全 文 ：第 35 卷第 1 期
2015年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.1
Jan.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家科技支撑计划(2012BAD22B04);国家自然科学基金(30900208)
收稿日期:2014鄄08鄄03; 摇 摇 修订日期:2014鄄11鄄14
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: lmdai@ iae.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201408031549
周旺明, 郭焱, 朱保坤, 王晓雨, 周莉, 于大炮, 代力民.长白山森林生态系统大气氮素湿沉降通量和组成的季节变化特征.生态学报,2015,35
(1):0158鄄0164.
Zhou W M, Guo Y, Zhu B K, Wang X Y, Zhou L, Yu D P, Dai L M.Seasonal variations of nitrogen flux and composition in a wet deposition forest
ecosystem on Changbai Mountain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(1):0158鄄0164.
长白山森林生态系统大气氮素湿沉降通量和组成的季
节变化特征
周旺明1, 郭摇 焱1,2, 朱保坤3, 王晓雨1,2, 周摇 莉1, 于大炮1, 代力民1,*
1 森林与土壤生态国家重点实验室,中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳摇 110016
2 中国科学院大学,北京摇 100049
3 东北师范大学环境学院,长春摇 130117
摘要:2009—2010年期间,利用雨量计收集法在长白山森林生态系统定位站开展定位观测,分析降水中氮素浓度,研究了该区
域大气氮素湿沉降通量和组成的季节变化特征。 结果表明,各形态氮素月均浓度之间差别较大,具有明显的季节性;其降水中
浓度主要受降水量和降水频次的影响。 全年氮素湿沉降中 TN、TIN 和 TON 的沉降量分别为 27.64 kg N hm-2 a-1、11.05 kg N
hm-2 a-1和 16.59 kg N hm-2 a-1,TON为沉降主体,占 60.02%;其大气氮沉降量主要由降水量和降水中氮素浓度共同决定。 该地
区氮湿沉降量已处于我国中等水平,考虑到氮素的干湿沉降比例,本区域的年氮沉降量已接近或超过本区域的营养氮沉降临界
负荷,存在一定的环境风险。 该地区生长季(5—10月)的氮沉降量(16.59 kg N hm-2 a-1)占全年氮沉降量的比例达到 73郾 20%。
生长季的氮沉降对于促进植物生长直接生态意义重大,而非生长季的氮沉降对于大量补充次年植物生长初期所需养分的间接
生态意义明显。
关键词:氮沉降;湿沉降;季节变化;森林生态系统;长白山
Seasonal variations of nitrogen flux and composition in a wet deposition forest
ecosystem on Changbai Mountain
ZHOU Wangming1, GUO Yan1, 2, ZHU Baokun3, WANG Xiaoyu1, 2, ZHOU Li1, YU Dapao1, DAI Limin1,*
1 State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 School of Environment, Northeast Normal University, Changchun 130117, China
Abstract: In the last 150 years, human activities such as fossil fuel usage and centralized agricultural schemes have
resulted in the emission of large amounts of reactive nitrogen. Most of this reactive nitrogen falls to the ground via wet
deposition as precipitation or dust fall. Nitrogen deposition plays a key role in the nitrogen biogeochemical cycles. Hence,
quantification of nitrogen deposition in different areas is important for eco鄄security assessment. The Changbai Mountain
region is a typical temperature forest in China; however, data regarding nitrogen deposition in this region are scarce.
Investigation of nitrogen deposition in the Changbai Mountain region can provide a scientific basis for understanding nitrogen
cycling in similar natural ecosystems. We conducted our present study at the Changbai Mountain Research Station of Forest
Ecosystems. During 2009—2010, we collected rain and snow samples by using a rain gauge. We analyzed the concentrations
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of total nitrogen (TN), inorganic nitrogen (TIN), and total organic nitrogen (TON). We evaluated seasonal variations in
nitrogen deposition fluxes and composition. We showed that the average nitrogen concentrations varied from month to month
and were higher in winter than in summer. The amount and frequency of precipitation were the main impact factors. We
observed monthly variations in TN and TIN. TON accounted for the highest proportion of TN (30.03—92.88%), whereas
NO- 3 was the dominant form of TIN. The values of TN, TIN, and TON were 27.64 kg N hm-2 a-1, 11.05 kg N hm-2 a-1,
and 16.59 kg N hm-2 a-1, respectively. The amount of nitrogen deposition varied according to the amount of precipitation
and the nitrogen concentration of this precipitation. Our results indicate that nitrogen deposition in the Changbai Mountain
region has reached a moderate level compared with other parts of China. However, according to the proportions of wet and
dry nitrogen deposition, total nitrogen deposition has approached or even exceeded the critical load of nutrient nitrogen
deposition, and this poses an environmental risk. The nitrogen deposition during the growing season (May to October)
accounted for 73.20% of the annual nitrogen deposition, namely, 16.59 kg N hm-2 a-1, and was important for stimulating
plant growth. Nitrogen deposition during the non-growing season can replenish the nutrition required by plants at the start of
the next growing season and therefore should also be considered.
Key Words: nitrogen deposition; wet deposition; seasonal variation; forest ecosystem; Changbai Mountain
工业革命以来,化石燃料的使用和农业的集约化生产程度的提高,使得人类向大气中排放的含氮化合物
急剧增加,而其中 70%—80%的氮素会通过沉降方式返回地表[1鄄3]。 因此,大气氮沉降不仅是去除大气中含氮
污染物的有效手段,也是氮素生物地球化学循环的重要环节[4鄄6]。
作为生态系统一个重要的氮源[4,7],其大气氮沉降不仅可以为植物生长提供必需的养分,且过量的氮沉
降会引起土壤酸化、水体富营养化和生物群落结构改变等生态环境问题[8鄄9]。 据估计,全球每年沉降到各类
生物群系的活性氮达 43.47 Tg,沉降到海洋表面的活性氮达 27 Tg[10]。 而且已有研究表明,中北美、西欧和亚
洲的中国、印度已成为全球氮沉降的三大集中分面区[11]。 因此,明确不同区域氮沉降量对于研究该地区氮素
循环及区域生态安全具有重要意义[12鄄13]。
通过一年的定位监测数据,研究了长白山森林生态系统氮素湿沉降通量和组成的季节变化,不仅有利于
进一步了解长白山森林生态系统的氮素循环,还为探讨氮沉降对该区域的生态影响提供了基础数据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区域概况
监测地点位于中国科学院长白山森林生态系统定位站气象观测场,该气象观测场位于位于二道白河镇西
北角,距离公路约 1 km,周边为林地,监测地点距离林缘约 50 m。 该地区属于典型的大陆性气候,无霜期短、
冰冻期长;年平均温度为 2.80益;年均降雨量为 600—900mm,并且 70—80%集中在 6月至 9月。
1.2摇 样品采集
于 2009年 11—2010年 10月期间采集湿沉降样品包括降雨及降雪。 在实验室内,将聚乙烯瓶(80 ml)先
用 1颐5的稀 HCl溶液浸泡 7d,然后用去离子水清洗后,在洁净的工作台上凉干,用洁净塑料袋包好备用。 在气
象场内,设置固定采集样点,用 2个直径为 30 cm、深度为 20 cm圆桶做为采雨器,采雨器平时用塑料袋扎好。
在每次降水前,布置好采雨器,当降水结束后,收集采雨器中的降水并带回实验室。 样品充分混合后用 0郾 4
滋m滤膜过滤,置于聚乙烯瓶中,-15 益密封冷冻保存。 同时详细记录气象站的降水量等数据。
1.3摇 测定项目及方法
将收集到的大气降水及时带回实验室测定其 NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N 和 TN 浓度。 NH
+
4 鄄N 采用纳氏试剂光度法,
NO-3 鄄N采用酚二磺酸光度法,总氮(TN)采用过硫酸钾氧化鄄紫外分光光度计法[14]。 总无机氮(TIN)采用加和
951摇 1期 摇 摇 摇 周旺明摇 等:长白山森林生态系统大气氮素湿沉降通量和组成的季节变化特征 摇
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法,即 TIN=NH+4 鄄N+ NO
-
3 鄄N;总有机氮(TON)采用差减法,即 TON=TN-TIN。
1.4摇 数据处理
研究时段内的氮沉降量 ( kg / hm2 ) = [移 ( C i 伊 10
-6 伊 Vi ) / A] 伊 104,式中 C i为第 i 次降水的氮浓度
(mg N / L2),Vi为第 i次降水的体积(L),A为采雨器横截面积。
用 Excel 2007处理数据,运用 Origin 9.0软件对数据进行作图和计算,运用 SPSS18.0 软件对数据进行相
关分析。
2摇 研究结果
2.1摇 大气降水氮浓度季节变化
长白山降水中不同形态氮浓度的季节变化明显(图 1)。 NH+4 鄄N 和 NO
-
3 鄄N 浓度在冬季 12 月和 1 月含量
最高,分别达到 1.43mg / L和 1.188 mg / L。 由于 6月雨季的到来,降水中的 NH+4 鄄N和 NO
-
3 鄄N的浓度降低,其中
NH+4 鄄N浓度在 9月达到最低值(0.12 mg / L)。 从全年来看,在冬季的 12月和 1月含量最高,春季较高,而在夏
季含量较低。 降水中的 TIN含量变化趋势由 NH+4 鄄N 和 NO
-
3 鄄N 浓度决定,而 NH
+
4 鄄N 和 NO
-
3 鄄N 浓度全年变化
趋势相似,因此,TIN的变化趋势与 NH+4 鄄N 和 NO
-
3 鄄N浓度变化趋势基本相同。
降水中 TN和 TON的浓度变化趋势基本相同,在 11月至 1 月期间浓度较高,并于 1 月达到峰值,其浓度
分别为 6.082 mg / L和 3.621 mg / L。 随着夏季降水增加,浓度降低,5月至 8月 TN和 TON含量分别在 2.087—
2.741mg / L和 0.792—1.674 mg / L之间;而 10月降水中 TN 和 TON 的含量较高,其浓度值分别为 5.380 mg / L
和 4.282 mg / L。
图 1摇 降水中不同形态氮含量季节变化
Fig.1摇 Variation of concentration of different nitrogen forms
2.2摇 降水中各形态氮的分布特征
研究时段内各月 TIN和 TN组成变化差异较大(图 2)。 从 TIN 组成来看,NO-3 鄄N 所占比例在 4—10 月比
例较高,其中在 7 月所占比例最高;而 NH+4 鄄N 所占比例最高值出现在 3 月。 TIN 占 TN 的比例在夏季(5—7
月)较高,而在秋季(9—10月)比例较低。
对各月 NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N、TIN、TON和 TN平均浓度进行了相关分析(表 1)。 就各形态氮浓度的相关关系而
言,NH+4 鄄N与 NO
-
3 鄄N和 TIN均具有很强的正相关(P<0.01)。 此外,TON 与 TN 显著相关,表明 TON 对于 TN
组成的贡献较高。
2.3摇 大气降水及氮沉降量变化特征
各形态氮的沉降量均存在明显的月变化,其在各月间差异明显(图 3)。 NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N 和 TIN 的两次明
显峰值分别出现在 11 月和 7 月,其中以 7 月的沉降量最大。 而 TON 和 TN 有 3 次峰值,分别在 11、4、
7月。11 、4 、7月的TN沉降量对全年氮沉降量贡献率分别为8 . 21% 、12 . 70%和22 . 11% ,共占全年的
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图 2摇 TIN和 TN月均浓度的组成
Fig.2摇 Composition of monthly average concentration of TIN and TN
表 1摇 各形态氮浓度的相关系数矩阵
摇 Table 1摇 Correlation of the concentration of different nitrogen forms
NH+4 鄄N NO-3 鄄N TIN TON TN
NH+4 鄄N 1
NO-3 鄄N 0.508 1
TIN 0.91** 0.819** 1
TON -0.112 -0.032 -0.059 1
TN 0.3 0.393 0.389 0.897** 1
摇 摇 摇 摇 **表示在 P<0.01 水平上显著, *表示在 P<0.05水平上显著
(n= 12)
43郾 02%。 而在此期间 NH+4 鄄N 和 NO
-
3 鄄N 的总沉降量占
全年 TIN 的贡献率分别为 10.33%、8.47%和 33.99%。
全年 TN沉降量为 27.64 kg N hm-2 a-1,TIN 和 TON 的
沉降量分别为 11.05 kg N hm-2 a-1和 16.59 kg N hm-2
a-1,TON为沉降主体,占 60.02%。 TIN 中 NO-3 鄄N / NH
+
4 鄄
N的比例达 1.867,TIN 中以 NO-3 鄄N 为主。 考虑当地气
候条件,将 5 月至 10 月划为生长季,而 11 月至次年 4
月划为非生长季,则生长季氮沉降量为 16.59 kg N hm-2
a-1,占全年氮沉降量的比例达到 73.20%。
图 3摇 各月氮沉降量变化
Fig.3摇 Change of nitrogen deposition amount of every month
导致各形态氮沉降量出现明显峰值的原因主要与相应时期降水中各形态氮的月均浓度和降雨量的大小
有关(图 1,图 4,表 2)。 因此,虽然各形态氮的月均浓度在 7 月均较低,但沉降量均出现峰值,主要是由于该
月的降水量较大有关(图 4)。
3摇 讨论
已有研究表明,不同时间的气象因子,如温度、相对湿度和降水量等,是影响大气氮湿沉降季节变化的重
要因素[15]。 Torsten等报道澳大利亚中部针阔混交林内 TIN 浓度和沉降量主要受到降水量的影响[16]。
161摇 1期 摇 摇 摇 周旺明摇 等:长白山森林生态系统大气氮素湿沉降通量和组成的季节变化特征 摇
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图 4摇 监测期间大气降水量及降水频次
Fig.4摇 Precipitation and frequency of monthly precipitation during the supervised period
Stephan等发现德国南部森林穿透雨中 TON有明显的季节性变化,并且 TON浓度与温度呈显著性正相关关系
(R2 = 0.58) [17]。 本研究结果表明,长白山地区降水中氮素浓度存在明显的季节变化,夏季降水中氮素浓度较
低,秋冬季降水中氮素浓度较高(图 1)。 这主要是由于夏季的降水量和降水频次较高(图 4),不仅对降水中
氮素有稀释作用,而且对大气中氮素具有较强的清除作用[18];而东北地区冬季取暖会燃烧更多的石化燃料,
是导致冬季降水中氮素浓度较高的一个重要因素[19]。
表 2摇 各形态氮沉降量与降水之间的相关性
Table 2摇 Correlations with the deposition of different forms nitrogen and precipitation
NH+4 鄄N NO-3 鄄N TIN TON TN 降水量 降水次数
NH+4 鄄N 1
NO-3 鄄N 0.818** 1
TIN 0.889** 0.991** 1
TON 0.233 0.447 0.412 1
TN 0.607* 0.804** 0.785** 0.888** 1
降水量 Precipitation 0.796** 0.951** 0.946** 0.646* 0.917** 1
降水次数 Precipitation frequencies -0.472 0.121 -0.256 -0.172 -0.272 0.875** 1
摇 摇 * 表示 P<0.05,** 表示 P<0.01
本研究中 TIN、TON和 TN的沉降量分别为 11.05、16.59 kg N hm-2 a-1和 27.64 kg N hm-2 a-1。 而韩琳等研
究了该地区 2007年和 2008 年的生长季期间(4—9 月)大气湿氮沉降,结果表明其大气氮湿沉降量分别为
17郾 9 kg N hm-2 a-1和 15 kg N hm-2 a-1 [20],与本研究结果有一定的差异。 其主要原因一方面是由于本研究监
测时期为全年,另外由于 2007、2008和 2010年的降水量分别为 755郾 5、509和 810郾 3 mm,而大气氮湿沉降量与
降水量关系显著(表 2)。 本研究中 TIN沉降量与 Torsten等人报道的澳大利亚森林 TIN湿沉降量(9郾 1—16郾 6
kg N hm-2 a-1)相似[16],却低于德国南部森林 TIN 湿沉降量(13郾 3—27郾 7 kg N hm-2 a-1) [21]和我国南方森林
TIN湿沉降量(26郾 2 kg N hm-2 a-1) [22]。 Lu和 Tian(2007)研究表明,中国过去 20年的氮湿沉降通量平均值为
9郾 88 kg N hm-2 a-1,最大值为 62郾 25 kg N hm-2 a-1 [23],该地区氮湿沉降量在我国处于中等水平。 假如按干沉
降占总沉降比例为 30%—60%来估算[24鄄25],则长白山地区年干湿氮沉降量达 39郾 48—69郾 09 kg N hm-2 a-1。 根
据郝吉明等研究结果,东北地区氮沉降营养临界负荷值约为 56 kg N hm-2 a-1 [26]。 因此,本区域的年氮沉降量
已接近或超过本区域的营养氮沉降临界负荷,存在一定的环境风险效应。
大气降水不仅对植物的生长有着直接和间接的生态意义,且降水量的多寡在一定程度上反映了氮沉降量
的高低(表 2),从而间接影响氮素的生物地球化学过程[27]。 已有研究表明,大气氮沉降量呈增加趋势[13],但
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图 5摇 年平均降水量及冬季降水量变化趋势
摇 Fig. 5 摇 Change trend in average annual precipitation and
precipitation in winter
长白山地区自 1958 年以来,年降水量总体表现为降低
趋势(图 5),表明该地区有可能存在由于降水量减少而
导致年氮湿沉降量的降低。 由于长白山地区非生长季
降水量表现为弱的增加趋势(图 5),且秋冬季节降水中
氮素含量较高(图 1),可能会增加非生长季降水中氮沉
降量。 长白山地区位于中高纬度,冬季降水主要是以降
雪形式,以固态积雪形态存在于地表,在次年春季气温
升高时会迅速融化,使得冬季降雪对生态系统氮素输入
表现为时间短、输入量大的特点[28鄄29]。 已有研究表明,
积雪融水中 NH+4 鄄N 和 NO
-
3 鄄N 大都进入土壤无机氮
库[30],土壤中无机氮是植物吸收的主要氮源[31]。 该地
区非生长季(11 月—次年 4 月)降水中 NH+4 鄄N 和 NO
-
3 鄄
N沉降量达 1.39 kg N hm-2 a-1和 1.48 kg N hm-2 a-1,且与年降水量变化趋势相比,非生长季降水量表现为弱
的增加趋势(图 5)。 因此,该地区非生长季氮湿沉降量是生态系统一个重要的有效氮输入源,为植物生长氮
素的需求提供了保证。
4摇 结论
(1)长白山地区降水中湿沉降中各形态氮月均浓度之间差别较大,具有明显的季节性。 各月 TIN 和 TN
组成变化差异较大,TN组成中以 TON为主(30.03%—92.88%),TIN组成中 NO-3 鄄N比较略高。 降水量与各形
态氮浓度均呈较弱的负相关(P>0.05)。
(2)长白山地区 NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N、TIN、TON和 TN的年沉降量分别为 3.85、7.20、11.05、16.59 kg N hm
-2 a-1
和 27.64 kg N hm-2 a-1。 TN中以 TON为主,TON占 TN的 60.02%。 TIN以 NO-3 鄄N为主,占 TIN的 65.12%。 该
地区氮湿沉降量已处于我国中等水平,考虑到氮素的干湿沉降比例,本区域的年氮沉降量已接近或超过本区
域的营养氮沉降临界负荷,存在一定的环境风险。
(3)生长季氮沉降量为 16.59 kg N hm-2 a-1,占全年氮沉降量的比例达到 73.20%。 生长季的氮沉降对于
促进植物生长直接生态意义重大,而非生长季的氮沉降对于大量补充次年植物生长初期所需养分的间接生态
意义明显,其生态作用不容忽视。
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