全 文 ：河流氮输出对流域人类活动净氮输入的
响应研究综述*
张汪寿1,2 摇 李叙勇1**摇 苏静君1
( 1中国科学院生态环境研究中心 /城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085; 2中国科学院大学, 北京 100049)
摘摇 要摇 人类活动引起的生态系统氮输入对水环境有着重要的潜在影响,而目前,我国流域
氮污染的研究多从微观角度进行探讨,而从宏观尺度或流域角度诊断流域系统存在的问题研
究尚处于起步阶段,直接导致了对流域存在的生态问题把握不清、流域污染程度和潜在污染
情况含糊不明.基于此,本文综述了河流氮污染与人类活动氮素输入的响应关系及其影响因
素,这对于从流域尺度诊断生态环境、摸清氮流动的过程中自然气候和人类活动扮演的角色
及调节过程,并最终提出科学的管理方案具有一定的理论和实际意义.
关键词摇 河流氮输出摇 人类活动净氮输入摇 响应关系摇 影响因素
文章编号摇 1001-9332(2014)01-0272-07摇 中图分类号摇 X52摇 文献标识码摇 A
Responses of riverine nitrogen export to net anthropogenic nitrogen inputs: A review.
ZHANG Wang鄄shou1,2, LI Xu鄄yong1, SU Jing鄄jun1 ( 1State Key Laboratory of Urban and Regional
Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100085, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. , 2014, 25(1): 272-278.
Abstract: Nitrogen (N) inputs caused by human activities potentially influences the aquatic envi鄄
ronment. However, researches on N pollution in China are mainly discussed from the microscopic
point of view, i. e. field experiment. Watershed鄄scale diagnosis of N pollution has just started,
leading to ambiguous identification of ecological problems, pollution issues and pollution potential at
watershed scale. In this paper, relationships between net anthropogenic N inputs (NANI) and ri鄄
verine N flux (RNF) and factors influencing these relationships at watershed scale had been investi鄄
gated. This would help diagnose ecological and environmental problems at watershed scale, under鄄
stand the roles of natural climate and human activities in affecting N fluxes, and ultimately provide
both theoretical and practical insights into environmental management decisions.
Key words: riverine nitrogen flux; net anthropogenic nitrogen inputs; response relationships; in鄄
fluential factors.
*国家水体污染控制与治理科技重大专项 ( 2012ZX07203003,
2012ZX07029002)和国家自然科学基金项目(41071323)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xyli@ rcees. ac. cn
2013鄄03鄄19 收稿,2013鄄10鄄21 接受.
摇 摇 流域出口往往携带有大量的营养物质,对受纳
水体(湖库、河流或近海水域)的生态环境有着深远
影响,近些年频繁报道的湖库、近海水域富营养化便
是例证[1-5] .众多学者认为,如此大量的河流氮输出
量,主要源于流域内人类生产生活不合理的氮输入.
研究河流氮输出(riverine nitrogen flux,RNF)与人类
活动净氮输入 ( net anthropogenic nitrogen inputs,
NANI)的相关关系已引起广泛关注.
Howarth 等[6]首先提出采用 NANI 指标来表征
人类活动产生的氮量,该指标主要由 4 个部分组成:
化肥施用、作物固氮、大气沉降和食品 /饲料进口净
氮量等,这些代表了进入流域的外来输入[7] . Howar鄄
th等[6]在北大西洋的研究证实,RNF 与 NANI 存在
线性关系,随后很多学者在美国东北沿海流域[8]、
伊利诺伊斯河[9-10]、密西根湖流域[11-12]、波罗的海
流域[13]、密西西比河流域[14-15]等也得出了相同的
结论.这些研究直接或间接地表明,人类活动净氮输
入总量的 1 / 4 最终进入水体,其余 3 / 4 的氮素被储
存或重新进入大气[16] . NANI成为摸清流域当前氮
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 1 月摇 第 25 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2014, 25(1): 272-278
表 1摇 相关流域的基本特征
Table 1摇 Basic characteristics of the relative basins
区域 /流域
Region / basin
子流域面积
Area of
sub鄄basin
(km2)
人口密度
Population
density
(capital·km-2)
年降水量
Mean
Precipitation
(mm·a-1)
年径流深
Mean flow
(mm·a-1)
温度
Temperature
(益)
人类活动净氮
输入 NANI
(kg N·
km-2·a-1)
河流氮输出
RNF
(kg N·
km-2·a-1)
RNF / NANI
(% )
北大西洋流域
North Atlantic Ocean[6]
3. 4伊105 ~8. 77伊106 1. 54 ~ 185. 72 - - - 1168 ~ 7044 363 ~ 1452 10 ~ 35
美国东北部
Northeastern USA[8]
475 ~ 70189 8 ~ 556 934 ~ 1260 328 ~ 672 4. 3 ~ 12. 6 835 ~ 5717 314 ~ 1756 11 ~ 40
美国东南部
Southeastern USA[22]
3274 ~ 35112 14 ~ 103 1155 ~ 1339 275 ~ 467 13. 8 ~ 19. 3 2676 ~ 4884 158 ~ 446 5 ~ 12
美国西海岸
West coast of the US[23]
1531 ~ 279438 1 ~ 432 406 ~ 1862 22 ~ 1262 6 ~ 15. 5 541 ~ 11644 71 ~ 1670 3 ~ 115
密西根湖
Lake Michigan[11]
153 ~ 15825 3 ~ 397 780 ~ 970 235 ~ 462 5 ~ 10. 1 757 ~ 5861 206 ~ 1558 14 ~ 38
里士满河
Richmond River[24]
889 ~ 2688 0. 6 ~ 33. 8 1363 ~ 1961 241 ~ 754 - 1160 ~ 5540 350 ~ 600 15 ~ 24
厄瓜多尔流域
Ecuador watershed[25]
506 ~ 8767 30 ~ 350 - - - 820 ~ 8120 230 ~ 1860 4 ~ 90
长江、黄河、珠江
Yangtze River,Yellow River,
Pearl River[26]
4. 5伊105 ~1. 81伊106 101 ~ 226 490 ~ 1440 - - 6053 ~ 10502 1106-2093 18 ~ 20
法国 /比利时
France & Belgium[27]
230 ~ 65690 - 654 ~ 897 171 ~ 572 10. 2 ~ 11. 2 2794 ~ 12049 689 ~ 3649 19 ~ 81
英国
UK[27]
16 ~ 4020 - 567 ~ 2790 137 ~ 2000 0. 5 ~ 11 2375 ~ 23930 1410 ~ 7269 9 ~ 102
瑞典
Sweden[27]
406 ~ 130442 - 533 ~ 836 136 ~ 692 -0. 2 ~ 8. 7 97 ~ 610 161 ~ 5918 4 ~ 95
波罗的海
Baltic Sea[13]
302 ~ 279586 - - - - 149 ~ 4514 98 ~ 1360 6 ~ 118
- 无数据 No data.
素累积和盈余[17-18]、水体氮污染[13,19]状况的非常简
便、有效的工具.
本文综述了 RNF 与 NANI 的响应关系、以及影
响氮输出的主要因素,这对于探讨驱动河流氮污染
的内在机制、分析流域氮输入及输出驱动因素、摸清
流域内氮循环过程、在流域宏观尺度上指导氮素管
理具有重要意义.
1摇 河流氮输出与人类活动净氮输入的关系
随着氮元素不断地进入陆地生态系统,人类生
产生活所产生的氮超过了陆地生态系统的储存和消
化容量,导致氮元素大量进入水生生态系统,并引发
一系列生态环境问题[20-21] .自 1996 年 Howarth等[6]
发现 NANI 与 RNF 存在线性关系以来,诸多学者在
其他流域也得出相似结论,但在不同的研究区存在
一些差异(表 1).
摇 摇 由图 1 可以看出,不同流域的 NANI 与 RNF 存
在线性关系,相关性达极显著水平(R2 = 0. 68,n =
266,P<0. 01). 研究表明,近 24%的人类活动产生
的氮最终进入水体,剩余的 76%要么储存在土壤
中,要么进入地下水、或通过反硝化作用进入大
气[28] .
RNF对 NANI 的响应关系存在饱和效应. 一般
情况下,氮输入量越低,流域生态系统可储存的氮量
越大,反之亦然[29] .当 N 输入超过流域生态系统的
可储存容量后,流域土壤的 N 储存达到饱和[30-31],
多余的氮被大量输出. Howarth 等[27]对多个流域进
行研究表明:当人类活动净氮输入大于 1070
kg N·km-2·a-1时,氮的输出比(RNF / NANI)显著
增加.但本文进行对比时,并没有发现类似的规律.
图 1摇 人类活动净氮输入(NANI)与河流氮输出(RNF)的线
性关系
Fig. 1摇 Linear relationships between net anthropogenic nitrogen
inputs (NANI) and riverine nitrogen flux (RNF).
3721 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张汪寿等: 河流氮输出对流域人类活动净氮输入的响应研究综述摇 摇 摇 摇 摇
可能的原因是数据来源于不同的流域,其氮储存容
量、自然气候因素等存在差异.
摇 摇 NANI 的估算方法由 Howarth 等[6]提出后即进
行了大量应用,起初研究的流域面积范围在 3. 4 伊
105 ~ 8. 77伊106 km2,之后大量学者将该方法应用到
较小的流域.但在这些面积相对较小的流域出现了
输出比高于 1 的情况[23] . Han 和 Allan[11] 认为,
NANI与河流氮输出的响应关系依赖于流域尺度的
大小,流域单元越小,由数据单元转换所带来的误差
将越大,在分析河流氮素输出的驱动力时解释其变
异的能力将变弱.
RNF对 NANI 的响应关系还存在尺度效应,一
般采用逐步回归的方式分析其尺度效应. 已有研究
证实,在中到大型的流域,RNF与 NANI 的相关性较
好[19] .进行逐步回归时,应该遵从由小到大的顺序
提取突变点.当流域面积尺度大于某一个阈值时,R2
倾向于稳定,可认为在该流域面积下,RNF 对 NANI
响应的尺度效应才能被掩盖,且其响应误差不是由
尺度大小造成.
由图 2 可以看出,随着流域面积的增大,R2逐渐
增大,在 2000 km2处,R2趋于稳定.说明当流域面积
大于 2000 km2时,由流域面积大小造成的误差趋于
稳定.这表明在分析 RNF 和 NANI 的响应关系时,
流域面积大于 2000 km2较适宜.
2摇 影响河流氮输出的因素
表征河流氮输出对流域人类活动氮输入响应关
系的最直接方式是比值法,即 RNF / NANI.但不同流
域的RNF / NANI差异巨大,主要是由于自然气候、
图 2摇 不同流域面积下河流氮输出(RNF)和人类活动净氮
输入(NANI)的逐步回归分析
Fig. 2摇 Stepwise analysis to determine the watershed area influ鄄
ence on the relationship between NANI and RNF.
数据来源同图 1 Data sources were the same as in Fig. 1. 下同 The same
below.
人类活动等综合因素所致.
2郾 1摇 自然因素和气候条件
输入到流域生态系统中的活性氮,有 24%可通
过河道迁移输出流域. 在剩余的 76%中,又有 25%
左右积累在土壤表层、储存在生物体或随着木材砍
伐等输出流域;剩下的部分则通过反硝化作用重新
进入大气[28] . Howarth 等[16]认为,自然气候通过调
节氮素输出方式,使 RNF / NANI 发生变化,如当降
雨量和河流径流量较大时,径流在湿地、湖泊和河道
中停留时间将变短,而反硝化作用的量又与径流水
停留时间息息相关[32-33] . 反硝化作用因此被减弱,
使得 RNF / NANI更高.
一些气候要素,如降雨、温度、河流流速等对
RNF / NANI 有着深远的影响,但内在的驱动机制存
在很大不确定性[34] . 如在美国东北部的 16 个子流
域,RNF / NANI与降雨和流量存在显著相关关系,但
与温度的相关性不显著[16] . Schaefer 和 Alber[22]综
合美国东南部和东北部的数据进行分析,发现
RNF / NANI与这些气候要素(如降雨、温度等)都存
在相关性,且与温度的相关性最为显著. Schaefer
等[23]在美国西部的研究结果表明,RNF / NANI 与气
候要素无显著相关关系.
气候对 RNF / NANI 有无影响,存在何种影响?
不同流域得出的结论差异很大. Howarth 等[16]、
Schaefer和 Alber[22]进行的相关研究所采用的数据
都是多年平均值.而一些学者质疑,采用多年平均值
会掩盖气候的影响[27],应进行逐年分析.但是,当进
行逐年分析时,氮素的输出表现为丰水年高、枯水年
低.根据积累的理论解释,其原因为:在干旱年份氮
元素倾向于积累于陆地表面,而在丰水年上一年份
积累的污染物被冲刷,所以导致丰水年氮输出量很
高[35-36],因此逐年分析的方法较难提取出气候要素
的驱动作用;此外,以往研究主要针对固定区域分析
气候驱动因素,所得结论只适合该研究区,当转移至
其他区域或许并不能呈现出相同规律.
为了分析气候条件的驱动作用,使分析结果具
有普适性,不仅需要大量数据,还应涵盖不同自然气
候条件.
2郾 1郾 1 降水和径流摇 降水通过降雨冲刷和地表径流
等作用将 N带入河流生态系统,是氮输出最主要的
驱动力. 降水量与 RNF / NANI 的关系非常复杂,并
没有表现出显著的相关关系.
降水冲刷和产流过程的影响因素众多.由于下
垫面类型、排水条件、气候等存在差异,不同流域的
472 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
径流量往往相差很大,导致在不同流域之间考察降
水量影响因素的难度较大;由于氮素积累效应的存
在[37],即使在同一流域内分析降雨因子的影响也较
为困难. N 以湿沉降的形式进入流域生态系统,因
此,降水是氮素进入水体最主要的驱动力,也是流域
氮素输入的主要来源,其内在蕴含的机制十分复杂.
虽然降雨与输出比的相关性不显著,但径流量
与输出比却呈显著的相关关系. RNF 由监测氮浓度
与径流量相乘得出,因此,径流量与 RNF / NANI 相
关具有一定的合理性.在相关研究中,直接采用径流
量来表征 RNF / NANI的变异规律应慎重.
RNF / NANI受气候、下垫面、植被覆盖等多重综
合因素共同影响.径流系数是可较好表征降雨径流
驱动的指标,能够代表流域的水文条件,其指一定汇
水面积内地表径流量与降水量的比值,综合反映了
流域内自然地理要素的综合影响.从图 3 可以发现,
尽管诸多流域气候条件、降雨量、下垫面等差距很
大,但径流系数与氮素输出比的相关性极显著(R2 =
0. 22,n=159,P<0. 01);而降雨量、径流量与氮素输
出比的相关性不显著(R2分别为 0. 011 和 0. 021).
所以,采用径流系数来揭示氮素输出的规律更合理.
2郾 1郾 2 温度摇 Kimura 等[38]对比中国和日本的小流
域时得出:在温暖湿润的流域,其反硝化作用强于寒
冷干燥的流域.许多研究也都证实了温度对氮素输
出比存在影响[13,22],他们认为当温度升高时,输出
比明显降低.但是,温度与输出比的具体关系尚存在
争论.一些学者认为,温度与氮素输出比是简单的线
性关系,即温度升高,氮素输出比线性下降;也有学
者认为,温度与氮素输出比并不是线性关系,如
Schaefer和 Alber[22]认为温度与输出比呈指数关系,
当温度低于某一临界值时,随温度增加,输出比迅速
图 3摇 径流系数与氮素输出比的相关关系
Fig. 3摇 Correlation between RNF / NANI and runoff coefficient.
降低,当温度高于该临界值时,随温度增加,输出比
下降不明显,趋于平缓. 本文对文献数据进行分析
(图 4)发现,当温度在 8 益时发生突变;温度低于
8 益,随温度升高,反硝化速率增大,输出比下降很
快;温度大于 8 益,反硝化速率减缓,输出比较平稳.
整体上与 Schaefer和 Alber[22]得出的规律类似.
2郾 2摇 人类活动
人类活动对氮素输出的影响主要体现在两方
面:首先,人类的生产生活改变了 N 循环过程,使大
量的 N通过化肥施用、化石燃料的燃烧等过程被输
入到陆地生态系统;其次,人类的城市化、森林砍伐、
污水排放等活动,促使陆地系统中氮素大量向水体
中传输.影响河流氮素输出的主要人为驱动因素有
社会经济发展水平、土地利用调整、修建闸坝和人工
河道、人口密度等.
研究人类社会经济发展水平对氮素输入输出的
影响,主要通过对比不同年代氮素输入输出状态来
表征. Meybeck[39]曾经估算了全球原始条件下河流
向海洋氮输出量;Howarth 等[6]借鉴 Meybeck[39]的
结果对比了北大西洋流域 20 世纪 90 年代氮素输出
与原始条件的差异,得出大多河流受人类活动干扰
明显,某些河流氮素输出量超出原始条件的 20 倍;
Han和 Allan[40]研究了 20 世纪以来密西根湖各入
湖河道氮输入的变化,结果表明,2000 年入湖氮量
是 1990 的 3 倍以上;McIsaac 等[15]的研究结果表
明,1960 年密西西比河流域河流氮素输出占 NANI
的比例仅为 8% ,到 1990 年,该比例上升至 18% .
河流氮素的输出与人口密度息息相关,当人口
密度增加时,河流氮输出量增加[41-42],氮素输出比
也明显增加. Schaefer等[22]认为,人口密度并不能解
释区域氮素输出比的差异,但是可用来解释个别流
域输出比过高的原因.当人口密度较低时,氮素的输
图 4摇 不同温度下 RNF 与 NANI的逐步回归分析
Fig. 4 摇 Stepwise analysis between NANI and RNF at different
temperatures.
5721 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张汪寿等: 河流氮输出对流域人类活动净氮输入的响应研究综述摇 摇 摇 摇 摇
出比也较低, Parfitt 等[43]研究结果表明,新西兰的
氮素输出比为 17% ,明显低于其他研究结果,主要
原因是新西兰人口密度低所致.
人类活动的影响还体现在土地利用调整上.由
于人类发展的需要,城市化进程加快,大量的植被开
垦为农田,流域生态系统截留氮的能力被大大削弱.
以美国为例,美国东北部流域虽然以森林为主,但小
面积耕地或城市居民地的变动都会对氮素的输入输
出产生很大影响[8] . Groffman 等[44]对比了以城市 /
城镇居民地为主、以农业为主、以森林为主的流域,
发现以城镇居民地为主和以农业为主的流域的
RNF显著高于森林流域.
此外,人类通过修建大量的闸坝、对自然河道进
行改道、修建人工湿地或湖泊等活动,使河流的自然
特征发生变化.流域氮素的截持能力或增强或减弱,
将影响氮素的输出过程[22,45] .
2郾 3摇 其他因素
其他的驱动因素(主要包括河流坡降和水域面
积,这些要素对河流氮输出的影响不大[22-23] ),主要
是通过影响氮素的水中停留时间来调控氮素的输出
过程.停留时间主要指氮从地表进入水体后,传输至
河口、湖泊或入海口所需时间.当流域内湿地 /水域
面积比例较大时,其参与反硝化作用的氮量越多,输
出的氮素越少[22] .
3摇 研究展望
随着人类活动净氮输入量的增加,河流氮素输
出表现为线性增加,约 24%的 NANI进入水体,其余
的 76%或被储存、或进入地下水、或通过反硝化作
用进入大气.很多学者利用 RNF 与 NANI 的线性关
系模拟和分析了河流的氮通量[46-47],极大简化了水
质监测和分析的过程.由于 RNF 与 NANI 的响应关
系存在饱和响应和尺度效应,在实际应用中应避免
出现误差.
输出比受自然气候、社会经济等因素的综合影
响.自然气候通过降水、温度等调节氮素的输出方式
分配,最终影响输出比的变化;人类通过发展社会经
济、土地利用调整、修建闸坝和人工河道等驱动氮素
的输出.除降水量、径流深、年均温、人口密度、土地
利用比例、闸坝密度和分布、人工湿地 /水域面积等
指标可揭示自然和人为因素对氮输出的影响外,径
流系数也是能较好表征 RNF 与 NANI 响应关系的
指标.
有些学者已认识到氮污染的严峻性,开始在耦
合自然气候、社会经济条件下,模拟不同发展前景下
氮素输出及其变化情况[12],分析未来水质状况,并
且以此为基础,制定不同的管理对策.氮素管理更多
地是人为鄄自然生态系统结构和功能调节、优化的过
程,单纯从管理措施上很难有效遏制氮素污染.在管
理时,更应该从生态学角度,调节氮素在各环节中的
分配和流动,从而在保证经济社会发展的同时,使氮
素在生态系统中进行合理的流动,进而有效削减氮
污染.
当前,人类活动净氮输入输出的研究应集中在
以下几方面:1)研究不同受纳水体 RNF 与 NANI 的
关系,包括近海水域、内陆湖泊和内陆河段. 亟需评
估其内在蕴含的尺度效应,并应以此为基础探讨适
用范围和不确定性. 2)亟待在一些特殊流域开展相
关研究.如工业发达的流域,工业排放主要产物———
氨氮是威胁水生态系统重要的污染物. 3)研究氮素
循环过程中流域生态系统所呈现的结构、状态和功
能,分析自然和人为因素对其系统稳定性的影响,并
以此来评估生态系统氮流失的风险、生态系统服务
功能等. 4)除对河流氮素输出重点关注外,还需研
究其他输出形式,如进入地下水、反硝化等作用的输
出量,以期分析氮素输出的内在补偿和平衡机制,掌
握氮素流动的自然和人为因素. 5)尚需在计算机技
术辅助决策、特别是 GIS 的耦合研究及多尺度的养
分或非点源污染模型上进行大量细致深入的研究,
使之能在宏观上诊断流域生态环境问题、把握流域
整体氮素循环过程和规律、预测未来或回顾氮素输
入动态、指导养分管理,微观上可解决具体实际问
题,从而增强该方法的实际应用效果.
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作者简介摇 张汪寿,男,1987 年生,博士研究生.主要从事地
表水污染的流域生态诊断研究. E鄄mail: zhangwangshou@
126. com
责任编辑摇 杨摇 弘
872 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷