鄂西北丹江口庫區大氣氮沉降

劉冬碧, 張小勇, 巴瑞先, 劉 毅, 范先鵬, 張富林, 熊桂云

1 湖北省農業科學院植保土肥研究所, 武漢 430064 2 湖北省煙草公司襄陽市公司, 襄陽 441003 3 中國科學院武漢植物園, 武漢 430074

鄂西北丹江口庫區大氣氮沉降

劉冬碧1, 張小勇2, 巴瑞先1, 劉 毅3, 范先鵬1, 張富林1, 熊桂云1,*

1 湖北省農業科學院植保土肥研究所, 武漢 430064 2 湖北省煙草公司襄陽市公司, 襄陽 441003 3 中國科學院武漢植物園, 武漢 430074

大氣氮沉降; 干沉降; 濕沉降; 氮形態; 丹江口庫區

大氣氮沉降通常包括干沉降和濕沉降[1, 2]。對于農田生態系統來說，大氣氮沉降是土壤-作物系統中損失的氮素再次回到農田的重要途徑[3]，但是對海洋、江河、湖泊、水庫等大型水體來說，大氣氮沉降過高可能成為地表水體富營養化的重要原因之一[4- 6]。作為全球變化的重要現象與氮素生物地球化學循環的主要環節，大氣氮沉降的增加可能影響人類和生態系統健康、溫室氣體的平衡、以及生物多樣性[2,7- 9]。已有監測結果表明，我國太湖流域大氣氮沉降通量呈逐年增加的態勢[10- 13]，大氣干濕沉降已成為太湖營養鹽輸入的重要來源之一[13]。我國從20世紀70年代末80年代初開始了大氣氮素沉降(雨水)的收集與定量監測[14- 15]，21世紀10余年來得到了較快的發展，并在農田、林地、草地、水域、城市等各類生態系統中均開展了一定的監測和研究[3, 6, 10- 13, 16- 31]，但總體來說大氣氮沉降通量及其環境影響方面的研究還比較有限，全國范圍內的基礎數據仍然缺乏[32]。

丹江口水庫是我國南水北調3條調水線中唯一向京津冀豫等沿線城市提供飲用水的水源水庫，是我國水質最好的大型水庫之一[33]。本世紀以來多次連續監測結果表明，丹江口水庫少數區域總氮濃度為1.48—1.60 mg/L，超過國家地表水環境質量標準Ⅳ類[34]；近期監測結果顯示，丹江口水庫的部分匯水支流總氮超標是當前面臨的主要水環境問題之一[35]。近幾年來，丹江口庫區農業面源污染現狀及其防治技術方面的研究較多[36- 39]，但關于該區域大氣氮素沉降方面的監測未見報道。本研究旨在摸清丹江口庫區大氣氮素周年干、濕沉降現狀，為丹江口庫區農田生態系統施肥、生態環境治理和水資源保護提供科學依據，同時也為研究全國范圍內大氣污染物的時空分布及其長期變化趨勢提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

監測點選在南水北調中線工程調水源頭——丹江口水庫漢庫的北岸：丹江口市習家店鎮小茯苓流域(圖1)，位于北緯3245.9′，東經1119.9′，海拔約300 m，以低山和丘陵為主，屬北亞熱帶半濕潤季風氣候，年均氣溫15.9 ℃，年均降雨量約800 mm，四季分明，雨熱同季。習家店鎮是以農業為主的鄉鎮，農耕地主產玉米、水稻、小麥、油菜和甘薯等，園地主產柑桔、茶葉等，種植業中氮肥以碳銨和尿素為主；養殖業以分散養殖為主，主要為豬和雞。

圖1 研究區域所處地理位置

1.2 樣品采集

在小茯苓村辦公樓3樓樓頂上(距離地面高度約10 m)，安裝2個天津氣象儀器廠生產的SDM6型雨量器，于2009年1月—2011年12月連續不間斷地收集雨水樣品，其中一個雨量器為長期打開狀態，用來收集大氣干濕總沉降，另一個平時用2層干凈塑料袋罩住，只在降雨開始之前打開，僅收集大氣濕沉降，大氣干沉降即為兩者之差。雨量器四周(30 m×30 m)無遮擋雨、雪、風的高大樹木或建筑物，也無煙囪、大的交通道路等點、線污染源。每次降雨結束后，于次日9:00左右先記錄降雨量，然后采集混合均勻的雨水樣品，冰凍保存分析備用，同時將儲水瓶洗凈放回圓筒內。降雨量不足5 mm時，不單獨采集樣品，只記錄降雨量，并將之計算到本月的上一次或下一次降雨量中去。

1.3 樣品分析與數據處理

降水中不同形態氮的月(季、年)平均濃度均根據公式(1)，用加權平均濃度表示。氮素沉降量用實際收集的降水的濃度與相應降雨量的乘積累加求得。

(1)

式中,c為月(季、年)平均濃度；i為降水次數；ci為第i次降水中氮的濃度；Pi為第i次降水的降雨量。

數據分析及圖表處理采用Microsoft Excel 2003.

2 結果與分析

2.1 研究區域的降雨量

圖2 不同年度降雨量月變化動態

圖2中數據為研究區域2009—2011年的每月降雨量，以及最近30年(1980—2009年)丹江口市城區每月降雨量的平均值。結果表明，丹江口市城區最近30年年降雨量在522—1127 mm之間，年均降雨量為785 mm, 研究區域2009—2011年降雨量為656—854 mm，屬正常降雨年份。從降雨量的月際間分配來看，全年降雨量主要分布在5—9月，其間降雨量占全年降雨總量的68%—75%，冬季(1—2月和12月)降雨量較少，不到全年總降雨量的8%。

2.2 大氣干濕總沉降中總氮濃度變化動態

圖3中結果表明，除了2009年3月和2010年2月之外，大氣干濕總沉降中TN月均濃度一般在10 mg/L以內，2009—2011年3年TN月均濃度在(3.70±0.89)—(10.36±10.68)mg/L之間(2010年的12月和每年的1月均沒有降雨樣品)，其中4—9月TN月均濃度較小，在5 mg/L以下。在不同年份間的相同月份，2—5月TN月均濃度變異較大，6—12月的變異較小。相關分析結果表明，干濕總沉降中TN月均濃度與當月降雨量呈極顯著線性負相關(R=-0.592**，n=32)，表明降雨對大氣具有清洗作用。從季節性變化趨勢看，干濕總沉降中TN季均濃度為：冬季((8.21±2.71)mg/L)>春季((3.94±1.99)mg/L)>秋季((3.23±1.52)mg/L)>夏季((2.70±0.72)mg/L)，且夏季的年度間變異較小(圖4)。2009—2011年大氣干濕總沉降中TN年均濃度為(3.70±0.93)mg/L。

圖3 大氣干濕總沉降中總氮濃度的月變化動態

圖4 大氣干濕總沉降中總氮濃度的季節變化動態

2.3 大氣氮素沉降量

2.3.1 大氣氮素干濕總沉降量變化動態

圖5中結果表明，2009—2011年從每年2月到12月，大氣氮素月均干濕總沉降量為(1.27±0.42)—(3.25±1.32)kg/hm2，其中2月、4月和10月的總沉降量相對較小(低于1.8 kg/hm2)，其它月份的較大。不同年度間的相同月份，2月和5—10月沉降量的變異較小，其它月份沉降量變異較大。大氣氮素年均干濕總沉降量為(26.53±5.44)kg/hm2(表1)，其季節性分配比例大小順序為：夏季((31.2±6.2)%)>秋季((29.9±12.3)%)>春季((28.5±11.6)%)>>冬季((10.4±4.2)%)，且夏季所占的份額比較穩定(圖6)。

圖5 每月總氮濕沉降量和干沉降量

2.3.2 不同類型和形態氮素干、濕沉降量

在大氣氮素干濕總沉降中，干沉降為(7.80±1.23)kg/hm2，占總沉降量的29.4%；濕沉降為(18.73±4.20)kg/hm2，占總沉降量的70.6%(表1)。因此，研究區域大氣氮沉降以濕沉降為主。事實上，由于降雨形成過程和樣品采集方法的原因，濕沉降中也包括少部分干沉降，本研究中干沉降的比例可能被低估。

圖6 不同年度大氣氮素干濕總沉降量的季節分配(%)Fig.6 Seasonal distribution of total N in bulk deposition (%)

表1 不同類型和形態氮素沉降量及其比例Table 1 Rate and the ratio of atmospheric N deposition from different type and form

3 問題討論

3.1 大氣氮素干、濕沉降構成及國內不同區域沉降量比較

為了方便比較，將國內部分學者在大氣氮沉降方面的監測結果列于表2。結果表明：無論是同一區域的不同生態系統、不同區域的相同生態系統，還是同一區域同一生態系統的不同時段，大氣氮沉降量均存在較大差異。從全國范圍看，以中東部和沿海等經濟較發達地區高于內陸地區，內陸地區又高于西藏、西北和東北等人類活動較弱的地區，城市生態系統又明顯高于其它生態系統。此外，21世紀最近10年，太湖水域的大氣氮濕沉降量已由2002年的28.1 kg/hm2增加到2011年的56.2 kg/hm2[11, 13]，剛好翻了一番，大氣干濕沉降已成為太湖營養鹽輸入的重要來源之一[13]。根據最新統計結果[32]，中國各地區之間氮沉降變異較大，從全國范圍看，大氣氮混合沉降量隨時間呈顯著增加的趨勢，從1980年—2010年的30年間，氮混合沉降量平均每年增加0.41 kg/hm2；在20世紀80年代全國年均氮混合沉降量為13.2 kg/hm2, 21世紀初上升到21.1 kg/hm2，增加了8 kg/hm2(60%)。在過去30年中，同一個區域降雨量的變化相對比較穩定，所以氮混合沉降量的增加主要是由雨水中氮的濃度增加引起的[32]。

表2 本研究和全國部分區域大氣氮沉降量比較Table 2 Comparison of atmospheric nitrogen deposition among some regions over China

3.2 大氣氮沉降中的不同形態組成

3.3 大氣氮沉降的植物營養學意義和生態環境效應

從植物營養學角度看，大氣氮沉降有著重要的積極意義，它既是補償農田生態系統氮素損失的重要途徑之一[3, 10]，也是土壤-作物系統繼施肥之后的重要氮素來源。降水中無機氮的沉降均為有效態氮, 很容易被植物吸收利用。此外，氮沉降還能增加土壤氮的礦化和土壤無機氮濃度，刺激作物生長[2]。本研究中，年均大氣氮素沉降量為26.53 kg/hm2，相當于在農田中施用了57.67 kg/hm2尿素，在我國其它區域的一些農田生態系統，大氣氮沉降量遠高于本項研究數值，如太湖流域[10]、江西鷹潭紅壤地區[16]，因此，充分利用大氣氮素沉降、并適當減少農田生態系統施氮量是一個值得重視的問題。

與此同時，我們更應注意到，研究區域降雨中的年均TN濃度(2.64—4.33 mg/L)，已明顯超過國家標準地表水環境質量標準(GB3838—2002)中的集中式生活飲用水地表水源地二級保護區標準(1.0 mg/L)，研究區域年均氮干沉降量與福建九龍江流域相近，濕沉降量幾乎為九龍江流域的2倍[23- 24]，因此大氣氮沉降對丹江口水庫水質富營化趨勢的貢獻值得重視和深入研究。要從根本上解決水體富營養化問題，除了減少工業廢水、養殖和生活污水、農田徑流等各種氮磷污染源向水體的直接排放以外，還要針對大氣中氮的來源，采取相應措施降低雨水中氮的濃度，從而最終減少水體的氮素輸入。

4 結論

丹江口庫區大氣氮沉降中，2009—2011年月均TN濃度為(3.70±0.89)—(10.36±10.68)mg/L，與當月降雨量呈極顯著線性負相關(R=-0.592**，n=32)；季均TN濃度為冬季((8.21±2.71)mg/L)>春季((3.94±1.99)mg/L)>秋季((3.23±1.52)mg/L)>夏季((2.70±0.72)mg/L)；年均TN濃度為(3.70±0.93)mg/L。

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Atmospheric nitrogen deposition in Danjiangkou Reservoir area of Northwest Hubei

LIU Dongbi1, ZHANG Xiaoyong2, BA Ruixian1, LIU Yi3, FAN Xianpeng1, ZHANG Fulin1, XIONG Guiyun1,*

1PlantProtectionandFertilizerScienceInstitute,HubeiAcademyofAgriculturalSciences,Wuhan430064,China2XiangyangBranchCompanyofHubeiTobaccoCorporation,Xiangyang441003,China3WuhanBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430074,China

atmospheric nitrogen deposition; dry deposition; wet deposition; nitrogen forms; Danjiangkou Reservoir area

國家科技支撐計劃課題(2012BAD15B01); 湖北省農業科學院青年基金(2011NKYJJ09); 湖北省自然科學基金(2011CBD119)

2013- 07- 01;

2014- 05- 30

10.5846/stxb201307011808

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xionggy@sina.com

劉冬碧, 張小勇, 巴瑞先, 劉毅, 范先鵬, 張富林, 熊桂云.鄂西北丹江口庫區大氣氮沉降.生態學報,2015,35(10):3419- 3427.

Liu D B, Zhang X Y, Ba R X, Liu Y, Fan X P, Zhang F L, Xiong G Y.Atmospheric nitrogen deposition in Danjiangkou Reservoir area of Northwest Hubei.Acta Ecologica Sinica,2015,35(10):3419- 3427.