全 文 ：第 35 卷第 10 期
2015年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.10
May,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家科技支撑计划课题(2012BAD15B01); 湖北省农业科学院青年基金(2011NKYJJ09); 湖北省自然科学基金(2011CBD119)
收稿日期:2013鄄07鄄01; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄05鄄30
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xionggy@ sina.com
DOI: 10.5846 / stxb201307011808
刘冬碧, 张小勇, 巴瑞先, 刘毅, 范先鹏, 张富林, 熊桂云.鄂西北丹江口库区大气氮沉降.生态学报,2015,35(10):3419鄄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鄄3427.
鄂西北丹江口库区大气氮沉降
刘冬碧1, 张小勇2, 巴瑞先1, 刘摇 毅3, 范先鹏1, 张富林1, 熊桂云1,*
1 湖北省农业科学院植保土肥研究所, 武汉摇 430064
2 湖北省烟草公司襄阳市公司, 襄阳摇 441003
3 中国科学院武汉植物园, 武汉摇 430074
摘要:利用雨量器在鄂西北丹江口库区连续 3a采集降雨样品,研究了大气氮沉降的变化动态。 结果表明:2009—2011年月均总
氮(TN)浓度为 3.70—10.36 mg / L,与当月降雨量呈极显著线性负相关(R= -0.592**,n= 32),季均 TN浓度为冬季(8.21 mg / L)
>春季(3.94 mg / L)>秋季(3.23 mg / L)>夏季(2.70 mg / L),年均 TN浓度为 3.70 mg / L。 大气氮素年均干湿总沉降量为 26.53 kg /
hm2,其中干沉降为 7.80 kg / hm2,占总沉降量的 29.4%;湿沉降为 18.73 kg / hm2,占总沉降量的 70.6%。 干沉降中铵态氮(NH+4 鄄
N)、硝态氮(NO-3 鄄N)、可溶性有机氮(DON)和颗粒态氮(PN) 分别占 TN 的 22.1%、16.8%、37.2%和 23.9%,湿沉降中它们分别
为 TN的 36.6%、34.4%、12.9%和 16.1%。
关键词:大气氮沉降; 干沉降; 湿沉降; 氮形态; 丹江口库区
Atmospheric nitrogen deposition in Danjiangkou Reservoir area of Northwest
Hubei
LIU Dongbi1, ZHANG Xiaoyong2, BA Ruixian1, LIU Yi3, FAN Xianpeng1, ZHANG Fulin1, XIONG Guiyun1,*
1 Plant Protection and Fertilizer Science Institute, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China
2 Xiangyang Branch Company of Hubei Tobacco Corporation, Xiangyang 441003, China
3 Wuhan Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430074, China
Abstract: Atmospheric nitrogen ( N) deposition includes wet and dry deposition of both inorganic and organic, or
dissoluble and particle N forms. For agricultural ecosystem, atmospheric N deposition is an important way by which the lost
N from the soil鄄plant system goes back to the agricultural fields. Whereas increasing atmospheric N deposition may not only
affect human and ecosystem health, greenhouse gas balance and biodiversity, but also become one of the important causes of
surface water eutrophication. Since the beginning of this century, the atmospheric N deposition and its effects on agricultural
land, forestry, grasslands, watershed and city ecosystems were all conducted in China. However, information on the
magnitude and environmental impact of N deposition in China is still limited. Danjiangkou Reservoir, which locates where
the Hubei and Henan provinces meet and has a drainage area of 95200 km2, is the source of water for the Middle Route
Project which is part of the South鄄to鄄North Water Transfer Scheme. Recent monitored results showed that, high
concentration of total N in some branch catchment rivers is one of the main water environment problems facing Danjiangkou
Reservoir. However, the atmospheric N deposition and its effects on water quality in this area are not clear. In this study,
the atmospheric N deposition in Danjiangkou Reservoir area of northwest Hubei province from 2009 to 2011 was monitored.
Results showed that, the monthly averaged concentration of total nitrogen (TN) in bulk atmospheric deposition ranged from
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(3.70依0.89) mg / L to (10.36依10.68) mg / L,which was significantly negatively correlated to the corresponding monthly
rainfall (R= -0.592**,n= 32). The seasonal averaged concentration of TN was ordered as: Winter ((8.21依2.71) mg / L)
> Spring ((3.94依1.99) mg / L) > Autumn ((3.23依1.52) mg / L) > Summer ((2.70依0.72) mg / L) . The annual averaged
concentration of TN was ( 3. 70 依 0. 93) mg / L. The bulk atmospheric TN deposition rates from 2009 to 2011 averaged
(26.53依5.44) kg / hm2, among which the dry deposition rate was (7.80依1.23) kg / hm2 or 29.4%, and the wet deposition
rate was (18.73依4.20) kg / hm2 or 70.6%. The seasonal percentage of TN in bulk deposition was ordered as: Summer
((31.2依 6.2)%) > Autumn ((29. 9 依 12. 3)%) > Spring ((28. 5 依 11. 6)%) > > Winter (( 10. 4 依 4. 2)%). In the
atmospheric dry deposition, NH+4 鄄N, NO
-
3 鄄N, dissoluble organic nitrogen ( DON) and particle nitrogen ( PN) in TN
accounted for 22.1%, 16.8%, 37.2% and 23.9%, respectively. In the atmospheric wet deposition, NH+4 鄄N, NO
-
3 鄄N, DON
and PN in TN was 36.6%, 34.4%, 12.9% and 16.1%, respectively. The above results may serve as a scientific basis for
agricultural field fertilization, ecosystem environment treatment and water resource protection in Danjiangkou Reservoir
area, as well as for the study on spatial and temporal variations of atmospheric N deposition in China.
Key Words: atmospheric nitrogen deposition; dry deposition; wet deposition; nitrogen forms; Danjiangkou Reservoir area
大气氮沉降通常包括干沉降和湿沉降[1, 2]。 对于农田生态系统来说,大气氮沉降是土壤-作物系统中损
失的氮素再次回到农田的重要途径[3],但是对海洋、江河、湖泊、水库等大型水体来说,大气氮沉降过高可能
成为地表水体富营养化的重要原因之一[4鄄6]。 作为全球变化的重要现象与氮素生物地球化学循环的主要环
节,大气氮沉降的增加可能影响人类和生态系统健康、温室气体的平衡、以及生物多样性[2,7鄄9]。 已有监测结
果表明,我国太湖流域大气氮沉降通量呈逐年增加的态势[10鄄13],大气干湿沉降已成为太湖营养盐输入的重要
来源之一[13]。 我国从 20世纪 70年代末 80 年代初开始了大气氮素沉降(雨水)的收集与定量监测[14鄄15],21
世纪 10余年来得到了较快的发展,并在农田、林地、草地、水域、城市等各类生态系统中均开展了一定的监测
和研究[3, 6, 10鄄13, 16鄄31],但总体来说大气氮沉降通量及其环境影响方面的研究还比较有限,全国范围内的基础数
据仍然缺乏[32]。
丹江口水库是我国南水北调 3条调水线中唯一向京津冀豫等沿线城市提供饮用水的水源水库,是我国水
质最好的大型水库之一[33]。 本世纪以来多次连续监测结果表明,丹江口水库少数区域总氮浓度为 1.48—
1.60 mg / L,超过国家地表水环境质量标准郁类[34];近期监测结果显示,丹江口水库的部分汇水支流总氮超标
是当前面临的主要水环境问题之一[35]。 近几年来,丹江口库区农业面源污染现状及其防治技术方面的研究
较多[36鄄39],但关于该区域大气氮素沉降方面的监测未见报道。 本研究旨在摸清丹江口库区大气氮素周年干、
湿沉降现状,为丹江口库区农田生态系统施肥、生态环境治理和水资源保护提供科学依据,同时也为研究全国
范围内大气污染物的时空分布及其长期变化趋势提供基础数据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区域概况
监测点选在南水北调中线工程调水源头———丹江口水库汉库的北岸:丹江口市习家店镇小茯苓流域(图
1),位于北纬 32 °45.9忆,东经 111 °9.9忆,海拔约 300 m,以低山和丘陵为主,属北亚热带半湿润季风气候,年均
气温 15.9 益,年均降雨量约 800 mm,四季分明,雨热同季。 习家店镇是以农业为主的乡镇,农耕地主产玉米、
水稻、小麦、油菜和甘薯等,园地主产柑桔、茶叶等,种植业中氮肥以碳铵和尿素为主;养殖业以分散养殖为主,
主要为猪和鸡。
1.2摇 样品采集
在小茯苓村办公楼 3楼楼顶上(距离地面高度约 10 m),安装 2 个天津气象仪器厂生产的 SDM6 型雨量
器,于 2009年 1月—2011年 12月连续不间断地收集雨水样品,其中一个雨量器为长期打开状态,用来收集大
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图 1摇 研究区域所处地理位置
Fig.1摇 Location of the study area
气干湿总沉降,另一个平时用 2 层干净塑料袋罩住,只
在降雨开始之前打开,仅收集大气湿沉降,大气干沉降
即为两者之差。 雨量器四周(30 m伊30 m)无遮挡雨、
雪、风的高大树木或建筑物,也无烟囱、大的交通道路等
点、线污染源。 每次降雨结束后,于次日 9:00左右先记
录降雨量,然后采集混合均匀的雨水样品,冰冻保存分
析备用,同时将储水瓶洗净放回圆筒内。 降雨量不足
5 mm时,不单独采集样品,只记录降雨量,并将之计算
到本月的上一次或下一次降雨量中去。
1.3摇 样品分析与数据处理
样品分析采用 GB11894鄄89方法:总氮(TN)用碱性
过硫酸钾氧化鄄紫外分光光度法,可溶性总氮(DTN)由
水样经过滤后,方法与 TN 相同,铵态氮(NH+4 鄄N)用靛
酚蓝比色法测定,硝态氮(NO-3 鄄N)直接用紫外分光光度
法测定,可溶性有机氮 ( Dissoluble organic nitrogen,
DON)= DTN-可溶性无机氮(DIN),即 DON = DTN-
(NH+4 鄄N+ NO
-
3 鄄N),颗粒态氮(PN)= TN-DTN。 用环保部标准样品研究所提供的标样控制分析质量,当回收
率在 95%—105%范围则视为通过。
降水中不同形态氮的月(季、年)平均浓度均根据公式(1),用加权平均浓度表示。 氮素沉降量用实际收
集的降水的浓度与相应降雨量的乘积累加求得。
c =移
n
i = 1
ci 伊 P i /移
n
i = 1
P i (1)
式中,c为月(季、年)平均浓度;i为降水次数;ci 为第 i次降水中氮的浓度;P i 为第 i次降水的降雨量。
数据分析及图表处理采用 Microsoft Excel 2003.
2摇 结果与分析
图 2摇 不同年度降雨量月变化动态
Fig.2摇 Monthly dynamics of rainfall in different years
2.1摇 研究区域的降雨量
图 2中数据为研究区域 2009—2011 年的每月降雨
量,以及最近 30年(1980—2009年)丹江口市城区每月
降雨量的平均值。 结果表明,丹江口市城区最近 30 年
年降雨量在 522—1127 mm 之间,年均降雨量为 785
mm, 研究区域 2009—2011 年降雨量为 656—854 mm,
属正常降雨年份。 从降雨量的月际间分配来看,全年降
雨量主要分布在 5—9 月,其间降雨量占全年降雨总量
的 68%—75%,冬季(1—2 月和 12 月)降雨量较少,不
到全年总降雨量的 8%。
2.2摇 大气干湿总沉降中总氮浓度变化动态
图 3中结果表明,除了 2009年 3月和 2010年 2月之外,大气干湿总沉降中 TN月均浓度一般在 10 mg / L
以内,2009—2011年 3年 TN月均浓度在(3.70依0.89)—(10.36依10.68)mg / L之间(2010年的 12月和每年的 1
月均没有降雨样品),其中 4—9月 TN月均浓度较小,在 5 mg / L以下。 在不同年份间的相同月份,2—5月 TN
月均浓度变异较大,6—12月的变异较小。 相关分析结果表明,干湿总沉降中 TN月均浓度与当月降雨量呈极
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显著线性负相关(R= -0.592**,n= 32),表明降雨对大气具有清洗作用。 从季节性变化趋势看,干湿总沉降中
TN季均浓度为:冬季((8.21依2.71) mg / L) >春季((3.94依1. 99) mg / L) >秋季((3. 23 依 1. 52) mg / L) >夏季
((2.70依0.72)mg / L),且夏季的年度间变异较小(图 4)。 2009—2011 年大气干湿总沉降中 TN 年均浓度为
(3.70依0.93)mg / L。
图 3摇 大气干湿总沉降中总氮浓度的月变化动态
Fig.3摇 Monthly dynamics of total N concentration in wet and dry
deposition
图 4摇 大气干湿总沉降中总氮浓度的季节变化动态
Fig. 4 摇 Seasonal dynamics of total N concentration in bulk
deposition
2.3摇 大气氮素沉降量
2.3.1摇 大气氮素干湿总沉降量变化动态
图 5中结果表明,2009—2011 年从每年 2 月到 12 月,大气氮素月均干湿总沉降量为(1.27依0.42)—
(3.25依1.32)kg / hm2,其中 2月、4月和 10月的总沉降量相对较小(低于 1.8 kg / hm2),其它月份的较大。 不同
年度间的相同月份,2月和 5—10月沉降量的变异较小,其它月份沉降量变异较大。 大气氮素年均干湿总沉
降量为(26.53依5.44) kg / hm2(表 1),其季节性分配比例大小顺序为:夏季((31.2依6.2)%) >秋季((29.9依
12.3)%)>春季((28.5依11.6)%)>>冬季((10.4依4.2)%),且夏季所占的份额比较稳定(图 6)。
图 5摇 每月总氮湿沉降量和干沉降量
Fig.5摇 Monthly rate of total N in wet and dry deposition
2.3.2摇 不同类型和形态氮素干、湿沉降量
在大气氮素干湿总沉降中,干沉降为(7.80依1.23)kg / hm2,占总沉降量的 29.4%;湿沉降为(18.73依4.20)
kg / hm2,占总沉降量的 70.6%(表 1)。 因此,研究区域大气氮沉降以湿沉降为主。 事实上,由于降雨形成过程
和样品采集方法的原因,湿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。
表 1中结果还表明,2009—2011年度干湿总沉降中,NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N、DON和 PN平均分别占 TN沉降量的
(32.3依2.3)%、(29.3 依4.0)%、(20.0 依4.1)%和(18. 4 依 5. 7)%,干沉降中它们分别为 TN 沉降量的(22. 1 依
4.1)%、(16.8依3.5)%、(37.2依8.9)%和(23.9依9.7)%,湿沉降中它们分别为 TN 沉降量的(36.6依 3.5)%、
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(34.4依5.6)%、(12.9依2.5)%和(16.1依4.8)%。 由此可见,湿沉降中不同形态氮的沉降量大小顺序为 NH+4 鄄N>
NO-3 鄄N>PN>DON,TN沉降量中 DTN的比例达 83.9%,且 DTN中又以 DIN即 NH
+
4 鄄N+NO
-
3 鄄N为主;干沉降中不
同形态氮的沉降量大小顺序为 DON>PN>NH+4 鄄N>NO
-
3 鄄N,沉降形态仍以 DTN为主(76.1%),但与湿沉降比较,
DTN中以 DON所占比例较高,且 PN在干沉降中所占比例比其在湿沉降中所占比例高出 7.8个百分点;此外,
无论是在湿沉降或是干沉降中,不同形态氮沉降量在 TN中所占比例的年度变异,其大小顺序均为 PN>DON>
NO-3 鄄N>NH
+
4 鄄N。 上述结果表明决定 PN和 DON沉降量的条件更容易受到各种因素的影响。
图 6摇 不同年度大气氮素干湿总沉降量的季节分配(%)
Fig.6摇 Seasonal distribution of total N in bulk deposition (%)
表 1摇 不同类型和形态氮素沉降量及其比例
Table 1摇 Rate and the ratio of atmospheric N deposition from different type and form
年份
Year
沉降类型
Deposition
type
取样次数
No. of
Sampling
年降雨量
Annual
rainfall / mm
沉降量 / (kg / hm2)
Deposition rate
TN NH+4 鄄N NO-3 鄄N DON PN
占总氮比例 / %
Percentage in TN
TN NH+4 鄄N NO-3 鄄N DON PN
2009 总 25 815.8 31.68 10.49 8.74 5.79 6.66 100 33.1 27.6 18.3 21.0
干 8.96 1.59 1.17 3.29 2.91 100 17.7 13.1 36.7 32.5
湿 22.72 8.90 7.57 2.50 3.75 100 39.2 33.3 11.0 16.5
2010 总 26 854.1 20.85 7.12 5.51 3.58 4.64 100 34.1 26.4 17.2 22.2
干 6.51 1.67 1.30 1.86 1.68 100 25.7 20.0 28.5 25.9
湿 14.34 5.45 4.21 1.73 2.95 100 38.0 29.4 12.0 20.6
2011 总 32 655.5 27.07 8.06 9.14 6.68 3.19 100 29.8 33.8 24.7 11.8
干 7.94 1.83 1.39 3.67 1.06 100 23.0 17.5 46.3 13.4
湿 19.13 6.23 7.75 3.01 2.13 100 32.6 40.5 15.7 11.1
平均 总 28 775.1 26.53 8.56 7.80 5.35 4.83 100 32.3 29.3 20.0 18.4
Mean 干 7.80 1.70 1.29 2.94 1.88 100 22.1 16.8 37.2 23.9
湿 18.73 6.86 6.51 2.41 2.95 100 36.6 34.4 12.9 16.1
摇 摇 TN: Total nitrogen, DON: Dissoluble organic nitrogen, PN: Particle nitrogen
3摇 问题讨论
3.1摇 大气氮素干、湿沉降构成及国内不同区域沉降量比较
干沉降通常是指在非雨天气情况下,气态或固态的含氮污染物通过沉降或吸附的方式停留在下垫面或植
物枝叶上,其成分主要是气态氮(NO,N2O,NH3等)或含氮颗粒;湿沉降主要是在降雨(雪)时发生,大部分是
HNO3,还有一些 NH
+
4 鄄N和可溶性有机氮[2,10,40]。 干沉降实际上还包括了部分云雾等“隐性沉降冶 [23],由于降
雨形成过程的原因,湿沉降中实际上也包含少量干沉降,因此干、湿沉降的区分主要是针对氮的载体而言,而
且是相对的、比较粗略的。 本研究及其它多数监测结果证实,大气干湿总沉降中以湿沉降为主,湿沉降约占总
3243摇 10期 摇 摇 摇 刘冬碧摇 等:鄂西北丹江口库区大气氮沉降 摇
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沉降量的 60.1%—73.0%[13, 24, 27, 30],也有研究表明,大气氮的干、湿沉降量大致相等[16],甚至比湿沉降量
大[41]。 张颖等[30]研究表明,华北平原氮素湿沉降所占的比例受降雨量的影响显著,在降水较为集中的 7—8
月份,湿沉降所占的比例较高,而在降雨量较低的月份,湿沉降所占的比例明显下降,尤其在春季干旱且多沙
尘的月份,干沉降占了很大比例。 在本研究中,反而是丰水期湿沉降所占比例相对较低(5—6月和 8—10 月
平均为 66.1%),2—4月、7月和 11—12月的平均值为 77.3%,12 月湿沉降所占比例高达 93.8%,可能与研究
区域干沉降的来源与华北平原不同有关,有待开展长期的观察与监测,并进行深入探讨。
为了方便比较,将国内部分学者在大气氮沉降方面的监测结果列于表 2。 结果表明:无论是同一区域的
不同生态系统、不同区域的相同生态系统,还是同一区域同一生态系统的不同时段,大气氮沉降量均存在较大
差异。 从全国范围看,以中东部和沿海等经济较发达地区高于内陆地区,内陆地区又高于西藏、西北和东北等
人类活动较弱的地区,城市生态系统又明显高于其它生态系统。 此外,21 世纪最近 10 年,太湖水域的大气氮
湿沉降量已由 2002年的 28.1 kg / hm2增加到 2011年的 56.2 kg / hm2[11, 13],刚好翻了一番,大气干湿沉降已成
为太湖营养盐输入的重要来源之一[13]。 根据最新统计结果[32],中国各地区之间氮沉降变异较大,从全国范
围看,大气氮混合沉降量随时间呈显著增加的趋势,从 1980 年—2010 年的 30 年间,氮混合沉降量平均每年
增加 0.41 kg / hm2;在 20世纪 80年代全国年均氮混合沉降量为 13.2 kg / hm2, 21 世纪初上升到 21.1 kg / hm2,
增加了 8 kg / hm2(60%)。 在过去 30年中,同一个区域降雨量的变化相对比较稳定,所以氮混合沉降量的增加
主要是由雨水中氮的浓度增加引起的[32]。
表 2摇 本研究和全国部分区域大气氮沉降量比较
Table 2摇 Comparison of atmospheric nitrogen deposition among some regions over China
地点
Location
监测时段
Monitoring period
生态系统类型
Ecosystem type
年均大气氮沉降量 / (kg / hm2)
Annual mean atmospheric nitrogen deposition
干沉降 Dry dep. 湿沉降 Wet dep. 总沉降 Bulk dep.
资料来源
Reference
鄂西北丹江口库区 2009.1.—2011.12. 农牧林 7.80 18.73 26.53 本研究
太湖地区常熟生态站 2001鄄06—2003鄄05 农田 27.0 [10]
太湖水域 2002鄄07—2003鄄06 湖泊 28.1 [11]
太湖水域 2009鄄08—2010鄄07 湖泊 46.5 [12]
太湖水域 2011鄄01—2011鄄11 湖泊 33.5 56.2 89.7 [13]
江西膺潭 2004鄄12—2005鄄11 农田 31.9 30.7 62.6 [16]
广州东北郊 2011鄄04—2012鄄03 农林 23.85 [18]
三江平原 2004鄄07—2005鄄06 湿地 7.57 [22]
华北平原 2003鄄01—2004鄄12 乡村 /远郊 /城市 28.0 [30]
北京东北旺 2003鄄01—2004鄄12 远郊 19.2 26.3 [30]
大连市区 2009鄄01—2010鄄12 城市 32.3 [25]
青岛市城阳区 2007鄄01—2010鄄12 不详 25.2 [29]
上海 1998鄄01—2003鄄12 湿地 58.1 [6]
上海 2007鄄11—2008鄄10 市区 /市郊 /远郊 78.42 [28]
南京市郊 2005鄄06—2006鄄05 城郊结合部 43.9 66.0 109.9 [27]
福建西北 2008鄄12—2011鄄11 农田 12.7 [17]
福建九龙江流域 2004鄄01—2004鄄12 农业 3.41—7.63 9.90 [23, 24]
福建漳州市区域 2004鄄02—2005鄄01 城市 /酸雨区 53.0 [31]
西藏东南 2005鄄06—2006鄄12 农牧林 2.36 [21]
重庆 不详 近郊 /远郊 /林区 摇 40.1—51.9 摇 [26]
3.2摇 大气氮沉降中的不同形态组成
大气沉降中 NH+4 鄄N主要来自农业活动,如土壤、肥料和人畜粪便中 NH3的挥发,微生物对动植物残体和
土壤有机物的分解,以及石化燃料的燃烧等[1, 42],受本地 NH3 排放影响较大[23],迁移距离较小
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(<100 km) [40, 43];NO-3 鄄N主要来自于闪电、土壤微生物的反硝化作用、生物及石化燃料尤其是汽车尾气
等[1, 10, 26],且迁移距离较大,可达几千公里以上[40];大气中的有机氮有很大一部分是尿素,直接来自于土壤、
水面、肥料和人畜排泄物的挥发作用[26, 42],生物本身也可通过直接或间接的方式向大气排放有机氮[44]。 颗
粒态氮来源于大气沉降中的细小颗粒悬浮物,本研究干沉降中的比例较高(23.9%),湿沉降中较低(16.1%),
对其中氮形态区分目前仍缺乏研究。
王小治等[10]的研究表明,太湖农田生态系统湿沉降中 NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N 和 DON 的比例分别为 47.6%、
35.1%和 17.4%,其中 NH+4 鄄N 主要来自当地农田的氨挥发;闽西北农田生态系统湿沉降输入氮中,NH
+
4 鄄N、
NO-3 鄄N 和 DON占 TN的比例分别为 43.77%,24.78%和 31.45%[17];重庆湿沉降中 NH
+
4 鄄N、NO
-
3 鄄N 和 DON 占
TN比例分别为 44.9%、27.4%和 27.5%[26];在不考虑 DON 情况下,三江平原湿地生态系统湿沉降 TN 的组成
以无机态总氮(TIN)为主(51.38%—98.96%), TIN 又以 NH+4 鄄N和 NO
-
3 鄄N特别是 NH
+
4 鄄N为主[22]。 国外有研
究表明[42],不同区域湿沉降中 DON占 DTN的比例为 11%—56%,因此,如果仅考虑 NH+4 鄄N和 NO
-
3 鄄N(NO
-
2 鄄N
比例较小,常忽略不计),氮湿沉降量将被低估。 福建九龙江流域大气氮干沉降的 3 种主要形态为 NH+4 鄄N、
NO-3 鄄N 和 DON,分别占总沉降量的 3l%、24%和 45%[23]。 江西红壤农田生态系统 DON占 TN的 12.6%[16];而
南京市郊城市生态系统大气氮沉降中 DON占总量的 54.0%[27]。
本研究区域为典型的集种植和分散养殖为一体的混合型农业生态系统(还有部分林地),周围农田(稻田
和坡耕地)氮肥主要为碳酸氢铵和尿素,且碳酸氢铵用量较高,附近又无大量石化燃料的燃烧, 所以大气沉降
产生的 NH+4 鄄N主要来自当地的农业活动。 在不考虑 PN的条件下,大气湿沉降中 NH
+
4 鄄N、NO
-
3 鄄N 和 DON的比
例分别为 43.6%、41.0%和 15.4%,与太湖农田生态系统湿沉降组成一致[10];大气干沉降中 NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N 和
DON的比例分别为 29.0%、22.1%和 48.9%,与福建九龙江流域农业生态系统干沉降组成也比较接近[23];大气
干湿总沉降中 DON占 TN的比例为 24.5%,大约是江西红壤农田生态系统的 2倍[16],而远远低于南京市郊城
市生态系统[27]。 上述结果表明,农田(或农业)生态系统大气氮沉降中的形态组成大致相似,它既反映了大
气沉降的来源,也在一定程度上反映了大气的质量状况。
3.3摇 大气氮沉降的植物营养学意义和生态环境效应
从植物营养学角度看,大气氮沉降有着重要的积极意义,它既是补偿农田生态系统氮素损失的重要途径
之一[3, 10],也是土壤-作物系统继施肥之后的重要氮素来源。 降水中无机氮的沉降均为有效态氮, 很容易被
植物吸收利用。 此外,氮沉降还能增加土壤氮的矿化和土壤无机氮浓度,刺激作物生长[2]。 本研究中,年均
大气氮素沉降量为 26.53 kg / hm2,相当于在农田中施用了 57.67 kg / hm2尿素,在我国其它区域的一些农田生
态系统,大气氮沉降量远高于本项研究数值,如太湖流域[10]、江西鹰潭红壤地区[16],因此,充分利用大气氮素
沉降、并适当减少农田生态系统施氮量是一个值得重视的问题。
与此同时,我们更应注意到,研究区域降雨中的年均 TN浓度(2.64—4.33 mg / L),已明显超过国家标准地
表水环境质量标准(GB3838—2002)中的集中式生活饮用水地表水源地二级保护区标准(1.0 mg / L),研究区
域年均氮干沉降量与福建九龙江流域相近,湿沉降量几乎为九龙江流域的 2 倍[23鄄24],因此大气氮沉降对丹江
口水库水质富营化趋势的贡献值得重视和深入研究。 要从根本上解决水体富营养化问题,除了减少工业废
水、养殖和生活污水、农田径流等各种氮磷污染源向水体的直接排放以外,还要针对大气中氮的来源,采取相
应措施降低雨水中氮的浓度,从而最终减少水体的氮素输入。
4摇 结论
丹江口库区大气氮沉降中,2009—2011年月均 TN浓度为(3.70依0.89)—(10.36依10.68)mg / L,与当月降
雨量呈极显著线性负相关(R = -0.592**,n = 32);季均 TN 浓度为冬季((8.21依2.71)mg / L) >春季((3.94依
1.99)mg / L)>秋季((3.23依1.52)mg / L)>夏季((2.70依0.72)mg / L);年均 TN浓度为(3.70依0.93)mg / L。 摇
大气氮素年均干湿总沉降量为(26.53依5.44)kg / hm2,其中干沉降为(7.80依1.23)kg / hm2,占总沉降量的
5243摇 10期 摇 摇 摇 刘冬碧摇 等:鄂西北丹江口库区大气氮沉降 摇
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29.4%;湿沉降为(18. 73 依 4. 20) kg / hm2,占总沉降量的 70. 6%。 氮干湿总沉降量的季节分配比例为夏季
(31.2%)>秋季(29.9%)>春季(28.5%)>>冬季(10.4%)。 干沉降中 NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N、DON和 PN分别占 TN的
(22.1依4.1)%、(16.8依3.5)%、(37.2依8.9)%和(23.9依9.7)%;湿沉降中它们分别为 TN的(36.6依3.5)%、(34.4依
5.6)%、(12.9依2.5)%和(16.1依4.8)%。
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