生态风险是生态系统暴露在某种危险环境状态下的可能性^[1]，而生态风险评价则是定量化评估生态环境灾害的发生机率^[2,3,4,5]，随着生态与环境风险逐渐被决策者与资源管理者重视，生态风险评价的研究与应用也更为广泛。评价对象由单一化学污染物、单一受体发展到多风险源、多受体，风险源的研究范围也由化学污染、生态事件扩展到人类活动^[6,7,8]。目前全球气候变化、栖息地与生物多样性丧失及多重人为作用对生态系统的影响等皆是生态风险的核心研究内容^[9,10]。生态风险评价可为决策管理者提供数据收集与评估的框架，其操作过程具有一定的弹性，可依据压力源或受体的不同进行调整^{[9,11,12,13,14]}。

目前与氮素及其氧化物、营养盐相关的指标已被广泛应用于生态、环境、生物化学等评估报告，并在土地利用、农业、养殖业及工业等经济活动的生态风险评价中成为关键指标^[15,16,17]。对有机体而言，含氮化合物是影响水体与陆域生态系统的净初级生产力的关键物质^[18,19,20]，随着对全球变化的日益关注，越来越多的研究开始涉及人类活动对生物地球化学循环的影响，氮排放对氮循环的影响便是其中主要的内容^[21,22,23]。工业革命以来，人类活动使得地表氮承载成倍增长^[24]，对全球生态系统健康与环境的可持续力造成显著影响^[25]。化石燃料的大规模使用、工业高速发展不断改变氮循环的强度和方式，并带来了严重的环境问题，包括光化学烟雾、森林枯死、生物多样性丧失、酸雨、平流层臭氧耗竭及温室效应^{[26,27,28,29]}，此外，农业生产过程中超量使用的氮肥也造成水体富营养化、空气污染、水污染、土壤酸化等问题^[30,31]，缺乏有效的区域氮肥管理措施更加重了上述问题的影响范围^[32]。

基于氮素对生态系统的重要性及其对人类活动影响的指示性，本文选择中国台湾地区氮排放为切入点，构建基于氮排放的区域生态风险评价研究框架。通过量化农业与城市系统中人类活动所产生氮排放的类型及空间差异，重点评价区域潜在生态风险程度，并提出应对氮排放压力的调适对策。

中国台湾地区土地面积约36000 km²，人口约2300万人，其中台北市及高雄市人口密度达9500人/ km²以上，过多人口集中于都市区，产生的垃圾、废水、废气、噪音等使得环境负担加重，另外机动车保有量大、工厂密度偏高、禽畜饲养密度偏高及化石能源排放量大成为当前最主要的环境问题^[33]。中国台湾地区生态环境相对脆弱，在生态风险相关的研究与应用中，自然环境方面多涉及全球变化造成气温上升、降雨改变^[34]、海平面上升及海岸侵蚀等问题；也有针对山坡地强调崩塌、地滑、冲蚀及淘刷等地质灾害的风险评估；在农业方面，主要评估了农田环境污染带来的整体生态风险^[35]；城市建成区生态风险研究则主要考虑了环境污染、资源紧缺及基础设施建设等问题^[36,37]。有鉴于中国台湾地区城市化程度相对较高且整合人类活动的风险评估研究相对缺乏的问题，本研究选择其为研究区，进行区域生态风险评价。

在未受人类活动干扰前，自然生态系统中氮元素循环转化过程总体处于稳定的平衡状态，不会对生态系统带来负面影响^[38]。随着工业化的进程，不断加剧的人类活动对区域生态系统的氮平衡带来巨大的冲击。为量化评估人类活动对区域生态系统的影响，本研究在农业系统和城市系统氮排放估算基础上，通过整合土地利用数据构建了区域生态风险评价研究方案(图1)。在农业系统部分，氮排放主要考虑了农田肥料使用、作物固氮、农田灌溉、作物收获、作物秸秆还田及家禽家畜饲养、水产品养殖等。在城市系统部分，主要从人口数量、交通与产业分布等，估算生活排放、工业生产及化石燃料使用等带来的氮排放，具体数据来源及说明见表1。

图1 基于氮排放估算的区域生态风险评价流程 Fig.1 Research flow of regional ecological risk assessment based on nitrogen emission estimation

图选项

农业生产过程的氮排放总量估算(N_agr)，主要考虑了农作物种植(N_crp)、家禽和家畜养殖(N_lives; N_poul)、水产品养殖(N_aqua)等农业活动产生的氮排放量。

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农作物种植过程的氮排放估算包括作为农业系统输入的含氮肥料使用(N_fer)、含氮灌溉用水(N_irr)、农作物固氮(N_fix)、农作物秸秆还田(N_resd)，以及作为农业系统输出的农作物收获(N_harv)，计算公式如下：

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其中含氮肥料使用量估算考虑了化学肥料和有机肥料，化学肥料涵盖了硫酸铵、尿素、硝酸铵钙、复合肥料及其它含氮化肥的使用量，有机肥料则主要指人类、家禽和家畜粪便利用量；灌溉用水含氮量估算则主要依据灌溉用水量和灌溉用水含氮量实测值；农作物固氮量估算则包括了豆科作物种植面积及共生性固氮速率、非豆科作物种植面积及非共生性固氮速率；农作物秸秆还田带来的氮估算主要基于秸秆年产量、还田比例以及秸秆含氮量等指标；农作物收获涉及的氮输出估算主要考虑了各类农作物产量、收获系数及其含氮量。

家禽家畜养殖过程的氮排放主要来自未回收利用的家禽家畜粪便，计算公式如下：

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水产品养殖过程的氮排放主要来自投喂饲料的未利用部分，家禽家畜粪便产生量以及回收量，计算公式如下：

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城市生产生活过程中氮排放总量估算(N_urb)考虑了城市系统中人类生活(N_hum)、工业生产(N_indt)及交通运输(N_tran)等带来的氮排放量。

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城市系统中人类生活所产生的氮排放主要来自人类粪便(N_hum-excre)、生活固体垃圾(N_liv-wst)、生活污水(N_wst-water)等，相应计算公式如下：

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其中人类粪便带来的氮排放估算考虑了县市人口数量、人均粪便产生量、粪便平均含氮量以及粪便回收率；生活固体垃圾的氮排放估算则考虑了生活垃圾收集量(掩埋、堆放和堆肥等)、生活垃圾平均含水量和含氮量；生活污水的氮排放通过生活污水排放量、污水处理率、污水处理后污泥产生量、污泥回填率、污泥以及污水含氮量等加以估算。

工业生产活动所产生的氮排放主要来自工业含氮废气(N_indt-gas)、工业固体废弃物(N_indt-wst)和工业污水(N_indt-water)等，相应计算公式如下：

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交通运输活动所产生的氮排放主要来自航空(N_air)、公路(N_land)、铁路(N_rail)、管线(N_pipe)和水运(N_water)等各类交通工具使用化石燃料过程中的含氮废气，计算公式如下：

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估算过程中考虑了不同交通部门所消耗化石燃料数量、类型、废气排放量及废气平均含氮量等。

为分析氮承载空间差异所产生的区域生态风险，本研究将农业及城市系统中人类活动所产生的氮排放估算进行整合，分析土壤、水体及大气中的氮排放量及其区域差异，藉以表征人类活动对生态系统带来的压力值。选择不同土地利用类型作为风险受体，在风险受体脆弱度判识过程中，首先依据中国台湾地区用地特性将其划分为建成区、工业区、农业区、森林区、保护保育区、风景区、公共设施及其它等主要用地类型，通过用地特性反映区域生态系统组分类型特性，其中因建成区人口集中且氮排放量相对较高，人类健康受氮承载影响亦相对较大，故依据用地类型差异细分为商业区、住宅区、乡村区。进而结合专家问卷，分析在土地、水体及大气氮承载三者压力条件下，不同土地利用类型受人类活动影响的脆弱程度，其中脆弱性最高者为10分，最低者为1。

本研究单一风险影响的计算公式为：

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综合生态风险(CER)发生概率则为标准化后单一生态风险发生概率的总和，计算公式为：

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从中国台湾地区2001—2010年农业系统氮排放的变化来看(图2)，农作物种植中肥料投入产生的氮比重相对最高，其中硫酸铵、尿素等化学肥料所占肥料的氮排放比重相对较高，但随着有机肥比重的增加，氮排放逐年减少，农业灌溉用水带来的氮则维持在一定比重，作物吸收氮量随作物种植面积及产量变化(表3)，呈逐年降低态势，其中水稻种植面积减少带来的影响较为显著，期间绿肥的种植面积及产量增加，但豆科植物种植面积及产量却减少，因而作物固氮在总量上无明显变化，农作物秸秆还田量逐年减少，反映了水稻、玉米及红薯等作物种植面积的减少。2001—2010年期间，因农业生产所产生的氮排放受种植面积的减少呈缓慢下降趋势，同时有机肥料的推广使用也进一步降低了化学肥料所产生的氮排放，从而在整体上降低了农业系统产 生的氮排放。在家禽、家畜饲养及水产品养殖方面，家禽和家畜饲养所产生的氮排放研究时段内有所下降，在种类上以生猪为主，牛羊次之，而水产品养殖所产生的氮排放一直维持在稳定的水平。总体上，农作物种植为农业系统氮排放的主要来源，约占农业氮排放总量的94%以上。

图2 中国台湾地区农业系统氮排放量年际变化 Fig.2 Nitrogen emissions of agricultural system in Taiwan area

图选项

通过氮排放区域差异的比较，作物种植氮排放量以南部区域相对較高，其次为中部地区，两者远高于北部及东部区域；通过县市比较可见(图3)，作物种植氮排放量以南部地区屏东县最高(3.7万t)，其次为台南市(3.2万t)。在动物及水产养殖方面，同样以南部区域的氮排放相对较高，其次为中部区域，二者远高于北部区域，其中云林县(0.9万t)更远高于其它县市，为中国台湾地区动物养殖活动的主要县市。总体而言，农业系统氮排放以南部区域屏东县(4.3万t)的总量最高，其次为台南市(4.0万t)。由此可推知，中国台湾地区农业活动相对集中于南部地区，其次为中部地区，北部及东部地区农业活动相对强度较低。

图3 2010年中国台湾地区农业系统氮排放区域差异 Fig.3 Regional difference of agricultural nitrogen emissions in 2010 *金门县及连江县数据缺失

图选项

2001—2010年期间(图4)，中国台湾地区人口增长速度相对较低，2009年人口增加率约0.36%^[40]，因而在人类生活相关的氮排放增长率亦相对较低；在生活废弃物及污水的氮排放方面，由于处理方式改善，氮排放量明显降低，其中固体废弃物回收利用的比例逐年增加，使得掩埋及堆置的垃圾量显著减少，2005—2008年间，固体废弃物带来的氮排放减少约30%，在生活污水方面，氮排放的降低则主要源于污水处理率的提高。总体而言，由于生活固体废弃物回收利用和污水处理率的提升，使得与人类生活相关的氮排放总量呈现显著下降趋势(由2005年11.2万t降至2010年7.5万t)。区域比较可见，北部人口总数較高相应生活固体废弃物产生的氮排放量亦相对较高，但由于污水处理率较高，生活污水氮排放量较低；在生活氮排放总量上，以县市合并后的台中市氮排放总量最高(1.2万t)，其次为台南市(0.8万t)，高雄市及桃园市(图5)。

图4 城市系统氮排放量变化 (2005—2010) Fig.4 Change of nitrogen emissions of urban system (2005—2010) *生活氮排放计算中生活固体废弃物处理量于2004年前统计单位不统一且2001年生活污水处理率数据缺失

图选项

图5 2010年城市系统氮排放区域差异 Fig.5 Regional difference of urban nitrogen emissions in 2010 *生活氮排放计算中生活固体废弃物处理量于2004年前统计单位不统一且2001年生活污水处理率数据缺失； **参考各县市小汽车数量、交通用地密度将全岛氮排放总量进行分配

图选项

工业生产活动带来的氮排放主要来自于工业固体废弃物与工业废水。在列入管制的工业废弃物处理方式中，以再利用方式所占比重最高，约占工业废弃物处理总量的 84.96%，其次为委托或共同处理方式，约占工业废弃物处理总量的11.97%，其余少量废弃物采取自行处理或境外处理的方式^[43]。因此在工业活动的氮排放计量中，主要以工业废水为主。依据中国台湾地区水质保护部门统计，研究时段内工业活动产生的有机氮量有所消减。区域比较可见，工业活动氮排放以中部区域相对较高，其次为北部区域；县市以北部桃园县最高，其次为台中市。

交通带来的氮排放主要为化石燃料的使用，在消费类型上以车用汽油的消费量最高，带来的氮排放量呈稳中有降的态势，近年来交通方面的电力的消费已逐步升高，可见清洁能源的推广有一定成效。

总体而言，城市系统氮排放总量近年来以明显下降，由2005年11.2万t降至2010年7.5万t。其中以生活氮排放所占比重较高，且明显高于工业及交通氮排放。

通过大气、土壤及水体3种风险压力源的氮排放数据整合，中国台湾地区的氮排放以土地上的数量明显较高，与其承载了主要社会经济活动有直接的关联性，2005—2008年间有下降趋势但2009年出现反弹。水体中的氮排放逐年降低，与生活与工业污水的完善处理率提升、水产品养殖数量下降有直接联系。但大气中的氮排放数量则呈现波动，2001—2010年间以2006年氮排放数量最高，2010年亦有反弹。

结合压力源、脆弱度及大气、水体、环境治理经费^[33]，可获得研究区综合生态风险值。 2005—2010年间生态风险值先降后升，但其中与农业活动相关的氮排放减少，主要受近年来开放进口肉品及水质水源保护法令实施有关。但在大气氮排放方面2010年的能源消耗较上一年相对升高，随之产生的氮氧化物亦有所增加，导致大气的氮承载压力增加，对人口及生态环境带来相对较大的冲击，降低能源消耗是各县市共同需要加强的环境保护措施。

基于各县市生态风险评估值，可将其区分为风险值250以下、风险值250至900之间，及风险值900以上3个区间，分别定义为低生态风险区包括金门县、连江县、澎湖县、新竹市、嘉义市及基隆市，中生态风险区包括宜兰县、苗栗县、云林县、新竹县、台北市、花莲县、彰化县、台东县、嘉义县、桃园县及南投县，及高生态风险区包括台中市、屏东县、台南市、高雄市及新北市(图6)。其中离岛地区由于人口密度低且农业活动比重相对较低，其潜在生态风险相对较低，而台中市、屏东县、台南市、高雄市及新北市则由于农业活动强度大且人口密度高，其氮承载相对较高，潜在生态风险也相对较大。

图6 2010年氮排放综合生态风险值区域分布 Fig.6 Regional difference of comprehensive ecological risk from nitrogen emissions in 2010

图选项

在降低氮承载生态风险的对策上，结合相关环境保护统计与分析可知，由于2010年机动车辆增长35万辆，增长率为1.6%，来自机动车辆的氮氧化物排放量约为45%^[33]，因而减低大气氮承载的主要途径为加强稽查污染源、推广奖励清洁能源车量、推动公众交通运输及控制机动车辆的成长；而工业活动产生的废气、废水及废弃物，虽然监管力度不断加大，但仍然对环境造成严重影响；其他经济活动包括禽畜饲养及能源消费等问题，虽然都在控制之中，却无法有效改善人类活动对环境负担的加重。

在水体氮排放方面，由于主要来源为工业废水、生活污水及畜牧废水，在风险防范上应基于饮用水源保护对重点河川进行整治，减少工业及畜牧业的污水排放，并因应雨季与旱季不同的降雨特性的对污水排放准则进行调整，提高污水下水道系统覆盖面积，结合生活教育降低生活污水排放。

在未受人类活动影响的情况下，自然界的氮循环一直处于稳定状态，而工业革命以来，农业产量的提升、医疗技术的进步等因素使得全球人口快速成长，高密度、高强度的人为活动逐渐成为生态功能退化、环境质量下降的主要原因，同时影响人类自身健康。基于氮承载的综合生态风险评价，可揭示不同类型人类活动对生态环境的影响，并说明人类经济活动特征带来的生态影响强度及其区域时空差异。

基于氮排放的区域生态风险评价不同于以自然灾害或化学污染为切入点的传统风险评价，风险评价中压力源非可测量的毒化物浓度、栖息地破坏面积等，而是通过估算不同人类活动氮排放量来说明风险压力源，同时藉由不同土地利用类型作为风险受体，一方面可依据其生态特性说明其脆弱程度，另一方面可反映风险的空间差异。在研究区的选择上，由于中国台湾地区具有地理位置相对独立的特性，大气、土地及水体受其它区域人类活动影响相对较小，可更清晰地反映区域人类活动的影响。

由于各类经济活动氮排放存在差异且逐项获取数据较为困难，基于统计数据与环境管理标准的氮承载计算存在一定的误差。例如，由于目前污水处理系统并未全面覆盖中国台湾全岛各个地区，且降雨的季节差异，因而符合污水排放标准的废水与未经处理的废水，仍会共同影响不同河川水质的氮化合物含量；而在工业活动方面，虽然工业固体废弃物及工业废水排放皆有严格的环境管理标准，但统计数据仍然小于实际产生量，因而影响生态风险评估的准确性，在后续研究中将结合河川、水库不同季节的实测水质数据进行修正。

为整合并估算人类活动的氮排放量，研究中所依据的人口、土地利用、农作物及家禽家畜、能源消耗、汽车等数据均源自政府统计部门，数据以行政区为单元，相较于以流域为单元的氮承载研究，本研究中的氮承载计量结果仍有待进一步结合相关人口分布、土地利用、水文及氮循环模型进行修正。此外，工业生产若符合环境管理标准，有机氮的排放相对较低，影响明显小于农业生产活动所产生的氮排放。在交通活动氮排放的区域差异上，受限于可获得数据，计量时参考各县市小汽车数量与交通用地密度进行分配，具有一定的参考价值。

对照空气质量监测报告^[44]各县市2010年NO₂年平均浓度表，可发现本研究计算的大气氮排放结果与实测结果略有出入，台北市、台中市及高雄市虽在计算及实测上大气中氮氧化物皆相对较高，基于能源消耗的氮排放计算难以体现大气流动对周围环境的影响，另外本研究过程中由于工业活动种类繁多且不易统一计量，其计算结果仍有缺漏，将于后续研究中结合典型工业活动类型进行补充。