唐山市氮代谢过程分析

顾永波

关键词：氮代谢;唐山市;产业部门;氮氧化物;活性氮

21世纪以来，城市化的进程不断加快，氮在人类活动的影响下通过各种途径进入生态系统。随着人口的不断增加、重工业和农业的发展，环境中的活性氮含量不断增加。关于氮代谢，不同学者从多个角度作了分析研究。秦树平等[1]针对氮足迹进行研究，提出了氮足迹的概念、研究的意义以及研究方法，对氮的足迹和代谢进行了详尽的分析。张妍等[2-3]针对多尺度人类活动影响下氮的代谢和循环，分析了氮在各种流转过程中的变化规律，为氮的管理决策提供了可行性措施和建议。方华等[4]研究了活性氮对环境的威胁，发现由于城市中氮氧化物的大量排放和人类生产生活的影响，活性氮的含量不断增加，对生态系统造成了很大危害，通过分析活性氮的来源，提出了减少活性氮的建议和可行性措施。高群等[5]研究了城市化对氮循环的影响，发现我国经济的增长、人们生活水平的提高、城市化进程不断加快改变了城市的氮循环过程，加重了氮对环境的污染，在氮循环特征的基础上，分析城市化过程中氮污染物的来源等，对城市氮的管理有很大的启示意义。冼超凡等[6]研究了城市生态系统的氮代谢，将城市作为研究的基本单元，描述了城市中氮代谢的内涵，采用物质流分析的方法研究城市氮代谢的进展，分析探讨城市氮代谢研究的发展趋势，实现了不同尺度下城市氮代谢过程的准确分析。石磊等[7]通过建立城市尺度物质流分析框架，计算输入量和输出量、获取城市中的净存量，然后配合一些实际数据作出假设测算。本研究以唐山市产业部门的氮代谢[8]作为研究单元，分析产业部门之间氮的流动关系及输入、输出规律，有助于提高唐山产业的生产效率，加快经济的发展。

1 区域概况

唐山历史悠久，是一座沿海的重工业城市，地处环渤海中心，面积广阔，人口众多，能源非常丰富，尤其是煤炭资源，唐山的钢产量在全国排名第一。在唐山的空气质量状况中，良最多、轻度污染偏多，唐山的雾霾现象有目共睹，严重时能见度不足100 m，威胁了人们的健康。硫氧化物、氮氧化物的排放量在全国占有很大比例，使城市中的温室气体增加、平均气温升高，严重影响了氮代谢的途径，增加了氮输入的来源。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究以唐山市各产业部门为基本研究单元，测算分析唐山市近5年煤炭燃烧排出的氮氧化物量以及各产业中氮氧化物的排出情况，数据主要来自唐山市政府官网统计信息中的《唐山市统计年鉴》。通过分析计算各行业中氮代谢的氮氧化物的输入、间接能耗，研究唐山市产业部门氮代谢的状态。

2.2 研究方法

2.2.1 物质流分析法

物质流分析在城市生态系统代谢分析中占有重要位置，根据质量守恒定律对经济-环境系统之间的物质输入流、输出流和存量进行核算，研究代谢过程。

（1）代谢效用指代谢流到达最终用户的有效部分。代谢系统遵守物质守恒及热力学定律，因此，转化有一定的损失，剩余部分形成有效产品或服务，表达式：

MU=MI-ML （1）

式中：MU为代谢效用，MI为代谢系统总输入，ML为代谢损失，量纲为“J”或“t”[9]。

（2）代谢效率是代谢分析的一个重要指标，基本定义为某一过程的输入与输出量之比，表达式：

η=MU/MI （2）

式中：

η为代谢效率，MU、MI的定义同式（1）。以此作为指标反映唐山产业部门氮代谢的状态，对唐山市的氮氧化物排放提出相应的措施[10]。

2.2.2 计算氮代谢过程中氮氧化物的输入量

考虑数据的可得性，城市氮代谢的输入过程主要是煤炭燃烧氮氧化物的排放，其他可忽略不计。可引用《环境统计手册》中方品贤的计算方法（第99和100页），假设燃烧1 kg煤产生10 m³烟气：

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，《環境保护实用数据手册》胡名操和《环境统计手册》方品贤统计数据一致，取0.85%;β代表燃料中氮的转化率，取70.00%。通过计算，燃烧1 t煤产生的氮氧化物量大约为18.64 kg。

3 结果分析

3.1 各产业部门氮代谢中氮氧化物的排放量分析

根据《唐山市统计年鉴》中给出的数据，将几个主要产业的氮代谢中氮氧化物的排放量统计在一起，结果发现，在2013年所有产业中，工业的氮氧化物排放量最多，远高于其他行业，占总排放量的79.80%左右。这是由于唐山是一座具有130多年历史的重工业城市，是我国钢产大市，“因煤而建、因钢而兴”。在钢和一些原材料的生产过程中，需要燃烧大量煤炭等高能耗的燃料，所以排出的氮氧化物量较高。其次是交通中氮氧化物的排放量较多，占总排放量的18.90%，主要来自各种卡车运输，不仅造成拥堵，尾气排出的各种污染物还会造成严重的大气污染。在城镇服务中，氮氧化物的排出量最少，所占比例也最小，总共才占总排放量的1.20%。2014年、2015年、2016年、2017年各个行业的排放量不断降低，2017年工业的氮氧化物排放量略有升高，占很大的比例。

3.2 氮代谢中煤燃烧氮氧化物的输入量分析

根据《唐山市统计年鉴》中的煤炭燃烧量和《环境统计手册》方品贤的计算方法计算氮氧化物的排出量，统计2013年、2014年、2015年、2016年、2017年氮代谢中煤燃烧氮氧化物的输入量发现，近几年唐山市氮氧化物的输入量呈下降趋势，由于企业的产业部门结构转型比较成功，对新能源的开发使各种污染物的排放大量减少，对煤炭的需求量也大大降低。还有企业引入一些新型技术，使氮氧化物的排放量大大减少。通过计算发现，2013年氮的代谢效率最高，大约为95.00%;2014年的代谢效率最低，大约为61.00%。2013年，氮氧化物的排放达到了310000 t之多，而2017年的输入量只有280000 t，所以要继续加强对煤炭用量的把控，努力开发新型清洁能源，使氮氧化物的排放处于城市生态系统可接受范围，推动资源的可持续发展。

4 结语

氮循环及氮代谢的流转过程呈现出多对一、一对多的网络态，未来采用生态网络分析的方法，通过多尺度下氮研究的耦合，形成多个级别、多个角度的生态网络模型。可以将城市作为一个点研究流域，或者打破城市这个点，研究城市内部部门间的氮代谢网络，探究多种状态下氮代谢的演变规律，并且分析规律的相同之处与差异，识别出不同条件下氮流转过程中的影响因素。由于城市中的活性氮含量不断增加，对环境造成了很大危害，必须对氮代谢、氮的来源以及氮含量增加的后果进行更细致、科学的探讨，加强活性氮的管理，更好地掌握氮代谢的迁移转化规律。