全 文 ：第 26 卷第 6期
2006 年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26, No. 6
Jun. , 2006
华北平原大气氮素沉降的时空变异
张 颖1, 2 , 刘学军2, * , 张福锁2 , 巨晓棠2 , 邹国元3 , 胡克林2
( 1.土壤与农业可持续发展重点实验室,南京 210008; 21 中国农业大学资源与环境学院,北京 100094;
3.北京市农林科学院植物营养与资源研究所,北京 100089)
基金项目:国家自然科学基金资助项目( 30370287, 30390080) ;教育部博士点基金资助项目( 20030019038) ; 国家农业部 948重大引进资助项目
( 202003-Z53) ;中德教育科研资助项目
收稿日期: 2005-02-23;修订日期: 2005-07-20
作者简介:张颖( 1980~ ) ,女,河北泊头人,硕士生,主要从事大气氮素沉降及其生态效应研究. E-mail: zhangying0928@hotmail. com
* 通讯作者 Corresponding autor. E-mail: liu310@ cau. edu. cn
Foundation item: The project was supported by Nat ional Natural Science Foundat ion of China (No. 30370287, 30390080) ; Foundation of MOE for Ph. D. Work
( No. 20030019038) ; The Key Import Project of MOA ( No. 202003-Z53) ; and the Sino-German Cooperative Project
Received date: 2005-02-23; Accepted date: 2005-07-20
Biography: ZHANG Ying, Master candidate, mainly engaged in atmospheric N deposition and its ecological effect . E-mail: zhangying0928@ hotmail . com
摘要:利用量雨器和湿沉降自动收集仪在华北平原 9 个监测点通过 2a的试验,研究了农田生态系统中大气氮素沉降的时空变
异。结果表明: 华北平原大气氮素混合沉降的平均值为 281 0 kgP( hm2#a) , 降水中铵态氮和硝态氮量平均分别为 3176 mgPL 和
1185 mgPL。不同地区比较, 北京大气氮素沉降为 3215 kgP( hm2#a) ,明显高于山东和河北两省的 2316 kgP( hm2#a)。北京各监测点
的大气氮素沉降也存在明显空间变异,东北旺、房山的氮素沉降水平较高, 延庆、顺义的氮素沉降水平较低。大气氮素沉降的年
内分布不均, 60%的沉降集中在降水较丰沛的 6~ 9月份。氮素的输入与降雨量呈乘幂型正相关( r 2= 0167) ,在农田生态系统中
以铵态氮的沉降为主,铵态氮的沉降量是硝态氮的 21 0倍; 城市生态系统中以硝态氮的沉降为主,铵态氮的沉降量是硝态氮的
0179倍。在东北旺试验点近两年的监测结果表明, 在等量降雨量条件下湿沉降输入的氮素( 18~ 2016 kgPhm2 )明显低于混合沉
降( 2613 kgPhm2 ) ,湿沉降的氮素输入仅占后者的 73% ,而混合沉降中的超量部分主要来自铵态氮,表明干沉降尤其是降尘带入
的铵态氮也是华北平原大气氮素沉降的重要来源。
关键词:大气氮素沉降; 湿沉降;华北平原; 北京地区;农田生态系统
文章编号: 1000-0933(2006) 06-1633-07 中图分类号: Q142. 2, Q143, X517 文献标识码: A
Spatial and temporal variation of atmospheric nitrogen deposition in North China
Plain
ZHANG Ying
1, 2
, LIU Xue-Jun
2, *
, ZHANG Fu-Suo
2
, JU Xiao-Tang
2
, ZOU Guo-Yuan
3
, HU Ke-Lin
2 ( 1. State Key
Laboratory of Soil and Sustainable Agricul ture, Nanjing 210008, China ; 2. College of Resources and Environmental Sciences, ChinaAgricultural Universi ty , Beij ing
100094, China; 3. Institute of Plant Nutrition and Resources, Beij ing Academy of Agro-Forestry Sciences , Beijing 100089, China ) . Acta Ecologica Sinica, 2006, 26
( 6) : 1633~ 1639.
Abstract: Attention to atmospheric N deposition, as a nutrient resource and as a part of acid deposition, is increasing with the
acceleration of global N cycling. However, the informat ion on atmospheric N deposition, especially the spatial and temporal
variation of N deposition in the intensive agroecosystems within theNorth China Plain, is st ill scarce. Therefore, it is essential to
determine the budgets and spatial and temporal variation of atmospheric N deposition in North China Plain in terms of the
requirement of integrated N management and the assessment of N deposition effect on surrounding ecosystems.
A monitoring network was established to determine the spatial and temporal variation of atmospheric N deposition in the North
China Plain over a 2-year period. The network included 9 monitoring sites: seven in Beijing city, one in Shandong province and
one in Hebei province. Except one urban monitoring site in Beijing Academy of Agro-Forestry Sciences ( BAAFS) , all the other 8
sites were located at typical field areas. Rain gauges ( diameter 20 cm, height 80 cm) were installed in all the nine sites for the
collection of bulk deposit ion, and an AutomaticWe-t only Sampler ( APS- Ó, Wuhan Tianhong Inc. ) was installed at Dongbeiwang
site, Beijing, for the collection of wet deposition ( the sampler opens only when rainfall happens) . Rainwater was collected,
thoroughly mixed and stored in plastic bottles immediately after each rain event, then was frozen in a refrigerator until analysis by
a Continuous Flow Analyzer (TRACC2000, Germany) within threemonths. Rain gauges and the we-t only sampler were cleaned by
deionized water just after collection.
Annual bulk deposition of inorganicN in theNorth China Plain ranged from 1912 to 3815 kgPhm2 and averaged 2810 kgPhm2 .
Concentration of NH
+
4-N and NO
-
3-N in rainwater averaged 3176 and 1185 mgPL, which were significantly higher than the values
in background sites of China. Annual bulk deposition of inorganic N in the Beijing area was as high as 3215 kgPhm2 , while lower
annual N deposition of 2316 kgPhm2 was found in Shandong and Hebei provinces. Bulk deposition of inorganic N showed
distinguished monthly variation due to monthly change of precipitation, and 60% of bulk deposition occurred from June to
September. Bulk deposition of NH+4-N was 210 times of NO-3-N deposition in rural monitoring sites. However, the situation was
reversed in an urban monitoring site ( BAAFS)1 The results suggest that reduced N in precipitation is dominant in rural region but
oxidized N is the major form in urban region. Furthermore, the positive relat ionship between inorganic N deposition and
precipitation can be fitted well by a power equation ( r2 = 0167) , showing the increase of NH+4-N and NO-3 -N inputs with
increased precipitation. Wet deposition of N accounted for 73% of the corresponding bulk deposition, implying that dry deposition
of N particular NH+4 -N input from dust is important in the North China Plain.
Key words: atmospheric deposit ion; nitrogen; precipitation; North China Plain; agro- ecosystem
大气氮素沉降是氮素生物地球化学循环中的重要环节之一。由于化学肥料使用,矿物质燃烧以及畜牧业
发展, 人类活动导致了大气活性氮浓度的持续升高[ 1~ 3] ,这也使得大气氮素沉降已经从发达地区迅速扩展到
全球范围[ 4]。据保守估计,目前大气氮素沉降的全球平均值为 5 kgP( hm2#a) [ 2] , 其中欧洲为 10 kgP( hm2#a) [ 5] ,
亚洲为7 kgP( hm2#a) [ 6]。Twonsend等 [7] 通过氮沉降模型模拟结果表明,中北美、西欧和亚洲的中国、印度已经
成为全球氮沉降的三大集中分布区。显然,这些来自大气环境中的氮素沉降已经或即将对陆地及水生生态系
统产生深远的影响[ 8]。我国虽然从20世纪 70年代末 80年代初以来陆续开展了氮素沉降(雨水氮)的收集与
定量工作[ 9~ 11] ,但整体而言这方面的研究还较零散,尤其缺少对某一地区多点网络式综合研究。
华北平原是我国重要的商品粮基地,也是我国氮肥高投入地区。据赵久然等[ 12] 调查,在北京地区小麦-玉
米轮作体系中, 肥料氮的年施用量高达 565 kgPhm2。过量施肥造成深层土壤硝态氮累积 [13]、地下水硝酸盐污
染[ 14]以及氨挥发 [ 15]和 N2O排放[ 16]等问题,已经严重影响到农业经济和生态环境的可持续发展。另一方面,
氮肥的大量损失尤其是氨挥发也会显著增加大气氮素沉降的数量,从而加重农田生态系统的氮素盈余。本文
旨在研究华北平原农田生态系统中大气氮沉降的时空分布规律,为农田生态系统中氮素资源的综合管理提供
科学依据。
1 材料与方法
1. 1 监测点概况
沉降收集在华北平原 9个监测点进行(表 1)。各监测点均位于平坦开阔的空间, 地面有植被覆盖, 周围
无障碍物影响样品采集。该区域气候类型属于暖温带半湿润季风型气候,年平均温度 8~ 14 e , 年有效积温
3200~ 4500 e , 多年平均降水量 400~ 800 mm,主要集中在 6~ 9月份,雨热同期。
1. 2 取样及分析
试验自2003年1月起陆续在各监测点安装雨量器,收集降雨(参见表1)。同时在北京东北旺安装APS- Ó
型降水降尘自动收集仪(武汉天虹仪器有限公司生产) ,并于 2003年 6月开始收集湿沉降样品。
每次降雨后,用雨量杯收集并计量降雨量,充分混匀后取部分水样冷冻储藏。雨量器,雨量杯事先用去离
子水冲洗干净。湿沉降用降水降尘自动收集仪收集,该仪器灵敏度为 011 mm, 有降水事件发生时自动打开,
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降雨停止 10 min后自动关闭,样品收集不受降尘和飘尘的影响。湿沉降取样和储藏与降雨样品相同。所有
样品均在 3个月内用连续流动分析仪(TRACC2000)测定 NH+4-N和NO-3-N含量。沉降总量根据每次降雨中无
机氮浓度与降雨量乘积而累加得出。
表 1 华北平原大气氮素沉降监测点概况
Table 1 Introduction of the atmospheric nitrogen deposition monitoring sites in the North China Plain
省份Provinces 监测点Monitoring site 定位Locat ion 监测时段Period of monitoring 监测点类型Monitoring type
北京 Beijing 东北旺 Dongbeiwang 40b03cN, 116b17cE 2003-01~ 2004-12 远郊 Suburb site
农大科学园 ( CEF) 39b50cN, 116b25cE 2003-01~ 2004-12 远郊 Suburb site
房山 Fangshan 39b41cN, 116b08cE 2004-04~ 2004-09 乡村 Rural site
北京市农林科学院 ( BAAFS ) 39b56cN, 116b17cE 2004-04~ 2004-08 城市 Urban site
顺义 Shunyi 40b03cN, 116b41cE 2004-04~ 2004-09 乡村 Rural site
大兴 Daxing 39b35cN, 116b20cE 2004-04~ 2004-09 乡村 Rural site
延庆 Yanqing 40b26cN, 115b55cE 2004-04~ 2004-09 乡村 Rural site
山东 Shandong 惠民 Huimin 37b29cN, 117b32cE 2003_01~ 2004_12 乡村 Rural site
河北 Hebei 曲周 Quzhbu 36b52cN, 115b01cE 2003_01~ 2004_12 乡村 Rural site
CEF Campus Experimental Farm; BAAFS Beijing Academy of Agro-Forestry Sciences
2 结果与讨论
2. 1 华北平原大气氮素混合沉降的空间变异
2003~ 2004年北京(东北旺、农大科学园) , 山东惠民, 河北曲周四点的监测结果(表 2)表明, 华北平原过
去两年的降雨量在 384~ 639 mm 之间。氮素沉降量在1912 kgP( hm2#a)至3815 kgP( hm2#a)之间,平均 2810 kgP
( hm
2#a) ,是农田生态系统中一项稳定的氮素输入。氮素沉降中可溶性无机氮的浓度,铵态氮为 3176 mgPL,硝
态氮为1185 mgPL,相当于我国降水中氮素组成平均浓度的 3~ 5倍[ 17] ,同欧洲、北美和日本等国家相比, 铵态
氮和硝态氮浓度分别相当于其 5~ 8 倍和 3~ 4 倍[ 18~ 21]。氮素沉降中两种形态氮的比例, 铵态氮占总量的
67% ,硝态氮占 33%。该结果与我国大气氮素沉降中氮素组成的总体比例,以及与北美和西欧非城市地区大
气氮素沉降中氮素的组成比例基本一致 [22, 23]。
表 2 华北平原大气氮素沉降的时空变异
Table 2 Spatial and temporal variation of atmospheric ni trogen deposition in the North China Plain
监测点
Monitoring site
时间
Year
降雨量( mm)
Precipitation
浓度 Concent rat ion ( mgPL) 输入量 Input ( kgPhm2 )
NH+4 -N NO
-
3 -N E NH+4-N NO-3 -N E
NH+4 -NPNO-3 -N
农大科学园 CEF 2003 48310 5119 2144 7163 25107 11179 36186 2113
2004 44612 3125 2118 5143 14150 9173 24123 1149
东北旺 Dongbeiwang 2003 48419 5160 2133 7193 27117 11129 38146 2141
2004 47218 4145 1195 6140 21103 9123 30126 2128
惠民 Huimin 2003 62015 2130 0180 3110 14126 4196 19122 2188
2004 63914 2172 1186 4158 17136 10175 18144 1162
曲周 Quzhou 2003 62412 2182 1113 3195 17159 7104 24163 2150
2004 38411 3171 2113 5184 14125 812 22145 1174
2004- 04~ 2004-09
农大科学园 CEF 41918 2188 2110 4198 12109 8183 20192 1137
东北旺 Dongbeiwang 44311 3183 1164 5147 16199 7126 24125 2134
大兴 Daxing 43510 2185 1135 4120 12141 5186 18127 2112
顺义 Shunyi 43510 2109 1161 3170 9108 6199 16107 1130
房山 Fangshan 49913 3127 1175 5102 16132 8174 25106 1187
延庆 Yanqing 39810 2115 1137 3153 8156 5147 14106 1157
北京市农林科学院 BAAFS 36115 2110 2165 4175 7158 9160 17118 0179
北京农林科院监测点只包括 2004年 4月~ 8月的雨样 Rainwater samples at BAAFS site only includes precipitat ion during April to August, 2004
16356期 张颖 等:华北平原大气氮素沉降的时空变异
从表 2可知,北京地区(农大科学园和东北旺两点)大气氮素沉降平均为 3215 kgP( hm2#a) ,其数量明显高
于山东惠民和河北曲周的沉降量( 2316 kgP( hm2#a) )。北京地区氮素沉降的结果与孙昭荣等 [ 24] 在中国农科院
土肥所1986~ 1992年连续7a 测得的雨水年均输入氮量 3019 kgPhm2 没有明显差异。但是需要指出,北京地区
的年降雨量已从 20世纪 80年代的约 600 mm减少至目前的 500 mm以下, 说明当前雨水氮素浓度已明显高于
20a前的水平。从表 2中氮素混合沉降的浓度可以看出,北京地区降水受大气氮素污染的程度显著高于河北
和山东地区。同时, 北京地区 2004年 4月至 9月 7个监测点的结果(表 2)表明, 各点氮素沉降具有明显的空
间变异,雨水中氮的浓度和输入量以东北旺、房山最高,农大科学园和北京农林科学院(后者缺 9月份数据)居
中,而大兴、顺义、延庆的雨水氮浓度和输入量相对较低。除北京市农林科学院监测点铵态氮与硝态氮的沉降
比值( 0179)小于 1外,其它各点铵态氮的输入均明显大于硝态氮,其铵硝比比( 118B1)与北京、河北、山东 4个
监测点连续 2a 的平均铵硝比( 2B1)接近。这说明在农业生态系统中大气氮素沉降以铵态氮为主, 而在城市生
态系统中,由于交通等污染源的影响,硝态氮是大气氮素沉降的主要形态。
统计数字显示, 我国南方地区大气氮素混合沉降量在 616~ 2311 kgP( hm2#a)之间[ 9,10, 25, 26] ,北方地区(华
北、东北、西北地区)降雨输入到农田系统中的氮量多数在 511~ 2514 kgP( hm2#a)之间[ 11, 27~ 29]。显然, 本文报
道的华北平原农田大气氮素的沉降年通量明显高于我国其他地区。而同一地区农田生态系统中氮素沉降的
通量也显著高于森林生态系统中林外雨输入的氮素通量[ 30, 31] 。而大气降水化学组成的背景监测表明,在不受
人为活动干扰的情况下, 大气氮素的沉降量仅为 118~ 312 kgP( hm2#a) [ 32~ 34] ,这说明华北平原工农业活动向环
境中排放的氮素是大气氮素沉降的一个主要来源。
2. 2 华北平原大气氮素沉降的时间变异
受降雨量的影响,华北平原72%的降雨集中的 6~ 9月份,而同期由降雨输入的氮素占总输入量的 60%。
对2003~ 2004年北京东北旺、农大科学园、山东惠民、河北曲周四点降水化学特征的研究表明,氮素沉降的输
入量与降雨量呈乘幂型正相关(图 1) ,其决定系数平均达0167,说明华北平原约 2P3的大气氮素混合沉降取决
图 1 降雨量对大气氮素沉降的影响
Fig. 1 Relationship between rainfall and nitrogen deposition
a1 农大科学园 CEF; b1 东北旺DBW; c1 惠民Huimin; d1 曲周 Quzhou
于降雨量的大小。
1636 生 态 学 报 26卷
2. 3 大气湿沉降输入的氮素
受降尘的影响, 常规降水样品中混有一部分干沉降,因此,这部分氮素的输入是混合沉降( bulk deposition,
即传统方法收集的雨水)。因此,由湿沉降(wet deposition,只在降雨期间收集雨水所得的沉降)输入的氮量带
入的氮素数量、其与混合沉降氮素输入的差异是人们关注的问题。根据 2003年( 6~ 11月份)和 2004年( 4~
11月份)在东北旺监测点用湿沉降自动收集仪所得的结果(表 3) , 湿沉降输入的氮素分别为 1810kgPhm2 和
2016 kgPhm2 ,而同一时期由混合沉降输入的氮素均为 2613 kgPhm2 ,氮素湿沉降仅占混合沉降的 68%和 78% ,
平均为73%。同时, 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(图 2)。这表明大气氮素干沉降对生态系统有很高的贡献率,混合沉降中仅部分颗粒态沉降
(降尘)就占了 27%,如考虑溶胶态氮素干沉降在内, 华北地区大气氮素沉降中干、湿沉降的比例将高于欧洲
和北美地区[ 35~ 37] ,大气氮素沉降总量应不低于欧洲高氮沉降区的水平[ 38,39]。
表 3 东北旺大气混合沉降与湿沉降的氮素输入比较
Table 3 Comparison of bulk N deposi tion and wet N deposition at Dongbeiwang site
沉降类型
Type of deposition
取样次数
No. events sampled
浓度 Content( mgPL) 沉降量 Deposit ion(kgPhm2)
NH+4 -N NO
-
3 -N E NH
+
4 -N NO
-
3 -N E
2003_06~ 2003_11( rainfal l: 370mm)
混合沉降 Bulk deposition 33 5119 1192 7111 19121 7109 26130
湿沉降 Wet deposition 33 3151 1134 4185 13100 4196 17196
差异 Difference 1168 0158 2126 6121 2113 8134
湿沉降P混合沉降 DwPDb 0168
2004_04~ 2004_11( rainfal l: 458mm)
混合沉降 Bulk deposition 39 3195 1178 5173 18111 8117 26128
湿沉降 Wet deposition 39 3107 1143 4150 14105 6153 20158
差异 Difference 0188 0135 1123 4106 1164 5170
湿沉降P混合沉降 DwPDb 0178
Dw : Wet deposit ion; Db : Bulk deposition
图 2 大气氮素混合、湿沉降与降雨量的关系
Fig. 2 Relationship between rainfall and nitrogen input from bulk or wet
deposit ion
3 结语
华北平原农田生态系统中由降水输入的大气氮素
年均沉降量为 28 kgPhm2 , 是高氮沉降区。大气氮素沉
降的年内分布不均, 其中 60%集中在降水较丰沛的 6~
9月份,且氮素的沉降量与降雨量呈乘幂型正相关。除
市区监测点以硝态氮为主外, 铵态氮是大气无机氮沉降
的主要形式,其沉降量平均为硝态氮的 2倍。与氮素混
合沉降(含降雨和部分降尘带入的氮)相比,湿沉降输入
的氮素只占前者的 73%, 这说明干沉降也是该地区大
气氮素沉降的一个主要部分。另外,如果考虑到干沉降
中气溶胶和气态氮以及湿沉降中有机态氮的输入,华北
平原的大气氮素干湿沉降实际数量可能远高于目前报道的数据,应该在农田氮素资源综合管理中充分考虑这
部分环境氮的输入。
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