山西北部农村区域大气活性氮沉降特征

刘 平, 刘学军, 骆晓声,4, 吴庆华, 刘恩科, 韩彦龙, 李丽君, 白光洁, 武文丽, 张 强,*

1 山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西省土壤环境与养分资源重点实验室，太原 030031 2 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193 3 山西省农业科学院旱地农业研究中心，太原 030031 4 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002



山西北部农村区域大气活性氮沉降特征

刘 平1, 刘学军2, 骆晓声2,4, 吴庆华2, 刘恩科3, 韩彦龙3, 李丽君1, 白光洁1, 武文丽1, 张 强1,*

1 山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西省土壤环境与养分资源重点实验室，太原 030031 2 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193 3 山西省农业科学院旱地农业研究中心，太原 030031 4 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002

活性氮; 干沉降; 湿沉降; 朔州地区

化石燃料的使用和含氮化肥的施用导致大气活性氮排放的不断增加[1]。而大气活性氮如NH3和 NOx含氮气体的排放促进了大气中微小颗粒的形成，不仅降低空气质量而且损害人体健康[2]。从长期效果来看，大气活性氮的增加将导致地面氮的干、湿沉降加大，从而导致对生态系统一系列负面影响，比如损害草地和森林生物多样性的[3-7]，作为间接源增加N2O的排放等[6]。因此过量的人为氮排放导致大气活性氮的污染和沉降已经成为世界范围内关注的问题[9]。

刘学军等[10]的研究认为大气活性氮沉降具有典型养分资源特征和区域分布差异，因此应根据其特点采取分区域管理的应对策略。在整个冬小麦-夏玉米轮作系统氮素沉降的总量变幅为80—90 kg N/hm2，而当季植物可以直接利用氮素沉降约50 kg N/hm2[11]。因此，量化氮的沉降对提高氮肥在农业中的利用率和减少它对敏感生态区的负面影响都有重要意义。煤炭是中国重要的能源类型，其在能源消费中达到中国总能源消费结构的70%，其对SO2、NOx的排放及空气污染的形成均有重要的贡献[12]。山西省煤炭的生产与消耗居全国前列, 其大气活性氮的排放也引人关注，但是至今鲜有这方面的报道。因此本研究选取山西省北部朔州地区的山阴县古城镇典型采样点，使用DELTA系统、中流量颗粒物采样器、雨量器综合研究采样点大气活性氮污染状况及其对干湿沉降的贡献。一方面了解山西北部偏远山区的大气活性氮状况，定量化当地农田氮素的干、湿沉降输入，另一方面初步明确活性氮组分之间的关系，从而为估算和预测当地农业中氮的输入提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 采样点

选取山西省山阴县古城镇盐碱地周边作为采样点(39°26′ N,112°55′E)，用来采集和计算大气N干、湿沉降。采样期从 2010年4月至 2011年3月，干沉降每月收集1次。该采样点位于中国北部的靠北端，年均气温为7℃，降雨量在360 mm左右(低于以往年平均降雨量)，周围有小规模的养牛场，由于当地是典型的苏打盐化土区域，农业上施肥投入并不大。

1.2 干沉降采样器

1.2.1 DELTA 系统

1.2.2 中流量颗粒物采样器

1.2.3 用于大气NO2收集的被动采样器

大气中 NO2采用英国环境变化网络(ECN)所用的标准方法即被动采样器来采集，NO2被动采样器内部浸渍有20% 的三乙醇胺吸附剂用于吸附NO2气体，该采样器安置于距地面2 m，采样时间为10—14 d，时间与其它采样器同步进行，该采样器在采样点采集两周后收回在4℃下保存，采用ECN(www.ecn.ac.uk).在线网站所描述的标准方法-比色法测定收集到的NO2浓度。

1.2.4 大气氮干沉降的计算

大气氮素干沉降的计算采用推断模型法，一定时间段内的大气氮干沉降量等于一段时间采集的大气活性氮浓度与沉降速率的乘积(参考文献附后)，公式表示为：

F=C×Vd

式中，F表示一定时段的大气氮干沉降量，C表示一段时间的大气活性氮浓度，Vd表示不同活性氮种类的沉降速率。

表1 各形态活性氮月沉降速率(2011年)

1.3 湿沉降采集

N湿沉降的计算方法

Nwd=P×CN(mg N/L)×10

式中， Nm,y表示1月或一年的氮湿沉降量，即1月或一年内所有次降雨中氮湿沉降量和。

2 结果与讨论

2.1 大气氮干沉降中各活性氮的估算

图1 各形态氮年沉降量 Fig.1 Annual deposition rate in different Nr species

表2 古城和全国其他地区的各形态活性氮平均浓度[15]/(μg N/m3)

2.2 大气湿沉降及其降雨中无机氮浓度变化

图2 大气氮干沉降月变化Fig.2 Monthly distribution of dry nitrogen deposition

图3 采样点各形态氮月湿沉降量Fig.3 Monthly wet nitrogen deposition rate

图4 雨水与PM10颗粒物所含硝态氮和铵态氮的关系Fig.4 Relationship between -N and -N in rain and PM10 particulates

2.4 雨水与PM10颗粒物中可溶性总碳、总氮相关关系

除了N和S，雨水与PM10颗粒物中含的较多的元素是C，有监测表明每天大气中PM10颗粒物中有机C和元素C平均浓度分别为21.2和7.3g C/m3，且各自对PM10颗粒物的贡献分别为15% 和5%，而二次有机碳气溶胶(SOC)对PM10颗粒物贡献高达53%[34]。本试验前面的结果也显示雨水中可溶性有机氮浓度和沉降量均超过硝态氮和铵态氮的。因此，对C和N在雨水和PM10颗粒物中的关系进行分析。图4显示，雨水可溶性碳和氮呈显著的线性正相关，PM10颗粒物中可溶性碳和氮呈显著的二次多项式正相关，且雨水中C和N的相关性更高些。由此可知C和N以某种稳定化合物存在于湿沉降和大气PM10颗粒物中，这种关系便于通过其中之一来推测或估算另一种元素。

图5 雨水与PM10颗粒物可溶性碳和氮的关系Fig.5 Relationship between dissolved carbon and nitrogen in rain and PM10 particulates

3 结语

通过一年时间对朔州地区古城镇大气氮输入的系统研究，该采样点附近虽然有一定规模的畜牧养殖活动，大气NH3浓度及沉降却并不是很高，可能与该地区的刮风天气较多有关。硝态氮和可溶性有机氮各自在氮干沉降所占比重超过铵态氮，这与以前华北地区的研究结果有较大差异。魏样等对榆林和洛川农区的研究中湿沉降分别占95.1% 和90.4%，干沉降分别占4.9% 和9.6%，两个地区氮沉降均以湿沉降为主[25]。而本研究区作为干旱区，干沉降占主导地位，干沉降量几乎是湿沉降的3倍。并且一年内通过大气干、湿沉降输入的总氮达到47.86 kg N/hm2，相当于每hm2投入120 kg尿素。另外，本研究大气氮素干沉降速率存在一定的不确定性，需要在今后的工作中加强研究。雨水和PM10颗粒物中硝态氮和铵态氮分别呈线性和乘幂正相关，可溶性碳和氮分别呈线性和二次多项式正相关，这些关系便于通过其中之一来推测或估算另一种离子浓度。有研究已表明，大气氮沉降超过10 kg N hm-2a-1，就会降低森林的物种多样性[14]，而超过30 kg N hm-2a-1会对农田生态系统养分循环产生影响[12]，因此通过大气沉降输入到农田的这部分氮源应该引起足够的重视。

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The atmospheric deposition characteristics of reactive nitrogen (Nr) species in Shuozhou area

LIU Ping1, LIU Xuejun2, LUO Xiaosheng2,4, WU Qinghua2, LIU Enke3, HAN Yanlong3, LI Lijun1, BAI Guangjie1, WU Wenli1, Zhang Qiang1,*

1 Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Institute of Agricultural Environment and Resources, Provincial Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031, China 2ChinaAgriculturalUniversity,CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,Beijing100193,China3ShanxiAcademyofAgriculturalSciences,InstituteofDrylandFarming,Taiyuan030031,China4HenanAcademyofAgriculturalSciences,InstituteofPlantNutrition,ResourcesandEnvironmentalSciences,Zhengzhou450002,China

reactive nitrogen; dry deposition; wet deposition; Shuozhou area

山西省科技厅攻关项目(20120311008-3)；山西省财政支农项目(2015ZZCX-13)

2015- 02- 12;

日期:2015- 12- 14

10.5846/stxb201502120342

*通讯作者Corresponding author.E-mail: sxsnkytfs@163.com

刘平, 刘学军, 骆晓声.山西北部农村区域大气活性氮沉降特征.生态学报,2016,36(17):5353- 5359.

Liu P, Liu X J, Luo X S.The atmospheric deposition characteristics of reactive nitrogen (Nr) species in Shuozhou area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5353- 5359.