湛江湾区域氮收支估算

孟亚飞，陈法锦，肖　波，曾　珍

（广东海洋大学 //广东省近海海洋变化与灾害预警技术重点实验室，广东 湛江 524088）

湛江湾区域氮收支估算

孟亚飞，陈法锦，肖波，曾珍

（广东海洋大学 //广东省近海海洋变化与灾害预警技术重点实验室，广东 湛江 524088）

利用2010年湛江湾区域的自然条件、人口、农业、工业、环保等基本统计数据和相关参数对该区域氮的收支进行估算，分析其产生原因和环境影响。结果表明，2010年湛江湾区域氮的输入总量为53 718.55 t，各氮源按输入量大小排序为化肥氮、人畜排泄物氮、大气沉降氮、农田自身固氮、作物残体氮、农田共生固氮和工业废水氮；区域氮输出量为44 536.75 t，其中34.12%由水体输送到湛江湾，33.53%通过反硝化和17.13%经挥发进入大气，作物收获氮带走了剩余的 15.22%；盈余氮量 9 181.80 t储存于区域内。湛江湾区域氮负荷为 249.99 kg·hm-2·a-1，陆地氮通量为200.11 kg·hm-2·a-1，远高于北江流域、珠江三角洲地区，仅稍低于经济发达的长江三角洲地区。

湛江湾；氮收支；氮负荷；陆地氮通量

氮是生物所必需的营养元素之一，也是限制生物生产力的一种重要元素［1-4］。自然条件下，生态系统仅靠生物、微生物或闪电过程将 N2固定成可以被生物利用的氮氢或氮氧化合物，称为自然来源。由化学合成、化石燃料燃烧产生的NOX、人为扩种固定的氮（如种植豆科作物和水稻）称为人为来源。工业革命以来，人为来源氮输入环境的量急剧上升［1-2，5-8］，已由1860年的约15 Tg·a-1，增加到1990年的约140 Tg·a-1，并预计到2050年将达到267 Tg·a-1，几乎是1990年的2倍［9-10］。日益增加的氮对全球氮循环产生了严重影响并引发了广泛的环境问题：大气污染、N2O等温室气体排放增加、森林退化、土壤酸化、水体富营养化和生物多样性减少等［1，5-6，11-15］，对生态环境和人类健康造成了极大影响。

量化和评估一个区域的氮收支，对于有效控制该地区的氮排放，科学管理氮循环非常重要。近年来国内外在此方面的研究已取得一定成果，Galloway和 Howarth［8，11］分别对全球和北大西洋沿岸地区的氮收支的估算；邢光熹等［13，16-19］对中国及三大河流（黄河、长江、珠江）、太湖等区域氮收支进行了评估；沈志良等［15］和邓美华等［2］分别对长江流域和长江三角洲氮收支进行了估算，郭劲松，刘京等［20-21］对三峡库区紫色土坡耕地小流域氮收支的估算，陈法锦等［5］对北江流域氮收支的估算，谢丽纯等［4］对珠江三角洲氮收支演变的研究等。目前，对区域氮收支的估算大多集中于河流流域，对海湾区域的估算还鲜有研究。鉴于此，本文选取典型海湾地区——湛江湾区域为研究对象，通过查阅相关文献资料，获取氮收支参数来估算湛江湾区域氮的输入、输出量，分析氮污染的来源，产生原因和对环境的影响，以期为海湾区域氮素污染防治提供科学依据。

1　研究区域概况

湛江湾区域位于广东省西部，雷州半岛东北侧。海湾呈南北走向，周边沿岸有赤坎、霞山、麻章、坡头、经济技术开发区（含东海岛）5个市辖区及遂溪县北部区域（图1），大半区域属湛江市区。湛江湾区域处于北回归线以南的低纬地区，终年受季风和海洋影响，形成了独特的热带海洋性季风气候。它具有气温高，夏季长，无寒冬，湿度大，风力不大但季风明显等特征。

根据湛江统计年鉴2011［22］（本文数据除有说明外均来源于湛江统计年鉴 2011）和广东统计年鉴2011［23］，2010年湛江市及湛江湾区域部分基本统计数据见表1，2010年广东省部分基本统计数据见表2。

图1　湛江湾区域地理位置Fig.1　Location of the Zhanjiang Bay area

表1　2010年湛江市及湛江湾区域部分基本统计数据Table 1　Selected basic statistics data of Zhanjiang and Zhanjiang Bay area in 2010

表2　2010年广东省部分基本统计数据Table 2　Selected basic statistics data of Guangdong province in 2010

遂溪河从马安乡坑口村入遂溪县境，从北向南流经分界、牛路、西溪、新桥、官湖、林东，于黄略镇石门五里港注入湛江港。经计算遂溪县有约20%的国土面积属于湛江湾区域，故工业产值、耕地面积按20%计算（下文该地区计算参数亦按此比例），人口数据来自当地政府网站。

2　湛江湾区域氮收支估算方法

氮的收支过程可分为输入、输出以及盈余。氮的输入来源可分为人为来源和自然来源［16-18］：人为来源包括化肥，农田自身、共生固定，人畜排泄物，工业废水，大气沉降，作物残体和进口农产品带入；自然来源包括自然陆地和雷电过程。氮的输出包括反硝化、氨氮挥发、水体输出、作物收获和农产品出口。氮盈余量=氮输入量-氮输出量。

2.1氮的输入

氮的各输入来源中，进口农产品输入氮所占比例很小，参照邓美华［2］、Xing［16］等的处理方法，本文不考虑该部分氮。此外，全球范围内通过闪电产生的氮仅占陆地生态系统固定氮的 2%左右［10］，在以往的氮估算研究中学者都没有把这部分氮估算在内，故本文也不考虑闪电作用的固氮量。因此，氮的输入量=化肥氮+农田自身固氮+农田共生固氮+人畜排泄物氮+工业废水氮+大气沉降氮+作物残体氮。

1）化肥氮：由2010年湛江市各区氮肥、复合肥的施用量及其各自平均含氮比例折算。根据邓美华等［2］的研究，复合肥的平均含氮比例为60%。

2）农田自身固氮：旱地和水田的固氮参数分别为15 kg·hm-2·a-1和45 kg·hm-2·a-1［2，4，5］，再根据2010年湛江湾区域耕地中旱地与水田的面积进行计算（水浇地视作水田）。

3）农田共生固氮：固氮作物主要有大豆，花生等，固氮量=种植面积×固氮率。根据花生和大豆的固氮率，分别为 112 kg·hm-2·a-1和 105 kg·hm-2· a-1［5，24］，再由两者的种植面积进行计算。

4）人畜排泄物氮：人排泄物氮为4 kg·a-1·人-1，猪、牛、羊、家禽的排泄物氮分别为8、42、7、0.6 kg·a-1·头-1［17，18］，乘以相应的数量即可得排泄物氮输入量。由 2010年湛江统计数据可直接得到湛江湾区域常住人口数和猪、牛、羊的存栏数；家禽数量由各区禽蛋产量占全市总产量的比例乘以全市家禽存栏数得出。

5）工业废水氮：工业废水以100%排入水体计算［5］，由湛江湾区域规模以上工业总产值占广东省规模以上工业总产值的比例乘以广东省 2010年排放的工业废水中氨氮总量计算。

6）大气沉降氮：2010年湛江市年均降水量为1 630.9mm［22］。以2010年雷州半岛雨水含氮数据（NO3--N:0.87 mg·L-1，NH4+-N:1.11 mg·L-1）代表湛江湾区域降水含氮浓度［25］。大气沉降氮量=区域面积×年降水量×氮浓度。

7）作物残体氮：作物残体约有 38%会以肥料的形式重新回到农田中［16］。由于统计年鉴中给出的仅为作物食用部分的产量，因此在计算作物残体部分产量时参考残体部分/食用部分的经验比值，先计算出相应作物残体部分的产量，然后再根据不同作物不同部位的平均含氮量（表3）［2，4］来计算该部分所含的氮量；公式：作物产量×（茎叶/种子质量比）×茎叶（秸秆）氮含量×38%。

表3　各类农作物不同部分氮含量及其质量比［2，4］Table 3　Nitrogen concentration in different crops and the ratios of stems/seeds

2.2氮的输出

湛江湾区域氮输出的主要途径有反硝化、氨氮挥发、作物收获、水体输出和农产品出口［2，4，5，10］，其中 1995年中国农畜产品出口输出氮约为 0.11 Tg·a-1，占总输出的 0.3%［16］，农产品出口带走的氮比例很小，参照邓美华［2］的处理方法，本文忽略不计。

1）反硝化氮量：谢丽纯等［4］研究珠三角地区氮收支时采取了 20%的转换参数，Xing等［16］报道的珠江流域反硝化参数（指反硝化细菌在缺氧条件下将硝酸盐转化为N2或N2O的效率）介于16%～25%之间，陈法锦等［5］对北江流域反硝化程度的估算值约为27.8%。本文考虑到湛江湾区域与珠江、北江流域同处亚热带，仅相隔300多公里，故采用陈法锦等的反硝化率（27.8%）来估算湛江湾区域反硝化氮量。

2）挥发氮量：氨氮挥发分为人畜排泄物氮挥发和化肥氮挥发。根据 Xing等［16］的研究，人畜排泄物氨氮挥发系数为0.20，水田、旱地的化肥氨氮挥发系数分别为0.25和0.09。

3）作物收获氮量：作物收获部分氮包括作物食用部分氮和作物残体氮（非食用部分）。参照邓美华［2］、谢丽纯［4］的处理方法，由表3的作物残体与食用部分产量比值和不同类型作物不同部位平均含氮量对作物收获氮分开计算（作物非食用部分约有62%被收获）。

4）水体输出氮量：根据Xing等［16］的估算，化肥氮，农田自身固氮，农田共生固氮和工业废水氮约30%的量会经由水体输出而流失；人类每年产生的废弃物排入水体损失的氮量约3.3 kg/人；而对于禽畜废弃物排入水体损失的氮量因缺乏有效数据不计算在内。

3　结果分析

按上述方法对 2010年湛江湾区域氮的输入与输出进行估算，得出湛江湾区域氮的收支情况，见表4。

表4　2010年湛江湾区域氮输入和输出估算Table 4　Nitrogen input and output budget of Zhanjiang Bay area in 2010

3.1湛江湾区域各来源氮的输入量及产生原因

从表4、图2可以看出，2010年湛江湾区域氮的输入总量为5 3718.55 t；各氮源的贡献依次为：化肥氮、人畜排泄物氮、大气沉降氮、农田自身固氮、作物残体氮、农田共生固氮和工业废水氮，这一估算结果与其他农业区域得出的结论相似［2，4，5］，这与当前我国工农业发展的现状以及人口分布等情况是密不可分的。

1）化肥氮的贡献达到了49.00%，再加上农田自身和共生固氮以及作物残体氮，与农业活动相关的氮源就贡献了氮输入总量的55.79%，这与湛江湾区域以农业为主的产业结构有关。

图2　2010年湛江湾区域各氮源贡献比例Fig.2　Each nitrogen source proportion of the Zhanjiang Bay area in 2010

2）人畜排泄物氮占了氮输入量的31.04%，其中195.73万常住人口排泄物含氮量7 829.20 t，牲畜排泄物含氮量为8 847.12 t。究其原因可能是湛江市区人口众多，对肉、蛋等的需求量大，刺激了该区域畜牧业的发展。

3）大气沉降氮也占了很大的比例，可能是由于城镇化的快速发展以及工业大发展；再加上农田水体的反硝化、氨氮挥发等，大量含氮化合物排入大气。

4）对于氮输入贡献量最小的工业废水氮，原因可能是该区域工业发展水平还很低和废水处理达标率较高。湛江湾区域占了湛江市国土面积的16.25%，但该地区排放的工业废水占了全市排放工业废水总量的73.76%。

3.2湛江湾区域氮负荷及陆地氮通量

为进一步认识湛江湾区域氮输入强度，对其氮负荷进行计算，即单位国土面积接受的全部氮量。由表1、表4计算得2010年湛江湾区域氮负荷为249.99 kg·hm-2·a-1，远高于1995年全国平均值（约64 kg·hm-2·a-1）［16］和北江流域 2006年平均值（约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年长江三角洲的值（约291 kg·hm-2·a-1）［2］。这可能与湛江湾区域以农业为主的产业结构（29.02%）有关，而2006年北江流域为21.01%，2010年珠三角地区为24.16%，2002年长江三角洲为33.86%。

此外，为评估氮对环境的影响强度，1996年Howarth［8］提出了陆地氮通量的概念，即单位面积每年施用化肥氮与人畜排泄物氮的总和。2010年湛江湾区域陆地氮通量为200.11 kg·hm-2·a-1，原因可能是湛江湾区域粗放式的农业生产过度施用化肥，农村大规模的畜牧养殖以及环湾城区高密度的人口。在其他学者的研究中，中国陆地氮通量从新中国成立初期的约6 kg·hm-2·a-1持续增长至1999年的近45 kg·hm-2·a-1［2］；谢丽纯计算的 2010年珠三角地区的平均陆地氮通量为120.39 kg·hm-2·a-1［4］；邓美华估算的2002年长江三角洲地区的陆地氮通量平均为224 kg·hm-2·a-1［2］。 由此可见，湛江湾区域的陆地氮通量已处于较高的水平。

3.3湛江湾区域氮输出估算及其环境影响

由图3可以看出，2010年水体输出氮最多，这是由于湛江湾区域处于亚热带地区，雨水充沛，大量农田淋洗损失的氮进入了河流。同时亚热带的高温气候也为农田、水体的反硝化提供了条件，因此该区域反硝化氮量也很大。氨氮挥发量大的原因可能是湛江湾区域大的化肥施用量和发达的畜牧业。作物收获输出氮量最小，可能是由于作物大多被人畜消耗，产物又返回农田或进入水体中。

图3　2010年湛江湾区域氮输出量（t）及其比例Fig.3　The nitrogen output and proportion of Zhanjiang Bay area in 2010

2010年湛江湾区域氮的盈余量为9 181.80 t，占氮输入总量的 17.09%。单位面积盈余氮量为42.73 kg·hm-2·a-1，低于珠三角地区（约51.92 kg·hm-2·a-1）［4］。这些盈余氮储存于区域内的土壤、植被和水体中。需要指出的是由于缺少相应参考资料及数据，本文没有计算出口农产品等其他形式的氮输出量，因此氮输出量相比实际输出量要偏低，盈余则偏高。

4　结 论

1）湛江湾区域氮的输入主要以化肥氮（49.00%），人畜排泄物氮（31.04%），大气沉降氮（12.92%）为主；氮的输出方面，44 536.75 t输出氮中34.12%由水体输送进入湛江湾，33.53%通过反硝化和17.13%经由挥发进入大气，剩余的15.22%被作物收获带走；盈余的9 181.80 t氮则储存在区域内。

2）湛江湾区域氮负荷为249.99 kg·hm-2·a-1，远高于全国平均水平；陆地氮通量为200.11 kg·hm-2· a-1，仅稍微低于长江三角洲地区；单位面积氮盈余量为42.73 kg·hm-2·a-1；这些都充分说明当前湛江湾区域面临严峻的潜在风险。近年来湛江湾区域的氮污染已处于较严重程度，如不及时采取对策必将威胁湛江的水产养殖等海洋产业，危及该地区经济的可持续发展和区域的生态平衡。

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（责任编辑：任万森）

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

国家自然科学基金资助项目（41476066）；国家海洋局第二海洋研究所开放基金（LMEB201404）；广东海洋大学团队项目（C13437）；广东海洋大学科研启动项目（1312155）

孟亚飞（1990-），男，硕士研究生，主要从事海洋生物地球化学方面的研究。E-mail：mengyafei199001@sina.com

陈法锦，男，副教授，E-mail：fjchen04@163.com