伊犁河谷大气氮湿沉降特征研究——以首府伊宁市为例

张 伟，余 婷，何 娇，刘忠权

(新疆伊犁职业技术学院农业工程学院，新疆伊宁 835000)

大气氮沉降是指大气中的各种活性氮通过干、湿沉降等形式从大气中清除的过程。氮沉降具有双面效应，氮作为植物生长的必需营养元素，早期能为植物生长供应所需氮素营养，但是随着沉降量超越自然临界负荷后又可连锁诱发诸如土壤酸化、水体富营养化、生物多样性减退等负面效应，社会经济也因此蒙受巨大损失，甚至直接威胁人类的健康。随着人类活动干扰加剧，如矿物燃烧、化学氮肥的施用以及畜牧业的规模化发展使得向大气中排放的活性氮激增，大气氮素沉降也相应快速增加。随着我国经济的快速发展，大气活性氮的排放量快速增加，到2010年已高达56 Tg。

新疆是我国干旱区的主体，属典型的山地-绿洲-荒漠生态系统，而伊犁河谷作为干旱区绿洲生态系统受人为因素影响严重，人口由2000年的208万增长至2020年的284万，由此估计通过大气沉降带入的氮素等养分数量将明显增加，但由于缺乏系统的沉降资料目前还难以对其生态效应进行全面评价。伊宁市作为伊犁河谷最大的城市，也是国家“一带一路”沿线支点城市。因此，开展伊宁市大气氮湿沉降监测，有利于为评价我国干旱区绿洲(伊犁河谷)环境养分的输入数量和时空分布规律提供数据支持。

1 资料与方法

伊宁市位于新疆西北边陲，地处伊犁河谷盆地中央，地理坐标为43°50′～44°09′N、80°04′～81°29′E。伊宁市属北温带大陆性气候，年均气温10.5 ℃，年均降水量235 mm，农业生产以种植业、畜牧养殖为主。伊宁市作为伊犁州直首府，现有总人口54.75万，是国家“一带一路”沿线支点城市，也是北疆重要城市。

该研究采用雨水采集法，是使用SDM6固定雨量器(包括不锈钢漏斗和玻璃瓶)手动收集每次降水，并用25 mm雨量筒(最小刻度0.1 mm)记录降雨量。每次降水取全过程样，如有连续降水过程，则08：00—次日08：00为一次样品。降水样品充分混匀后立即用50 mL干净的聚乙烯瓶储存，并暂时在-18 ℃环境中存放。

每个收集的样品用0.45 μm滤膜过滤，NO-N、NH-N用AA3连续流动分析仪测定，TN经过硫酸钾氧化后，紫外分光光度法测定。湿沉降量计算公式如下：

(1)

(2)

式(1)中，是一段时期内个降水样本计算的平均浓度(mg/L)；是第次单个样本浓度(mg/L)；是第次降雨量(mm)。式(2)中，为湿沉降量[kg/(hm·a)]；为一段时期内所有降水的总量(mm)；100为单位转换系数。

湿沉降总氮(TN)包括无机活性总氮(TIN)和可溶性有机氮(DON)，TIN是NO-N与NH-N之和；DON采用差减法，DON=TN-TIN。通过Excel对原始数据进行分析，采用SPSS软件对数据进行相关统计。

2 结果与分析

采样期间，伊宁市共降水58次，年降水量为236.71 mm。对大气氮湿沉降所有样品中无机活性氮NO-N、NH-N进行分析，从图1可以看出，伊宁市大气氮湿沉降中NO-N、NH-N的浓度大部分分布在2.00 mg/L以下，分别占总次数的82.75%、67.24%。总体上看，NO-N、NH-N的年平均浓度分别为0.57、1.17 mg/L，最大值分别为5.04、6.94 mg/L，最小值分别为0.04、0.29 mg/L，说明NO-N、NH-N在浓度分布范围上变化较大，可能除了受排放源季节影响外，还与连续降水冲刷造成浓度持续降低有关。

图1 无机活性氮浓度的频数分布Fig.1 Frequency distribution of inorganic active nitrogen concentration

降水中NO-N、NH-N的浓度以及NH-N/NO-N值关系如图2所示，该研究期间NO-N月均浓度为0.34～1.16 mg/L，月均浓度均低于NH-N月均浓度；NH-N月均浓度为0.49～2.45 mg/L，月均浓度变化较大，其中4—7月份都高于1.79 mg/L。NH-N/NO-N值为1.46～3.98，从全年变化来看，3—8月份比值均大于2，考虑3月底开始当地雪水逐渐融化，开始春耕生产至8月份都是农忙季节，该时期以NH-N排放源为主导较为明显。

图2 2020年5月—2021年4月无机活性氮月均浓度变化以及NH4+-N/NO3--N值月变化Fig.2 The monthly average concentration change of inorganic reactive nitrogen and the monthly change of NH4+-N/NO3--N value from May 2020 to April 2021

图3 2020年5月—2021年4月不同形态氮浓度的月变化Fig.3 Monthly variation of nitrogen concentration in different forms from May 2020 to April 2021

图4 不同形态氮浓度的季节变化Fig.4 Seasonal variation of nitrogen concentration in different forms

从图5可以看出，湿沉降无机氮组分NO-N月均沉降量为0.04～0.21 kg/hm，年均沉降量为1.33 kg/hm；NH-N月均沉降量为0.07～0.36 kg/hm，年均沉降量为2.78 kg/hm；DON月均沉降量为0.01～0.63 kg/hm，年均沉降量为2.04 kg/hm；TN月均沉降量为0.16～1.09 kg/hm，年均沉降量为6.15 kg/hm。从季节分布来看(图6)，降水主要集中在春季和冬季，占全年降水量的61.41%；NO-N沉降量以冬季最高(0.42 kg/hm)，秋季最低(0.20 kg/hm)；NH-N沉降量以秋季最低(0.35 kg/hm)，春季最高(0.86 kg/hm)，是秋季的2.46倍；DON沉降量以春季最高(0.76 kg/hm)，冬季次之(0.52 kg/hm)，2个季节沉降量为全年的66.76%；TN沉降量以春季最高(1.94 kg/hm)，秋季最低(0.89 kg/hm)。总体上大气氮沉降量从大到小依次为春季[1.94 kg/(hm·a)]>冬季[1.69 kg/(hm·a)]>夏季[1.63 kg/(hm·a)]>秋季[0.89 kg/(hm·a)]。

图5 2020年5月—2021年4月各形态氮湿沉降量和降水量的月变化Fig.5 Monthly variation of nitrogen wet deposition of different forms and precipitation from May 2020 to April 2021

图6 各形态氮湿沉降量和降水量的季节变化Fig.6 Seasonal variation of nitrogen wet deposition of different forms and precipitation

Liu等的研究按照氮湿沉降(NO-N、NH-N湿沉降)在全国范围沉降通量的大小划分为高、中、低3个沉降区，新疆属于低沉降区[<15 kg/(hm·a)]行列。该研究中伊宁市2020年5月—2021年4月TN湿沉降量为6.15 kg/(hm·a)，与低沉降区划分值相符。从表1可以看出，与国内其他城市相比，TIN年沉降量高于西藏林芝县[2.36 kg/(hm·a)]，与乌鲁木齐市[6.0 kg/(hm·a)]相近，低于其他东部城市。这是由于经济发达地区人口稠密，也是工农业相对发达和氮肥的高投入地区，因此活性氮的排放显著高于西部欠发达地区。但是从氮沉降的不同形态浓度来看，NO-N质量浓度为0.57 mg/L，高于林芝县(0.10 mg/L)，是乌鲁木齐市浓度的57.00%、太原市的4.42%；NH-N质量浓度为1.17 mg/L，高于林芝县(0.36 mg/L)，是乌鲁木齐市浓度的90.00%、太原市的32.50%。从以上结果比较来看，伊宁市与乌鲁木齐市相比，在交通运输、工业化规模方面差距较大。

氮沉降和富营养化临界负荷估算表明，我国已有约15%的土地超过临界负荷，威胁到了生态系统健康。研究发现我国的氮沉降临界负荷总体上呈现东高西低的走向，新疆氮沉降临界负荷为4～10 kg/(hm·a)。该研究TN湿沉降量为6.15 kg/(hm·a)，说明研究区域氮沉降已经接近临界负荷上限。

伊宁市大气氮湿沉降量在不同形态所占质量分数由大到小依次为NH-N(45.20%)>DON(33.17%)>NO-N(21.63%)，可见DON是氮素湿沉降的重要组成部分。但是现有的研究多集中于降水中无机氮的定量，对于有机氮的定量研究较少。事实上，这部分氮素在大气氮沉降中占有相当大的比例，张海霞等研究发现有机氮在氮湿沉降量中所占比例最大。从表1可以看出，DON浓度与沈阳市监测结果接近，但是沉降量仅占沈阳市的30.96%，说明两地间降水量差距较大。

对伊宁市大气氮湿沉降的各形态氮每个月沉降量和降水量进行相关性分析，结果发现(表2)，各形态的氮沉降量与降水量均呈显著正相关(<0.05)，NO-N与NH-N之间沉降量呈极显著正相关(<0.01)，DON与NO-N、NH-N沉降量均呈正相关，TN与NO-N、NH-N、DON沉降量均呈极显著正相关(<0.01)。

表1 该研究和全国其他城市大气氮湿沉降各形态的比较Table 1 Comparison of various forms of atmospheric nitrogen wet deposition between this study and other cities in China

表2 各形态氮湿沉降量和降水量的相关系数Table 2 The correlation coefficient of nitrogen wet deposition of various forms and precipitation

3 讨论

根据已有的研究证明，NH-N主要来源于农业化肥和畜禽养殖造成的氨挥发，另外，机动车在低速行驶时，燃油燃烧不完全也会有氨的排放；NO-N主要来源于化石燃料燃烧和汽车尾气排放；DON主要来源于以生物释放、扬尘和大气化学反应为主的自然源与以工业生产、化肥及化石燃料燃烧和生物质能燃烧为主的人为源。不同形态氮沉降量所占比例不同，TIN湿沉降量为4.11 kg/(hm·a)，在TN中占66.83%，说明无机活性氮是氮沉降的主要形态。NH-N湿沉降量为2.78 kg/(hm·a)，在TIN中占67.64%，说明在当地农牧业占主要地位，农业施肥量大或畜牧养殖量大。NH-N/NO-N值在湿沉降中可以用来表示农业和工业活动对氮沉降的相对贡献，该研究中NH-N/NO-N值为2.05，说明研究区域氮沉降以农业来源排放的氮沉降为主。伊宁市作为一座旅游城市，工业化程度低，并且所处的伊犁河谷是以农牧业为主，所以来自农业源的氨氮所占比例较高。该研究中NH-N/NO-N值>1，与伊宁市发展状况相一致。

该监测点研究区域湿沉降存在季节性差异，总体上春季>冬季>夏季>秋季。3个季节的沉降量明显高于秋季，其原因有几个方面：一是春夏季节是伊犁河谷作物种植、畜牧生产的季节，肥料的大量施用、畜牧养殖造成大量活性氮的挥发；二是湿沉降通量与降水量呈显著正相关，冬季、春季较大降水使沉降量增长；三是冬季伊犁河谷燃煤供暖，化石燃料燃烧及城市机动车交通拥堵造成活性氮排放量明显增长；四是从沉降浓度来看，春夏季节浓度较高，经过2个季节雨水冲刷使秋季浓度下降，以及秋季庄稼成熟收获后，农田开始处于闲置状态，导致沉降通量降低。

4 结论

(1)在监测期内，伊宁市大气氮湿沉降中NO-N、NH-N、DON、TN平均浓度分别为0.57、1.17、0.86、2.60 mg/L。NO-N、NH-N浓度峰值集中在5—7月份，秋季浓度明显低于其他3个季节；DON浓度在春季和冬季较高。从沉降量来看，TN沉降量为6.15 kg/(hm·a)，低于东部省份监测结果。TIN占TN沉降量的66.83%，说明氮沉降是以无机活性氮为主。NH-N是TIN沉降量中的主要组成部分，所占比例为67.64%。在已有的氮沉降相关研究中，对DON沉降量分析较少，但是在该研究中发现DON占TN沉降量的33.17%，说明DON在氮沉降中也占有一定的比例。在研究大气氮沉降的相关研究中，加强对DON的研究是很有必要的。

(2)大气氮湿沉降量与降水量的相关性分析表明，不同形态的氮沉降量均与降水量呈显著正相关(<0.05)，NO-N与NH-N之间沉降量呈极显著正相关(<0.01)。降水量增长，湿沉降量随之增长，降水量集中在冬季、春季，氮沉降量呈春冬季高于夏秋季。

(3)伊犁河谷位于新疆西北，生态系统脆弱，该研究TN湿沉降量为6.15 kg/(hm·a)，如果再将氮素干沉降量计算在内，总的沉降量已接近或超过了新疆氮沉降临界负荷值4～10 kg/(hm·a)。因此，该地区水体富营养化及陆地生态系统(如草原、森林)的安全问题需要得到关注，建立与完善大气氮沉降长期监测系统势在必行。