基于Copula函数的区域...与分析：以北京市密云区为例_徐文.pdf

第45卷徐文，朱士江，纪道斌，等.基于Copula函数的区域氮代谢环境风险评价与分析：以北京市密云区为例J.环境科学与技术，2022，45（12）：154-163.Xu Wen，Zhu Shijiang，Ji Daobin，et al.A Copula-based approach for environmental risks evaluation and analysis of the nitrogen metabolism：a casestudy of Miyun district,BeijingJ.Environmental Science&Technology，2022，45（12）：154-163.Environmental Science&Technology第45卷 第12期2022年12月Vol.45 No.12Dec.2022环境科学与技术 编辑部：（网址）http:/（电话）027-87643502（电子信箱）收稿日期：2022-02-24；修回2022-05-08基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（52000120）；湖北省水利重点科技项目（HBSLKY202124）；湖北省教育厅中青年人才项目（Q20191201）作者简介：徐文（1989-），女，讲师，博士，主要研究方向为流域非点源污染管理，（电子信箱）；*通讯作者，（电子信箱）。基于Copula函数的区域氮代谢环境风险评价与分析：以北京市密云区为例徐文1，2，3，朱士江1，2，3*，纪道斌1，2，3，丁致玉4，李虎3，于颖3，李凯凯3（1.三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北宜昌443002；2.三峡大学三峡水库生态系统湖北省野外科学观测研究站，湖北宜昌443002；3.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002；4.湖北亿立能科技股份有限公司，湖北宜昌443002）摘要：氮元素是支撑工农业生产的重要元素，随着人类活动对氮元素自然循环过程的干扰愈加强烈，氮代谢不可避免地存在一定的环境风险。该文基于Gumbel Copula函数构建了北京市密云区氮代谢环境风险评价模型，并且结合主成分分析法和通径分析法揭示了氮代谢环境风险形成机制。研究结果表明：密云区氮代谢环境风险在中等以上水平的区域占密云区总面积的43.62%。氮代谢环境风险的主要驱动力来自社会经济发展、农业发展以及养殖业发展等3个方面。在氮代谢环境风险的众多影响因素中，种植总面积、化肥施用量、畜禽粪便还田量和秸秆回用量对氮代谢环境风险的影响最为显著，它们不仅对氮代谢环境风险产生较大的直接影响，而且会通过其他影响因素对氮代谢环境风险产生较大的间接影响。关键词：氮代谢；Copula函数；风险识别；主成分分析；通径分析中图分类号：X820.4文献标志码：Adoi：10.19672/ki.1003-6504.0414.22.338文章编号：1003-6504(2022)12-0154-10A Copula-based Approach for Environmental Risks Evaluation and Analysisof the Nitrogen Metabolism：a Case Study of Miyun District,BeijingXU Wen1，2，3，ZHU Shijiang1，2，3*，JI Daobin1，2，3，DING Zhiyu4，LI Hu3，YU Ying3，LI Kaikai3（1.Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region of Ministry of Education,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.Hubei Field Observation and Scientific Research Station for Water Ecosystem in Three Gorges Reservoir,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;3.College of Hydraulic&Environmental Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;4.Hubei Ealioneng Technology Co.,Ltd.,Yichang 443002,China）Abstract：Nitrogen plays a critical role in industrial and agricultural production.However,with the growing intervention ofhuman impact on the nitrogen cycling,regional nitrogen metabolism would inevitably bring about multiple environmentalrisks.In the research,we choose Miyun District,Beijing as the study area,within which the environmental risks of the nitrogen metabolism were evaluated through a Gumbel Copula-based approach.After that,the principal component analysis andthe pathway analysis were combined to reveal the environmental risks formation mechanism.The results showed that areasabove moderate risk level accounted for about 43.62%of the total territory of the District.Moreover,environmental risks ofthe nitrogen metabolism within the study area were constitutionally driven by socioeconomic growing,agricultural planting,aswell as stockbreeding expanding.Among the multitudinous influential factors of the environmental risks,planting area,fertilizer consumption,manure returning,and straw recycling had the maximum impact on the environmental risk level.These第12期factors could not only have direct influences on the generating of the environmental risks,but also affect the environmentalrisks in a backhanded approach through influencing other factors.Key words：nitrogen metabolism;Copula function;risk identification;principal component analysis;pathway analysis伴随着人口增加、经济发展和城市化进程的加快，人类活动对物质自然循环过程的干扰愈加强烈。一方面，人类活动影响下的物质循环通量远远超过物质自然循环的强度；另一方面，人类活动导致物质循环中每一环节的流动或代谢路径过长1。然而，人类活动影响下的物质循环尚未建立起良好和完备的循环机制，再加上长期以来我国高投入、低产出的粗放型经济发展模式，不仅造成了自然资源的大量浪费，而且导致物质代谢过程中对自然环境（大气、水和土壤）输出大量的污染物，进而引发了一系列生态环境问题2，3，严重地制约了区域经济、社会与环境的协同发展。准确识别污染高风险重点管控区域对制定污染物管理方案至关重要，在物质流分析的基础上识别物质代谢的环境风险，是实现“低投入、低消耗、低污染”的物质代谢循环经济发展模式亟需解决的技术难题。氮元素是地球大气中含量最多的元素，自然状态下，输入到陆地生态系统中的氮元素在经历一系列生物地球化学过程后，一部分被还原为N2重返大气，而另一部分则作为肥料被植物吸收利用后生产出各种农产品，进而沿着食物链进行系统内循环4。由于自然状态下的氮循环是一种动态的紧凑循环，氮的循环利用效率高达90%，很少出现氮元素流失和积累的现象5，6，故而不容易对环境造成污染。进入21世纪以来，随着经济的快速发展和人口的急剧增加，极大地刺激了社会在能源和食物方面的需求，促使氮元素的输入量与自然状态下相比超出1倍之多，但是氮循环的强度和效率并没有相应地增强，使固氮与反硝化之间的平衡关系被打破7，8，这就导致大量的氮元素流失和积累到环境（大气、水和土壤）之中，并引发一系列如空气质量下降、温室效应、地表水富营养化、地下水硝酸盐污染和土壤生物多样性丧失等环境问题9-12，对环境健康、人类生存和经济可持续发展构成了严重威胁。根据美国人口调查局和联合国人口基金会的估计，世界人口在未来数十年将呈现持续增长的趋势，预计到2050年世界人口将突破90亿。若按照目前人均氮消费量4.5 kg/a(以N计)来估算13，为满足人口氮元素需求，届时的氮元素输入量可能比目前的氮元素输入量至少增加 1 倍。这种持续增长的氮元素输入将给生态环境健康带来巨大的压力，同时也给环境保护与可持续发展带来巨大的挑战。在这一背景下，如何对氮元素进行合理地利用，使之在满足人类和社会需求的同时，降低其环境风险成为全球学者所共同关注的热点问题14-17。借鉴欧盟提出的环境风险概念18，本文将氮代谢环境风险定义为有毒有害物质的不同浓度对环境产生破坏等不良后果的危害程度。环境风险评价是一个涉及多准则和多层次的综合评价问题，目前环境风险评价方法主要有神经网络法19、模糊数学法20、判断矩阵法21、熵权-灰色关联法22、突变级数法23、地累积指数法24、潜在生态风险指数法25、内梅罗污染综合指数法26等。以上方法能够有效地表征区域风险大小，但是多应用于对单一指标的分析，或者将多项指标构成指标集进行整体评价，较少考虑各项指标之间的相关性。而氮代谢的最终环境归宿包括排入大气、排入地表水体以及在土壤中积累，并且这3个过程之间存在直接或间接的关联。因此，厘清这3个过程之间的相互作用对评价氮代谢环境风险是十分必要的。Copula函数正是一类将联合分布函数与它们各自的边缘分布函数连接在一起的函数，可用于描述变量间的相关性27，28。尤其是当变量维数大于2时，Copula函数构建的多元概率模型结构简单、适用性强29。因此，本文将基于Copula 函数构建氮代谢环境风险评价模型，并结合主成分分析法和通径分析法探寻氮代谢环境风险形成机制，为实现“低投入、低消耗、低污染”的区域氮代谢模式提供科学指导依据。1研究区域概况密 云 区 坐 落 于 北 京 市 东 北 部（11639331173025E；40137404757N），辖17个镇和3个街道办事处（图1），区域总面积约2 229.45 km2，是北京市土地面积最大的区。境内有潮河、白河和潮白河等3条主要河流，以及遥桥峪水库、半城子水库、沙厂水库和密云水库等4座大中型水库。地表水水质监测