大氣氮沉降監(jiān)測方法及中國不同地理分區(qū)氮沉降研究進(jìn)展

梁亞宇，李麗君，劉 平，白光潔，呂 薇，普錦成

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

隨著工業(yè)化、城市化以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，人類活動(dòng)越來越頻繁，排放到空氣中的活性氮數(shù)量日益增多，并通過沉降方式進(jìn)入陸地水生生態(tài)系統(tǒng)。研究表明，過量的氮輸入會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)破壞[1]，比如，土壤酸化、水體富營養(yǎng)化，過量活性氮沉降到森林生態(tài)系統(tǒng)與工業(yè)中的SO2形成酸雨，直接危害森林植被和造成生物多樣性的流失[2-3]。全球人為活動(dòng)導(dǎo)致的活性氮生產(chǎn)量由1860年的15 t/a增加到2000年的165 t/a，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，由人為活動(dòng)排放的活性氮數(shù)量會(huì)繼續(xù)增加，人類生活環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步遭到破壞[4]，因此，了解活性氮的來源與沉降現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢十分必要。

大氣氮沉降是指大氣中活性氮化合物通過濕沉降和干沉降的形式降落到陸地和水體的過程。氮濕沉降是通過降雨、雪、霧等方式向生態(tài)系統(tǒng)主要輸入銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等無機(jī)態(tài)氮和有機(jī)氮。氮干沉降是通過降塵和湍流方式輸入活性氮，主要包括NO2，NH3，HNO3及顆粒態(tài) NH4+，NO3-。其中，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是濕沉降的主要成分，前者主要來自化石燃料及生物體的燃燒，還有城市交通運(yùn)輸及火力發(fā)電供暖等設(shè)施的排放；后者則主要受農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，如農(nóng)田施氮肥、畜牧養(yǎng)殖、垃圾填埋池、污水處理廠等[5]。我國對氮沉降系統(tǒng)的研究從20世紀(jì)70年代開始，20世紀(jì)80年代氮沉降速率顯著增加，從20世紀(jì)60年代的0.31 g/（m2·a）增長至21世紀(jì)初的1.71 g/（m2·a）[6]，年增長率為0.04%，控制氮沉降急劇增加已經(jīng)成為目前亟需解決的問題。

筆者主要闡述氮沉降研究方法及我國不同地理分區(qū)氮沉降情況，為解決環(huán)境及農(nóng)業(yè)問題提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 氮的干濕沉降研究方法

1.1 濕沉降監(jiān)測方法

濕沉降最常用的是雨量器，簡易方便、價(jià)格低廉。但這種方法收集到的是混合沉降。華北平原、廣東鼎湖山、陜西關(guān)中地區(qū)、江蘇太湖地區(qū)等都采用自制雨量器來收集大氣濕沉降。而降水降塵自動(dòng)收集儀可實(shí)現(xiàn)對干濕沉降分離收集。后來研究者在室外用離子交換樹脂法采集樣品，避免了用雨量器采集樣品后造成的時(shí)間及精確度上的誤差。

用雨量器收集樣品易于操作，價(jià)格低廉，但樣品易被污染，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。降水降塵自動(dòng)收集儀可分別采集干濕沉降，但需要穩(wěn)定的電源，不宜在偏遠(yuǎn)處設(shè)點(diǎn)。離子交換樹脂法可以有效改善前兩者的缺點(diǎn)，并且可以捕獲云霧沉降，尤其是在暖濕地區(qū)的測定結(jié)果比雨量器收集的更真實(shí)準(zhǔn)確。但是該方法對溫度及樹脂使用壽命的要求高[6]。

1.2 干沉降監(jiān)測方法

干沉降的采集要比濕沉降復(fù)雜一些，干沉降是大氣中的氣體及顆粒物在相同大氣交換機(jī)制（熱、濕及沖量）作用的結(jié)果，受地球表面特性即物理、化學(xué)、生物等復(fù)雜過程的影響[8]。主要的研究方法有微氣象學(xué)法和推算模型法，還有替代面法、差減法，收集干沉降常用的儀器是串級(jí)過濾采樣器和被動(dòng)采樣器。

微氣象學(xué)法優(yōu)點(diǎn)在于可以原位測定，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，但要求觀測通量的下墊面面積足夠大。替代面法是在收集樣品時(shí)，集塵缸內(nèi)一般保持5 cm液面高度的蒸餾水，遇到降雨封蓋，雨停后揭蓋繼續(xù)收集，采樣結(jié)束后測定水樣體積和氮素含量。但局限性是只能收集直徑大于2 μm的重力沉降部分，對氣體和氣溶膠等不能收集[9]。差減法是使用一直暴露在大氣中的總沉降采樣器和降水時(shí)暴露的濕沉降采樣器同時(shí)進(jìn)行采樣，最后二者的差值就是大氣氮素干沉降通量。

推算法的原理是一段時(shí)間內(nèi)大氣干沉降量等于一段時(shí)間內(nèi)采集的大氣活性氮濃度與沉降速率的乘積，沉降速率通過大氣沉降速率阻力模型獲得，這種方法簡便準(zhǔn)確，因此，得到廣泛運(yùn)用。但不同活性氮?dú)怏w間的沉降速率差別很大[10]，不同地理分區(qū)的下墊面與氣候因子差異很大，所以，沉降速率的確定存在難度。

另外，串級(jí)過濾采樣器廣泛應(yīng)用于大氣活性氮干沉降的監(jiān)測，由英國生態(tài)水文中心開發(fā)的Delta系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間的采樣，節(jié)約了人力物力成本[11]。采樣設(shè)備內(nèi)有一個(gè)供采樣的泵，用以抽取空氣樣品，采樣泵的抽氣口與加過吸附劑和濾膜的采樣鏈相連，進(jìn)入的氣體活性氮成分會(huì)被采樣鏈內(nèi)擴(kuò)散管上的吸附劑吸附，顆粒物被后面的濾膜收集。吸收的物質(zhì)依次是氣態(tài)硝酸、氣態(tài)氨，剩余氣體進(jìn)入濾膜系統(tǒng)，經(jīng)過分離和過濾，依次收集顆粒態(tài)NH4+，NO3-。這樣大氣中氣溶膠和氣態(tài)污染物中不同組分分離開，然后單獨(dú)分析定量，最后結(jié)合微氣象學(xué)方法計(jì)算沉降通量[11]，該系統(tǒng)近年在我國廣泛應(yīng)用。

被動(dòng)采樣器主要用于大氣NO2和NH3的收集，劉平等[12]在研究中采用此方法采集大氣NO2，NO2被動(dòng)采樣器內(nèi)部浸漬20%的三乙醇吸附劑用于吸附NO2氣體，該采樣器置于距地面2 m，采樣時(shí)間一般為30 d，在采樣地收集回來后再4℃保存，用比色法測定其濃度。

近年來，隨著對氮沉降研究不斷深入，諸多研究者通過進(jìn)行模擬氮沉降[13-14]對森林凋落物分解、土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)等的研究越來越多。模擬氮沉降一般是在地形均一、植被均一的地方建10～20個(gè)滿足試驗(yàn)需求的樣方，這些樣方一般同等大小，每個(gè)樣方間要留有相同距離的緩沖帶，每個(gè)處理組一般是對照處理、低氮處理、中氮處理和高氮處理，通過這種方法研究氮沉降對土壤及植被的影響。

2 我國不同地理分區(qū)干濕沉降特征對比

我國氮沉降的時(shí)空分布變異性很大，21世紀(jì)初華北成為氮沉降的集中區(qū)，大氣氮沉降通量從東南沿海向西北內(nèi)陸遞減[15]。

2.1 華北地區(qū)氮沉降特征

我國華北地區(qū)夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫在8～13℃，年降水量在400～1000mm。華北平原是我國重要的商品糧基地，也是我國氮肥高投入地區(qū)。大氣向我國農(nóng)田年輸入氮量（濕沉降輸入）約為全國年均施氮肥量的1/4[16]。研究顯示，華北平原地區(qū)大氣氮素總沉降在54.4～103.2 kg/（hm2·a）[17]，反映了其高水平的氮污染。華北平原降水中NH-N和NO-N的濃度平均分別為3.76，1.85 mg/L[18]，氮素混合沉降平均值為28 kg（/hm2·a）。北京大氣氮素沉降32.5 kg（/hm2·a），高于山東和河北兩省的23.6 kg（/hm2·a）[15]。山西省典型旱作農(nóng)區(qū)4 a的大氣氮總沉降為24.05～60.26 kg（/hm2·a），平均值為38.9 kg（/hm·2a）[19]，低于華北平原氮素沉降。尹興等[20]在河北的研究表明，6 a的氮混合沉降平均為32.8 kg（/hm·2a），小于華北平原和山西旱作農(nóng)區(qū)。據(jù)調(diào)查，華北地區(qū)過量施肥造成了深層土壤硝態(tài)氮累積、氨的揮發(fā)、地下水硝酸鹽污染[21]等問題，對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。分析表明，氮素輸入與降雨量的相關(guān)性很高，農(nóng)田中NH4+-N沉降量是NO3--N的2倍。城市生態(tài)系統(tǒng)則主要以NO3--N為主，主要來源于人為活動(dòng)，如交通、化石燃料燃燒等。近年來，華北地區(qū)的大氣活性氮濃度及沉降量都有所增加，成為我國氮沉降最為嚴(yán)重的區(qū)域。華北地區(qū)農(nóng)田大氣活性氮沉降量遠(yuǎn)超過氮沉降對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響警戒線（10 kg（/hm2·a）），且季節(jié)變化和年度變化均較大。

2.2 華中、華東、華南地區(qū)氮沉降特征

該區(qū)域包含多個(gè)省份，華東、華中地區(qū)氣溫平均13～18℃，年降水量500～1 600 mm，而華南地區(qū)高溫多雨，降水量在1 400～2 000 mm，長江的大部分流經(jīng)此地，是重要的淡水資源。太湖水體每年由濕沉降途徑帶入的N占其表觀干濕沉降總量的79.5%。因此，雨、露、霧、雪等大氣濕沉降是太湖水體受污染的主要途徑[22]。因此，在降雨量豐富、雨熱同期且經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)、人類活動(dòng)頻繁的入?？?，大氣氮干濕沉降對水體生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響。珠江三角洲地區(qū)的森林、農(nóng)田、城市生態(tài)系統(tǒng)氮濕沉降量分別達(dá)到了18～38，6～78，101 kg（/hm·2a）（混合沉降）[14]，可見人類活動(dòng)對氮具有極大的影響。

雷州半島典型農(nóng)田的濕沉降總量為25.3 kg/（hm2·a），總沉降量為42.9 kg（/hm2·a）[23]。湖南長沙縣金井河流域的農(nóng)田、林地監(jiān)測點(diǎn)的銨態(tài)氮沉降量最高，其大氣氮混合沉降超過26 kg（/hm2·a）[24]，江西千煙洲農(nóng)田濕沉降也達(dá)到了23.2 kg（/hm·2a）[25]，比華北平原要略低，但高于東北地區(qū)。銨態(tài)氮在濕沉降中所占比例達(dá)到50%。南京郊區(qū)氮沉降總量達(dá)到10.99 kg（/hm·2a）[26]，濕沉降占總量的60.1%。南方地區(qū)活性氮沉降量雖比北方高，但其濃度較低，是因?yàn)樨S富的降雨對其的稀釋作用。對林地而言，廣東鼎湖山爛柯山濕沉降為38.2 kg（/hm2·a）[27]。林地生態(tài)系統(tǒng)氮沉降負(fù)荷值在10～20 kg（/hm·2a），鼎湖山亞熱帶林地僅濕沉降就超過了臨界值，表明在我國南方亞熱帶地區(qū)大氣中活性氮污染已經(jīng)很嚴(yán)重。

2.3 西北地區(qū)氮沉降特征

西北地區(qū)是溫帶大陸性氣候和高寒氣候，包括陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆。西北地區(qū)深居內(nèi)陸，氣候干旱，冬季寒冷，夏季高溫，年降水量在200～400 mm，有的地方僅50 mm。陜西關(guān)中地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，大氣氮沉降總量有持續(xù)增加的趨勢，魏樣[13]用盆栽試驗(yàn)和長期定位試驗(yàn)估算出僅2008年5—9月楊凌地區(qū)大氣總氮沉降平均為20.6 kg/hm2，2009年 5—10月為21.4 kg/hm2。西寧市郊則為25.6 kg（/hm·2a）[28]。近年來的研究表明，NO3--N占總無機(jī)氮的比例不斷上升，說明工業(yè)發(fā)展、化石燃料燃燒、交通運(yùn)輸?shù)蕊@著影響到降雨中氮沉降。較之華北地區(qū)，南方地區(qū)的氮沉降量要低，但是這一值也超過了臨界負(fù)荷值。

新疆地區(qū)屬于干旱半干旱氣候，烏魯木齊市區(qū)及市郊的氮沉降量是28.7 kg（/hm2·a）[29]，新疆天山北坡中段的雪嶺云杉森林生態(tài)系統(tǒng)大氣氮干沉降通量為5.44 kg（/hm2·a），以NH3-N為主，約占干沉降總量的63%[30]。這是由于研究區(qū)內(nèi)是以畜牧養(yǎng)殖為主，會(huì)排放大量NH3，另外，氮干沉降主要集中在春夏季，是因?yàn)榇合募救祟惿a(chǎn)活動(dòng)較多，可見人為因素對氮沉降的影響很大。由此可以看出，大氣氮沉降具有顯著的空間差異，此地區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雷州半島、東北農(nóng)田區(qū)的氮沉降量。原因在于西北地區(qū)受森林植被類型及地表覆蓋度、冠層高度的影響，更為重要的是人為因素及氣象條件。

以上研究均表明，由于西部地區(qū)干旱少雨，工農(nóng)業(yè)欠發(fā)達(dá)，污染源少，該區(qū)各生態(tài)區(qū)氮沉降量比東部地區(qū)要低，新疆城郊農(nóng)田大氣氮干沉降量是荒漠-綠洲交錯(cuò)帶農(nóng)田的1.33倍[31]。由此可見，人為活動(dòng)對農(nóng)田、森林、城市生態(tài)系統(tǒng)的影響非常顯著。因此，要找到活性氮污染的來源，需從源頭治理，加以調(diào)控。

2.4 西南地區(qū)氮沉降特征

西南地區(qū)包括四川、重慶、貴州、云南、西藏自治區(qū)。由于青藏高原隆起，該區(qū)從西北到東南的溫度和降水有很大差異，降水量基本上呈現(xiàn)“東多西少”，整個(gè)西南地區(qū)春季降水量偏少，夏季降水較多。該地的森林覆蓋率為36%。藏東南林芝2 a的氮沉降監(jiān)測顯示，濕沉降量平均值是2.36 kg（/hm·2a）[32]，降水中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的平均濃度分別為0.36，0.10 mg/L。各形態(tài)氮濃度以春冬最高，夏秋較低，夏季氮沉降所占比例約為50%。可以看出，該地沉降量比國內(nèi)外的平均水平減小了近10倍。由于該地多山地形，阻隔了空氣順暢運(yùn)動(dòng)，且工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)。相比而言，重慶近郊、遠(yuǎn)郊和林區(qū)總氮平均濃度遠(yuǎn)比林芝要高，銨氮在總氮中所占比例最大[33]。云南陽宗?？偟两低肯募咀罡?，對陽宗海富營養(yǎng)化貢獻(xiàn)較大[34]。四川盆地西緣的都江堰年氮濕沉降量是36.2 kg/（hm2·a），無機(jī)氮占總氮的72.8%[35]，原因是此地區(qū)降雨量豐富及東南季風(fēng)與青藏高原西風(fēng)直流交匯處致污染物匯聚于此。

綜上所述，雖然西南地區(qū)地形、氣候類型復(fù)雜，大氣氮沉降量相對其他地區(qū)比較低，但是仍高于生態(tài)系統(tǒng)的臨界負(fù)荷值，尤其是都江堰及重慶氮沉降來源依然是以農(nóng)業(yè)施肥與交通、工農(nóng)業(yè)發(fā)展等為主，因此，同樣應(yīng)該對氮沉降帶來的環(huán)境危害引起重視。

2.5 東北地區(qū)氮沉降特征

東北地區(qū)夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷干燥，年降水量?00～1 000 mm，森林覆蓋率高，廣大的山區(qū)孕育著豐富的森林資源。黑龍江省和吉林省為農(nóng)業(yè)大省。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，過量的氮沉降會(huì)對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，如傷害葉片，減少根冠比[36]。正常情況下，森林葉片中營養(yǎng)元素間的比例在一個(gè)正常范圍之內(nèi)，如果過多的氮沉降下來，會(huì)使其他營養(yǎng)元素稀釋，造成植物體營養(yǎng)失衡[37]。孫濤[38]對東北興安落葉松林1 a的氮濕沉降觀測表明，該地區(qū)大氣氮濕沉降量為19.16 kg/hm2，其中，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮的輸入量分別占濕沉降量的52%，26%，22%。為期3 a的模擬氮沉降明顯降低了土壤的pH值，因此，長期的氮素添加會(huì)導(dǎo)致土壤酸化。郝龍飛[39]研究表明，氮沉降顯著降低林分地表植被覆蓋率，且隨氮沉降量增加而降低。隨著工業(yè)排放和機(jī)動(dòng)車尾氣等人為氮源的增加，長白山森林有機(jī)氮濕沉降為16.6 kg/（hm2·a），占全年氮濕沉降總量的60%，空氣中氧化氮的濃度明顯增加。

吉林省中部農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年均濕沉降總氮量為18.3 kg/hm2[40]，對總氮貢獻(xiàn)率為57%。氮輸入會(huì)影響土壤碳密度，土壤碳庫的動(dòng)態(tài)平衡影響作物產(chǎn)量和土壤肥力的高低。由于東北地區(qū)總氮輸入速率達(dá)到5.78 g/（m2·a），且土壤中有機(jī)碳含量高，氮沉降促進(jìn)了東北地區(qū)土壤碳蓄積[41]，這是東北地區(qū)農(nóng)田肥力高于全國其他地區(qū)的原因之一。

3 我國氮沉降研究展望

總體來說，國際上對氮沉降研究已形成較為成熟的體系，如美國的國家大氣沉降計(jì)劃，清潔空氣狀況與趨勢網(wǎng)等，還有歐洲的監(jiān)測與評(píng)價(jià)計(jì)劃、氮素飽和實(shí)驗(yàn)等，他們的研究已經(jīng)有了長足的發(fā)展。我國在此領(lǐng)域也有了很大的進(jìn)步，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的氮沉降網(wǎng)絡(luò)也覆蓋了全國40多個(gè)點(diǎn)。另外，在研究內(nèi)容上，原先我國研究主要集中在濕沉降上，對干沉降及特殊環(huán)境條件的地區(qū)缺少定位點(diǎn)，對云霧沉降和冠層沉降的觀測較少[8]，因此，今后可加大對上述沉降類型的監(jiān)測研究，創(chuàng)造出新的研究方法。除此之外，現(xiàn)在采集干濕沉降的儀器存在局限性，要盡可能地改善，以減少監(jiān)測誤差。

氮沉降具有沉降范圍廣、沉降類型復(fù)雜、地域差異性強(qiáng)等特點(diǎn)，全國采用同一種方法采集沉降物存在一定難度，所以，需在實(shí)地監(jiān)測的同時(shí)進(jìn)行地域時(shí)空模擬研究。我國學(xué)者對諸多地區(qū)的氮沉降特征研究表明，氮沉降多與降水、施肥、能源燃料燃燒等有關(guān)，因此，對氮沉降做數(shù)值模擬，為更多地區(qū)的氮沉降情況做出合理估算，預(yù)測其氮沉降情況。另外，很多研究者已開始通過模擬氮沉降法對氮沉降與土壤理化性質(zhì)、土壤微生物、土壤動(dòng)物之間的關(guān)系進(jìn)行研究，深入探究氮沉降對土壤生物和地球環(huán)境的影響。今后我國仍將繼續(xù)加強(qiáng)對大氣活性氮的橫向監(jiān)測并通過數(shù)值模型估算且預(yù)測更多地區(qū)的氮沉降情況。