摘要：基于Global News-2模型，計(jì)算嘉陵江流域1988、1999、2007、2018年的入河氮素負(fù)荷量，并用嘉陵江流域水文站氮素通量進(jìn)行驗(yàn)證，分析入河氮素的時(shí)空分布特征及來源。結(jié)果表明，Global News-2模型較好地模擬了嘉陵江流域的入河氮素負(fù)荷量，1988—2018年入河氮素負(fù)荷增加約38萬t，由6.3×105 t增加到10.1×105 t；入河氮素負(fù)荷時(shí)空差異明顯，受徑流影響較大，涪江、渠江水系是嘉陵江流域氮素的主要來源地，兩個(gè)流域的氮素貢獻(xiàn)約占70%；不同縣市、不同利用類型土地的氮素負(fù)荷差距較大，耕地和居住地的氮素負(fù)荷值高；化肥施用是首要來源，貢獻(xiàn)了流域31.6%～49.0%的氮素。

關(guān)鍵詞：入河氮素負(fù)荷；Global News-2模型；來源解析；嘉陵江流域；時(shí)空演變

中圖分類號：X52" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：0439-8114（2023）03-0141-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.03.023 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Temporal and spatial evolution characteristics and source analysis of the inflow nitrogen of Jialing River basin from 1988 to 2018

ZHANG Ming-yao1，2， WEN Wen1，2，ZHONG Yong-lin2，LYU Ming-quan2， GAO Xiu-fang1

（1.College of Resources and Environment， Yangtze University， Wuhan" 430000， China； 2.Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology， Chinese Academy of Sciences， Chongqing" 400700， China）

Abstract：Based on the Global News-2 model， the inflow nitrogen load of Jialing River basin in 1988， 1999， 2007 and 2018 was calculated， and the nitrogen flux of hydrological stations in Jialing River basin was verified to analyze the temporal and spatial distribution characteristics and sources of the inflow nitrogen were analyzed. The results showed that Global News-2 model simulated the inflow nitrogen load of Jialing River basin well， and during 1988—2018， the inflow nitrogen load of Jialing River basin increased by 380 000 t， from 6.3×105 t to 10.1×105 t； the temporal and spatial variation of" the inflow nitrogen load of Jialing River basin was obvious， which was greatly affected by runoff. The Fujiang and Qujiang River systems were the main sources of nitrogen in Jialing River basin. The nitrogen contribution of the two basins accounted for about 70%； there was a large difference of nitrogen load in different counties and cities and different land use types， and the nitrogen load values of cultivated land and residential areas were high； the chemical fertilizer application was the primary source， contributing 31.6%～49.0% of nitrogen in the basin.

Key words： inflow nitrogen load； Global News-2 model； source analysis； Jialing River basin； temporal and spatial evolution

氮肥的大量施用一方面很大程度上解決了中國的糧食安全問題，另一方面也從根本上改變了中國的水環(huán)境格局［1］?？茖W(xué)的氮素管理是獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品、降低氮素環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)的重要手段［2］。量化流域入河氮素負(fù)荷的時(shí)空分布特征并解析其來源是進(jìn)行流域氮素管理、有效削減流域氮污染、水環(huán)境治理的關(guān)鍵。

利用模型來量化氮素負(fù)荷并分析其特征是較為普遍的方法。根據(jù)已有研究，水污染模型可以劃分為兩大類：一類是從降雨和下墊面因子出發(fā)，模擬氮素輸入、遷移轉(zhuǎn)化和輸出過程的機(jī)理模型，如SWAT、ANGPS、HSPF和INCA-N等［3-5］；另一類是綜合考慮會(huì)對污染物產(chǎn)生影響的因素，選取合適的參數(shù)進(jìn)行結(jié)果預(yù)估的統(tǒng)計(jì)模型，如輸出系數(shù)法、排污系數(shù)法和模型法等［6，7］。機(jī)理模型由于其復(fù)雜的模擬過程及數(shù)據(jù)收集的困難，在大區(qū)域開展氮素來源解析具有較大難度，而統(tǒng)計(jì)模型在大區(qū)域內(nèi)有較好的應(yīng)用。丁曉雯等［8］考慮了降雨和坡度因素，利用輸出系數(shù)模型對長江流域氮素負(fù)荷估算驗(yàn)證；李麗麗等［9］使用Global News模型（Global nutrient export from watersheds model）對北江流域氮磷的輸出進(jìn)行了模擬。統(tǒng)計(jì)模型可以概化區(qū)域氮素排放的時(shí)空變化及其來源，但其數(shù)據(jù)來源以行政區(qū)劃尺度的統(tǒng)計(jì)年鑒為主，因此現(xiàn)有的模型計(jì)算尺度通常以縣域?yàn)榛締卧欢@種輸出單元的空間分辨率較低，難以體現(xiàn)空間異質(zhì)性。低空間分辨率的模型不利于有針對性地提出污染治理對策，因此急需開展更多尺度的氮素時(shí)空演變特征及來源的研究。

嘉陵江流域是長江第二大水系，也是進(jìn)入三峽水庫的最大支流，其入庫氮直接影響三峽水庫的氮負(fù)荷水平，因此，長期有效地控制該流域的氮素是三峽庫區(qū)和長江中下游水環(huán)境管理的關(guān)鍵所在。嘉陵江流域的氮素估算研究年限較短，無法很好地體現(xiàn)其氮素的歷史變化過程［10］。本研究以Global News-2模型框架為基礎(chǔ)，收集1988—2018年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，計(jì)算縣域尺度的氮素輸入及其來源，并使用30 m分辨率的土地利用數(shù)據(jù)，通過空間分析手段對嘉陵江流域不同尺度的入河氮素負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并利用水文站氮素輸出實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以期為大尺度流域氮素入河負(fù)荷的尺度轉(zhuǎn)化研究提供參考，并為嘉陵江流域水環(huán)境管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

嘉陵江是長江支流中流域面積最大、長度僅次于雅礱江的水系，發(fā)源于陜西省秦嶺北麓的代王山，流經(jīng)甘肅省、陜西省、四川省、重慶市4個(gè)省級行政區(qū)，在重慶市朝天門匯入長江。嘉陵江全長1 345 km，流域面積16萬km2，河網(wǎng)密布，水質(zhì)豐富。四川省廣元市昭化區(qū)以上為上游，昭化區(qū)至重慶市合川區(qū)為中游，合川區(qū)以下為下游。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，嘉陵江流域上游多山區(qū)峽谷，谷陡坡峭，河床落差大；流域中下游則是盆地丘陵地形，地勢低平，河流穩(wěn)定，構(gòu)成了扇形的向心水系，使得該區(qū)域成為重要的農(nóng)業(yè)基地。嘉陵江流域土地利用類型多樣，包括水田、旱地、林地、草地等，上游受地形影響，林地草地面積廣布，可利用耕地較少，中下游地區(qū)耕地和居民點(diǎn)集中，具體如圖1所示。

嘉陵江流域流經(jīng)4個(gè)省市11個(gè)地市州的80個(gè)區(qū)縣，截至2018年，流域內(nèi)總?cè)丝诩s5 200萬人，其中農(nóng)業(yè)人口約2 100萬人，占總?cè)丝诒戎氐?0%。流域內(nèi)各省市人口占流域總?cè)丝诘谋戎夭町愝^大，中下游四川省和重慶市人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，而上游的甘肅省和陜西省人口密度較小。隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展，嘉陵江流域的水環(huán)境狀況不斷惡化，流域內(nèi)N（氮）、P（磷）、Si（硅）、C（碳）的生物地球化學(xué)循環(huán)發(fā)生了顯著改變，威脅到了三峽庫區(qū)的水安全。

2 研究方法及參數(shù)

2.1 Global News-2模型

Global News模型是聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）開發(fā)的用于模擬流域營養(yǎng)鹽輸出過程的模型，能夠模擬N、P等多種營養(yǎng)元素在流域內(nèi)的循環(huán)以及河道中的遷移轉(zhuǎn)化［9］。Global News模型對研究區(qū)污染物的來源進(jìn)行了細(xì)致的區(qū)分，分為點(diǎn)源和非點(diǎn)源2種，點(diǎn)源污染是指來自流域內(nèi)的生活污水，對于非點(diǎn)源污染，則主要考慮化肥、牲畜糞污、作物固氮以及大氣氮沉降。在流域系統(tǒng)內(nèi)，N、P等營養(yǎng)鹽因?yàn)槿牒油局型寥?、植物等的截留而不?huì)全部到達(dá)河口，因此該模型充分考慮了入河途中的損失。本研究采用的Global News-2模型是在Global News模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，與后者相比，前者解決了該模型計(jì)算過程中術(shù)語不一致、營養(yǎng)物來源及分布不明確等一系列問題，提高了準(zhǔn)確度。

Global News-2模型假設(shè)選定流域內(nèi)的營養(yǎng)元素都處于穩(wěn)定狀態(tài)，不在陸地或河流系統(tǒng)中累積，因此在計(jì)算該流域N、P等營養(yǎng)物負(fù)荷時(shí)，不考慮流域往年土壤或河流中的累積。Seitzinger等［11］指出，在長期從事耕作活動(dòng)的農(nóng)業(yè)地區(qū)，這種穩(wěn)定狀態(tài)的假設(shè)是合理的。

因此，嘉陵江流域內(nèi)污染源匯入到河流中的氮素負(fù)荷可表示如下。

式中，YIdN為嘉陵江流域匯入水體中的氮素負(fù)荷（t/年）；RSpntN是流域內(nèi)點(diǎn)源污染產(chǎn)生的氮素負(fù)荷（t/年）；RSdifN為流域內(nèi)非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的氮素負(fù)荷（t/年）；FEws為污染源到河流的營養(yǎng)元素輸入系數(shù)，為0～1。本研究將原式中的FEriv.F換成了FEws，是因?yàn)樵街械腇Eriv.F表示流域營養(yǎng)物質(zhì)在輸移過程中被河網(wǎng)、水庫以及人為攔截后，輸出到河口的營養(yǎng)物質(zhì)比例，而本研究只計(jì)算嘉陵江流域污染源匯入水體的氮素負(fù)荷，未涉及河網(wǎng)水庫等的攔截，因此進(jìn)行了合理修改。

將流域的點(diǎn)源輸入項(xiàng)（生活污水）分為城市污水和農(nóng)村生活污水，又因地區(qū)、城鄉(xiāng)之間的污水處理情況差距較大而將兩者細(xì)分為未經(jīng)處理的城市、農(nóng)村污水及處理過后的城市、農(nóng)村污水。為方便計(jì)算生活污水產(chǎn)生的氮素負(fù)荷以及后期的柵格化計(jì)算，將研究區(qū)分為人為影響區(qū)域和自然區(qū)域，人為影響區(qū)域包括生活污水、化肥、牲畜糞污、作物固氮、大氣氮沉降共5項(xiàng)污染源，自然區(qū)域僅包括大氣氮沉降與作物固氮2項(xiàng)污染源［12］。人為影響區(qū)域的氮素負(fù)荷計(jì)算公式如下。

自然區(qū)域的氮素負(fù)荷計(jì)算公式如下。

式中，WSantN為嘉陵江流域人為影響區(qū)域的氮素負(fù)荷（t/年）；WSnatN為嘉陵江流域自然區(qū)域的氮素負(fù)荷（t/年）；ww為生活污水；fe為化肥；ma為牲畜糞污；cro為作物固氮；dep為大氣氮沉降；ex為作物收割或放牧所帶走的氮素值。

式中，RSallN為嘉陵江流域內(nèi)各項(xiàng)污染源的氮素負(fù)荷之和。將計(jì)算所得的數(shù)值代入Arcgis中進(jìn)行柵格化計(jì)算時(shí)，要注意大氣氮沉降與作物固氮這兩項(xiàng)的重復(fù)計(jì)算。入河途中的流域損失系數(shù)（FEws）計(jì)算公式如下。

式中，e為流域輸出系數(shù)，取模型提供值0.94，而R為流域的徑流深度［13］。為體現(xiàn)流域內(nèi)的時(shí)空差異，本研究涉及的流域徑流深度是根據(jù)不同年份不同水文站的集水面積和徑流量分別進(jìn)行計(jì)算賦值，以體現(xiàn)空間差異性，具體在“2.3”進(jìn)行闡述。

2.2 數(shù)據(jù)源與處理

本研究所用數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字高程圖、土地利用類型圖、嘉陵江流域行政區(qū)劃圖、相關(guān)水文站水文資料、水質(zhì)資料和相關(guān)縣市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料，具體如表1所示。

嘉陵江流域面積廣大，計(jì)算氮素負(fù)荷時(shí)需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：①以數(shù)字高程數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 進(jìn)行河網(wǎng)水系提取以及河網(wǎng)分級等操作。②根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)，將嘉陵江流域的土地利用分為水田、旱地、林地、草地等，結(jié)合研究區(qū)行政區(qū)劃圖，利用掩膜提取工具，獲得相關(guān)縣市土地利用類型的數(shù)據(jù)，用于分析氮素時(shí)空分布特征［14］。③通過年鑒獲得各行政區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)信息，結(jié)合相關(guān)輸出模數(shù)，計(jì)算5類污染源的凈氮輸入量。④利用ArcGis軟件計(jì)算研究區(qū)30 m×30 m單位柵格內(nèi)的氮素負(fù)荷值，各項(xiàng)污染源分別輸入到不同的土地類型中。⑤根據(jù)相關(guān)水文站不同年份子流域徑流量、集水面積、氮素通量等數(shù)據(jù)，計(jì)算并驗(yàn)證流域入河氮素負(fù)荷，其中各水文站的年氮素通量由各月的徑流量和總氮濃度計(jì)算而得。

2.3 模型參數(shù)選擇

Global News-2模型需要的污染源輸入系數(shù)主要由查閱文獻(xiàn)法獲?。?5-25］，該方法簡單迅速，但存在一定的誤差。具體如表2所示。

本模型涉及的污染源氮素輸入系數(shù)主要包括五部分：①生活污水。連接污水處理系統(tǒng)的污水，采用城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918—2002）計(jì)算處理后水中的氮素負(fù)荷，未連接污水處理系統(tǒng)的污水則采取直排污水中的氮素系數(shù)。②牲畜糞污。本研究針對嘉陵江流域的牲畜養(yǎng)殖特點(diǎn)，選取了該地使用較頻繁的參數(shù)，數(shù)據(jù)來源較可靠。③大氣氮沉降。本研究所選參數(shù)來自相關(guān)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的中國氮沉降數(shù)據(jù)集［19-21］。④作物固氮。將固氮作物分為豆類和非豆類2種。作物固氮量=播種面積×固氮因子。固氮因子選用了NUFER模型計(jì)算的系數(shù)值，并經(jīng)過多方驗(yàn)證。⑤化肥。流域內(nèi)有關(guān)氮肥和復(fù)合肥的數(shù)據(jù)均來源于年鑒。復(fù)合肥中氮素分配比為10%～23%。

本研究所用流域徑流深度數(shù)據(jù)由嘉陵江流域亭子口水文站（廣元昭化區(qū)以上流域）、武勝水文站（廣元昭化區(qū)以下流域）、小河壩水文站（涪江流域）和羅渡溪水文站（渠江流域）監(jiān)測的1988、1999、2007、2018年的徑流量和集水面積計(jì)算所得，體現(xiàn)了研究區(qū)時(shí)間空間的徑流差異（表3）。

2.4 模型驗(yàn)證

利用北碚站、羅渡溪站和小河壩站4個(gè)年份的實(shí)測總氮負(fù)荷值驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果。由于本模型計(jì)算的是流域入河氮素負(fù)荷，因此在與流域出口附近水文站的實(shí)測氮通量值進(jìn)行對比驗(yàn)證時(shí)，需要先進(jìn)行流域出口氮素通量的預(yù)估。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)定約20%的入河氮素負(fù)荷到達(dá)流域出口［26］，并引入相關(guān)系數(shù)（R2）和百分比偏差（PBIAS）這2個(gè)評估系數(shù)對模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證［27］。R2越接近1說明模擬值與實(shí)測值之間的相關(guān)性越高。模擬值與實(shí)測值之間的PBIAS用于表示模擬值與實(shí)測值之間的偏差，正值表示高估，負(fù)值則表示低估。Kumar等［28］認(rèn)為，當(dāng)PBIASlt;70%時(shí)，表示該模型令人滿意；當(dāng)PBIASlt;40%時(shí)，表示該模型適用；當(dāng)PBIASlt;25%時(shí)，表示該模型適用效果非常好。

3 結(jié)果與分析

3.1 驗(yàn)證結(jié)果

由圖2可以看出，4個(gè)年份流域水文站的模擬氮素通量值與實(shí)測值的變化幅度和趨勢高度一致，其中，1988年北碚站氮通量值與實(shí)測值存在較大差異，這可能是由于年份較早，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精度不夠造成的?？傮w而言，該模型計(jì)算結(jié)果較為理想，可初步說明該模型的合理性。

由表4可知，氮素通量模擬值與水文站的實(shí)測氮素通量值之間的R2較合理，北碚站的R2達(dá)0.82，表明相關(guān)性強(qiáng)，模擬結(jié)果好。Global News-2模型的估算值與實(shí)測值之間的PBIAS在合理范圍內(nèi)，羅渡溪站位于渠江流域出口處，30%的PBIAS表示該模型對渠江流域的模擬偏差小，北碚站作為嘉陵江流域出口水文站，28%的PBIAS表明本研究所選模型的適用效果較好，可用于嘉陵江流域氮素負(fù)荷的計(jì)算。小河壩站代表的涪江流域PBIAS稍大，可能是由于下墊面因子、耕種類型以及非點(diǎn)源污染固有的復(fù)雜性和隨機(jī)性造成的，但對于嘉陵江流域這個(gè)大尺度研究區(qū)而言，PBIAS總體結(jié)果合理。2個(gè)評估指數(shù)均在有效范圍內(nèi)，表明Global News-2模型能夠很好地模擬流域入河氮素負(fù)荷及其時(shí)空分布特征，本研究的計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。

3.2 嘉陵江流域入河氮素負(fù)荷的年際變化特征

使用Global News-2模型充分考慮入河途中的輸移損失，計(jì)算了嘉陵江流域1988、1999、2007、2018年的入河氮素負(fù)荷。計(jì)算結(jié)果（圖3）表明，1988年嘉陵江流域的入河氮素負(fù)荷約為63萬t［3 938 kg/（km2·年）］，1999年為58萬t［3 625 kg/（km2·年）］，2007年為" " "94萬t［5 875 kg/（km2·年）］，2018年為101萬t" " " " "［6 313 kg/（km2·年）］，1988—2018年嘉陵江流域的入河氮素負(fù)荷增加約38萬t，增長速度較快。1988—2018年入河氮素負(fù)荷總體呈增加態(tài)勢且變化明顯，變化幅度為43萬t，而1999年入河氮素負(fù)荷低于1988年，不符合總體趨勢，究其原因，是20世紀(jì)70年代以來化肥的施用、人口數(shù)量和牲畜養(yǎng)殖的有序發(fā)展，使得流域入河氮素增長穩(wěn)定；1999年流域內(nèi)降雨量均較?。ū?），使得大量氮素沉積在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，致使當(dāng)年的入河氮素負(fù)荷低。

本研究計(jì)算的嘉陵江流域入河氮素負(fù)荷是指流域內(nèi)污染源匯入到初級河流中的氮素值，并不是河口輸出氮素值。有研究表明，60%～80%的入河氮素在輸移過程中經(jīng)過各級河網(wǎng)、水庫、湖泊等的攔截以及沿途人為取水后被移除，平均僅有20%左右的入河氮素到達(dá)流域出口［26］。

譚少軍等［29］和丁曉雯等［30］采用不同的方法對長江上游的非點(diǎn)源氮素負(fù)荷進(jìn)行了估算，結(jié)果表明，長江上游總氮排放風(fēng)險(xiǎn)等級逐年增加；非點(diǎn)源氮素負(fù)荷逐年增加；而嘉陵江流域氮素負(fù)荷增長情況與全國氮素輸入情況高度一致。

3.3 嘉陵江流域入河氮素負(fù)荷的空間變化特征

嘉陵江流域的入河氮素值不僅在時(shí)間尺度上呈明顯上升趨勢，在空間分布上也有較大差異。通常情況下氮素負(fù)荷大、降雨量大的地區(qū)其入河氮素值也大。

3.3.1 縣域尺度入河氮素分布特征 對4個(gè)年份的計(jì)算分析（圖4）表明，嘉陵江流域縣域尺度氮素負(fù)荷差異較大。結(jié)合嘉陵江流域行政區(qū)劃圖和土地利用圖可以看出，地形平坦、耕地面積廣、人口密集的縣市污染源集中，氮素負(fù)荷量大，如巴中市、南充市、遂寧市、三臺(tái)縣、中江縣、永川區(qū)等；部分縣市如舟曲縣、迭部縣、茂縣、九寨溝縣等地形崎嶇，耕地稀少，污染源小且分散，是嘉陵江流域氮素負(fù)荷值較低的縣市；以2018年為例，迭部縣氮素負(fù)荷約為20 kg/（hm2·年），九寨溝縣約為30 kg/（hm2·年），而中下游巴中市為200 kg/（hm2·年），廣安市則為260 kg/（hm2·年）。

3.3.2 流域尺度入河氮素分布特征 嘉陵江各子流域的氮素貢獻(xiàn)占比差異明顯（圖5）。近30年涪江水系、渠江水系對嘉陵江流域的氮素貢獻(xiàn)較大，兩條支流占70%左右，其次是廣元昭化區(qū)以下的干流水系，貢獻(xiàn)最小的是廣元昭化區(qū)以上的干流水系。廣元昭化區(qū)以上干流水系區(qū)域谷陡坡峭，污染源少且分散，氮素貢獻(xiàn)?。粡V元昭化區(qū)以下干流水系雖然流經(jīng)氮素貢獻(xiàn)較大的縣市，但這些縣市的氮素貢獻(xiàn)逐年減少，因此氮素負(fù)荷貢獻(xiàn)占比呈下降趨勢；涪江、渠江流域主要位于四川省境內(nèi)，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，污染源多且集中，氮素貢獻(xiàn)大，該結(jié)論與李繼承［31］的研究結(jié)論一致；在人口、農(nóng)業(yè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及降雨量等的影響下，涪江水系的氮素貢獻(xiàn)大于渠江水系，這與大量學(xué)者的研究相符［31，32］。

此外，不同土地利用類型沉積的氮素負(fù)荷值有較大差距。氮素負(fù)荷量大的土地類型是水田、旱地、城市用地、農(nóng)村居民點(diǎn)等，而草地、林地、未利用地等氮素負(fù)荷較低。這與丁曉雯等［8］、董宏偉［33］的研究結(jié)論一致，認(rèn)為地形平坦、耕地廣闊的涪江、渠江流域是嘉陵江流域氮素的主要來源地，也是水體修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。

3.4 氮素來源組成及其貢獻(xiàn)分析

基于Global News-2模型的計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了1988—2018年生活污水、化肥、牲畜糞污、作物固氮及大氣氮沉降對嘉陵江流域入河氮素的貢獻(xiàn)占比，如圖6所示。1988—2018年化肥施用一直是嘉陵江流域入河氮素的首要來源，其貢獻(xiàn)占比從1988年的31.6%增加到2018年的46.8%；相反，大氣氮沉降的貢獻(xiàn)占比呈減少趨勢，從1988年的32.1%減少到2018年的21.5%；牲畜糞污對流域氮素的貢獻(xiàn)增長穩(wěn)定，從1988年的25.4%增長為2018年的26.6%；生活污水占比下降明顯，這與流域污水處理系統(tǒng)的發(fā)展有關(guān)；作物固氮對流域氮負(fù)荷的影響相對穩(wěn)定。1988—2018年嘉陵江流域入河氮素來源占比總體表現(xiàn)為化肥＞牲畜糞污＞大氣氮沉降＞生活污水＞作物固氮。嘉陵江流域的農(nóng)牧業(yè)在入河氮素中的貢獻(xiàn)占比整體上超過了70%，這表明化肥施用、牲畜養(yǎng)殖等人為影響遠(yuǎn)超過作物固氮等自然農(nóng)業(yè)帶來的影響。

4 討論

本研究使用的參數(shù)可能存在一定的不確定性，但Global News-2模型涉及的參數(shù)和計(jì)算都較少，很大程度上降低了不確定性的影響，同時(shí)使用水文站實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所選模型和參數(shù)的合理性。研究中估算的嘉陵江流域相關(guān)出口處的氮素通量值均高于實(shí)測值，推測可能高估了流域氮素輸入以及入河氮素負(fù)荷。這可能是在收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)了偏差，致使模型結(jié)果偏大［34］。但總體來看，Global News-2模型適用于嘉陵江流域，可為進(jìn)一步結(jié)合土壤、下墊面等機(jī)理要素對流域營養(yǎng)物質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化過程的研究奠定良好基礎(chǔ)［14，35］。

1988—2018年嘉陵江流域入河氮素負(fù)荷為3 625～6 313 kg/（km2·年），均值為4 938 kg/（km2·年），該變化呼應(yīng)了流域入河氮素負(fù)荷的增長情況。研究區(qū)年均值與部分氮素污染較嚴(yán)重的區(qū)域一致，如鄱陽湖流域2004—2013年均值為6 913 kg/（km2·年），印度氮素負(fù)荷年均值為4 900 kg/（km2·年）。

1988—2018年嘉陵江流域的入河氮素值呈增多趨勢，這與全國化肥產(chǎn)量、畜禽養(yǎng)殖量、生活污水量等的增加趨勢一致［36-38］?；首鳛槭滓廴驹?，其產(chǎn)量和施用量與流域氮負(fù)荷息息相關(guān)。在化肥產(chǎn)量和施用量逐年增加的背景下，嘉陵江流域1988—2018年氮肥施用量不斷增加，其氮素貢獻(xiàn)占比增加至49.0%；肉蛋奶的需求使得畜禽養(yǎng)殖量不斷增加，來自牲畜糞污的氮素逐年增多至26.6%；清潔能源的使用使得大氣氮沉降帶來的氮素負(fù)荷緩慢減少，但由于工業(yè)能源的消費(fèi)不斷攀升，大氣氮沉降的速率正逐年上升（每年為4%）［11，12］?？傊?，在多種因素的綜合作用下，嘉陵江流域的入河氮素值不斷增加，但由于縣市之間自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的差異，使得縣市之間、子流域之間沉積的氮素差異較大。

研究中多采用人類活動(dòng)凈氮輸入模型（NANI）和輸出系數(shù)模型等來評估流域中氮素負(fù)荷的情況。雖然這些模型的側(cè)重點(diǎn)不同，但本質(zhì)都是計(jì)算流域污染源對營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷的影響，所以相關(guān)模型的模擬結(jié)果可以進(jìn)行趨勢驗(yàn)證。李曉虹等［39］使用NANI模型，計(jì)算了香溪河流域的人類活動(dòng)凈氮輸入量的時(shí)空變化特征；丁曉雯等［8］將坡度系數(shù)、降雨系數(shù)與輸出系數(shù)模型結(jié)合，估算長江上游氮素負(fù)荷時(shí)空分布特征；李麗麗等［9］使用Global News模型對北江流域營養(yǎng)鹽的輸出進(jìn)行了模擬，相關(guān)模型的計(jì)算結(jié)果表明，不同土地利用類型氮素負(fù)荷不同，耕地氮素負(fù)荷量大；大氣氮沉降、化肥、作物固氮等是氮素的主要來源；長江上游水系中，嘉陵江水系的單位面積污染負(fù)荷最高，這些結(jié)論均與本研究結(jié)論相同。

流域入河氮素負(fù)荷過高會(huì)帶來一系列不良影響，因此在控制嘉陵江流域氮素輸入過量、修復(fù)其水體環(huán)境方面，需要針對性的管理措施：一要減少化肥使用量，提高化肥利用效率，建立起長期有效的監(jiān)督政策；二要減少家庭式牲畜養(yǎng)殖，發(fā)展集中式畜牧業(yè)，引進(jìn)新型畜禽養(yǎng)殖廢水處理模式，減少牲畜糞污帶來的氮素污染；三要對巴中市、綿陽市、德陽市等重點(diǎn)防治區(qū)域推行嚴(yán)格的管控措施，實(shí)時(shí)監(jiān)測水體營養(yǎng)物質(zhì)濃度。

5 小結(jié)

1）Global News-2模型模擬的嘉陵江流域入河氮素結(jié)果與流域各水文站氮素通量較為一致，嘉陵江流域1988—2018年入河氮素負(fù)荷增加約38萬t，由6.3×105 t增加到10.1×105 t，與長江流域和全國氮素負(fù)荷變化趨勢一致。

2）嘉陵江流域各縣市的氮素負(fù)荷差距較大，不同土地利用類型對氮素負(fù)荷貢獻(xiàn)差異大，負(fù)荷強(qiáng)度最大的土地利用類型是水田、旱地、農(nóng)村居民點(diǎn)與城鎮(zhèn)用地，最小的是林地、草地、未利用地等。

3）嘉陵江流域各子流域中涪江流域和渠江流域的氮素貢獻(xiàn)率累積約占70%，廣元昭化區(qū)以上的干流水系受地形和耕地影響，氮素貢獻(xiàn)小。

4）從污染源占比來看，人為影響的污染源對流域氮素負(fù)荷的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于自然農(nóng)業(yè)影響的污染源?；适羌瘟杲饔虻氐氖滓獊碓?，貢獻(xiàn)率為31.6%～49.0%；其次是牲畜糞污帶來的氮素，貢獻(xiàn)率為25.0%～26.6%；大氣氮沉降、生活污水以及作物固氮等對流域氮負(fù)荷的影響相對穩(wěn)定。

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