文章信息
- 梁婷, 同延安, 林文, 乔丽, 刘学军, 白水成, 杨宪龙
- LIANG Ting, TONG Yan'an, LIN Wen, QIAO Li, LIU Xuejun, BAI Shuicheng, YANG Xianlong
- 陕西省不同生态区大气氮素干湿沉降的时空变异
- Spatial-temporal variability of dry and wet deposition of atmospheric nitrogen in different ecological regions of Shaanxi
- 生态学报, 2014, 34(3): 738-745
- Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(3): 738-745
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201211011517
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文章历史
- 收稿日期:2012/11/1-00-12
- 修订日期:2013/4/18--
2. 陕西省气象局,西安 710014;
3. 中国农业大学,北京 100094;
4. 陕西省长安区气象局,西安 710100
2. Weather Bureau of Shaanxi Province, Xi'an 710014, China;
3. China Agricultural University, Beijing 100094, China;
4. Weather Bureau of Chang'an District, Xi'an, 710100, China
受人为活动影响,大气氮沉降已成为普遍的自然现象。作为重要的酸源及养分资源,大气氮沉降可以为植物生长提供必需的养分[1],但过量的氮沉降又会引发土壤酸化、水体富营养化和生物群落结构改变等生态环境问题[2]。进入20世纪以来,工业化的快速发展及农业活动中化肥的大量施用引起大气氮素沉降量的迅速增加[3]。研究表明,人类生产活动产生的活性氮已由1860年的15 Tg N/a增加到2005年的187 Tg N/a[4, 5],增幅高达12.5倍,约为全球氮素临界负荷(100 Tg N/a)的1.9倍[6]。据估计,全球每年沉降到各类生物群系及海洋表面的活性氮达70.47 Tg N/a[7]。我国现已成为世界三大氮沉降集中区之一[5],近年来氮沉降量有增无减,尤其是人为活动剧烈的地区[8]。张颖[9]等研究表明北京地区大气氮素湿沉降的年沉降量为32.5 kg/hm2,山东惠民和河北曲周两地为23.6 kg/hm2。上海地区1998—2003年氮素湿沉降通量平均值为58.1 kg ·hm-2 ·a-1[10]。中南地区1990—2003年间干湿沉降最高值达63.53 kg ·hm-2 ·a-1,平均值为12.89 kg ·hm-2 ·a-1[11]。有研究表明,1990—1991年陕西黄土旱塬地区每年通过降水输入的氮量为14.3—29.7 kg/hm2[12];1990—1994年陕西关中地区大气氮湿沉降量在6.3—26.6 kg ·hm-2 ·a-1之间[13];2006年陕西黄土区降水降尘输入到农田土壤中的氮素量为12.7—20.6 kg/hm2[14];陕北典型农区大气氮素沉降量为16.95—22.17 kg ·hm-2 ·a-1[15]。陕西省位于我国东部湿润与西部干旱的交界处,水土流失严重,沙尘暴经常发生,生态环境较为脆弱,因此,陕西省大气氮沉降的观测研究对于丰富我国大气氮沉降研究现状、合理利用资源、提高环境质量、改善生态环境都具有非常重要的意义。本研究在陕西省四个不同生态区内选取五个监测点,采集各地降水降尘样品,通过分析,确定各地区氮素沉降量及时空变异特征,为陕西省及我国大气氮沉降现状研究、合理利用资源、改善生态环境提供重要的基础数据。
1 材料与方法 1.1 观测地点和时段在陕西省4个不同生态区选取5个监测点(图 1),自北向南依次为:榆林(长城沿线风沙草原生态区)、洛川(黄土高原农牧生态区)、西安和杨凌(渭河谷地农业生态区)、以及安康(秦巴山地落叶阔叶和常绿阔叶混交林生态区)。除杨凌监测点设于国家黄土肥力与肥料效益监测基地外,其余各监测点均设在当地气象局设置的气象站内,各监测点的概况见表 1。各监测点均位于城郊区或郊外,周围有部分农田且无大的氮素污染源,随着城区的扩张建设,监测点周围基础建设及经济发展有所提升。监测时间为2009年11月至2010年10月。
监测点 Sites | 定位 Location | 平均海拔/m Average elevation | 平均气温/℃ Average temperature | 年降雨量/mm Precipitation |
榆林 | 38°10′N,109°28′E | 1300 | 8.1 | 414 |
洛川 | 35°45′N,109°25′E | 1072 | 9.2 | 622 |
西安 | 34°26′N,108°58′E | 400 | 13.3 | 600 |
杨凌 | 34°17′N,108°0′E | 520 | 12.9 | 632 |
安康 | 32°41′N,109°02′E | 793 | 15.6 | 1007 |
各监测点利用武汉天虹智能仪表厂生产的 APS-2A型降水降尘自动采样器进行干湿沉降样品的采集。该仪器为微电脑控制,运行可靠,能保证所采水样的真实性。该仪器对降水的灵敏度为0.2 mm/h雨量,降雨发生时自动打开,停止10 min后自动关闭,样品收集不受降尘和飘尘的影响。湿沉降收集桶直径为300 mm,干沉降收集桶直径为150 mm。湿沉降样品于每次发生降水的翌日8:00—9:00收集,采集时将雨水摇匀,测定总体积后取50mL样品,于4℃保存待测。干沉降收集时在收集桶内加入70 mL乙二醇和100 mL蒸馏水的混合液,用以保证桶内湿润,避免再次起尘和抑制细菌繁殖。每月第1天早8:00收集降尘,采集时用蒸馏水多次冲洗沉降桶,将样品与洗液一并倒入收集容器中,并浓缩定容至50 mL,于4℃保存待测。
采用全自动间断化学分析仪Cleverchem200测定样品中NO-3-N、NH+4-N含量,总无机氮(TIN)沉降量为NH+4-N和NO-3-N沉降量之和。
1.3 数据处理沉降通量可表示为:FN=Pr×ρN/100,式中FN表示湿沉降氮素通量(kg/hm2),Pr表示降水量(mm),ρN表示雨水样品中氮素的质量浓度(mg/L)。
采用Excel 2007软件处理数据和制图。
2 结果与讨论 2.1 不同生态区大气氮素干湿沉降的空间变异2 009年11月至2010年10月陕西省不同生态区的监测结果(表 2)表明,各监测点的年降雨量在181—1173 mm之间,榆林、洛川、西安、杨凌和安康地区氮素总沉降TIN量分别为4.7、11.9、25.8、31.9和19.2 kg/hm2,杨凌地区沉降量最大,榆林、洛川地区相对较小。
监测点 Sites | 降雨/mm Rainfall | 湿沉降/(kg ·hm-2 ·a-1) Wet deposition | 干沉降/(kg ·hm-2 ·a-1) Dry deposition | 总沉降/(kg ·hm-2 ·a-1) Total deposition | ||||||
NH+4-N | NO-3-N | TIN | NH+4-N | NO-3-N | TIN | NH+4-N | NO-3-N | TIN | ||
由于仪器故障,榆林2010年4、6月湿沉降和2、10月干沉降,洛川2009年11、12月湿沉降均未收集到样品 | ||||||||||
榆林 | 181.0 | 1.9 | 1.0 | 2.9 | 0.1 | 1.7 | 1.8 | 2.0 | 2.6 | 4.7 |
洛川 | 414.4 | 5.8 | 4.6 | 10.4 | 0.6 | 0.9 | 1.5 | 6.4 | 5.5 | 11.9 |
西安 | 532.3 | 16.7 | 8.1 | 24.8 | 0.3 | 0.7 | 1. | 17.0 | 8.8 | 25.8 |
杨凌 | 620.5 | 15.8 | 11.9 | 27.7 | 1.3 | 2.8 | 4.1 | 17.2 | 14.7 | 31.9 |
安康 | 1173.6 | 9.7 | 6.6 | 16.3 | 2.2 | 0.7 | 2.9 | 11.9 | 7.3 | 19.2 |
从沉降形式来看,榆林、洛川、西安、杨凌和安康地区湿沉降TIN量依次为2.9、10.4、24.8、27.7和16.3 kg/hm2,分别占总沉降的62%、88%、96%、87%和85%;干沉降TIN量依次为1.8、1.5、1.0、4.1和2.9 kg/hm2,分别占总沉降的38%、12%、4%、13%和15%。各地区大气氮沉降主要以湿沉降形式为主,其中西安地区尤为显著,湿沉降比例高达96%。
从氮素形态来看,榆林、洛川、西安、杨凌和安康地区NH+4-N沉降量依次为2.0、6.4、17.0、17.2和11.9 kg/hm2,分别占总沉降的44%、54%、66%、54%和62%;NO-3-N沉降量依次为2.6、5.5、8.8、14.6和7.3 kg/hm2,分别占总沉降的56%、46%、34%、46%和38%。榆林和洛川地区NH+4-N沉降量相对较小,其他3个地区较大;各地区NO-3-N沉降量表现出一定的地区差异性,其中杨凌地区远高于其他4个地区。
大气中铵态氮主要来自土壤、肥料和家畜粪便中铵态氮的挥发[16]和含N有机物的燃烧[17],硝态氮主要来自工业活动和汽车尾气的排放及N的自然氧化(如雷击)[18]。从空间变异上可以看出,陕西省大气氮沉降量的高低主要受当地工农业活动和气象条件的影响。本研究中,榆林地区NO-3-N沉降量比NH+4-N高出29%,可能是由于该地区矿产资源丰富,开发利用过程中造成了一定的工业污染;洛川地区矿产贫乏,农产和林木相对发达;西安和杨凌处于渭河谷地农业生态区,地势平坦,土地肥沃,是陕西省农业最为发达的地区;安康地区也是陕西省主要的农业产区,主要作物为水稻和油菜[19],这四个地区相对发达的农业活动带来了氮肥的大量施用,NH+4-N沉降量分别达到54%、66%、54%和62%。
不同地区气象条件、下垫面特性、工农业发展程度及污染水平等方面会存在差异,这些差异必然导致氮沉降量的空间差异[19]。广东鼎湖山国家自然保护区的降水中氮沉降量达到35. 57和38. 4 kg ·hm-2 ·a-1[20, 21] ;江西分宜县大冈山林场的杉木林和马尾松林中,降雨氮输入量则分别高达60. 6 kg ·hm-2 ·a-1和57.0 kg ·hm-2 ·a-1[22],这两个地区氮素沉降量均大于本研究各监测点结果。江西红壤地区大气TIN沉降量为31.4 kg ·hm-2 ·a-1[1],华北平原农田生态系统大气氮素混合沉降的平均值为 28.0 kg ·hm-2 ·a-1[9],这与本研究中西安、杨凌和安康地区观测结果相近。
2.2 不同生态区大气氮素干湿沉降的时间变异 2.2.1 大气氮湿沉降的月动态变化各监测点大气氮湿沉降月动态变化如图 2所示。氮素湿沉降量与降雨量之间呈正相关趋势,随着降水增多,TIN和NH+4-N、NO-3-N沉降通量明显增加。2009年12月—2010年1月降雨很少或无降雨,氮素湿沉降量很少;3月份后随降雨增多,氮素湿沉降量有所增加;特别是进入夏秋季(7—9月),较大降雨量带来氮素湿沉降量的成倍增加,此段时期降雨量在133.0—744.3 mm之间,达全年降雨量的59%—73%,同期内榆林、洛川、西安、杨凌和安康地区氮素湿沉降TIN量依次为1.3、4.9、17.8、10.4和10.0 kg/hm2,分别占全年湿沉降量的47%、47%、72%、38%和61%。
有研究表明,氮素的湿沉降量主要取决于每一时段的施肥量与降雨量,施肥量大,存在一定的降雨,氮素湿沉降量就较大[23]。陕西地区6月份正值玉米以及水稻等作物播种施用基肥时期,7—8月是作物追施氮肥时期,10月份又是小麦等作物播种时期,会有大量基肥施用[19],因而氮素沉降量特别是NH+4-N沉降量较大。此外,湿沉降N也受到空气温度、空气相对湿度、风和降雨频率等气象环境因子的影响。周静等[24]对江西红壤区马唐2冬萝卜连作生态系统中湿沉降N特征研究发现,除降雨量外,风向、空气相对湿度、降雨频率是氮素湿沉降月变化的气象环境主导因子。
2.2.2 大气氮干沉降的月动态变化干沉降主要包括气态的NO2、N2O、NH3以及少量的HNO3、(NH4)2SO4 和NH4NO3 粒子以及吸附在其他粒子上的氮[25]。受实验条件限制,本研究所收集的干沉降仅为自然降尘带来的颗粒物。研究表明(图 3),降水多时干沉降较少,降水少时干沉降较多,即春冬季高,夏秋季小。这与陕西省春冬季频繁出现沙尘天气有关,也与夏秋季雨水冲刷作用强烈密切相关,铵盐与硝酸盐随降雨沉降到地面[7]。各地区干沉降月动态变化趋势略有差异,榆林地区在4—9月份沉降量较高,且以NO-3-N为主,同期内干沉降TIN量占到全年干沉降的80%,可能与该地区较为频繁的工业活动以及气候干燥,降雨较小,雨水冲刷作用弱有关;洛川与西安两地与总体趋势保持一致;杨凌地区干沉降量则明显高于其他地区,其中NO-3-N沉降量占68%,这与近年来杨凌地区小型工业的发展及逐渐发达的交通运输业密切相关[26];安康地区干沉降主要集中在春季,秋雨季来临时节骤然降低,几乎为零,该地区干沉降以NH+4-N为主,所占比例高达76%。
SHEN[27]等对华北平原的干沉降(包括气态和颗粒态氮)监测表明,华北平原氮年均干沉降量可达55 kg/hm2。PAN[28]等研究显示,华北平原10个站点连续3a大气干湿沉降量平均值为60.6 kg ·hm-2 ·a-1,其中60%是通过干沉降形式;与气态氮相比,颗粒态氮仅占干沉降总量的10%。中国仅NO2气体沉降通量各省平均值就达到2.06—4.65 kg ·hm-2 ·a-1[11]。江西鹰潭红壤农业生态站附近林地氮沉降中干沉降占67%,其中NH3占干沉降的82%[29]。这些研究结果均大于本研究观测值,鉴于干沉降的复杂性,对此有待进一步的观测研究。
2.2.3 陕西省大气氮素沉降年际变化对比近年研究结果(表 3)[14, 15, 19]可以看出各地区大气氮沉降在不同监测年限内变化不定。榆林地区2007年与2008年降雨量相当,而湿沉降量从21.1 kg/hm2降至6.6 kg/hm2,从而引起总沉降量大幅降低;洛川地区总沉降量2007年最高(17.0 kg/hm2),2008年最低(11.2 kg/hm2),2008年降雨量减少,湿沉降量相应降低,而干沉降量有所增多;西安地区2008年及本研究中总沉降TIN分别为14.9、25.8 kg/hm2,其中湿沉降量增加幅度较大,干沉降量反而有所降低;杨凌地区2006、2008年分别为20.6、16.1 kg/hm2,而本研究中高达31.9 kg/hm2,为历年监测最高值,干湿沉降均有所增多;与2008年相比,本研究中安康地区总沉降量略有增多,其中干湿沉降均有所增多。不同地区大气氮沉降的年际变化起伏不定,这主要与当地各监测时期内气候条件及人为活动密切相关。
地点 Sites | 时间 Time | 降雨量/mm Rainfall | 湿沉降/(kg ·hm-2 ·a-1) Wet deposition | 干沉降/(kg ·hm-2 ·a-1) Dry deposition | 总沉降 Total deposition TIN | ||||
NH+4-N | NO-3-N | TIN | NH+4-N | NO-3-N | TIN | ||||
表中降雨量均为监测期内当地降雨量 | |||||||||
榆林 | 2007-06—2008-05 | 379.0 | 21.1 | 1.1 | 22.2 | ||||
2008 | 373.9 | 2.8 | 3.8 | 6.6 | 0.3 | 1.4 | 1.7 | 8.3 | |
本研究 | 181.0 | 1.9 | 1.0 | 2.9 | 0.1 | 1.7 | 1.8 | 4.7 | |
洛川 | 2006-06—2007-05 | 579.5 | 11.4 | 1.2 | 12.7 | ||||
2007-06—2008-06 | 545.0 | 15.3 | 1.6 | 16.6 | |||||
2008 | 333.7 | 3.3 | 6.0 | 9.3 | 0.4 | 1.6 | 1.9 | 11.2 | |
本研究 | 414.4 | 5.8 | 4.6 | 10.4 | 0.6 | 0.9 | 1.5 | 11.9 | |
西安 | 2008 | 585.7 | 8.1 | 5.0 | 13.1 | 0.5 | 1.3 | 1.8 | 14.9 |
本研究 | 532.3 | 16.7 | 8.1 | 24.8 | 0.3 | 0.7 | 1.0 | 25.8 | |
杨凌 | 2006 | 507.8 | 19.1 | 1.5 | 20.6 | ||||
2008 | 509.8 | 8.6 | 4.8 | 13.4 | 0.6 | 2.2 | 2.7 | 16.1 | |
本研究 | 620.5 | 15.8 | 11.9 | 27.7 | 1.3 | 2.8 | 4.1 | 31.9 | |
安康 | 2008 | 1020.9 | 9.8 | 4.7 | 14.4 | 0.2 | 1.0 | 1.2 | 15.6 |
本研究 | 1173.6 | 9.7 | 6.6 | 16.3 | 2.2 | 0.7 | 2.9 | 19.2 |
改革开放以来,陕西省社会经济持续高速发展,同时环境问题也变得越来越严峻。谢恒星[30]等研究表明,陕西省车流量逐年增加,使得机动车尾气中氮氧化物排放量增大,大气中的二氧化氮浓度明显上升,2009年达历年最高值。西安、杨凌和安康地区社会经济较为发达,与2008年相比,西安和安康湿沉降中NO-3-N沉降量分别增加63%、42%,杨凌地区干湿沉降中NO-3-N沉降量分别增加28%、148%。张颖[9]与LIU[31]等研究表明铵态氮是农田系统氮沉降的主要形式,与2008年结果相比,洛川、西安、杨凌和安康地区大气氮素总沉降TIN中NH+4-N分别增长了74%、98%、88%和19%,说明农业活动对大气坏境影响越来越大,肥料投入加大产生农业污染,氨挥发增多使NH+4-N沉降量增大。
3 小结(1)监测期内,榆林、洛川、西安、杨凌和安康地区氮素总沉降TIN量分别为4.7、11.9、25.87、31.9和19.2 kg/hm2,各地区大气氮沉降主要以湿沉降形式为主,分别占总沉降的62%、88%、96%、87%和85%。除榆林地区外,其他地区NH+4-N沉降量高于NO-3-N。
(2)各地区氮素湿沉降量与降雨量之间呈正相关趋势,随降水的增多,TIN和NH+4-N、NO-3-N沉降通量均明显增加;干沉降月动态变化总体上表现为春冬季较高,夏秋季较小,各地区受人为活动干扰略有差异。
(3)随着社会经济的发展,人为活动对环境变迁的影响越来越大。近年来,西安、杨凌和安康地区大气氮沉降呈增长趋势,其中NH+4-N、NO-3-N沉降量均有大幅增加。
长期以来由于受研究方法的限制,国际上对大气氮素沉降的研究多集中在无机态氮的沉降上,忽视了对有机态氮形式发生的沉降,因而造成了人们对大气氮素沉降总量的低估。近年来,我国氮沉降研究已逐步关注有机氮沉降,Zhang[32]等2005—2009年观测结果显示,全国32个站点可溶性有机氮沉降量为1.01—19.7 kg ·hm-2 ·a-1,平均值为6.84 kg ·hm-2 ·a-1,达到氮素总沉降量的28%;Fang[33]等在南方热带森林研究结果显示,2004—2005年由降水带入的可溶性无机氮为32—34 kg ·hm-2 ·a-1,其中观测到2005年可溶性有机氮高达18 kg ·hm-2 ·a-1;广州酸雨地区2008、2009年有机氮含量分别为8.1、8.4 kg ·hm-2 ·a-1,占到总沉降氮的17—21%[34]。可见,有机氮在大气氮沉降中的比重不容忽视,进一步加强对大气有机氮沉降的研究不仅对全面评价大气氮素沉降的数量有重要作用,同时也是全面评价大气沉降的生态环境效应所不可缺少的。因此,陕西省有机氮沉降有待进一步监测研究。
致谢: 本试验榆林、洛川、西安和安康地区的沉降样品分别由榆阳区气象局、洛川气象局、西安气象局及安康气象局的工作人员采集,特此致谢。
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