2024年4月28日发(作者：甲秋珊)
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水体中氮输入量消减方法
1 引言
河流是向近海生态系统输入源营养盐最主要的源之一，据报道，人类活动输入陆地氮的30%
由河流最终输送至海洋.而海洋中磷(特别是活性磷)的来源，主要是通过河流的输送.海湾河口区
域是大陆与海洋的交汇处，在全球经济占有重要地位，我国海岸线分布着近60个面积100 km2
以上的海湾.目前我国多数半封闭型海湾污染严重，报道了长江向河口和近海输送的氮、磷的通
量在近50年中增加了3~6倍，氮磷比上升了5倍，长江河口及东海的营养水平和生态结构发生
了显著变化.的研究也表明近30年来胶州湾海水无机氮上升近10倍，氮磷比上升3倍，海湾生
态系统严重退化.据报道，未来20年全球河流氮磷污染负荷仍将持续增加，地表水环境继续恶化.
因此，河流营养盐的输出在全球和区域生物地球化学循环中的作用已越来越受到人们的关注.
然而，已有的报道大多专注于评价河流或海湾的营养盐演化历史和评估水体的营养状况，很
少有报道对流域河口/海湾的连续体的陆地营养盐收支平衡变化及河口/海湾的响应进行预测，或
对流域河口/海湾系统的营养盐综合管理提出对策.对于大尺度上的区域营养盐从陆地向河口的输
送变化预测研究，提出了全球流域营养盐输出模型(GlobalNEWS)，不同的学者基于GlobalNEWS
模型方法模拟了过去、现在及未来不同阶段全球及区域营养盐从陆地向河口及近海的输送变化.
其中，对于未来趋势，GlobalNEWS 模型采用了千年生态系统评估(Millennium Ecosystem
Assessment，MEA)的4种预测情境(Scenarios)，预测今后几十年中在人口增加、经济增长、技
术进步，以及气候变化等驱动力的作用下生态系统的4种变化情景.不同学者基于MEA情景模拟
了未来全球及区域营养盐的收支平衡变化以及营养盐在自然生态系统中的循环，如Bouwman 等
(2009)预测了全球氮循环的空间分布差异，到2050年如未采取积极的应对措施，发展中国家的
区域氮过剩量将进一步增加，相应地，从陆地向河口及近海输送的氮通量也将进一步加大.预测
了2050年长江流域的氮过剩及向河口输出的氮通量变化，但未对其空间差异性进行分析，未能
识别流域氮污染的重点区域.此外，由于非点源排放的无序性、随机性等特点，开展定量化的评
价并制定针对性的管理措施仍十分困难.
综上所述，本文研究目的是分析人类活动影响下河流向河口和近海水域输送氮通量的变化规
律，预测未来长江流域溶解态无机氮通量的变化趋势，识别流域氮排放的主要区域和主要来源，
为因地制宜地控制污染源向河流的输入提供决策依据，本项目对于消除或缓和河口/海湾地区的
水体富营养化和生态环境恶化等问题有重要意义.
本研究采用GlobalNEWS模型方法，基于1970—2010年的时间序列数据以及MEA框架，开展
以下研究内容：(1)基于MEA提出的4种情景，预测2050年长江流域溶解态无机氮的区域循环与
河流输出通量的变化趋势;(2)提出流域河口/海湾氮综合管理的对策建议.
2 材料与方法
2.1 长江流域溶解态无机氮模型
长江流域溶解态无机氮(NEWSDIN)模型基于第一代GlobalNEWS模型的建模方法，采用0.5度
研究格网，模拟了长江流域通过人类活动及自然过程的点源输入及非点源输入，包括化肥、粪便、
生物固氮、大气沉降等，并考虑了不同作物，土地利用类型及禽畜种类等的区别，对人类活动影
响下长江向河口输出的溶解态无机氮进行了模拟.随着数据库的不断完善，以及对模型参数的研
究不断深入，长江流域的NEWSDIN模型得到进一步的完善，模型架构及主要参数如表 1所示.
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表1 长江流域溶解态无机氮输出模型
注：数据来源说明：长江流域按照县级单位统计的化肥使用量、禽畜数量以及各类作物产量
等数据来自Yan et al.(2010). 不同作物的固氮率参考早期文献报道的数据(Yan et al. 2003，
2010).2000年的大气沉降数据根据TM5 模型估算(Dentener et al., 2006)，其他年份的历史数
据通过IMAGE模型估算(Bouwman et al., 2006).各省的GDP、人口、土地面积数据来自各省统计
年鉴，转换后得到人均GDP、人口密度参数;工业污水排放量、生活污水排放量数据来源于中国统
计年鉴以及长江流域内各省份统计年鉴;污水处理率、污水中氮的平均浓度及去除率来自王佳宁
(2006)及Yan et al.(2010).流域反硝化损失的氮则根据流域化肥及粪便的输入量及反硝化率来
估算，其中化肥的反硝化率为 0.13~0.41，粪便的反硝化率为0.10~0.30(Xing & Zhu，2002)，
本研究中采用了长江流域的化肥与粪便的反硝化率经验值(朱兆良，2008)来估算流域反硝化损失
的氮量.
2.2 基于4个MEA情景的模型参数设置
(1)水文参数
调水拦截系数(Qrew)：2000 年长江调水量为68 亿m3，约占长江年平均径流量的0.75%，根
据方程(7)计算调水系数Qrew为0.22;三线南水北调工程建成后，每年可从长江调水660 亿 m3
输往黄淮海流域，调水量约占长江多年平均径流量的7.3%，调水拦截系数Qrew可增加约0.11，
基于长江流域人均用水量及未来人口预测数据，，预计2050 年长江的调水拦截系数Qrew为
0.34± 0.10.
大坝截留系数(Ddin)：2050 年，长江新增库容量将达到1265 亿m3，这些水库的建设对河
流中DIN 的截留效应大约为0.048，基于2003 年的Ddin(取值为0.21，2050 年Ddin 取值为
0.26.
河流反硝化截留系数(Lden)：长江河道对氮的反硝化截留系数取值(Lden =0.65)参考的报道.
2024年4月28日发(作者：甲秋珊)
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水体中氮输入量消减方法
1 引言
河流是向近海生态系统输入源营养盐最主要的源之一，据报道，人类活动输入陆地氮的30%
由河流最终输送至海洋.而海洋中磷(特别是活性磷)的来源，主要是通过河流的输送.海湾河口区
域是大陆与海洋的交汇处，在全球经济占有重要地位，我国海岸线分布着近60个面积100 km2
以上的海湾.目前我国多数半封闭型海湾污染严重，报道了长江向河口和近海输送的氮、磷的通
量在近50年中增加了3~6倍，氮磷比上升了5倍，长江河口及东海的营养水平和生态结构发生
了显著变化.的研究也表明近30年来胶州湾海水无机氮上升近10倍，氮磷比上升3倍，海湾生
态系统严重退化.据报道，未来20年全球河流氮磷污染负荷仍将持续增加，地表水环境继续恶化.
因此，河流营养盐的输出在全球和区域生物地球化学循环中的作用已越来越受到人们的关注.
然而，已有的报道大多专注于评价河流或海湾的营养盐演化历史和评估水体的营养状况，很
少有报道对流域河口/海湾的连续体的陆地营养盐收支平衡变化及河口/海湾的响应进行预测，或
对流域河口/海湾系统的营养盐综合管理提出对策.对于大尺度上的区域营养盐从陆地向河口的输
送变化预测研究，提出了全球流域营养盐输出模型(GlobalNEWS)，不同的学者基于GlobalNEWS
模型方法模拟了过去、现在及未来不同阶段全球及区域营养盐从陆地向河口及近海的输送变化.
其中，对于未来趋势，GlobalNEWS 模型采用了千年生态系统评估(Millennium Ecosystem
Assessment，MEA)的4种预测情境(Scenarios)，预测今后几十年中在人口增加、经济增长、技
术进步，以及气候变化等驱动力的作用下生态系统的4种变化情景.不同学者基于MEA情景模拟
了未来全球及区域营养盐的收支平衡变化以及营养盐在自然生态系统中的循环，如Bouwman 等
(2009)预测了全球氮循环的空间分布差异，到2050年如未采取积极的应对措施，发展中国家的
区域氮过剩量将进一步增加，相应地，从陆地向河口及近海输送的氮通量也将进一步加大.预测
了2050年长江流域的氮过剩及向河口输出的氮通量变化，但未对其空间差异性进行分析，未能
识别流域氮污染的重点区域.此外，由于非点源排放的无序性、随机性等特点，开展定量化的评
价并制定针对性的管理措施仍十分困难.
综上所述，本文研究目的是分析人类活动影响下河流向河口和近海水域输送氮通量的变化规
律，预测未来长江流域溶解态无机氮通量的变化趋势，识别流域氮排放的主要区域和主要来源，
为因地制宜地控制污染源向河流的输入提供决策依据，本项目对于消除或缓和河口/海湾地区的
水体富营养化和生态环境恶化等问题有重要意义.
本研究采用GlobalNEWS模型方法，基于1970—2010年的时间序列数据以及MEA框架，开展
以下研究内容：(1)基于MEA提出的4种情景，预测2050年长江流域溶解态无机氮的区域循环与
河流输出通量的变化趋势;(2)提出流域河口/海湾氮综合管理的对策建议.
2 材料与方法
2.1 长江流域溶解态无机氮模型
长江流域溶解态无机氮(NEWSDIN)模型基于第一代GlobalNEWS模型的建模方法，采用0.5度
研究格网，模拟了长江流域通过人类活动及自然过程的点源输入及非点源输入，包括化肥、粪便、
生物固氮、大气沉降等，并考虑了不同作物，土地利用类型及禽畜种类等的区别，对人类活动影
响下长江向河口输出的溶解态无机氮进行了模拟.随着数据库的不断完善，以及对模型参数的研
究不断深入，长江流域的NEWSDIN模型得到进一步的完善，模型架构及主要参数如表 1所示.
中国污水处理工程网（） 找污水处理技术，上中国污水处理工程网
表1 长江流域溶解态无机氮输出模型
注：数据来源说明：长江流域按照县级单位统计的化肥使用量、禽畜数量以及各类作物产量
等数据来自Yan et al.(2010). 不同作物的固氮率参考早期文献报道的数据(Yan et al. 2003，
2010).2000年的大气沉降数据根据TM5 模型估算(Dentener et al., 2006)，其他年份的历史数
据通过IMAGE模型估算(Bouwman et al., 2006).各省的GDP、人口、土地面积数据来自各省统计
年鉴，转换后得到人均GDP、人口密度参数;工业污水排放量、生活污水排放量数据来源于中国统
计年鉴以及长江流域内各省份统计年鉴;污水处理率、污水中氮的平均浓度及去除率来自王佳宁
(2006)及Yan et al.(2010).流域反硝化损失的氮则根据流域化肥及粪便的输入量及反硝化率来
估算，其中化肥的反硝化率为 0.13~0.41，粪便的反硝化率为0.10~0.30(Xing & Zhu，2002)，
本研究中采用了长江流域的化肥与粪便的反硝化率经验值(朱兆良，2008)来估算流域反硝化损失
的氮量.
2.2 基于4个MEA情景的模型参数设置
(1)水文参数
调水拦截系数(Qrew)：2000 年长江调水量为68 亿m3，约占长江年平均径流量的0.75%，根
据方程(7)计算调水系数Qrew为0.22;三线南水北调工程建成后，每年可从长江调水660 亿 m3
输往黄淮海流域，调水量约占长江多年平均径流量的7.3%，调水拦截系数Qrew可增加约0.11，
基于长江流域人均用水量及未来人口预测数据，，预计2050 年长江的调水拦截系数Qrew为
0.34± 0.10.
大坝截留系数(Ddin)：2050 年，长江新增库容量将达到1265 亿m3，这些水库的建设对河
流中DIN 的截留效应大约为0.048，基于2003 年的Ddin(取值为0.21，2050 年Ddin 取值为
0.26.
河流反硝化截留系数(Lden)：长江河道对氮的反硝化截留系数取值(Lden =0.65)参考的报道.