唐山市氮代謝過程分析

顧永波

關鍵詞：氮代謝;唐山市;產業部門;氮氧化物;活性氮

21世紀以來，城市化的進程不斷加快，氮在人類活動的影響下通過各種途徑進入生態系統。隨著人口的不斷增加、重工業和農業的發展，環境中的活性氮含量不斷增加。關于氮代謝，不同學者從多個角度作了分析研究。秦樹平等[1]針對氮足跡進行研究，提出了氮足跡的概念、研究的意義以及研究方法，對氮的足跡和代謝進行了詳盡的分析。張妍等[2-3]針對多尺度人類活動影響下氮的代謝和循環，分析了氮在各種流轉過程中的變化規律，為氮的管理決策提供了可行性措施和建議。方華等[4]研究了活性氮對環境的威脅，發現由于城市中氮氧化物的大量排放和人類生產生活的影響，活性氮的含量不斷增加，對生態系統造成了很大危害，通過分析活性氮的來源，提出了減少活性氮的建議和可行性措施。高群等[5]研究了城市化對氮循環的影響，發現我國經濟的增長、人們生活水平的提高、城市化進程不斷加快改變了城市的氮循環過程，加重了氮對環境的污染，在氮循環特征的基礎上，分析城市化過程中氮污染物的來源等，對城市氮的管理有很大的啟示意義。冼超凡等[6]研究了城市生態系統的氮代謝，將城市作為研究的基本單元，描述了城市中氮代謝的內涵，采用物質流分析的方法研究城市氮代謝的進展，分析探討城市氮代謝研究的發展趨勢，實現了不同尺度下城市氮代謝過程的準確分析。石磊等[7]通過建立城市尺度物質流分析框架，計算輸入量和輸出量、獲取城市中的凈存量，然后配合一些實際數據作出假設測算。本研究以唐山市產業部門的氮代謝[8]作為研究單元，分析產業部門之間氮的流動關系及輸入、輸出規律，有助于提高唐山產業的生產效率，加快經濟的發展。

1 區域概況

唐山歷史悠久，是一座沿海的重工業城市，地處環渤海中心，面積廣闊，人口眾多，能源非常豐富，尤其是煤炭資源，唐山的鋼產量在全國排名第一。在唐山的空氣質量狀況中，良最多、輕度污染偏多，唐山的霧霾現象有目共睹，嚴重時能見度不足100 m，威脅了人們的健康。硫氧化物、氮氧化物的排放量在全國占有很大比例，使城市中的溫室氣體增加、平均氣溫升高，嚴重影響了氮代謝的途徑，增加了氮輸入的來源。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究以唐山市各產業部門為基本研究單元，測算分析唐山市近5年煤炭燃燒排出的氮氧化物量以及各產業中氮氧化物的排出情況，數據主要來自唐山市政府官網統計信息中的《唐山市統計年鑒》。通過分析計算各行業中氮代謝的氮氧化物的輸入、間接能耗，研究唐山市產業部門氮代謝的狀態。

2.2 研究方法

2.2.1 物質流分析法

物質流分析在城市生態系統代謝分析中占有重要位置，根據質量守恒定律對經濟-環境系統之間的物質輸入流、輸出流和存量進行核算，研究代謝過程。

（1）代謝效用指代謝流到達最終用戶的有效部分。代謝系統遵守物質守恒及熱力學定律，因此，轉化有一定的損失，剩余部分形成有效產品或服務，表達式：

MU=MI-ML （1）

式中：MU為代謝效用，MI為代謝系統總輸入，ML為代謝損失，量綱為“J”或“t”[9]。

（2）代謝效率是代謝分析的一個重要指標，基本定義為某一過程的輸入與輸出量之比，表達式：

η=MU/MI （2）

式中：

η為代謝效率，MU、MI的定義同式（1）。以此作為指標反映唐山產業部門氮代謝的狀態，對唐山市的氮氧化物排放提出相應的措施[10]。

2.2.2 計算氮代謝過程中氮氧化物的輸入量

考慮數據的可得性，城市氮代謝的輸入過程主要是煤炭燃燒氮氧化物的排放，其他可忽略不計?？梢谩董h境統計手冊》中方品賢的計算方法（第99和100頁），假設燃燒1 kg煤產生10 m³煙氣：

G（NOx）=1.63×（B×N×β+0.000 938） （3）

式中：G（NOx）代表氮氧化物排放量，kg;B代表消耗的燃煤（油）量，kg;N代表燃料中的含氮量，《環境保護實用數據手冊》胡名操和《環境統計手冊》方品賢統計數據一致，取0.85%;β代表燃料中氮的轉化率，取70.00%。通過計算，燃燒1 t煤產生的氮氧化物量大約為18.64 kg。

3 結果分析

3.1 各產業部門氮代謝中氮氧化物的排放量分析

根據《唐山市統計年鑒》中給出的數據，將幾個主要產業的氮代謝中氮氧化物的排放量統計在一起，結果發現，在2013年所有產業中，工業的氮氧化物排放量最多，遠高于其他行業，占總排放量的79.80%左右。這是由于唐山是一座具有130多年歷史的重工業城市，是我國鋼產大市，“因煤而建、因鋼而興”。在鋼和一些原材料的生產過程中，需要燃燒大量煤炭等高能耗的燃料，所以排出的氮氧化物量較高。其次是交通中氮氧化物的排放量較多，占總排放量的18.90%，主要來自各種卡車運輸，不僅造成擁堵，尾氣排出的各種污染物還會造成嚴重的大氣污染。在城鎮服務中，氮氧化物的排出量最少，所占比例也最小，總共才占總排放量的1.20%。2014年、2015年、2016年、2017年各個行業的排放量不斷降低，2017年工業的氮氧化物排放量略有升高，占很大的比例。

3.2 氮代謝中煤燃燒氮氧化物的輸入量分析

根據《唐山市統計年鑒》中的煤炭燃燒量和《環境統計手冊》方品賢的計算方法計算氮氧化物的排出量，統計2013年、2014年、2015年、2016年、2017年氮代謝中煤燃燒氮氧化物的輸入量發現，近幾年唐山市氮氧化物的輸入量呈下降趨勢，由于企業的產業部門結構轉型比較成功，對新能源的開發使各種污染物的排放大量減少，對煤炭的需求量也大大降低。還有企業引入一些新型技術，使氮氧化物的排放量大大減少。通過計算發現，2013年氮的代謝效率最高，大約為95.00%;2014年的代謝效率最低，大約為61.00%。2013年，氮氧化物的排放達到了310000 t之多，而2017年的輸入量只有280000 t，所以要繼續加強對煤炭用量的把控，努力開發新型清潔能源，使氮氧化物的排放處于城市生態系統可接受范圍，推動資源的可持續發展。

4 結語

氮循環及氮代謝的流轉過程呈現出多對一、一對多的網絡態，未來采用生態網絡分析的方法，通過多尺度下氮研究的耦合，形成多個級別、多個角度的生態網絡模型?？梢詫⒊鞘凶鳛橐粋€點研究流域，或者打破城市這個點，研究城市內部部門間的氮代謝網絡，探究多種狀態下氮代謝的演變規律，并且分析規律的相同之處與差異，識別出不同條件下氮流轉過程中的影響因素。由于城市中的活性氮含量不斷增加，對環境造成了很大危害，必須對氮代謝、氮的來源以及氮含量增加的后果進行更細致、科學的探討，加強活性氮的管理，更好地掌握氮代謝的遷移轉化規律。