大氣氮沉降對流域總貢獻量估算方法研究

王錦旗 宋玉芝 黃進

摘要：估算整個流域集水區內大氣氮沉降對流域水體氮素的貢獻量，對研究大氣氮沉降對水體的影響有著十分重要的意義。因此，將流域集水區分成4個片區（水域部分、農田區域、建設用地、植被區域）進行計算。對4個區域內大氣氮沉降被吸收、轉換方式進行不同方式的計算，其中水域部分可直接吸收大氣氮沉降，在農田及植被區域，大氣氮沉降經過吸收后排出農田、植被系統，在城市建設用地中除去城市綠地吸收部分外，大氣氮沉降可進入流域水體。通過劃分不同片區，可較為準確地估算出最終進入流域水體的大氣氮沉降量，為研究流域氮輸入情況提供重要理論依據。

關鍵詞：氮沉降;流域;集水區;水域;農田;植被;建設用地

中圖分類號： S181 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）11-0246-04

收稿日期：2019-07-10

基金項目：教育部人文社會科學研究一般項目（編號：15YJCZH167）。

作者簡介：王錦旗（1976—），男，江蘇淮安人，博士，副教授，主要從事大氣環境因子對水生生態系統的影響相關研究。E-mail：w_j_q@sina.com。 ?隨著人類活動的加劇，化石燃料使用量、化學肥料施加量逐漸增加，釋放到大氣中的氮隨之增加，大氣氮沉降量也逐漸增加，大氣氮沉降會對農田生態系統、森林生態系統、草地生態系統等產生影響[1-3]。早在20世紀70年代，科研人員就發現，大氣氮沉降除了對陸生生態系統產生重要影響外，對水生生態系統也有重要影響[4]，即可影響水質、使水體酸化、加劇水體富營養化[2]。因此，估算大氣氮沉降對水體氮素的貢獻量就成為了研究水體氮輸入的重要領域。1982年，Chan等對美國安大略湖1969—1978年大氣沉降物（包括氮沉降量）進行了估算[5]，此后，國內外對大氣氮沉降通量進行了大量估算研究。2004年，王小治等對太湖流域氮沉降量進行了估算[6]。隨后關于湖泊氮沉降量的研究逐漸開展起來。這些研究大部分集中在對湖泊水面部分氮沉降的估算上，沒有將整個集水區計算在內，而湖泊集水區面積往往遠大于湖泊水面面積。以太湖流域為例，太湖流域面積達3.69萬km2，太湖水面面積僅2 338 km2，僅占流域面積的6.3%。因此，估算整個集水區的氮沉降量對水體的影響，對研究大氣氮沉降對水體尤其是湖泊的氮輸入影響十分重要。

1 流域集水區劃分方式

由于流域不同區域對大氣氮沉降吸收轉換量不同，使最終進入流域水體中的氮沉降也存在明顯差異。其中，水面部分可直接接受大氣氮沉降，農田區域吸收大氣氮沉降后將其排出農田系統，而城市建設用地對大氣氮沉降的吸收轉換較少，除城市綠地對大氣氮沉降有吸收外，其余部分氮沉降可進入流域水體;在植被區域，植被及土壤對大氣氮沉降均有吸收及轉化，植被對氮的吸收量越多，最終進入集水區水體內的氮越少，所以要充分考慮不同區域對大氣氮沉降的吸收轉換量。因此，可以將流域集水區分成4個片區，即流域水域部分（如湖泊水面部分）、農田、建設用地、植被區域。大氣氮沉降最終進入流域水體的量根據這4個區域進行估算。

2 進入水體氮沉降量估算

2.1 流域氮沉降總量（Ntotal）測定及估算

Ntotal可以根據生態環境部公布的GB/T 15265—94《環境空氣 降塵的測定 重量法》進行測定[7]，也可以根據流域內各環境監測站監測的酸雨離子成分數據進行估算。可將大氣氮沉降分為2個部分，即濕沉降與干沉降進行估算。干、濕沉降量估算方法很多，如替代面法、差減法、推算法、微氣象法等[8]。目前我國最常用的干沉降量估算方法是推算法，通過測定含氮物質濃度以及氮沉降速率間接估算，公式如下：

式中：Fd為大氣氮素干沉降通量，mg/（m2·s）;Ca為氣體、氣溶膠粒子的氮素濃度，mg/（m2·s），可通過觀測測定;Vd為干沉降速率，m·s。

式中：Ra代表空氣動力學阻力;Rb代表片流層阻力;Rc表示表面阻力或者冠層阻力[9]。

Vd的數值也可以查閱相關文獻獲得，例如，計算渤海灣地區氮干沉降速率時，氨取值為0.7 cm/s，硝酸鹽及亞硝酸鹽取值為0.1 cm/s[10]。

我內最常用的濕沉降量估算方法是降水采集法，通過測定每次降水中氮沉降通量Fw（kg/hm2） 獲得，計算公式[11]如下：

式中：Ci為監測點每次降水中氮素的平均濃度，kg/hm2;Pi為每次降水量，mm。

2.2 流域內進入水域的氮沉降量（Ninput1）

由于流域水域部分（包括流域內大小湖泊等直接水面）直接接受大氣氮干、濕沉降，以Ninput1表示直接進入湖泊水面部分氮沉降總量，R1=水域面積/流域總面積。通過水域部分進入水體的氮沉降量計算公式如下：

2.3 農田大氣氮沉降進入流域水體的量（Ninput2）

農田氮輸入主要有化學肥料氮輸入、人禽畜排泄物氮輸入、生物固氮、農田大氣氮沉降量;假設在上述氮輸入方式下，植株對氮是均勻吸收的，則大氣氮沉降除被植物吸收以外，其余部分均視為通過干、濕沉降方式進入湖泊流域[12]。

（1）化學肥料氮輸入是農業生態系統重要的氮輸入源之一，可以用氮肥施用的折純量代表化肥施用的氮輸入量。最終化學肥料氮輸入量（Nfert）計算公式如下：

式中：Nferti為第i種施入農田的化學肥料的氮素總量（折純后），t，可通過流域內各縣（市）統計年鑒查詢獲得。

（2）人禽畜排泄物氮輸入量（Nexc）。人禽畜排泄物氮輸入主要來自于農業區內農業人口、飼養的豬牛羊等家禽的排泄物，農業區內農業人口數量、飼養的家禽種類和數量均可以通過查詢當地統計年鑒獲得，人禽畜排泄物的氮素系數已有很多相關研究，如太湖流域人禽畜排泄物氮素系數見表1[12]。

式中：Nexctotal為人禽畜排泄物氮輸入總量;Nexci為各種人或禽畜排泄物中氮輸入量。

人禽畜糞便還田率較低，且各地差異較大，可通過調查確定人禽畜排泄物氮還田系數（rexc），例如太湖流域人禽畜排泄物氮輸入還田率約為10%[12]。因此實際通過人禽畜排泄物進入農田的氮總量計算公式如下：

（3）農作物固氮量（Nfix）。各種作物之間的Nfix差異較大，可根據當地統計年鑒獲得各種主要農作物栽培面積或產量，并根據各種作物固氮系數，計算總的農作物固氮量。如太湖流域主要農作物固氮系數見表2。因此，農作物固氮量計算公式如下：

式中：Nfixi為第i種農作物的固氮量。

（5）作物吸收氮總量（Nass）。可根據主要農作物含氮量計算植物氮吸收率，主要農作物產量根據流域內各縣（市）統計年鑒獲取，主要農作物氮吸收系數可參考表3。

很多農業區在農業生產過程中會過量添加化學肥料，因此農作物對大氣氮沉降吸收率較低，而絕大部分大氣氮沉降直接進入水體。

2.4 城市建設用地氮沉降輸入流域水體的量（Ninput3）

在城市建設用地中，除城市綠地吸收氮沉降外，其余部分氮沉降均進入流域水體，因此城市用地氮沉降中除去被綠地吸收部分外，其余部分視為進入流域水體的大氣氮沉降。

式中：R3城市建設用地面積占全流域面積的百分比;Ai為各城市綠地面積;fgb為綠地對氮的吸收率，kg/hm2。

2.5 植被區域大氣氮沉降進入流域水體的量（Ninput4）

當某一流域內土壤與植被對大氣氮沉降的吸收達到飽和時，會將多余的氮排出。那么，在估算流域植被區域輸入水體的氮沉降時，必須考慮各種土壤類型的氮飽和臨界點，當某一生態系統內部原有氮源總量與外部輸入的氮源總量之和超過該系統各種生物、化學、物理機制的吸收能力時，就會對該系統產生危害，此時的臨界點就是氮飽和臨界點。因此，在估算某一流域經植被后進入水體的大氣氮沉降量時，必須先估算這部分區域大氣氮沉降是否超過其氮沉降臨界負荷，若超過，則視超出部分進入水體，若未超過，即視為全部被植被吸收利用[11，14]。目前國內外在大氣氮沉降臨界負荷估算方面應用較為廣泛的估算方法為SMB（simple mass balance）法，基本方程為：

式中：CLN為氮沉降臨界負荷;Ni為土壤中氮的礦化速率;Nup為不同植被對氮的吸收速率;Nde為氮反硝化速率;Nle，crit為臨界氮淋溶速率[15]。其中植被類型及土壤類型數據可通過各流域土壤類型圖及植被分布圖獲取。

（1）土壤中氮的礦化速率可通過如下計算：

式中：C為土壤的含氮量;d為土壤厚度;t為土壤形成時間。我國不同區域土壤礦化速率[Ni，kmol/（hm2·年）]也可參考文獻[15]確定。

（2）Nup為不同植被對氮的吸收速率，我國不同區域各主要植被類型對氮的吸收速率可參考文獻[16]確定。

（3）Nde為氮反硝化速率，由于反硝化速率與氮凈輸入呈線性關系[17]，因此，Nde計算公式

式中：fde為反硝化率[18-19];Nd為植被區域氮沉降量，根據區域氮總沉降量計算得到，計算公式如下：

式中：R4為植被區面積占全流域面積的百分比。

Nde在排水較好的植被覆蓋區，可忽略[15]。

式中：Q為徑流量;[N]crit為臨界氮淋溶濃度;以保護地下水為考慮目標時，[N]crit一般取值為 25 mg/L[20]。

因此，當植被區域的氮沉降量大于臨界負荷折算的沉降量時，超出部分可視為進入流域水體的氮沉降量，當植被區域的氮沉降量小于臨界負荷折算的沉降量時，可視為0。

式中：Af為植被區面積。

因此，最終大氣氮沉降對流域氮素水體的貢獻量計算公式為：

3 不確定性分析

由于在大氣氮沉降對水體氮素貢獻量的估算中，涉及的數據參數較多，因此數據完整性將決定估算的準確性。

（1）由于下墊面性質對大氣氮沉降影響較大，尤其是干沉降部分，若想得到較為精細化的結果，必須將水域部分、農田區域、植被區域及城市建設用地的大氣氮沉降量進行分別計算。

（2）各地農田對大氣氮的吸收量存在一定差異。例如，太湖流域農田對大氣氮沉降的吸收量較少，因此匯入流域水體的氮沉降量較大，而西南地區很多湖泊流域未超出吸收量[21]。在農田對大氣氮沉降的吸收方面，本研究假設在各種氮輸入途徑中，農作物均勻吸收氮，實際上農作物會優先選擇易吸收的氮，而大氣氮沉降是否能與其他形式氮輸入被作物均勻吸收，還需進一步研究。另外，人禽畜排泄物還田率差異性較大，即使在同一流域內，各地差異也較大，需要加大調研力度，才可使準確性提高。

（3）SMB法主要用于估算臨界負荷，本研究使用時由于涉及參數較多，難免存在資料缺乏及不全的情況，除此之外，估算假設情境與實際情況有差異。

4 結論

將流域集水區劃分為不同片區進行估算，能充分考慮全流域大氣氮沉降對水體氮素的影響，對于分析大氣氮沉降對水體的影響，尤其湖泊氮素來源具有重要作用。

將流域集水區分成水域部分、農田區域、建設用地、植被區域4個片區計算大氣氮沉降量;其中，水域部分可直接接受大氣氮沉降，農田部分由于人為耕種影響，大氣沉降除少量被農作物吸收外，絕大部分進入流域水體，城市建設用地氮沉降扣除城市綠地吸收部分，絕大部分也可進入流域水體。植被區域氮沉降除去部分被植被吸收和土壤轉化外，其余部分會排出系統，進入流域水體。

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