大氣氮沉降對流域總貢獻量估算方法研究

王錦旗 宋玉芝 黃進

摘要：估算整個流域集水區(qū)內(nèi)大氣氮沉降對流域水體氮素的貢獻量，對研究大氣氮沉降對水體的影響有著十分重要的意義。因此，將流域集水區(qū)分成4個片區(qū)（水域部分、農(nóng)田區(qū)域、建設(shè)用地、植被區(qū)域）進行計算。對4個區(qū)域內(nèi)大氣氮沉降被吸收、轉(zhuǎn)換方式進行不同方式的計算，其中水域部分可直接吸收大氣氮沉降，在農(nóng)田及植被區(qū)域，大氣氮沉降經(jīng)過吸收后排出農(nóng)田、植被系統(tǒng)，在城市建設(shè)用地中除去城市綠地吸收部分外，大氣氮沉降可進入流域水體。通過劃分不同片區(qū)，可較為準確地估算出最終進入流域水體的大氣氮沉降量，為研究流域氮輸入情況提供重要理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氮沉降;流域;集水區(qū);水域;農(nóng)田;植被;建設(shè)用地

中圖分類號： S181 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）11-0246-04

收稿日期：2019-07-10

基金項目：教育部人文社會科學(xué)研究一般項目（編號：15YJCZH167）。

作者簡介：王錦旗（1976—），男，江蘇淮安人，博士，副教授，主要從事大氣環(huán)境因子對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響相關(guān)研究。E-mail：w_j_q@sina.com。 ?隨著人類活動的加劇，化石燃料使用量、化學(xué)肥料施加量逐漸增加，釋放到大氣中的氮隨之增加，大氣氮沉降量也逐漸增加，大氣氮沉降會對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)等產(chǎn)生影響[1-3]。早在20世紀70年代，科研人員就發(fā)現(xiàn)，大氣氮沉降除了對陸生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響外，對水生生態(tài)系統(tǒng)也有重要影響[4]，即可影響水質(zhì)、使水體酸化、加劇水體富營養(yǎng)化[2]。因此，估算大氣氮沉降對水體氮素的貢獻量就成為了研究水體氮輸入的重要領(lǐng)域。1982年，Chan等對美國安大略湖1969—1978年大氣沉降物（包括氮沉降量）進行了估算[5]，此后，國內(nèi)外對大氣氮沉降通量進行了大量估算研究。2004年，王小治等對太湖流域氮沉降量進行了估算[6]。隨后關(guān)于湖泊氮沉降量的研究逐漸開展起來。這些研究大部分集中在對湖泊水面部分氮沉降的估算上，沒有將整個集水區(qū)計算在內(nèi)，而湖泊集水區(qū)面積往往遠大于湖泊水面面積。以太湖流域為例，太湖流域面積達3.69萬km2，太湖水面面積僅2 338 km2，僅占流域面積的6.3%。因此，估算整個集水區(qū)的氮沉降量對水體的影響，對研究大氣氮沉降對水體尤其是湖泊的氮輸入影響十分重要。

1 流域集水區(qū)劃分方式

由于流域不同區(qū)域?qū)Υ髿獾两滴辙D(zhuǎn)換量不同，使最終進入流域水體中的氮沉降也存在明顯差異。其中，水面部分可直接接受大氣氮沉降，農(nóng)田區(qū)域吸收大氣氮沉降后將其排出農(nóng)田系統(tǒng)，而城市建設(shè)用地對大氣氮沉降的吸收轉(zhuǎn)換較少，除城市綠地對大氣氮沉降有吸收外，其余部分氮沉降可進入流域水體;在植被區(qū)域，植被及土壤對大氣氮沉降均有吸收及轉(zhuǎn)化，植被對氮的吸收量越多，最終進入集水區(qū)水體內(nèi)的氮越少，所以要充分考慮不同區(qū)域?qū)Υ髿獾两档奈辙D(zhuǎn)換量。因此，可以將流域集水區(qū)分成4個片區(qū)，即流域水域部分（如湖泊水面部分）、農(nóng)田、建設(shè)用地、植被區(qū)域。大氣氮沉降最終進入流域水體的量根據(jù)這4個區(qū)域進行估算。

2 進入水體氮沉降量估算

2.1 流域氮沉降總量（Ntotal）測定及估算

Ntotal可以根據(jù)生態(tài)環(huán)境部公布的GB/T 15265—94《環(huán)境空氣 降塵的測定 重量法》進行測定[7]，也可以根據(jù)流域內(nèi)各環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測的酸雨離子成分數(shù)據(jù)進行估算?？蓪⒋髿獾两捣譃?個部分，即濕沉降與干沉降進行估算。干、濕沉降量估算方法很多，如替代面法、差減法、推算法、微氣象法等[8]。目前我國最常用的干沉降量估算方法是推算法，通過測定含氮物質(zhì)濃度以及氮沉降速率間接估算，公式如下：

式中：Fd為大氣氮素干沉降通量，mg/（m2·s）;Ca為氣體、氣溶膠粒子的氮素濃度，mg/（m2·s），可通過觀測測定;Vd為干沉降速率，m·s。

式中：Ra代表空氣動力學(xué)阻力;Rb代表片流層阻力;Rc表示表面阻力或者冠層阻力[9]。

Vd的數(shù)值也可以查閱相關(guān)文獻獲得，例如，計算渤海灣地區(qū)氮干沉降速率時，氨取值為0.7 cm/s，硝酸鹽及亞硝酸鹽取值為0.1 cm/s[10]。

我內(nèi)最常用的濕沉降量估算方法是降水采集法，通過測定每次降水中氮沉降通量Fw（kg/hm2） 獲得，計算公式[11]如下：

式中：Ci為監(jiān)測點每次降水中氮素的平均濃度，kg/hm2;Pi為每次降水量，mm。

2.2 流域內(nèi)進入水域的氮沉降量（Ninput1）

由于流域水域部分（包括流域內(nèi)大小湖泊等直接水面）直接接受大氣氮干、濕沉降，以Ninput1表示直接進入湖泊水面部分氮沉降總量，R1=水域面積/流域總面積。通過水域部分進入水體的氮沉降量計算公式如下：

2.3 農(nóng)田大氣氮沉降進入流域水體的量（Ninput2）

農(nóng)田氮輸入主要有化學(xué)肥料氮輸入、人禽畜排泄物氮輸入、生物固氮、農(nóng)田大氣氮沉降量;假設(shè)在上述氮輸入方式下，植株對氮是均勻吸收的，則大氣氮沉降除被植物吸收以外，其余部分均視為通過干、濕沉降方式進入湖泊流域[12]。

（1）化學(xué)肥料氮輸入是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重要的氮輸入源之一，可以用氮肥施用的折純量代表化肥施用的氮輸入量。最終化學(xué)肥料氮輸入量（Nfert）計算公式如下：

式中：Nferti為第i種施入農(nóng)田的化學(xué)肥料的氮素總量（折純后），t，可通過流域內(nèi)各縣（市）統(tǒng)計年鑒查詢獲得。

（2）人禽畜排泄物氮輸入量（Nexc）。人禽畜排泄物氮輸入主要來自于農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)人口、飼養(yǎng)的豬牛羊等家禽的排泄物，農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)人口數(shù)量、飼養(yǎng)的家禽種類和數(shù)量均可以通過查詢當?shù)亟y(tǒng)計年鑒獲得，人禽畜排泄物的氮素系數(shù)已有很多相關(guān)研究，如太湖流域人禽畜排泄物氮素系數(shù)見表1[12]。

式中：Nexctotal為人禽畜排泄物氮輸入總量;Nexci為各種人或禽畜排泄物中氮輸入量。

人禽畜糞便還田率較低，且各地差異較大，可通過調(diào)查確定人禽畜排泄物氮還田系數(shù)（rexc），例如太湖流域人禽畜排泄物氮輸入還田率約為10%[12]。因此實際通過人禽畜排泄物進入農(nóng)田的氮總量計算公式如下：

（3）農(nóng)作物固氮量（Nfix）。各種作物之間的Nfix差異較大，可根據(jù)當?shù)亟y(tǒng)計年鑒獲得各種主要農(nóng)作物栽培面積或產(chǎn)量，并根據(jù)各種作物固氮系數(shù)，計算總的農(nóng)作物固氮量。如太湖流域主要農(nóng)作物固氮系數(shù)見表2。因此，農(nóng)作物固氮量計算公式如下：

式中：Nfixi為第i種農(nóng)作物的固氮量。

（5）作物吸收氮總量（Nass）?？筛鶕?jù)主要農(nóng)作物含氮量計算植物氮吸收率，主要農(nóng)作物產(chǎn)量根據(jù)流域內(nèi)各縣（市）統(tǒng)計年鑒獲取，主要農(nóng)作物氮吸收系數(shù)可參考表3。

很多農(nóng)業(yè)區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中會過量添加化學(xué)肥料，因此農(nóng)作物對大氣氮沉降吸收率較低，而絕大部分大氣氮沉降直接進入水體。

2.4 城市建設(shè)用地氮沉降輸入流域水體的量（Ninput3）

在城市建設(shè)用地中，除城市綠地吸收氮沉降外，其余部分氮沉降均進入流域水體，因此城市用地氮沉降中除去被綠地吸收部分外，其余部分視為進入流域水體的大氣氮沉降。

式中：R3城市建設(shè)用地面積占全流域面積的百分比;Ai為各城市綠地面積;fgb為綠地對氮的吸收率，kg/hm2。

2.5 植被區(qū)域大氣氮沉降進入流域水體的量（Ninput4）

當某一流域內(nèi)土壤與植被對大氣氮沉降的吸收達到飽和時，會將多余的氮排出。那么，在估算流域植被區(qū)域輸入水體的氮沉降時，必須考慮各種土壤類型的氮飽和臨界點，當某一生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部原有氮源總量與外部輸入的氮源總量之和超過該系統(tǒng)各種生物、化學(xué)、物理機制的吸收能力時，就會對該系統(tǒng)產(chǎn)生危害，此時的臨界點就是氮飽和臨界點。因此，在估算某一流域經(jīng)植被后進入水體的大氣氮沉降量時，必須先估算這部分區(qū)域大氣氮沉降是否超過其氮沉降臨界負荷，若超過，則視超出部分進入水體，若未超過，即視為全部被植被吸收利用[11，14]。目前國內(nèi)外在大氣氮沉降臨界負荷估算方面應(yīng)用較為廣泛的估算方法為SMB（simple mass balance）法，基本方程為：

式中：CLN為氮沉降臨界負荷;Ni為土壤中氮的礦化速率;Nup為不同植被對氮的吸收速率;Nde為氮反硝化速率;Nle，crit為臨界氮淋溶速率[15]。其中植被類型及土壤類型數(shù)據(jù)可通過各流域土壤類型圖及植被分布圖獲取。

（1）土壤中氮的礦化速率可通過如下計算：

式中：C為土壤的含氮量;d為土壤厚度;t為土壤形成時間。我國不同區(qū)域土壤礦化速率[Ni，kmol/（hm2·年）]也可參考文獻[15]確定。

（2）Nup為不同植被對氮的吸收速率，我國不同區(qū)域各主要植被類型對氮的吸收速率可參考文獻[16]確定。

（3）Nde為氮反硝化速率，由于反硝化速率與氮凈輸入呈線性關(guān)系[17]，因此，Nde計算公式

式中：fde為反硝化率[18-19];Nd為植被區(qū)域氮沉降量，根據(jù)區(qū)域氮總沉降量計算得到，計算公式如下：

式中：R4為植被區(qū)面積占全流域面積的百分比。

Nde在排水較好的植被覆蓋區(qū)，可忽略[15]。

式中：Q為徑流量;[N]crit為臨界氮淋溶濃度;以保護地下水為考慮目標時，[N]crit一般取值為 25 mg/L[20]。

因此，當植被區(qū)域的氮沉降量大于臨界負荷折算的沉降量時，超出部分可視為進入流域水體的氮沉降量，當植被區(qū)域的氮沉降量小于臨界負荷折算的沉降量時，可視為0。

式中：Af為植被區(qū)面積。

因此，最終大氣氮沉降對流域氮素水體的貢獻量計算公式為：

3 不確定性分析

由于在大氣氮沉降對水體氮素貢獻量的估算中，涉及的數(shù)據(jù)參數(shù)較多，因此數(shù)據(jù)完整性將決定估算的準確性。

（1）由于下墊面性質(zhì)對大氣氮沉降影響較大，尤其是干沉降部分，若想得到較為精細化的結(jié)果，必須將水域部分、農(nóng)田區(qū)域、植被區(qū)域及城市建設(shè)用地的大氣氮沉降量進行分別計算。

（2）各地農(nóng)田對大氣氮的吸收量存在一定差異。例如，太湖流域農(nóng)田對大氣氮沉降的吸收量較少，因此匯入流域水體的氮沉降量較大，而西南地區(qū)很多湖泊流域未超出吸收量[21]。在農(nóng)田對大氣氮沉降的吸收方面，本研究假設(shè)在各種氮輸入途徑中，農(nóng)作物均勻吸收氮，實際上農(nóng)作物會優(yōu)先選擇易吸收的氮，而大氣氮沉降是否能與其他形式氮輸入被作物均勻吸收，還需進一步研究。另外，人禽畜排泄物還田率差異性較大，即使在同一流域內(nèi)，各地差異也較大，需要加大調(diào)研力度，才可使準確性提高。

（3）SMB法主要用于估算臨界負荷，本研究使用時由于涉及參數(shù)較多，難免存在資料缺乏及不全的情況，除此之外，估算假設(shè)情境與實際情況有差異。

4 結(jié)論

將流域集水區(qū)劃分為不同片區(qū)進行估算，能充分考慮全流域大氣氮沉降對水體氮素的影響，對于分析大氣氮沉降對水體的影響，尤其湖泊氮素來源具有重要作用。

將流域集水區(qū)分成水域部分、農(nóng)田區(qū)域、建設(shè)用地、植被區(qū)域4個片區(qū)計算大氣氮沉降量;其中，水域部分可直接接受大氣氮沉降，農(nóng)田部分由于人為耕種影響，大氣沉降除少量被農(nóng)作物吸收外，絕大部分進入流域水體，城市建設(shè)用地氮沉降扣除城市綠地吸收部分，絕大部分也可進入流域水體。植被區(qū)域氮沉降除去部分被植被吸收和土壤轉(zhuǎn)化外，其余部分會排出系統(tǒng)，進入流域水體。

參考文獻：

[1]謝迎新，張淑利，馮 偉，等. 大氣氮素沉降研究進展[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，18（4）：897-904.

[2]Lepori F，Keck F. Effects of atmospheric nitrogen deposition on remote freshwater ecosystems[J]. Ambio，2012，41（3）：235-246.

[3]胡正華，張 寒，陳書濤，等. 氮沉降對林帶土壤N2O和CH4通量的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2011，31（6）：892-897.

[4]Porter E M，Bowman W D，Clark C M，et al. Interactive effects of anthropogenic nitrogen enrichment and climate change on terrestrial and aquatic biodiversity[J]. Biogeochemistry，2013，114（1/2/3）：93-120.

[5]Chan C H，Kuntz K W. Lake Ontario atmospheric deposition 1969—1978[J]. Water，Air，and Soil Pollution，1982，18（1/2/3）：83-99.

[6]王小治，朱建國，高 人，等. 太湖地區(qū)氮素濕沉降動態(tài)及生態(tài)學(xué)意義：以常熟生態(tài)站為例[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15（9）：1616-1620.

[7]Zhai S J，Yang L Y，Hu W P. Observations of atmospheric nitrogen and phosphorus deposition during the period of algal bloom formation in northern lake Taihu，China[J]. Environmental Management，2009，44（3）：542-551.

[8]宋歡歡，姜春明，宇萬太. 大氣氮沉降的基本特征與監(jiān)測方法[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2014，25（2）：599-610.

[9]駱曉聲，石偉琦，魯 麗，等. 我國雷州半島典型農(nóng)田大氣氮沉降研究[J]. 生態(tài)學(xué)報，2014，34（19）：5541-5548.

[10]楊正先，于麗敏，張志鋒，等. 渤海大氣氮沉降通量初步研究[C]//環(huán)境污染與公共健康國際會議論文集. 北京：美國科研出版社，2012：72-75.

[11]盛文萍，于貴瑞，方華軍，等. 大氣氮沉降通量觀測方法[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2010，29（8）：1671-1678.

[12]張 歡，李恒鵬，李新艷，等. 太湖流域典型農(nóng)業(yè)區(qū)氮平衡時間變化特征及驅(qū)動因素[J]. 土壤通報，2014，45（5），1119-1129.

[13]許朋柱，秦伯強，香 寶，等. 區(qū)域農(nóng)業(yè)用地營養(yǎng)鹽剩余量的長期變化研究[J]. 地理科學(xué)，2006，26（6）：668-673.

[14]劉超明，唐美慶，馬 坤，等. 北京地區(qū)典型落葉闊葉喬木葉片含氮量和δ15N值對大氣氮沉降的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報，2017，37（7）：2334-2341.

[15]郝吉明，齊超龍，段 雷，等. 用SMB法確定中國土壤的營養(yǎng)氮沉降臨界負荷[J]. 清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，43（6）：849-853.

[16]段 雷，黃永梅，郝吉明，等. 中國植被對氮和鹽基陽離子吸收速率及其在土壤酸化中的作用[J]. 環(huán)境科學(xué)，2002，23（3）：68-74.

[17]de Vries W，Posch M，Reinds G J，et al. Critical loads and their exceedance on forest soils in Europe[R]. The Netherlands：Wageningen，1992.

[18]Federal Environmental Agency （Umweltbundesamt）. UN ECE-Convention on long-range transboundary air pollution-task force on reactive nitrogen[R/OL]. （2011-08）[2019-01-01]https：//www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/461/publikationen/4207.pdf.

[19]熊 毅，李慶逵. 中國土壤[M]. 2版.北京：科學(xué)出版社，1987.

[20]段 雷. 中國酸沉降臨界負荷區(qū)劃研究[M]. 北京：清華大學(xué)，2000.

[21]葉雪梅，郝吉明，段 雷，等. 中國主要湖泊營養(yǎng)氮沉降臨界負荷的研究[J]. 環(huán)境污染與防治，2002，24（1）：54-58.方 明，李 潔，賴 欣，等. 短期生物炭刺激對紅壤和潮土微生物群落的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（11）：250-258.