大氣氮沉降特征及對土壤和植物的影響研究進展

陳媛媛，張 成*，肖欣娟，鐘文挺，王 科，李 根，鄭 成，鄭羅崇都

（1.成都市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，四川成都 610041；2.都江堰市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川成都 611830）

大氣沉降是物質(zhì)進行地球化學循環(huán)的重要途徑，是指大氣中的污染物經(jīng)過一定的途徑沉降至地面或水體的過程，可以分為干沉降和濕沉降。干沉降是指大氣中的物質(zhì)通過物理（重力作用、慣性作用、湍流運動、布朗運動等）、化學（化學反應(yīng)等）、生物（植物氣孔吸收等）作用等向地面沉降的過程；濕沉降是指伴隨著降雨或者其他水汽凝結(jié)現(xiàn)象向地面沉降的過程[1]。大氣氮沉降是指活性氮通過干、濕沉降從大氣沉降至地表的過程[2]。

氮是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，大氣氮沉降影響陸地生態(tài)系統(tǒng)中有效氮的積累，進而影響生物地球化學循環(huán)、土壤微環(huán)境及植物新陳代謝和生長發(fā)育。沉降到生態(tài)系統(tǒng)中的氮一部分可為植物生長提供營養(yǎng)，而過量的氮沉降則會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面效應(yīng)。受化石燃料燃燒、含氮化肥的生產(chǎn)和使用、畜牧業(yè)發(fā)展及人類活動等因素的影響，氮化物逐漸在大氣中積累并向陸地和水域系統(tǒng)沉降，氮沉降已成為繼氣候變化、二氧化碳濃度升高、土地利用變化之后的影響陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的第四大因素[3-4]。近年來我國大氣氮沉降大量增加，這在一定程度上會引起氮富營養(yǎng)化，導(dǎo)致土壤微環(huán)境改變，影響植物生長發(fā)育，破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。本文從大氣氮沉降的氮素組成及其沉降通量、氮沉降的時空特征和氮沉降對土壤及植物的影響三方面進行了綜述，以期為大氣氮沉降相關(guān)研究提供理論依據(jù)，并為后續(xù)研究指明方向。

1 大氣氮沉降的氮素組成

自然界中的氮可分為活性氮和非活性氮，非活性氮是指廣泛存在的分子氮（N2），活性氮分為無機氮和有機氮。其中，無機氮包括氨氮（NH4+、NH3）、硝氮（NO3-、HNO3、NO2-）、氮氧化合物（NO、N2O、NO2、N2O3）等，主要為銨態(tài)氮（NH4+）和硝態(tài)氮（NO3-）；有機氮包括氧化態(tài)有機氮、還原態(tài)有機氮和生物有機氮[2,5]。氮干沉降的主要氮素形態(tài)為顆粒物（NH4+、NO3-）和氣體（NH3、HNO3、氮氧化合物），大氣中高濃度的氮氧化合物與水蒸氣結(jié)合伴隨降雨進行沉降，主要為NO3-、NH4+離子，氮濕沉降的主要氮素形態(tài)為NO3-、NO2-、NH4+離子及可溶性的有機氮[5-6]。現(xiàn)有研究表明：干沉降以硝態(tài)氮為主，濕沉降以氨氮為主[7]；氮濕沉降中氨氮占47.45%，有機氮占36.34%，硝氮占16.21%[8]。

2 大氣氮沉降通量

目前關(guān)于大氣氮沉降的研究以濕沉降居多，干沉降相對較少。從表1 可知，氮濕沉降中NH4+-N 普遍高于NO3--N，有機氮的占比較大。經(jīng)過多年研究，形成了2013 年中國典型生態(tài)系統(tǒng)大氣氮、磷、酸沉降數(shù)據(jù)集，包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、溶解性總氮、總氮4 個指標[9]；1996—2015 年中國大氣無機氮濕沉降時空格局數(shù)據(jù)集，包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性無機氮3 個指標[10]；2006—2015 年中國無機氮干沉降通量的空間格局數(shù)據(jù)集，包括顆粒態(tài)NH4+、NO3-，氣態(tài)NH3、HNO3、NO2和總干沉降通量6 個指標[11]及2008—2013 年川中丘陵區(qū)典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)大氣氮沉降數(shù)據(jù)集，包括大氣氮濕沉降的總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、可溶性有機氮及大氣氮干沉降的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、顆粒硝態(tài)氮、顆粒銨態(tài)氮、二氧化氮10 個指標[12]。現(xiàn)有研究指出全國氮沉降的平均水平為7.90 kg·(hm2·a)-1[13]，西南地區(qū)的氮沉降通量為37.8 kg·(hm2·a)-1，僅次于華北地區(qū)和東南地區(qū)[14]，以崇州為代表的成都平原，大氣沉降總量達85 kg·(hm2·a)-1[15]。

表1 大氣氮沉降通量

3 大氣氮沉降的時空特征

3.1 時間特征

已有的研究表明，氮干沉降與降塵量、溫度、濕度、風速等因素有關(guān)，濕沉降與降雨量、降雨時間間隔、溫度等因素有關(guān)，故大氣氮沉降表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性和地域性差異。

3.1.1 干沉降

內(nèi)蒙古京蒙沙源區(qū)氮以干沉降為主，占沉降總量的75.17%，干沉降通量春、秋季明顯高于夏、冬季[13]。北京市密云水庫土門西溝流域氮干沉降通量夏、冬季高，春、秋季低[26]；石匣流域總氮和氨氮干沉降通量冬季最高，溶解性有機氮干沉降通量秋季最高[17]。四川崇州市氮干沉降通量秋季最高，春、冬季次之，夏季最低[15]。河北邯鄲市氮干沉降隨季節(jié)變化趨勢為冬、春季開始增長，夏季降低，初秋又開始增長，10 月達最大值[19]。華北地區(qū)氮干沉降中氣態(tài)HNO3和NO3-顆粒物冬、秋季較高，春、夏季較低，氣態(tài)NH3和NH4+顆粒物春、夏季較高，冬、秋季較低[27]。

3.1.2 濕沉降

伴隨降雨進行的氮濕沉降中，氮素濃度與降雨量表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系，氮沉降通量與降雨量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。TN（總氮）和DIN（總無機氮）濃度均與降雨量呈負相關(guān)[28]，TN、NH4+-N、NO3--N 和DON（總有機氮）濃度均與降雨量呈顯著的負指數(shù)冪相關(guān)[18]，活性氮濃度冬季＞春季＞秋季＞夏季[29]，TN、NH4+-N、NO3--N 和DIN 濃度春季＞冬季＞夏季＞秋季[23]。TN、DIN 濕沉降通量均與降雨量呈正相關(guān)[28]，NH4+-N、NO3--N 濕沉降通量與降水量均為線性正相關(guān)關(guān)系[30]。氮濕沉降多集中于夏季，邯鄲市氮濕沉降通量夏季最高[18-19]；西安市長安區(qū)氮濕沉降通量夏季最高，冬季最低[21]；洱海氮濕沉降通量8 月最大，12 月最小[31]；河北保定氮濕/混合沉降通量夏季最大，冬季最小[32]；密云水庫石匣流域總氮、氨氮濕沉降通量夏季最大，溶解性有機氮濕沉降通量春季最大[17]；廣西武鳴區(qū)氮濕沉降通量夏季＞秋季＞春季＞冬季[23]；密云水庫氮濕沉降通量夏季＞春季＞秋季＞冬季[26]；四川崇州市TN、NO3--N 和DON 濕沉降通量夏季最高，春、秋季次之，冬季最低，NH4+-N 濕沉降通量秋季最高，春、夏季次之，冬季最低[15]；丹江口水庫NO3--N 和DON濕沉降通量秋季最高，夏季次之，冬季最低，NH3-N濕沉降通量夏季最高，秋季次之，冬季最低[8]。

3.2 空間特征

大氣氮沉降受氣溫、海拔、人為干擾等因素的影響，表現(xiàn)出明顯的空間性差異。新疆高寒草原夏季NH3-N 濃度較低，這可能與海拔高（3 000 m 以上）、氣溫低等因素有關(guān)[33]。隨海拔升高，TN濕沉降通量有明顯下降的趨勢，海拔每升高1 km，年均垂直遞減梯度為5.43 kg·(hm2·a)-1[34]。劉勤等研究表明，安慶市氮濕沉降NH4+和NO3-離子濃度在空間上表現(xiàn)為西南高東北低[35]。萬柯均研究表明，大氣氮沉降通量的空間性差異為干沉降通量集約化農(nóng)區(qū)、城區(qū)＞林區(qū)、普通農(nóng)區(qū)，濕沉降和總沉降通量林區(qū)＞集約化農(nóng)區(qū)＞城區(qū)＞普通農(nóng)區(qū)[15]。

4 大氣氮沉降對土壤及植物的影響

4.1 對土壤的影響

氮素是植物生長所必需的礦質(zhì)元素，大氣氮沉降影響土壤酸堿度，碳、氮積累及土壤酶活性。研究表明：低磷（1.25 mg·kg-1）條件下，氮沉降使土壤pH顯著降低，土壤全氮和堿解氮含量顯著增大[36]；40 kg·(hm2·a)-1、80 kg·(hm2·a)-1氮沉降處理下0～10 cm 和10～20 cm 土層的土壤可溶性有機碳和可溶性有機氮含量均顯著提高[37]；120 kg·(hm2·a)-1氮沉降處理下土壤脲酶和蔗糖酶活性分別提高了14.16%、8.11%[38]；在不同氮沉降水平下，隨外源氮的增加，土壤銨態(tài)氮呈下降趨勢，土壤氮殘留率增加[39]。

此外，研究表明大氣氮沉降的增加促進土壤呼吸作用[40]，提高草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力[4]，但也會改變土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)、功能及多樣性，降低土壤固氮菌的總體豐富度[41]，導(dǎo)致草地群落物種多樣性降低[42]。

4.2 對植物的影響

4.2.1 影響植物光合作用

大氣氮沉降影響植物光合作用、生長發(fā)育及農(nóng)作物產(chǎn)量。適量的氮沉降可提高植物光合作用能力，夏凡育等研究表明：大氣NO2濕沉降顯著影響桑樹葉片光合特性，表現(xiàn)為低濃度促進、高濃度抑制，葉面噴施20 mmol·L-1NH4NO3時，葉片光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學效率和光系統(tǒng)Ⅰ的最大氧化還原能力均提高，光合反應(yīng)中心開放程度增大，活性提高，光能吸收性能指數(shù)提高，能量利用效率增強[5]。呂琳玉等研究顯示：當大氣氮沉降量低于40 kg·(hm2·a)-1時，氮沉降量的增加促進植物葉片光合作用的反應(yīng)速率[43]。

4.2.2 影響植物生長

大氣氮沉降影響植物根系生長，王鏡如等研究表明：氮沉降促進浙江楠地上部分生長以競爭光資源，從而抑制了根系生長，但建立地上競爭優(yōu)勢后會反饋地下部分，從而促進根系生長[44]。大氣氮沉降對植物生長的影響取決于植物所在生態(tài)系統(tǒng)中的氮飽和程度，適量的氮沉降促進植物生長，而氮素充足的生態(tài)系統(tǒng)中，氮沉降反而對植物生長產(chǎn)生負面效果[45]。馬翔等研究指出：當?shù)两颠_到6 g·m-2·a-1時，對茶梅幼苗生長有抑制作用，當?shù)两颠_到12 g·m-2·a-1時，對耐冬山茶幼苗生長有抑制作用，過高的氮沉降抑制耐冬山茶和茶梅生長[46]。

4.2.3 影響作物產(chǎn)量

汪振研究表明：我國水稻田大氣氮沉降導(dǎo)致水稻產(chǎn)量增加了12.4×108kg，占全國總產(chǎn)量的0.6%，氮沉降提高水稻產(chǎn)量的面積占總水稻面積的15%，平均增產(chǎn)270.4 kg·hm-2，隨氮肥施用量增加，大氣氮沉降對水稻的增產(chǎn)作用顯著降低；氮沉降使水稻產(chǎn)量減少的面積不到總水稻面積的1%，平均減產(chǎn)24.8 kg·hm-2[47]。

5 展望

成都平原氣候溫和，土壤肥沃，灌溉充沛，是四川省糧食優(yōu)勢生產(chǎn)區(qū)。近年來隨城市化進程不斷加快，大氣氮沉降已成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要原因。我國對區(qū)域大氣氮沉降的研究越來越多，農(nóng)田、城市、湖泊、流域、森林、草地生態(tài)系統(tǒng)等均有涉及，大氣氮沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國多地，監(jiān)測內(nèi)容也由原來的集中于濕沉降轉(zhuǎn)變?yōu)楦伞癯两倒餐O(jiān)測。關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮沉降的研究目前多為對氮沉降情況進行監(jiān)測，通過大氣氮沉降進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的氮對土壤微環(huán)境、作物生長及產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等的影響研究尚且較少。

氮沉降具有范圍廣、類型復(fù)雜、季節(jié)性及地域性差異強、干濕沉降差異大等特點，要進一步提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，采樣儀器、監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)處理方式等均有待提高。各地應(yīng)因地制宜選擇最佳的監(jiān)測方式，以使得監(jiān)測數(shù)據(jù)更符合區(qū)域?qū)嶋H情況，通過數(shù)值模擬對氮沉降情況進行更準確的預(yù)測預(yù)報，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供氮沉降預(yù)警信息。

適量的氮沉降可促進植物生長，當?shù)两翟诤侠矸秶鷥?nèi)時，適當?shù)亟档偷适┯昧浚墒沟氐玫礁蟪潭鹊睦茫瑴p少氮沉降對土壤、水體等造成的環(huán)境污染。后續(xù)可開展相關(guān)研究，摸清大氣氮沉降對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響規(guī)律，以期使大氣氮沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)得到有效的利用，更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。