环境科学学报  2020, Vol. 40 Issue (1): 353-360
厦门市土地利用及氮负荷变化研究    [PDF全文]
李彦旻1,2,3, 崔胜辉1,3, 汤剑雄1,2,3, 徐礼来1,3, 高兵1,3, 丁晟平1,2,3, 杨妙鸿1,3,4, 黄葳1,3, 黄初龙1,3,5, 黄云凤6    
1. 中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室, 厦门 361021;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 厦门市城市代谢重点实验室, 厦门 361021;
4. 厦门大学海洋与海岸带发展研究院, 厦门 361102;
5. 泉州师范学院资源与环境科学学院, 泉州 362000;
6. 集美大学港口与环境工程学院, 厦门 361021
摘要:高强度的人类活动改变了城市土地利用方式和城市内氮素循环,但城市土地利用变化如何影响城市氮负荷时空变化的研究仍缺乏.本研究以厦门市为例,基于物质平衡的城市氮流动估算方法,分析了2005-2010、2010-2015年两个时间段内厦门市土地利用及氮负荷的时空演变特征及土地利用变化对氮负荷的影响.结果表明:2005-2010、2010-2015年期间城市各土地利用类型中工业、居民区及交通用地面积增加最为显著,占总面积的比例从16.9%增加到30.3%,而林地和其他类型面积的比例从53.78%下降至38.01%.大量农林地转变为工业和交通用地,导致单位面积氮负荷强度分别增加了10倍和25倍.城镇居民用地、交通用地等氮排放强度较高的土地利用类型不断扩张,造成城市中活性氮排放增加了2.1倍.同时,土地利用的空间格局也影响着城市氮负荷的空间变化特征,氮排放热点在空间上逐渐向岛外扩张,且强度也随之增加.
关键词活性氮排放    土地利用变化    城市化    厦门市    
Changes in land use and nitrogen load in Xiamen City
LI Yanmin1,2,3, CUI Shenghui1,3, TANG Jianxiong1,2,3, XU Lilai1,3, GAO Bing1,3, DING Shengping1,2,3, YANG Miaohong1,3,4, HUANG Wei1,3, HUANG Chulong1,3,5, HUANG Yunfeng6    
1. Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021;
2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049;
3. Key Laboratory of Urban Metabolism, Xiamen 361021;
4. Coastal and Ocean Management Institute, Xiamen University, Xiamen 361102;
5. Department of Resources and Environmental Sciences, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000;
6. College of Harbour and Environmental Engineering, Jimei University, Xiamen 361021
Received 1 July 2019; received in revised from 9 September 2019; accepted 9 September 2019
Abstract: Highly intense human activities have significantly expanded urban land use and modified nitrogen loading rates. However, current understanding of the effects of nitrogen (N) flow by urban land use is limited. In this study, we analyzed the spatial and temporal change of land use and N loading for Xiamen City. Using city N flowing estimation method for mass balance, we explored the impact of land use on N loading during 2005-2010 and 2010-2015. The results show that the area of industrial, residential, and traffic land in Xiamen City increased from 16.9% to 30.3%. In contrast, forest land and other types of natural habitat decreased from 53.78% to 38.01%. The conversion of large amounts of agricultural and forest land into industrial and traffic land has increased the nitrogen load intensity by 10 times and 25 times, respectively. Moreover, the expansion of land use with higher nitrogen emission intensity, such as urban residential land and traffic land, has resulted in a 2.1-fold increase in reactive nitrogen emissions in cities. According to this, the spatial pattern of land use is shown to affect the spatial variation of urban nitrogen loading, with the nitrogen emission hotspots gradually being pushed to the outskirts of the city, as well as the N emission intensity.
Keywords: reactive nitrogen emission    land use change    urbanization    Xiamen    
1 引言(Introduction)

人类的土地利用过程不断地改变着物质资源的配置方式及区域物质输入与输出规模, 在不同程度上影响着区域生态系统生物化学循环及营养物质的代谢, 如碳、氮、磷等元素代谢过程(Howarth et al., 1996; Howarth et al., 2002).氮是自然生态系统中关键性的营养元素, 其循环影响着整个生物地球化学的多个方面(Shlesinger et al., 2013).随着人类活动的加剧, 不仅打破了原有自然界的氮素平衡, 还改变了全球及地区间的氮循环(Galloway et al., 2008).城市聚集了全球半数以上的人口, 人类活动强度、深度都呈现持续扩大的趋势, 例如, 食物和能源消费造成的大量活性氮排放, 使得氮污染日益严重(Lin et al., 2014; Gao et al., 2018).近些年, 快速城市化进程导致的城市土地利用剧烈变化, 已成为改变地区及全球氮循环的重要原因之一(Svirejeva-Hopkins et al., 2011; Burns et al., 2009; Liao et al., 2018).因此, 城市化过程中土地利用变化如何影响城市生态系统氮负荷是探讨城市氮负荷及其管理的重要内容.

针对土地利用与区域营养物质之间的关系已经有大量研究, 例如, 有研究发现区域营养物质排放与土地利用变化显著正相关(Filoso et al., 2003; Van Minnen et al., 2009).因此, 更多研究开始从动态的视角把握营养物质的流动规律, 优化土地资源的利用方式(王磊等, 2015).其次, 部分研究已经开始关注土地利用对城市内物质代谢过程的影响, 识别土地利用过程导致的物质代谢特征.例如, 黄贤金等(2006)探讨了城市土地利用变化对物质代谢变化的影响, 指出城市土地利用方式直接影响着物质代谢的规模和速率.但大多数研究主要集中在区域碳循环与土地利用之间的关系上, 已有学者从森林、草地、农业和特定区域等多个层面探讨土地利用变化对陆地生态系统碳循环的影响(Lal et al., 2004; Muller-Wenke et al., 2010; 马晓哲等, 2015).全球碳氮循环通过陆地和海洋生物量合成、分解及积累连接在一起, 而且在生物地球化学过程中碳氮比的相对固定也使得其中一种元素的变化必然会使另一种元素发生相应的变化.然而, 近些年土地利用与土地覆盖的变化极大地改变了碳氮循环之间的天然联系, 由于化石燃料及化肥的施用使得输入生态系统的活性氮通量逐年增加, 100年间全球活性氮增长了近10倍, 并且这一趋势还在进一步加强(Galloway et al., 2004; Cui et al., 2013).氮污染问题已经威胁到人类健康和安全, 是继生物多样性和全球变暖之后的全球第三大环境问题(Giles, 2005).已有的研究主要集中在流域尺度土地利用模式对河流氮输出的影响上(Thomas et al, 2013; Mehdi et al, 2015; 李昆等, 2015), 而目前针对城市尺度土地利用与氮负荷的研究仍有待进一步探讨.

基于此, 本研究以厦门市为对象, 基于城市氮流动估算方法(李彦旻等, 2019), 进一步深入探讨2005—2010、2010—2015年期间, 城市土地利用对城市氮负荷的影响, 以明确城市化进程中土地利用变化特征及过程, 揭示土地利用变化过程中氮负荷时空变化特征及不同土地利用之间转换对氮负荷强度的影响; 最后提出不同土地利用类型的减排策略, 为减缓城市活性氮排放强度, 以及城市可持续发展对策的制定提供科学依据.

2 研究区概况(Study area)

厦门市(24°26'46″N、118°04'04″E)位于我国福建省东南端, 九龙江入海处, 是我国5个经济特区之一, 包括思明区、湖里区、集美区、海沧区、同安区、翔安区6个市辖区, 全市土地面积1699.39 km2.2015年厦门市人口达到386万, 城市化率从2005年的62.7%增至2015年的81.0%, 目前, 厦门市已经进入高度城市化阶段, 同期人均GDP由16402元增至42606元(厦门市统计局, 2016).厦门市地形多样, 主要由沿海平原、丘陵山脉组成.随着经济的快速发展和城市化进程的推进, 厦门市的土地利用发生了显著变化, 城市建设用地不断扩张, 2015年较2005年扩张了2.5倍, 而农业用地面积则不断缩减.

3 研究数据及方法(Data and methods) 3.1 数据来源

本研究土地利用图由2005、2010和2015年各期Landsat TM/ETM遥感影像(分辨率为30 m)解译所得.遥感影像通过人工解译生成土地利用信息并划分为农业用地、林地、公园绿地、城镇居民区、农村居民区、交通用地、工业用地、水域及其他用地共9种土地利用类型, 其中重点对农业用地、林地、公园绿地、城镇居民区、农村居民区、交通用地、工业用地共7种土地利用类型进行分析和氮负荷估算.活动数据主要来自于2005、2010、2015年的 《厦门经济特区年鉴》, 以及《厦门市环境统计及城考资料汇编》《厦门市环境质量公报》等资料.其中, 城市氮负荷计算过程中氮的相关参数尽可能本地化, 缺失参数则通过大量文献资料汇总分析方式获取.其中, 工业系统废水氮排放和气态氮氧化物数据直接来源于《厦门市环境统计资料汇编2005—2015》.

3.2 数据分析方法

为量化评估人类活动及土地利用过程对城市生态系统氮负荷的影响程度, 本研究根据物质流分析方法和物质平衡原理, 在已有的氮流动及气态活性氮排放方法的基础上(尹沙沙, 2010; 张千湖等, 2017; 李彦旻等, 2019), 估算各土地利用类型氮负荷, 其中, 林地未受人类活动影响, 并在氮循环中起到固定氮素的作用, 故主要计算其积累氮负荷.其他土地利用类型受人类活动强烈干扰, 其氮负荷主要指活性氮排放负荷, 并对环境产生负面影响.交通用地主要由于车辆的能源消耗产生大量氮氧化物, 故氮负荷主要指气态活性氮排放, 其他类型(裸地), 由于用途不明确, 故在此次研究中没有估算其氮负荷.水域作为城市的氮汇, 其污染物来源于各类土地利用类型的氮排放, 为避免重复计算也没有单独估算, 具体方法如下.

对于农业用地, 氮负荷计算公式如下:

(1)
(2)

式中, CinputCoutput分别为农作物生产过程中总氮输入和氮输出; Cfertilizer为农业生产过程中氮肥投入; CBNF为农作物生产系统生物固氮; Cdeposition为大气氮沉降; Cstraw为秸秆还田氮量; Cseed为农业生产中种子的氮投入; Cirrigation为农业生产中灌溉水输入氮量; Cmanure为农业生产过程中动物粪便回田氮量; Charvest为农作物收获氮量; Cdenitrification为农田反硝化量; Cleach为农田中通过淋洗排放的氮量; Crunoff为农田中通过水平径流流失的氮量; CNH3为农田氨排放量; 详细计算公式和参数如文献(李彦旻等, 2019)附录.

对于林业用地, 氮负荷计算公式如下:

(3)
(4)
(5)

式中, Finput为林地总氮输入, 林地受人类活动干扰较少, 在城市氮循环中起固氮作用, 故此计算森林积累氮负荷; Flitter为凋落物回田氮量; FBNF为森林系统中生物固氮量; Fdeposition为大气氮沉降; Foutput为林地氮输出; Frunoff为林地水平流失氮量; FN2O为林地N2O排放; FN2为林地N2排放; 详细计算公式和参数如文献(李彦旻等, 2019)附录.

对于公园绿地, 氮负荷计算公式如下:

(6)
(7)

式中, LinputLoutput分别为公园绿地系统中的总氮输入和氮输出; Lfertilizer为公园绿地系统的氮肥投入; LBNF为公园绿地系统生物固氮量; Ldeposition为大气氮沉降; Lpet-extreta为公园绿地上的宠物粪便氮量; LN2O为公园绿地系统反硝化过程中N2O排放; LN2为反硝化过程N2排放; LNH3为施肥过程中氨挥发; Lrunoff为公园绿地系统中水平流失氮量; Lleach为公园绿地系统下渗过程中氮流失量; Lclip为公园绿地植被修剪氮量; 详细计算公式和参数如文献(李彦旻等, 2019)附录.

对于民区用地, 氮负荷计算公式如下:

(8)
(9)

式中, HinputHoutput分别为居民食物消费系统中总氮输入和氮输出; Hfood为居民食物消费氮量; Hgoods为居民生活用品消费氮量; Henergy为居民能源消费氮量; Hexcreta为居民排泄氮量; Hgarbage为居民产生的固废垃圾的氮量; Hsewage为居民产生污水的氮量; Hgas为居民区在能源消费过程中产生的气态氮氧化物; 详细计算公式和参数如文献(李彦旻等, 2019)附录.

对于交通用地, 氮负荷计算公式如下:

(10)

式中, Eoutput为交通用地活性氮输出; EN2O为交通用地上化石燃料燃烧排放的N2O; ENOx为交通用地上化石燃料燃烧产生的NOx; ENH3为交通用地上NH3排放; 详细的计算公式和参数见文献(张千湖, 2017; 尹沙沙等, 2010).

对于工业用地, 氮负荷计算公式如下:

(11)

式中, Ioutput为工业系统中活性氮输出; IN2O为交通系统化石燃料燃烧排放的N2O; INOx为工业系统化石燃料燃烧产生的NOx; Isewage为工业污水的氮量, 其数据主要来源《厦门市环境统计资料汇编2005、2010、2015》.

4 结果与讨论(Results and discussion) 4.1 厦门市土地利用结构及变化特征

厦门市主要的土地利用类型中, 城镇居民用地、工业用地、公园绿地及交通用地共占厦门市总面积大约14.7%, 且集中分布在岛内和岛外部分地区, 而大部分的林地、农业用地和农村居民区大约共占厦门市总面积的76.5%, 广泛分布在厦门市郊区及周边(图 1).2005—2015年, 城镇居民区、交通和工业用地逐渐向岛外扩张, 交通网络更加密集, 而林地、农业用地则逐渐缩减.近10年各土地利用类型的面积均有不同程度的变化, 通过对2005年、2010年及2015年的土地利用类型结构占比分析可知(图 2), 工业、居民区及交通用地总面积增加最为显著, 占总面积比例从16.9%增加到30.3%, 然而林地和其他用地(裸地)占比由53.77%逐渐缩减到38.01%.在两个时期, 林地变化呈现不同的趋势, 2005—2010期间由于国家"退耕还林"政策的大力推广, 林地面积迅速增长, 从2005年的42.2%增至2010年的46.48%, 年均增速近0.86%;2010—2015年期间, 城镇用地扩张及农林业种植结构的变化, 林木种植面积缩减了11.33%, 同时农业种植面积增加了7.4%.结合不同时期土地利用类型变化特征, 发现2005—2015年厦门市土地利用格局发生了较大改变, 尤其受人类活动强烈干扰的土地利用类型不断增加, 整体面积增加了15.77%, 城市土地利用逐渐趋于饱和, 城市化扩张显著.

图 1 2005、2010、2015年厦门市土地利用空间变化特征 Fig. 1 Characteristics of spatial change of land use in Xiamen in 2005、2010 and 2015

图 2 2005、2010和2015年不同土地利用类型构成及比例 Fig. 2 Composition of landscape in 2005, 2010 and 2015
4.2 厦门市土地利用动态转换特征

通过对2005—2010年厦门市各类土地利用类型转移情况分析可知(图 3), 各类土地利用类型转变面积较大, 约占总量的26.10%, 其中, 农业用地、林地和交通用地转变数量较多, 分别占总变化量的18.47%、11.28%和18.33%.这段时间内农用地大部分转入为林地, 主要受生态退耕的影响; 其次在城市化进程中, 交通网络不断扩张, 侵占了部分农田, 使得另一部分农田转为交通用地, 尤其周围郊区变化最显著.综上, 2005—2010年农业用地面积以减少为主, 林地和交通用地以增加为主.2010—2015年各类土地利用较前5年变化更大, 约占变化总量的27.05%, 其中, 林地、农业用地和农村居民区用地转变数量较多, 分别占变化总量的40.39%、27.95%和12.31%.尤其是林地变化最显著, 由前5年的增加趋势变为减少趋势, 较前5年面积减少了15262 hm2, 其中近79%的林地转入为农业用地, 6.8%转入为交通用地, 其余部分分别转入为工业、居民区、绿地等.此外, 由于城市化不断扩张, 农村居民区减少了2935 hm2, 85.2%转变为城镇居民区.综合分析近10年厦门市土地利用转移特征可知, 厦门市土地利用变化主要表现在城市建设用地迅速扩张, 并通过占用耕地和林地来实现, 而耕地和林地面积逐渐减少.

图 3 2005—2010和2010—2015年土地利用转移特征 Fig. 3 Characteristics of land use changed from 2005 to 2010 to 2015
4.3 城市土地利用与氮负荷强度

随着城市化进程中建设用地不断扩张及土地利用程度的加强, 厦门市各土地利用类型上的氮投入随之增加, 氮作为生态系统中限制性因子, 氮的输入能提高生态系统生产力, 产生正面影响; 而当活性氮通量超过临界值时, 会产生一系列负面影响(王丹等, 2016).随着城市土地利用类型的不断变化, 城市氮负荷总量呈上升趋势, 且不同土地利用类型氮负荷存在不同的变化特征和趋势(图 4), 正轴表示土地利用氮强度较大, 且为受人类活动干扰强烈的土地利用类型(农业、工业、交通、居民区和公园绿地)产生的氮负荷; 负轴表示林地固氮作用产生的氮负荷.2005、2010和2015年人类活动影响较大的土地利用类型的总氮负荷分别为75.02、102.72和154.27 Gg, 而林地的总氮负荷分别为-4.3、-4.85、-3.48 Gg.

图 4 厦门市总氮负荷及不同土地利用类型氮负荷 Fig. 4 Total nitrogen load and distributions in various land use types in Xiamen

2005—2015年厦门市活性氮排放增长了近2.1倍, 其中, 城镇居民区、工业和交通用地的氮负荷贡献近77%, 是其城市中活性氮排放的主要来源, 尤其是交通用地氮排放负荷增加最快, 2015年较2005年增加近4.8倍, 由于城市化不断推进, 城市交通流量不断增加, 交通产生的氮氧化物已经远远高于电力等工业企业的排放量(Cyrys et al., 2012).气态氮氧化物的大幅度增加, 将对空气造成越来越严重的污染.因此, 未来城市建设过程中通过减少交通流量、汽车技术改进等管理措施减少道路的氮氧化物排放是降低交通氮负荷排放的重要途经之一(Carslaw et al., 2001).在不影响经济发展的前提下, 对交通系统进行氮氧化物的末端控制, 针对汽车尾气采用催化净化处理技术, 减少汽车排放端氮氧化物的排放(Kang et al, 2013); 此外, 大力提倡绿色出行, 对城市绿色可持续发展具有重要意义.其次, 城镇居民区是城市活性氮排放的热点区域之一, 由于城市人口快速增长带来对食物氮需求的增多, 随着生活水平的提高导致饮食结构中动物性氮消费量不断增长, 由此导致居民产生的粪尿和垃圾中氮排放量也大幅度增长(魏静等, 2008); 再加上居民消费大量生活用品并产生大量固体垃圾, 以及能源的消费产生大量的氮氧化物, 最终造成城镇居民区成为城市总氮负荷的最主要贡献者(32.7%).然而, 厦门市工业氮排放负荷贡献比从26.0%下降到7.8%, 主要由于厦门市工业产业的转换升级, 2005—2015年期间大力发展新能源产业, 并对旧生产工艺进行改进.未来城市应该加大对氮污染物的管理和调控, 重点从居民消费、交通及工业等方面入手, 加强污水、垃圾等基础设施的建设, 更新提升氮污染处理技术(Le-Clech et al., 2006).

2005、2010及2015年厦门各土地利用类型单位氮负荷强度呈现不同的变化特征, 如表 1所示, 由于林地受人类干扰较小且在整个氮循环过程中起固氮作用, 因此为负值.除此之外, 其他土地利用类型单位面积氮负荷主要指对环境产生负面影响的活性氮排放负荷.从表 1可以看出, 城镇居民区单位面积活性氮排放最大, 其次是交通用地及工业用地氮排放强度, 且显著高于其他土地利用类型, 每公顷农业用地转变为城镇居民区, 单位面积氮排放强度增加25倍左右, 转变为交通用地则增加近10倍多.因此, 在城市化过程中, 城镇居民区、交通用地的扩张并占据其他土地利用类型时会导致城市内生态系统中活性氮的大量增加.厦门市工业园区虽然大规模扩建, 但逐渐淘汰了高污染产业, 并向高附加值、高信息化、低污染的方向发展, 从而使得活性氮排放减少, 工业用地单位面积氮负荷逐渐递减, 这种趋势将有利于未来城市工业与环境的协调发展.农村居民区面积在缩减, 但氮排放在逐渐增加, 导致单位面积氮负荷呈现逐年增加趋势.因此, 农村地区氮污染情况需要更加重视, 加快污水和废弃物的集中处理和转移, 建立现代化农村污水、废弃物处理设施迫在眉睫.交通用地的活性氮排放主要来源于能源燃烧产生的氮氧化物, 随着近些年私家车数量的迅速激增, 化石燃料的燃烧产生大量氮氧化物, 对城市大气环境产生严重影响, 因此, 未来需要大力发展新能源轿车, 并积极提倡和响应绿色出行(Zhou et al., 2013).

表 1 单位土地利用类型氮负荷 Table 1 Nitrogen load per unit of land use type
4.4 城市土地利用对氮负荷空间分布影响

图 4所示, 2005、2010及2015年厦门市各类土地利用的氮负荷在空间上呈现出显著的空间异质性, 氮负荷高值区域主要分布在厦门市岛内及岛外部分地区, 即思明区、湖里及集美部分区域.这些区域城市化显著, 主要以居民住宅区为主, 并且交通网络密集, 生活消费过程中食物、能源的消费造成大量活性氮通过污水、垃圾等形式输出到城市环境中, 并对城市环境造成一定污染(高群等, 2015).近10年, 随着城市化建设和交通网络迅速由岛内向岛外扩张, 并且大量污染型工业逐渐迁至岛外, 其中, 同安工业区是厦门市最主要的工业园区之一, 集中了大量的能源、电子工业, 建设面积达16 km2以上.交通和工业部门是中国氮氧化物的主要排放部门(施亚岚等, 2014).交通网络密集, 工业集中, 最终造成这些区域氮污染物高强度的输出并成为氮热点区域.虽然近些年城市周边的农业氮污染有减缓趋势, 但农田面积仍然占据总面积的31%, 因此, 未来需要继续减少化肥施用量, 提高氮肥利用效率, 减少农田活性氮排放.整体而言, 2005—2015年厦门市在城市化建设和扩张过程中, 土地利用格局的变化对城市氮负荷的空间分布具有深刻影响.因此, 未来城市在氮管理过程中, 需要合理进行城市空间规划, 从人口与产业布局、公共交通、污水垃圾处理等基础设施的合理建设等方面, 进行减缓城市氮污染负荷的调控.

图 5 2005、2010、2015年厦门市氮负荷空间分布特征 Fig. 5 Spatial distribution of nitrogen load in Xiamen in 2005, 2010 and 2015
5 结论(Conclusions)

1) 2005、2010及2015年厦门市各类土地利用类型呈现出不同的变化趋势, 其中, 居民用地、工业用地及交通用地面积在城市化进程中扩张最显著, 占总面积的比例从16.9%增加到30.3%, 主要通过占领农田和林地等方式实现.

2) 2005—2010和2010—2015年期间厦门市各类土地利用类型相互转化, 深刻影响着城市氮负荷的变化, 其中大部分农田和林地逐步转变为交通用地、工业用地, 从而造成单位氮负荷分别增加了10和25倍, 大量活性氮的增加对城市生态系统产生了一定影响.

3) 在城市化进程中, 厦门市各土地利用类型的氮负荷呈逐年增加趋势, 近10年增加了近2.1倍.其中, 交通和城镇居民用地氮负荷增加最显著, 2015年较2005年城镇居民区氮负荷增加2.2倍, 交通用地氮负荷增加4.8倍.城市土地利用的空间格局深刻影响着城市氮负荷的空间变化, 随着城市建设用地不断向岛外扩张, 活动性氮排放热点也呈现向岛外及周边扩散的趋势, 且强度逐渐增加.未来合理进行城市空间规划, 将有助于减缓城市氮污染负荷.

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