大气氮沉降监测方法及中国不同地理分区氮沉降研究进展

随着我国经济快速发展,近年来大气活性氮排放量呈持续增长的趋势,研究表明,我国多地大气活性氮沉降量已经超过临界值。活性氮来源于化石燃料燃烧、畜牧家禽排放以及农业氮肥挥发、交通废气的排放等。沉降到生态系统的氮一部分可作为营养源提供给农作物,而过量的氮沉降会对生态系统及空气环境产生诸多消极作用。我国对地区大气活性氮监测的研究越来越多,主要是对农田、城市、水体及森林生态系统氮沉降情况的监测。重点阐述活性氮干湿沉降的研究方法及我国不同地理分区大气活性氮干湿沉降的时空特征。     

大气氮沉降研究进展

随着经济的快速发展,人类活动排放至大气中的氮持续增长,大气氮沉降已成为气候变化、二氧化碳浓度升高、土地利用变化之外的影响陆地生态系统结构和功能的第四大因素。通过大气沉降到生态系统的氮一部分可作为营养源供植物生长,过量的氮则会产生消极作用。文章围绕大气氮沉降的氮素组成及其沉降通量,氮沉降的时空特征,氮沉降对土壤及植物的影响三方面进行了综述,总结了大气氮沉降的不同氮素形态及沉降通量,对比了氮干、湿沉降的时空特征,阐述了大气氮沉降对土壤生态系统及植物生长的影响。从现有的文章来看,我国对各地区大气氮沉降情况的监测越来越多,包括农田、城市、森林等,但关于大气氮沉降的影响研究多与水体、森林、草地等相关,对农田生态系统的影响,例如对土壤微环境、农作物生长及作物产量、农产品质量等的影响研究尚且较少。     

太原市近郊农田区域大气氮干湿沉降特征

为研究山西省太原市不同农田大气氮干湿沉降输入通量,于2016年6月至2018年5月用雨量器、降水降尘自动采样仪、Delta系统对太原市近郊东阳和阳曲两地氮干湿沉降进行为期2 a的试验。结果表明,东阳和阳曲氮湿沉降量中,NH_4~+-N分别为8.2,7.7 kg/hm~2,NO_3~--N分别为4.7,6.0 kg/hm~2,NH_4~+-N在两地湿沉降中占较大比例;此外,东阳NH_4~+-N湿沉降量是阳曲的1.06倍,而阳曲NO_3~--N湿沉降量是东阳的1.3倍。东阳气态活性氮NH_3和NO_2年均沉降量分别是11.4,3.2 kg/hm~2,依靠重力沉降颗粒物NH_4~+-N和NO_3~--N沉降量之和为2.9 kg/hm~2;阳曲5种大气活性氮NH_3、NO_2、HNO_3、颗粒态NH_4~+、颗粒态NO_3~-年均沉降量分别是6.1,2.9,3.3,2.1,1.4 kg/hm~2,年总沉降量是15.8 kg/hm~2,NH_3在2个农田区大气活性氮干沉降中占较大比例;东阳干沉降中气态NH_3浓度和沉降量是阳曲的1.9倍,阳曲气态HNO_3和NO_2沉降量之和占总干沉降量的40%。总之,东阳大气活性氮主要受农业源影响,阳曲氮沉降受交通运输源影响不可忽视,今后应注意太原市近郊工业及交通运输气体排放对该区域大气活性氮沉降的影响。     

大气氮沉降的研究进展*

 大气氮沉降的增加作为全球变化的重要内容,反映了人类活动加剧导致的大气活性氮污染,已经并将继续对全球生态系统产生重大影响。本文简要介绍了大气氮素干湿沉降的研究方法,回顾了国内外大气氮沉降形态、数量等方面的研究进展及大气氮沉降对水体、森林、农田生态系统的影响,并探讨了该领域目前存在的问题及未来的研究重点和方向。     

河北平原城市近郊农田大气氮沉降特征

【目的】随着人类活动引起大气活性氮排放的增加,大气氮沉降亦迅速增加,进而影响各区域生态系统。明确河北平原城市近郊农田大气氮沉降的动态变化,可以为农田氮素资源综合管理提供科学依据,也为中国氮素沉降网络提供关键基础数据。【方法】在河北省保定市河北农业大学实验教学基地进行了为期6年(2006—2011年)的湿/混合沉降监测试验以及1年(2011年)的干沉降监测试验。湿/混合沉降通过雨量器自动采集降水;干沉降中气态NH_3、HNO_3和颗粒态铵离子和硝酸根(_pNH_4~+和pNO_3~-)样品通过主动采样DELTA(DEnuder for Long-Term Atmospheric Sampling)系统采集,气态NO_2样品通过被动扩散管采集。【结果】河北保定地区多雨季节为6—9月,占全年(2006-2011年)降雨量的88.6%、81.5%、89.3%、88.9%、74.5%和83.1%;大气氮湿/混合沉降浓度冬、春季较高,夏季最低,冬春两季NH+4~+-N、NO_3~--N、TIN和TDN浓度分别占全年的74.5%、72.6%、74.1%和71.3%;氮湿/混合沉降量亦存在明显的季节性变化,夏季最大,冬季最小;各形态氮湿/混合沉降浓度高低表现为:TDNTINNH+4~+-NNO_3~--N,且与降雨量呈极显著负相关;监测区6年间平均湿/混合沉降总量为32.8 kg N·hm~(-2),其中2008年大气氮湿/混合沉降量最大,达40.4 kg N·hm~(-2),2010年大气氮湿/混合沉降量最小,为28.9 kg N·hm~(-2);大气氮湿/混合沉降中TIN占TDN沉降量75%以上,其中NH+4~+-N是TIN的主要组成部分,占其总量的56.6%—69.7%,平均为64.4%;各形态氮(NH+4~+-N、NO_3~--N、TIN和TDN)湿/混合沉降量与月降雨量、月降雨频次呈极显著正相关;大气氮干沉降中各无机氮(NH_3、NO_2、HNO_3、pNH_4~+、pNO_3~-)浓度有明显的季节性变化特征,且各形态氮的月沉降量变化趋势与氮浓度一致;总体来看,气态氮NH_3、HNO_3、NO_2及颗粒态氮pNH_4~+、pNO_3~-的年沉降量分别达到10.1、7.60、4.39、6.47及3.81 kg N·hm~(-2)。【结论】监测区大气氮沉降量受周边地区工业与当地农田施氮量共同影响,且由干湿沉降共同决定。该地区大气氮沉降量较高,2006—2011年大气湿/混合沉降总量在28.9 kg N·hm~(-2)(2010年)—40.4 kg N·hm~(-2)(2008年)之间,平均为32.8 kg N·hm~(-2);干沉降无机氮总量(2011年)为32.3 kg N·hm~(-2);干湿沉降无机氮总量(2011年)为58.6 kg N·hm~(-2)。     

老虎潭水库水体富营养化状况及成因调查

在对浙江省湖州市老虎潭水库水体富营养状况调查评价的基础上,深入分析老虎潭水库富营养化的成因。结果表明是由于集水区内的畜禽养殖、水土流失、大气湿沉降等综合因素导致大量氮磷营养物质进入水库所致。     

华南甘蔗种植区大气氮素湿沉降特征

【目的】对华南甘蔗种植区大气氮素湿沉降量进行估算,以期为区域氮素沉降及其生态环境效应评估提供数据支撑。【方法】在广西南宁市赤红壤甘蔗种植区,采用雨量计连续8年(2008年1月至2015年12月)采集降雨水样,测定其硝态氮、铵态氮和全氮含量,研究该地区大气湿沉降浓度及沉降量的月、季和年度变化。【结果】雨水中NO~-_3-N、NH~+_4-N、DIN和TN浓度各月的差异较大,分别为0.08～3.80、0.04～3.25、0.12～5.52和0.20～6.65 mg N L~(-1),月均浓度分别为0.73、0.67、1.40和1.89 mg N L~(-1),呈春季冬季夏季秋季;NO~-_3-N、NH~+_4-N、DIN和TN沉降年平均浓度分别为0.53、0.51、1.04和1.45 mg N L~(-1)。雨水中NO~-_3-N、NH~+_4-N、DIN和TN浓度与降雨量呈极显著负相关,沉降量与月降雨量、月降雨频次呈显著正相关,且受降雨量的影响大于降雨频次的影响;不同形态氮沉降量呈夏季秋季春季冬季。NO~-_3-N、NH~+_4-N、DIN和TN年均沉降量分别为6.55、6.32、12.86和17.95 kg N hm~(-2),TN远超过陆地生态系统的临界负荷。DIN是大气氮素湿沉降的主体,占氮素总沉降的72.50%,DIN中NO~-_3-N和NH~+_4-N分别为TN比例的36.87%和35.63%,两者的沉降量比例无明显差异。NH~+_4-N沉降量占TN沉降量比例呈逐年下降趋势,NO~-_3-N沉降量占TN沉降量比例有逐年升高的趋势。【结论】华南甘蔗种植区大气氮素湿沉降量与氮沉降浓度呈现明显季节性差异,两者间呈相反趋势;雨水中各形态氮浓度与降雨量呈极显著负相关;月氮沉降量与月降雨量、月降雨频次呈显著正相关;无机氮是大气氮素湿沉降的主体,铵态氮和硝态氮沉降量占全氮沉降量比例分别呈逐年下降和升高的趋势。该区域大气氮素湿沉降高,年均沉降17.95 kg N hm~(-2),超过陆地生态系统的临界负荷,对生态环境有一定潜在的风险。     

西安市畜禽养殖动态分析及其农田承载预警

根据西安市2016年统计年鉴对西安市2000年到2015年畜禽养殖量进行动态分析,同时参考主要农作物产量统计资料、参考文献和西安本地实际情况确定畜禽粪便日排泄系数。估算西安市及各区县2015年主要畜禽粪便产生总量,同时计算出畜禽粪便理论农田承栽量及我市主要农作物理论氮磷吸收量,通过粪便可被利用氮磷量和全年主要农作物理论吸收氮磷量的比值进行农田污染风险评估。由计算结果得知:2015年西安市主要畜禽粪便产生总量为6.13×10~6t、总氮1.34×10~5t、总磷4.17×10~4t,排除氮、磷在作物吸收过程中的损耗,实际可被作物理论吸收的氮、磷分别为3.08×10~5t和3.44×10~4t;西安市畜禽粪便氮、磷农田实际承载负荷比值均高于0.4,尤其磷污染水平达到V级,污染较为严重。西安市各区县畜禽污染指数差异较大,临潼周至蓝田阎良灞桥高陵户县长安。     

焉耆盆地绿洲区水体硝态氮量调查及其空间分布研究

[目的]研究焉耆盆地绿洲区水体硝态氮污染现状及地下水空间分布规律.[方法]2014 ～2015年通过野外采样及室内化验,利用紫外可见分光光度法测定地表水(80个)、不同埋深地下水(284个)水体硝酸盐含量,并运用统计分析及克里金(Kriging)法研究盆地现状硝态氮量及空间分布.[结果]除包气带水体外,绿洲区水体硝态氮量水平总体较低,但不同类型、区域水体间差异性明显,变异性较高.主要河流与农田排渠均受到人为因素干扰,部分农田排渠硝态氮量已超过10.0 mg/L.地下水硝态氮量与埋深密切相关,包气带水＞手压井＞灌溉井＞自来水井,随着埋深的增加,硝态氮量呈减小的趋势.氮素进入田间后,富集于耕作层等包气带土层,为进入地下水的起点.普通克里金插值(Or-Kriging)结果显示,部分典型灌区地下水已接近甚至超过国际(WHO)地下水安全允许浓度(硝态氮量＞10.0 mg/L),较高的区域多分布于典型灌区.[结论]集约化种植氮肥施用量的增加、利用率偏低是焉耆盆地绿洲区水体硝态氮量升高的主要原因,包气带中积累过多的氮素是水体污染的潜在风险.     

云南普者黑湿地流域水域面积变化及其影响因素

水域面积变化特征反映了自然和人为对水域生态系统的影响,对水域生态系统的保护、利用和可持续发展有着参考价值.选取普者黑流域1998～2018年共13期Landsat遥感影像为数据源,采用水体指数END-WI的方法计算普者黑流域水域面积数据,分析研究区22年水域面积时空变化特征及变化趋势,结合同时期的气象、植被、人类活动因...     

江西鹰潭典型丘陵农业区氮湿沉降的动态变化

于2003-02~2004-01,采用自动降雨收集器结合室内化学分析方法,研究了江西鹰潭红壤丘陵农业区降水中NH+4-N和NO-3-N沉降的动态变化,并与同期欧洲EM EP和美国NADP监测降水中的NH+4-N和NO-3-N沉降的动态变化进行了比较。结果发现,本研究区域降水中不同月份的NH+4-N,NO-3-N含量及沉降量均变异较大,各形态氮含量和沉降量的极值出现的月份基本同步,表现为春、冬季较高,夏、秋季较低;研究区域NH+4-N,NO-3-N和无机氮的平均含量分别为0.63,0.43和1.06 m g/L,分别是同期欧洲降水中对应形态氮平均含量的1.5,1.1和1.3倍,是同期美国降水中对应形态氮平均含量的2.7,2.0和2.4倍;低于同期欧洲降水中对应形态氮含量的最大值,与同期美国降水中对应形态氮含量的最大值相当;降水中NH+4-N,NO-3-N和无机氮的年沉降量分别为7.15,4.85和12.00 kg/hm2,降水中无机氮的年沉降量低于同期欧洲的最大值,与同期美国的最大值相当,但远高于两区域的平均值;降水中NH+4-N沉降量占无机氮沉降量的比例为60%,高于同期欧洲和美国的平均水平(52.2%和49.6%)。本研究结果表明,江西鹰潭红壤丘陵农业区氮湿沉降量较大,其对土壤、植被以及水体等的影响应引起关注。     

模拟氮沉降对鹤山3种人工林表土碳释放的影响

为研究大气N沉降对森林表层土壤碳释放的影响,通过室内模拟大气N沉降处理土壤样品,用碱吸收法测定土壤的碳释放量,并计算土壤碳释放速率,分析大气N沉降对鹤山丘陵综合试验站湿地松(Pinus eliotii)、荷木(Schima superba)和马占相思(Acacia mangium)3种人工林土壤碳释放的影响。结果表明,模拟氮沉降对湿地松林表土碳释放过程有非常强的抑制作用,且随着氮处理浓度的升高而加强。低水平的氮沉降对荷木和马占相思林土壤碳释放过程有一定的促进作用,随着沉降水平的升高表现为抑制作用。     

生态沟渠中水稻生长特性及对农田排水中氮去除效应研究

[目的]了解生态沟渠中水稻生长特性及对农田排水中氮的去除效应.[方法]对稻田和生态沟渠各段水稻干物质量、生育特性、氮素吸收及水体总氮动态变化进行比较研究.[结果]研究表明,各段沟渠顺水流方向水体总氮浓度逐渐降低,且均显著低于田面水.沟渠水稻植株体氮浓度较田间水稻高,但生物量较田间显著降低.整段沟渠水稻吸收氮素234.1 g,这部分氮素将随水稻的收割被带离水体,极大地消减了水体的氮浓度,减少了田间径流水入河及最终入湖的氮素.[结论]研究可为生态沟渠的建设和推广提供理论依据.     

北京市农田生态系统氮素养分平衡与负荷研究——以密云县和房山区为例

为揭示北京市农田生态系统氮素养分平衡与负荷状况,利用物质流分析中"输入=输出+盈余"的物质守恒原理,以氮素养分为介质建立农田生态系统氮素平衡模型.根据北京地区密云、房山2007年统计资料和文献查询获取的参数,估算了密云、房山氮养分输入、输出以及养分盈余,并分析了养分产生的环境效应.结果表明,2007年损失进入大气和水体环境中的养分总量分别为4 255.26 t和7 728.95 t,盈余在农田生态系统土壤中的养分总量分别为7 320.51t和14 566.64 t,通过损失途径进入环境和盈余在农田生态系统中的单位面积耕地氮养分负荷高风险地区集中在密云、房山的东部地区.通过对比研究.分析氮养分损失态和盈余态负荷基本趋势,找到了污染潜势产生原因.提出了促进农出氮平衡与降低氮养分负荷相应的调控对策和措施.     

6种沉水植物系统对淀山湖水质净化效果的研究

富营养化状态的淀山湖,是上海市主要水源地之一,兼有航运、排灌、旅游等多种功能.采用室内透明玻璃桶装置,研究了淀山湖常见6种沉水植物与底泥组成的系统对水体氮磷等营养物质的去除效果及动态规律.结果表明:(1)6种沉水植物的除磷效果都很好,主要表现为沉降吸附;金鱼藻系统和马来眼子菜系统的除氮效果较好;马来眼子菜和穗状狐尾藻对氮磷的去除效率最高;这3种沉水植物可作为淀山湖沉水植被恢复的先锋植物;(2)沉水植物系统对淀山湖水体中磷的去除效果比氮好,速度也比氮快,对有机物(CODMn)的去除效果不显著;(3)沉水植物系统使水体中的叶绿素a大幅下降,对DO和pH的影响未表现出明显的规律性;(4)供试沉水植物系统对水体中氮磷的去除方式可分为3类:植物体吸收为主、吸附沉降为主和二者结合.     

基于氮排放数据的中国大陆大气氮素湿沉降量估算

大气氮素湿沉降与氮的排放紧密相关,通过对已知的氮素排放数据与收集的氮素湿沉降实测数据对应分析发现,不同地区氮素的排放与湿沉降之间存在稳定的比值关系.根据这些比值关系,估算了1980-2007年中国大陆氮素湿沉降量,并运用GIS技术进行了大气氮素湿沉降强度和时空分布.结果表明,我国大陆区域氮素湿沉降呈明显的增长趋势,沉降总量由1980年的4.96 Tg增长到2007年的11.80 Tg,单位面积通量分别为516 kg N·km-2·a-1和1 128 kg N·km-2·a-1.氮素湿沉降的空间分布不均,东部、东南沿海地区和中部地区沉降量较高,广大西部地区较低.化学氮肥的施用、燃料的使用和禽畜养殖规模扩大是导致氮湿沉降量增加的主要原因.     

东北地区农田土壤氮、磷平衡及其对面源污染的贡献分析

采用农田生态系统氮、磷平衡计算方法,对东北地区土壤氮、磷养分平衡状况及其对面源污染的贡献进行了研究。结果表明,东北三省农田化肥用量随时间的增加而增大,但不同种植区间化肥投入差异较大;氮、磷肥用量是造成农田土壤氮、磷平衡空间差异的直接因素,两者呈极显著相关关系;由于化肥投入量的增加,东北三省农田土壤氮、磷平衡均由建国初期的亏缺转为盈余,赢余量呈现随时间增加而增大的趋势,但区域间差异较大。与80年代相比,2002年由东北三省农田土壤总氮平衡和总磷平衡进入水体环境的氮、磷负荷均有所增加,各省农田进入水体环境氮、磷负荷的升高幅度分别为:辽宁,氮负荷29%,磷负荷3%;吉林,氮负荷93%,磷负荷229%;黑龙江,氮负荷39%,磷负荷125%。果树蔬菜种植面积比例的增加是造成农田土壤氮素盈余增加的原因之一,两者呈极显著相关关系。随着辽河流域果树、蔬菜种植面积的逐年增加,果树和蔬菜农田土壤养分过度累积对辽河水体面源污染的贡献不容忽视。     

基于精明增长理论和夜间灯光数据的城市增长研究 ——以重庆市主城区为例

城市是人类社会活动最为活跃的区域,为实现城市有序合理增长,基于精明增长理论和夜间灯光数据,以重庆市主城片区为例,通过对区域生长算法的改进,将重庆市主城片区夜间灯光影像分割为灰度值阈值为10～80的8幅图像,利用图像减法运算并加以二值化处理,找出建设用地现状中可挖潜点,得出城市扩展区可挖潜点较多。结合灰色预测模型预测出城市建设用地面积增量,预测结果符合《重庆市土地利用总体规划(2006—2020年)》规划要求,2019年主城片区城市建设用地增量为5 707.5 hm~2,其中北部3区城市建设用地面积增量为3 514.88 hm~2,占比达61.58%,空港、龙兴、水土、蔡家、悦来等地将是主要增长点。最后提出以可挖潜点分摊部分城市建设用地面积增量的建议,以提高区域用地效益和城市建设质量,保护土地存量。     

区域尺度农田N2O排放量估算研究进展

 N2O是重要的温室气体,农田是N2O的重要排放源。排放因子法、试验推断法、统计模型和过程模型是目前估算区域农田N2O排放的主要方法,应用上述方法,各国学者对全球、国家和其它区域尺度的农田N2O排放量进行了估算。结果表明,世界农田N2O排放总量在1.2—4.2 TgN之间,中国农田N2O排放总量在0.063—0.628 TgN之间。与其它方法相比,过程模型的精度更高,未来在区域农田N2O排放估算上会发挥越来越重要的作用。应用过程模型,开展模型功能开发与区域验证、氮沉降、淋溶、径流等间接排放因子研究以及区域减排技术集成与农田减排碳贸易测算是未来区域尺度农田N2O排放估算研究的重点。     

陕西省不同生态区大气氮沉降量的初步估算

2008年,对陕西省4个不同生态区5个监测点的干湿沉降输氮量进行为期1年的观测研究,旨在对不同生态区大气氮沉降量进行初步估算。结果表明,2008年各生态区总无机氮(TIN)沉降量在8.25～16.12kg·hm-2之间,其中以地处长城沿线风沙草原生态区的榆林地区最小,渭河谷地农业生态区的杨凌地区最大。榆林、洛川、西安、杨凌以及安康地区NH4+-N沉降量分别为3.10、3.66、8.60、9.14和9.96kg·hm-2,NO3--N沉降量分别为5.15、7.54、6.29、6.98和5.66kg·hm-2,NH4+-N沉降量的不同是造成TIN沉降量之间差异的主要原因。各生态区湿沉降输氮量为6.57～14.43kg·hm-2,干沉降输氮量为1.19～2.74kg·hm-2,均显示出一定的时间变异性。受降雨量影响,湿沉降量在降雨量大的夏秋季较高,降雨量小的冬春季较低;干沉降量则与之相反,可能是由于雨水的冲刷作用和冬春季节扬尘天气较多引起的。