快速城市化地区自然-社会复合系统氮收支研究 ——以上海市青浦区为例

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xusir99
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人类活动深刻影响了氮的循环过程,在快速城市化地区的氮收支特点更为明显。本文充分考虑快速城市化地区特点和研究区域实际情况,调整现有氮循环模型模块及参数,基于物质流分析法和排放系数法,二次开发出以上海市青浦区为研究案例的快速城市化地区自然-社会复合氮收支系统,该系统包括生产子系统、消费子系统、废弃物处理子系统、环境子系统等4个子系统和农作物生产模块(CP)、林地草地模块(FG)、养殖模块(BR)、工业生产模块(IP)、城市公园绿地模块(UGG)、人类消费模块(HC)、污水处理模块(WWT)、垃圾处理模块(GT)、地表水模块(SW)、大气模块(LA)等10个模块;计算并分析近年来青浦区氮收支特征;模拟快速城市化背景下的3种情境,讨论未来城市化过程中青浦区的氮收支特征。本研究获得如下结论:(1)近年来农作物生产模块中化肥氮收入(CPINFer)占农作物生产模块氮总收入(CPIN)的比重为78.77%-91.45%,化肥对农作物生产模块氮输入贡献极大。2015-2019年,青浦区农田单位面积氮肥施用量为0.30-0.89 t N·hm-2·a-1,呈现出明显增长趋势。农产品氮支出(CPOUTCrop)逐年下降,2016-2019年NUE(Nitrogen Utilization Efficiency,NUE)仅为7.86%-19.43%,远低于我国农田45%的平均NUE值。2017-2019年林地草地模块氮累积量由303.77 t增长到350.64 t,年均增长7.71%,固氮作用在不断凸显。2015-2019年养殖模块氮累流出量为39.54 t-238.61 t,近5年青浦区养殖规模减小,养殖模块NUE为43.36%-46.08%,呈逐年上升趋势,其中畜禽养殖的NUE为39.15%-44.37%。2015-2019年城市公园绿地模块氮累积量由134.81 t增长到198.27 t,年均增长11.77%。(2)2017-2019年消费子系统氮累积量为821.49 t-7053.297 t,人类饮食消费氮收入(HCINFood)从5493.25 t增长至5824.75 t,年均增长1.51%,CPOUTCrop从1699.37 t增长到2371.64 t,年均增长9.89%,HCINFood大于CPOUTCrop,表明青浦区食品消费大量依赖区域外的食品运输。2015-2019年青浦区人均食品氮摄入量范围为4.43 kg N·a-1-4.82 kg N·a-1,呈增长趋势,高于人类80 kg体重条件下人均食品氮消费的最低值。2017-2019年人类消费模块的垃圾氮支出(HCOUTGA)的变化范围为2986.04 t-8829.35 t,食品浪费现象较为突出。(3)2017-2019年青浦区地表水模块的氮累积量由2854.47 t降低至1170.99 t,年平均减少29.49%,地表水中活性氮(Nr)富集速率降低。2017-2019年,青浦区地表水的外源排放氮收入(SWINOther)从5083.91 t降低至3401.3 t,年平均降低率为16.55%,其中人类活动对于地表水的氮输入贡献率超过了90%。2017-2019年大气模块中外源排放氮收入(LAINOther)由3553.68 t减少至1960.61 t,年平均降低率高达22.41%,表明近3年青浦区大气环境的氮氧化物收入持续降低,其中人类活动贡献了97%以上的大气氮输入。(4)3种快速城市化发展情境下的未来区域氮收支结果表明:S1情境下2035年HCINFood将比2019年增长10355.13 t,人类工业氮产品消费氮收入(HCINIndu)将比2019年增长7615.2 t,青浦区居民的饮食氮需求将更加依赖于区域外的支持。S2情境下2035年农作物生产模块固氮收入(CPINBNF)中非共生固氮部分比2019年减少45.82 t(减少9.40%),农作物生产模块氮沉降收入(CPINDep)比2019年减少52.48 t(减少10.73%),农作物氮产出将比2019年减少296.38 t(减少12.40%)。S3情境下2035年城市公园绿地养护氮收入(UGGINFer)将比2019年增加548.86 t,城市公园绿地养护固氮收入(UGGINBNF)将比2019年增加27.44 t,城市公园绿地枯枝落叶氮收入(UGGINLiter)将比2019年增加24.48 t,城市公园绿地氮沉降收入(UGGINDep)将比2019年增加43.49 t,城市公园绿地氮收入(UGGIN)的年均增长率为9.77%,其固氮作用随着面积扩大进一步凸显。(5)提出了以“低氮管理”为核心的氮管理措施,从农业削氮、养殖低氮、绿地固氮、工业低氮、消费减氮、废氮处理六方面提出相应措施,推动自然-社会复合背景下涉氮各系统控制好本单位的氮流,减少Nr向环境的排放。
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