山西北部農村區域大氣活性氮沉降特征

劉 平, 劉學軍, 駱曉聲,4, 吳慶華, 劉恩科, 韓彥龍, 李麗君, 白光潔, 武文麗, 張 強,*

1 山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，太原 030031 2 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193 3 山西省農業科學院旱地農業研究中心，太原 030031 4 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，鄭州 450002

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山西北部農村區域大氣活性氮沉降特征

劉 平1, 劉學軍2, 駱曉聲2,4, 吳慶華2, 劉恩科3, 韓彥龍3, 李麗君1, 白光潔1, 武文麗1, 張 強1,*

1 山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，太原 030031 2 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193 3 山西省農業科學院旱地農業研究中心，太原 030031 4 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，鄭州 450002

活性氮; 干沉降; 濕沉降; 朔州地區

化石燃料的使用和含氮化肥的施用導致大氣活性氮排放的不斷增加[1]。而大氣活性氮如NH3和 NOx含氮氣體的排放促進了大氣中微小顆粒的形成，不僅降低空氣質量而且損害人體健康[2]。從長期效果來看，大氣活性氮的增加將導致地面氮的干、濕沉降加大，從而導致對生態系統一系列負面影響，比如損害草地和森林生物多樣性的[3-7]，作為間接源增加N2O的排放等[6]。因此過量的人為氮排放導致大氣活性氮的污染和沉降已經成為世界范圍內關注的問題[9]。

劉學軍等[10]的研究認為大氣活性氮沉降具有典型養分資源特征和區域分布差異，因此應根據其特點采取分區域管理的應對策略。在整個冬小麥-夏玉米輪作系統氮素沉降的總量變幅為80—90 kg N/hm2，而當季植物可以直接利用氮素沉降約50 kg N/hm2[11]。因此，量化氮的沉降對提高氮肥在農業中的利用率和減少它對敏感生態區的負面影響都有重要意義。煤炭是中國重要的能源類型，其在能源消費中達到中國總能源消費結構的70%，其對SO2、NOx的排放及空氣污染的形成均有重要的貢獻[12]。山西省煤炭的生產與消耗居全國前列, 其大氣活性氮的排放也引人關注，但是至今鮮有這方面的報道。因此本研究選取山西省北部朔州地區的山陰縣古城鎮典型采樣點，使用DELTA系統、中流量顆粒物采樣器、雨量器綜合研究采樣點大氣活性氮污染狀況及其對干濕沉降的貢獻。一方面了解山西北部偏遠山區的大氣活性氮狀況，定量化當地農田氮素的干、濕沉降輸入，另一方面初步明確活性氮組分之間的關系，從而為估算和預測當地農業中氮的輸入提供基礎數據。

1 材料和方法

1.1 采樣點

選取山西省山陰縣古城鎮鹽堿地周邊作為采樣點(39°26′ N,112°55′E)，用來采集和計算大氣N干、濕沉降。采樣期從 2010年4月至 2011年3月，干沉降每月收集1次。該采樣點位于中國北部的靠北端，年均氣溫為7℃，降雨量在360 mm左右(低于以往年平均降雨量)，周圍有小規模的養牛場，由于當地是典型的蘇打鹽化土區域，農業上施肥投入并不大。

1.2 干沉降采樣器

1.2.1 DELTA 系統

1.2.2 中流量顆粒物采樣器

1.2.3 用于大氣NO2收集的被動采樣器

大氣中 NO2采用英國環境變化網絡(ECN)所用的標準方法即被動采樣器來采集，NO2被動采樣器內部浸漬有20% 的三乙醇胺吸附劑用于吸附NO2氣體，該采樣器安置于距地面2 m，采樣時間為10—14 d，時間與其它采樣器同步進行，該采樣器在采樣點采集兩周后收回在4℃下保存，采用ECN(www.ecn.ac.uk).在線網站所描述的標準方法-比色法測定收集到的NO2濃度。

1.2.4 大氣氮干沉降的計算

大氣氮素干沉降的計算采用推斷模型法，一定時間段內的大氣氮干沉降量等于一段時間采集的大氣活性氮濃度與沉降速率的乘積(參考文獻附后)，公式表示為：

F=C×Vd

式中，F表示一定時段的大氣氮干沉降量，C表示一段時間的大氣活性氮濃度，Vd表示不同活性氮種類的沉降速率。

表1 各形態活性氮月沉降速率(2011年)

1.3 濕沉降采集

N濕沉降的計算方法

Nwd=P×CN(mg N/L)×10

式中， Nm,y表示1月或一年的氮濕沉降量，即1月或一年內所有次降雨中氮濕沉降量和。

2 結果與討論

2.1 大氣氮干沉降中各活性氮的估算

圖1 各形態氮年沉降量 Fig.1 Annual deposition rate in different Nr species

表2 古城和全國其他地區的各形態活性氮平均濃度[15]/(μg N/m3)

2.2 大氣濕沉降及其降雨中無機氮濃度變化

圖2 大氣氮干沉降月變化Fig.2 Monthly distribution of dry nitrogen deposition

圖3 采樣點各形態氮月濕沉降量Fig.3 Monthly wet nitrogen deposition rate

圖4 雨水與PM10顆粒物所含硝態氮和銨態氮的關系Fig.4 Relationship between -N and -N in rain and PM10 particulates

2.4 雨水與PM10顆粒物中可溶性總碳、總氮相關關系

除了N和S，雨水與PM10顆粒物中含的較多的元素是C，有監測表明每天大氣中PM10顆粒物中有機C和元素C平均濃度分別為21.2和7.3g C/m3，且各自對PM10顆粒物的貢獻分別為15% 和5%，而二次有機碳氣溶膠(SOC)對PM10顆粒物貢獻高達53%[34]。本試驗前面的結果也顯示雨水中可溶性有機氮濃度和沉降量均超過硝態氮和銨態氮的。因此，對C和N在雨水和PM10顆粒物中的關系進行分析。圖4顯示，雨水可溶性碳和氮呈顯著的線性正相關，PM10顆粒物中可溶性碳和氮呈顯著的二次多項式正相關，且雨水中C和N的相關性更高些。由此可知C和N以某種穩定化合物存在于濕沉降和大氣PM10顆粒物中，這種關系便于通過其中之一來推測或估算另一種元素。

圖5 雨水與PM10顆粒物可溶性碳和氮的關系Fig.5 Relationship between dissolved carbon and nitrogen in rain and PM10 particulates

3 結語

通過一年時間對朔州地區古城鎮大氣氮輸入的系統研究，該采樣點附近雖然有一定規模的畜牧養殖活動，大氣NH3濃度及沉降卻并不是很高，可能與該地區的刮風天氣較多有關。硝態氮和可溶性有機氮各自在氮干沉降所占比重超過銨態氮，這與以前華北地區的研究結果有較大差異。魏樣等對榆林和洛川農區的研究中濕沉降分別占95.1% 和90.4%，干沉降分別占4.9% 和9.6%，兩個地區氮沉降均以濕沉降為主[25]。而本研究區作為干旱區，干沉降占主導地位，干沉降量幾乎是濕沉降的3倍。并且一年內通過大氣干、濕沉降輸入的總氮達到47.86 kg N/hm2，相當于每hm2投入120 kg尿素。另外，本研究大氣氮素干沉降速率存在一定的不確定性，需要在今后的工作中加強研究。雨水和PM10顆粒物中硝態氮和銨態氮分別呈線性和乘冪正相關，可溶性碳和氮分別呈線性和二次多項式正相關，這些關系便于通過其中之一來推測或估算另一種離子濃度。有研究已表明，大氣氮沉降超過10 kg N hm-2a-1，就會降低森林的物種多樣性[14]，而超過30 kg N hm-2a-1會對農田生態系統養分循環產生影響[12]，因此通過大氣沉降輸入到農田的這部分氮源應該引起足夠的重視。

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The atmospheric deposition characteristics of reactive nitrogen (Nr) species in Shuozhou area

LIU Ping1, LIU Xuejun2, LUO Xiaosheng2,4, WU Qinghua2, LIU Enke3, HAN Yanlong3, LI Lijun1, BAI Guangjie1, WU Wenli1, Zhang Qiang1,*

1 Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Institute of Agricultural Environment and Resources, Provincial Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031, China 2ChinaAgriculturalUniversity,CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,Beijing100193,China3ShanxiAcademyofAgriculturalSciences,InstituteofDrylandFarming,Taiyuan030031,China4HenanAcademyofAgriculturalSciences,InstituteofPlantNutrition,ResourcesandEnvironmentalSciences,Zhengzhou450002,China

reactive nitrogen; dry deposition; wet deposition; Shuozhou area

山西省科技廳攻關項目(20120311008-3)；山西省財政支農項目(2015ZZCX-13)

2015- 02- 12;

日期:2015- 12- 14

10.5846/stxb201502120342

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sxsnkytfs@163.com

劉平, 劉學軍, 駱曉聲.山西北部農村區域大氣活性氮沉降特征.生態學報,2016,36(17):5353- 5359.

Liu P, Liu X J, Luo X S.The atmospheric deposition characteristics of reactive nitrogen (Nr) species in Shuozhou area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5353- 5359.