未来土地利用变化对水传播氮排放的影响：以粤港澳大湾区为例

《Journal of Environmental Sciences》：Influence of future land use change on waterborne nitrogen emissions: A case study of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

氮污染防控与土地利用情景模拟研究：基于粤港澳大湾区多情景分析

　　

陈晨|文宗国|牛生|宋庆斌

香港大学城市规划与设计系，中国香港

摘要

土地利用变化通过改变氮（N）的排放类型和强度以及氮在流经土地的地表径流中的滞留效应，重塑了氮从自然和人为活动进入水环境的生成和传输模式。本研究开发了一个综合方法框架，结合了氮流量分析、地理空间分析、土地利用变化预测和养分传输模拟，以分析在不同土地利用情景下水传播氮排放的空间模式，同时考虑了不同的未来土地结构以及作为人工干预措施的河岸缓冲带的实施。以粤港澳大湾区为例，我们发现2030年和2040年的所有土地利用情景都涉及不透水面积的扩大和森林及水域的减少，只有“生态保护”情景导致森林损失最小。直接排放到水中的氮占水传播氮排放总量的85%以上，而来自扩散源的间接氮排放的转移率约为16%。到2040年，“生态保护”情景比“经济发展”情景多保留了511平方公里的耕地，并减少了870吨氮的排放。这一效益对于高度城市化的城市尤为重要。河岸缓冲带是重新造林的关键区域，估计每增加1平方公里的河岸森林可以减少约6.9吨氮的排放。这些发现为快速城市化城市群的水传播氮排放缓解提供了土地管理策略。

引言

氮（N）在支持农业和工业生产方面发挥着至关重要的作用（Gu等人，2013年；Zhang等人，2015a年）。然而，其生物地球化学循环由于全球范围内人类活动的加剧而受到严重破坏，对生态系统健康构成了威胁（Gruber和Galloway，2008年；Gu等人，2015年；Schulte-Uebbing等人，2022年）。过量氮排放到地表水中引起了特别关注，因为它们会降低水质并导致富营养化和生物多样性丧失等环境问题（Chang等人，2021年；Conley等人，2009年；Yu等人，2019年）。2012年，中国57%的溪流氮浓度超过了1毫克/升（Chen等人，2024c年），这凸显了控制各种来源的水传播氮排放的迫切需求。特别是在珠江三角洲等城市化沿海子流域，允许的氮排放量限值特别低（Chen等人，2024c年；Yu等人，2019年），这需要在这些地区付出巨大努力来管理氮排放，并在维持经济发展和改善水质之间取得平衡。这包括减少氮污染活动的使用和排放，并促进陆地土壤-植被系统中的自然氮滞留，从而防止氮进入地表水——这是生态系统的重要自净功能（Elrys等人，2023年；Lyu等人，2021年）。

水传播氮排放会受到土地利用变化的显著影响。一方面，不同类型的土地具有不同的氮循环路径，因此氮排放强度也不同。土地利用变化重塑了来自自然和人为活动的氮进入环境的分布模式。例如，在中国不同类型的森林中，径流的氮排放量范围为1.0-5.0千克/公顷·年（Gu等人，2015年），而中国大部分农田和多个城市聚集区的城市不透水土地的氮排放量超过了100千克/公顷·年（Tian等人，2024年）。另一方面，来自扩散源的氮排放，如农业氮污染和携带沉积在道路表面的城市径流，可能不会直接进入水环境，但会在传输过程中部分被土壤和植被吸收或去除（Lu和Qin，2024年）。土地利用变化通过改变植被类型和强度以及土壤的物理化学和微生物环境，显著影响生态系统的结构和功能（Ding等人，2023年；Tang等人，2022年；Wang等人，2017年）。这些变化又反过来修改了养分滞留能力，这是陆地生态系统服务的重要组成部分（Hopkins等人，2018年）。因此，有效的土地利用管理策略可以增强土地过滤和滞留氮的能力，加强其自净功能，并有助于减少养分负荷。

在本研究中，我们重点探讨了未来土地利用变化如何影响水传播氮排放的空间特征，结合了在不同土地利用情景下氮的生成和向地表水传输的建模。区域范围内的土地利用变化是由复杂的自然、经济和社会因素之间的耦合关系驱动的，总体土地利用政策和规划目标起着关键作用（Dadashpoor等人，2019年；Darrel Jenerette和Potere，2010年）。例如，在强调生态保护和限制城市扩张的土地管理目标下，高氮损失率的不透水表面的增长可能会受到抑制，而具有相对较高养分滞留率的土地类型（如森林）的面积可能会增加。这有可能通过土地实现更高程度的氮净化。然而，这种效应的存在、范围和区域变异性需要基于合理的土地利用预测和实际的地表水文条件进行量化。此外，人类干预措施，如建立河岸缓冲带（即溪流或河流附近的植被区域），在保护水道免受相邻土地利用影响方面具有巨大潜力，包括过量的氮输出（Mayer等人，2007年；Zhang和Jiao，2009年）。这些河岸缓冲带可以在氮进入地表水之前充当最后一道屏障（Yan等人，2018年），通过改变养分传输动态提供不成比例的高水平养分滞留服务（Langhans等人，2022年）。

物质流分析（SFA）已被广泛应用于城市（Dong等人，2020年；Huang等人，2020年）、区域（Chen等人，2024a，2020a；Cui等人，2021b）和国家尺度（Gu等人，2015年；Zhang等人，2021年）的氮排放建模，该方法基于质量平衡原理系统地量化了通过定义的自然和社会经济系统的氮流量，并考虑了关键物理化学过程。因此，研究可以通过调整相关输入参数并评估结果排放的变化来评估关键因素（如技术进步（Wen等人，2021年）、饮食结构（Liu等人，2014年）和社会经济发展（Dong等人，2020年）对排放的影响。氮排放建模的局限性已被广泛讨论，如数据稀缺和不确定性（Athanassiadis，2020年）、跨介质氮流动的表征不足（Chen和Wen，2023年），以及缺乏对城市政策影响的考虑（Zhang等人，2015b）。特别是，缺乏空间性，意味着排放无法归因于特定位置，这被认为是传统SFA研究的一个主要缺点（Bahers等人，2022年；Li和Kwan，2018年）。在评估土地利用变化对排放空间模式的影响时，这一局限性尤为重要，因为土地利用变化本质上涉及氮排放活动的空间重新分布。近年来，研究通过将各种类型的氮排放分配到相应的土地利用类别来关注这一问题（Cui等人，2021a；Dong等人，2023年；Tian等人，2024年），为气体、液体和固体氮排放的空间分布提供了宝贵的见解。然而，很少有研究考虑了排放生成活动后氮在环境中的后续迁移和转化。土地利用变化对液态氮排放滞留过程的影响在很大程度上尚未被探索。此外，未来土地利用变化的建模很少被纳入氮排放模型中，导致关于预期土地利用变化的区域尺度效应以及其与人工增强措施（如建立河岸缓冲带）对氮滞留和排放特性的耦合的研究空白。

本研究开发了一个综合方法框架，结合了氮流量分析、地理空间分析、土地利用变化预测和养分传输模拟，以分析在不同情景下的水传播氮排放的空间模式。中国粤港澳大湾区（GBA）被选为研究案例。该地区在过去几十年经历了不透水面积的急剧扩张（Chen等人，2024b年；Yang等人，2019年），面临河流和海域的氮污染问题（Dong等人，2023年；Qiu等人，2010年），并预计将继续成为中国核心的经济发展区域，对城市和农业用地有显著需求。了解如何有效管理土地以利用生态系统的自净能力并减少水体中的氮排放，可以为GBA和其他全球城市群提供启示。

研究设计

研究设计

本研究包括三个主要步骤，研究设计和方法论示意图如图1所示。首先，我们基于马尔可夫模型预测了2030年和2040年GBA六个情景下不同土地利用类别的需求，并使用斑块生成土地利用模拟（PLUS）模型模拟了土地利用的空间分布。通过将符合条件的网格转换为缓冲网格创建了包含河岸缓冲带的情景，详细内容见第2.3.3节。其次，我们

GBA水传播氮排放的历史状况

我们首先研究了2018年参考年份水传播氮排放的空间模式，包括直接排放到水中的氮（图4a和d）以及扩散源在表面传输前后的间接排放（图4b和e）和（图4c和f）。直接排放到水中的总氮量为162.0吉克/年，其中来自不透水土地（处理或未经处理的来自生活和工业来源的污水）的排放占86.9%。像素级分析揭示了热点区域

讨论

本研究从土地管理的角度揭示了推进自净城市实施的途径——通过实证展示了如何通过战略性管理的土地积极减轻人为氮对地表水的污染。我们的方法框架能够量化特定土地利用干预措施增强土地氮滞留能力的程度，从而为可操作的、空间明确的策略提供了基础。研究结果揭示了

结论

在本研究中，我们探讨了如何通过土地管理实践增强生态系统自净能力，以减轻快速城市化城市群中的氮污染。任何给定空间区域内的土地利用类型与区域氮循环过程存在复杂的相互作用，影响氮排放活动的类型和强度以及氮在流经土地的地表径流中的滞留效应。通过同时建模这两种影响机制，我们

作者贡献声明

陈晨：概念化；数据整理；正式分析；资金获取；方法论；软件；撰写——初稿；以及撰写——审阅与编辑。文宗国：概念化；资金获取；方法论；项目管理；监督；验证；撰写——审阅与编辑。牛生：资金获取；监督；撰写——审阅与编辑。宋庆斌：监督；撰写——审阅与编辑。

作者贡献声明

陈晨：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，方法论，资金获取，正式分析，数据整理，概念化。文宗国：撰写——审阅与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。牛生：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。宋庆斌：撰写——审阅与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（NSFC）（编号72261160655和72304072）和澳门科学技术发展基金（FDCT）（编号0033/2022/AFJ）的支持。本文所述的工作部分由陈晨博士完成，他是由香港赛马会慈善信托基金支持的JC STEM早期职业研究员。