網(wǎng)箱,面積37.2萬m2,其中歙縣5 204只、徽州區(qū)1 175只;第三,黃山是著名的產(chǎn)茶地,黃山市茶葉產(chǎn)量從2008年的22 836 t增加到2017年的28 464 t,在已有基礎(chǔ)上修建“坡改梯”生態(tài)茶園,建設(shè)有機茶生態(tài)茶園基地等,導(dǎo)致全市有機茶、綠色茶、無公害茶園的面積達48 600 hm2。

4 結(jié)論、不足與展望

4.1 結(jié)論

現(xiàn)階段我國流域生態(tài)補償對流域的生態(tài)影響尚未明朗,NANI可以作為一個合理的評價標準,在流域生態(tài)補償?shù)木唧w項目、人類活動和對流域的生態(tài)改善三者之間建立分析關(guān)聯(lián),從該角度評估流域生態(tài)補償?shù)膶嵤┙Y(jié)果,能夠?qū)α饔蛏鷳B(tài)補償?shù)膶嵺`產(chǎn)生一定的指導(dǎo)作用,為其他地區(qū)的流域生態(tài)補償評估提供借鑒。

第一, 2008—2017年,新安江流域(黃山市境內(nèi))的NANI總體上呈下降趨勢,由-4 637.23升至-4 118.35 kg·km-2·a-1,再降為-9 576.49 kg·km-2·a-1。

第二,從新安江全流域的氮輸入結(jié)構(gòu)來看,氮肥施用是氮的主要輸入來源,占氮輸入通量的比例從2008年的44.94%下降為2017年的25.39%;作物產(chǎn)品是氮輸出項,在研究時期內(nèi)對氮輸出通量的貢獻穩(wěn)定在88%左右。

第三,從黃山市各區(qū)縣來看,歙縣是唯一的凈氮輸入地區(qū),其余區(qū)縣均為凈氮輸出區(qū)。下降明顯的區(qū)域有屯溪區(qū)、歙縣,下降原因主要是氮肥施用量減少和食物/飼料凈氮輸出增加。

4.2 不足與展望

該研究旨在說明新安江生態(tài)補償通過農(nóng)村面源污染治理、改建茶園、整治畜禽養(yǎng)殖、全面網(wǎng)箱退養(yǎng)、秸稈綜合利用等一系列項目有效降低了人類活動凈氮輸入,達到了控制氮污染的目的。但是采用NANI估算流域氮污染存在以下幾方面的不足:一是NANI只關(guān)注氮肥的輸入,沒有關(guān)注氮肥利用率;二是NANI沒有考慮氮在區(qū)域內(nèi)的可循環(huán)利用;三是NANI無法反映現(xiàn)實中活性氮清除率相關(guān)技術(shù)對降低氮污染的作用;四是由于數(shù)據(jù)有限,大氣氮沉降的計算是運用流域外的數(shù)據(jù)推算,無法反映新安江生態(tài)補償中禁止秸稈燃燒這一措施對大氣氮沉降的影響。因此,后續(xù)研究應(yīng)結(jié)合其他模型,如SWAT模型、SPARROW模型、氮足跡模型等,收集更完整的水文數(shù)據(jù),提高NANI估算的準確性,進一步驗證流域生態(tài)補償對流域氮輸入的影響,為評估流域生態(tài)補償政策實施效果提供依據(jù)。