伊犁河谷大氣氮濕沉降特征研究
——以首府伊寧市為例

張 偉，余 婷，何 嬌，劉忠權(quán)

(新疆伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，新疆伊寧 835000)

大氣氮沉降是指大氣中的各種活性氮通過干、濕沉降等形式從大氣中清除的過程。氮沉降具有雙面效應(yīng)，氮作為植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素，早期能為植物生長(zhǎng)供應(yīng)所需氮素營(yíng)養(yǎng)，但是隨著沉降量超越自然臨界負(fù)荷后又可連鎖誘發(fā)諸如土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化、生物多樣性減退等負(fù)面效應(yīng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)也因此蒙受巨大損失，甚至直接威脅人類的健康。隨著人類活動(dòng)干擾加劇，如礦物燃燒、化學(xué)氮肥的施用以及畜牧業(yè)的規(guī)?；l(fā)展使得向大氣中排放的活性氮激增，大氣氮素沉降也相應(yīng)快速增加。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣活性氮的排放量快速增加，到2010年已高達(dá)56 Tg。

新疆是我國(guó)干旱區(qū)的主體，屬典型的山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)，而伊犁河谷作為干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)受人為因素影響嚴(yán)重，人口由2000年的208萬增長(zhǎng)至2020年的284萬，由此估計(jì)通過大氣沉降帶入的氮素等養(yǎng)分?jǐn)?shù)量將明顯增加，但由于缺乏系統(tǒng)的沉降資料目前還難以對(duì)其生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。伊寧市作為伊犁河谷最大的城市，也是國(guó)家“一帶一路”沿線支點(diǎn)城市。因此，開展伊寧市大氣氮濕沉降監(jiān)測(cè)，有利于為評(píng)價(jià)我國(guó)干旱區(qū)綠洲(伊犁河谷)環(huán)境養(yǎng)分的輸入數(shù)量和時(shí)空分布規(guī)律提供數(shù)據(jù)支持。

1 資料與方法

伊寧市位于新疆西北邊陲，地處伊犁河谷盆地中央，地理坐標(biāo)為43°50′～44°09′N、80°04′～81°29′E。伊寧市屬北溫帶大陸性氣候，年均氣溫10.5 ℃，年均降水量235 mm，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植業(yè)、畜牧養(yǎng)殖為主。伊寧市作為伊犁州直首府，現(xiàn)有總?cè)丝?4.75萬，是國(guó)家“一帶一路”沿線支點(diǎn)城市，也是北疆重要城市。

該研究采用雨水采集法，是使用SDM6固定雨量器(包括不銹鋼漏斗和玻璃瓶)手動(dòng)收集每次降水，并用25 mm雨量筒(最小刻度0.1 mm)記錄降雨量。每次降水取全過程樣，如有連續(xù)降水過程，則08：00—次日08：00為一次樣品。降水樣品充分混勻后立即用50 mL干凈的聚乙烯瓶?jī)?chǔ)存，并暫時(shí)在-18 ℃環(huán)境中存放。

每個(gè)收集的樣品用0.45 μm濾膜過濾，NO-N、NH-N用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定，TN經(jīng)過硫酸鉀氧化后，紫外分光光度法測(cè)定。濕沉降量計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式(1)中，是一段時(shí)期內(nèi)個(gè)降水樣本計(jì)算的平均濃度(mg/L)；是第次單個(gè)樣本濃度(mg/L)；是第次降雨量(mm)。式(2)中，為濕沉降量[kg/(hm·a)]；為一段時(shí)期內(nèi)所有降水的總量(mm)；100為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

濕沉降總氮(TN)包括無機(jī)活性總氮(TIN)和可溶性有機(jī)氮(DON)，TIN是NO-N與NH-N之和；DON采用差減法，DON=TN-TIN。通過Excel對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

采樣期間，伊寧市共降水58次，年降水量為236.71 mm。對(duì)大氣氮濕沉降所有樣品中無機(jī)活性氮NO-N、NH-N進(jìn)行分析，從圖1可以看出，伊寧市大氣氮濕沉降中NO-N、NH-N的濃度大部分分布在2.00 mg/L以下，分別占總次數(shù)的82.75%、67.24%?？傮w上看，NO-N、NH-N的年平均濃度分別為0.57、1.17 mg/L，最大值分別為5.04、6.94 mg/L，最小值分別為0.04、0.29 mg/L，說明NO-N、NH-N在濃度分布范圍上變化較大，可能除了受排放源季節(jié)影響外，還與連續(xù)降水沖刷造成濃度持續(xù)降低有關(guān)。

圖1 無機(jī)活性氮濃度的頻數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of inorganic active nitrogen concentration

降水中NO-N、NH-N的濃度以及NH-N/NO-N值關(guān)系如圖2所示，該研究期間NO-N月均濃度為0.34～1.16 mg/L，月均濃度均低于NH-N月均濃度；NH-N月均濃度為0.49～2.45 mg/L，月均濃度變化較大，其中4—7月份都高于1.79 mg/L。NH-N/NO-N值為1.46～3.98，從全年變化來看，3—8月份比值均大于2，考慮3月底開始當(dāng)?shù)匮┧饾u融化，開始春耕生產(chǎn)至8月份都是農(nóng)忙季節(jié)，該時(shí)期以NH-N排放源為主導(dǎo)較為明顯。

圖2 2020年5月—2021年4月無機(jī)活性氮月均濃度變化以及NH4+-N/NO3--N值月變化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

圖3 2020年5月—2021年4月不同形態(tài)氮濃度的月變化Fig.3 Monthly variation of nitrogen concentration in different forms from May 2020 to April 2021

圖4 不同形態(tài)氮濃度的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of nitrogen concentration in different forms

從圖5可以看出，濕沉降無機(jī)氮組分NO-N月均沉降量為0.04～0.21 kg/hm，年均沉降量為1.33 kg/hm；NH-N月均沉降量為0.07～0.36 kg/hm，年均沉降量為2.78 kg/hm；DON月均沉降量為0.01～0.63 kg/hm，年均沉降量為2.04 kg/hm；TN月均沉降量為0.16～1.09 kg/hm，年均沉降量為6.15 kg/hm。從季節(jié)分布來看(圖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個(gè)季節(jié)沉降量為全年的66.76%；TN沉降量以春季最高(1.94 kg/hm)，秋季最低(0.89 kg/hm)?？傮w上大氣氮沉降量從大到小依次為春季[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)]。

圖5 2020年5月—2021年4月各形態(tài)氮濕沉降量和降水量的月變化Fig.5 Monthly variation of nitrogen wet deposition of different forms and precipitation from May 2020 to April 2021

圖6 各形態(tài)氮濕沉降量和降水量的季節(jié)變化Fig.6 Seasonal variation of nitrogen wet deposition of different forms and precipitation

Liu等的研究按照氮濕沉降(NO-N、NH-N濕沉降)在全國(guó)范圍沉降通量的大小劃分為高、中、低3個(gè)沉降區(qū)，新疆屬于低沉降區(qū)[<15 kg/(hm·a)]行列。該研究中伊寧市2020年5月—2021年4月TN濕沉降量為6.15 kg/(hm·a)，與低沉降區(qū)劃分值相符。從表1可以看出，與國(guó)內(nèi)其他城市相比，TIN年沉降量高于西藏林芝縣[2.36 kg/(hm·a)]，與烏魯木齊市[6.0 kg/(hm·a)]相近，低于其他東部城市。這是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)人口稠密，也是工農(nóng)業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)和氮肥的高投入地區(qū)，因此活性氮的排放顯著高于西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)。但是從氮沉降的不同形態(tài)濃度來看，NO-N質(zhì)量濃度為0.57 mg/L，高于林芝縣(0.10 mg/L)，是烏魯木齊市濃度的57.00%、太原市的4.42%；NH-N質(zhì)量濃度為1.17 mg/L，高于林芝縣(0.36 mg/L)，是烏魯木齊市濃度的90.00%、太原市的32.50%。從以上結(jié)果比較來看，伊寧市與烏魯木齊市相比，在交通運(yùn)輸、工業(yè)化規(guī)模方面差距較大。

氮沉降和富營(yíng)養(yǎng)化臨界負(fù)荷估算表明，我國(guó)已有約15%的土地超過臨界負(fù)荷，威脅到了生態(tài)系統(tǒng)健康。研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)的氮沉降臨界負(fù)荷總體上呈現(xiàn)東高西低的走向，新疆氮沉降臨界負(fù)荷為4～10 kg/(hm·a)。該研究TN濕沉降量為6.15 kg/(hm·a)，說明研究區(qū)域氮沉降已經(jīng)接近臨界負(fù)荷上限。

伊寧市大氣氮濕沉降量在不同形態(tài)所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為NH-N(45.20%)>DON(33.17%)>NO-N(21.63%)，可見DON是氮素濕沉降的重要組成部分。但是現(xiàn)有的研究多集中于降水中無機(jī)氮的定量，對(duì)于有機(jī)氮的定量研究較少。事實(shí)上，這部分氮素在大氣氮沉降中占有相當(dāng)大的比例，張海霞等研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)氮在氮濕沉降量中所占比例最大。從表1可以看出，DON濃度與沈陽市監(jiān)測(cè)結(jié)果接近，但是沉降量?jī)H占沈陽市的30.96%，說明兩地間降水量差距較大。

對(duì)伊寧市大氣氮濕沉降的各形態(tài)氮每個(gè)月沉降量和降水量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表2)，各形態(tài)的氮沉降量與降水量均呈顯著正相關(guān)(<0.05)，NO-N與NH-N之間沉降量呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，DON與NO-N、NH-N沉降量均呈正相關(guān)，TN與NO-N、NH-N、DON沉降量均呈極顯著正相關(guān)(<0.01)。

表1 該研究和全國(guó)其他城市大氣氮濕沉降各形態(tài)的比較Table 1 Comparison of various forms of atmospheric nitrogen wet deposition between this study and other cities in China

表2 各形態(tài)氮濕沉降量和降水量的相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficient of nitrogen wet deposition of various forms and precipitation

3 討論

根據(jù)已有的研究證明，NH-N主要來源于農(nóng)業(yè)化肥和畜禽養(yǎng)殖造成的氨揮發(fā)，另外，機(jī)動(dòng)車在低速行駛時(shí)，燃油燃燒不完全也會(huì)有氨的排放；NO-N主要來源于化石燃料燃燒和汽車尾氣排放；DON主要來源于以生物釋放、揚(yáng)塵和大氣化學(xué)反應(yīng)為主的自然源與以工業(yè)生產(chǎn)、化肥及化石燃料燃燒和生物質(zhì)能燃燒為主的人為源。不同形態(tài)氮沉降量所占比例不同，TIN濕沉降量為4.11 kg/(hm·a)，在TN中占66.83%，說明無機(jī)活性氮是氮沉降的主要形態(tài)。NH-N濕沉降量為2.78 kg/(hm·a)，在TIN中占67.64%，說明在當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)占主要地位，農(nóng)業(yè)施肥量大或畜牧養(yǎng)殖量大。NH-N/NO-N值在濕沉降中可以用來表示農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動(dòng)對(duì)氮沉降的相對(duì)貢獻(xiàn)，該研究中NH-N/NO-N值為2.05，說明研究區(qū)域氮沉降以農(nóng)業(yè)來源排放的氮沉降為主。伊寧市作為一座旅游城市，工業(yè)化程度低，并且所處的伊犁河谷是以農(nóng)牧業(yè)為主，所以來自農(nóng)業(yè)源的氨氮所占比例較高。該研究中NH-N/NO-N值>1，與伊寧市發(fā)展?fàn)顩r相一致。

該監(jiān)測(cè)點(diǎn)研究區(qū)域濕沉降存在季節(jié)性差異，總體上春季>冬季>夏季>秋季。3個(gè)季節(jié)的沉降量明顯高于秋季，其原因有幾個(gè)方面：一是春夏季節(jié)是伊犁河谷作物種植、畜牧生產(chǎn)的季節(jié)，肥料的大量施用、畜牧養(yǎng)殖造成大量活性氮的揮發(fā)；二是濕沉降通量與降水量呈顯著正相關(guān)，冬季、春季較大降水使沉降量增長(zhǎng)；三是冬季伊犁河谷燃煤供暖，化石燃料燃燒及城市機(jī)動(dòng)車交通擁堵造成活性氮排放量明顯增長(zhǎng)；四是從沉降濃度來看，春夏季節(jié)濃度較高，經(jīng)過2個(gè)季節(jié)雨水沖刷使秋季濃度下降，以及秋季莊稼成熟收獲后，農(nóng)田開始處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致沉降通量降低。

4 結(jié)論

(1)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，伊寧市大氣氮濕沉降中NO-N、NH-N、DON、TN平均濃度分別為0.57、1.17、0.86、2.60 mg/L。NO-N、NH-N濃度峰值集中在5—7月份，秋季濃度明顯低于其他3個(gè)季節(jié)；DON濃度在春季和冬季較高。從沉降量來看，TN沉降量為6.15 kg/(hm·a)，低于東部省份監(jiān)測(cè)結(jié)果。TIN占TN沉降量的66.83%，說明氮沉降是以無機(jī)活性氮為主。NH-N是TIN沉降量中的主要組成部分，所占比例為67.64%。在已有的氮沉降相關(guān)研究中，對(duì)DON沉降量分析較少，但是在該研究中發(fā)現(xiàn)DON占TN沉降量的33.17%，說明DON在氮沉降中也占有一定的比例。在研究大氣氮沉降的相關(guān)研究中，加強(qiáng)對(duì)DON的研究是很有必要的。

(2)大氣氮濕沉降量與降水量的相關(guān)性分析表明，不同形態(tài)的氮沉降量均與降水量呈顯著正相關(guān)(<0.05)，NO-N與NH-N之間沉降量呈極顯著正相關(guān)(<0.01)。降水量增長(zhǎng)，濕沉降量隨之增長(zhǎng)，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，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，該研究TN濕沉降量為6.15 kg/(hm·a)，如果再將氮素干沉降量計(jì)算在內(nèi)，總的沉降量已接近或超過了新疆氮沉降臨界負(fù)荷值4～10 kg/(hm·a)。因此，該地區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化及陸地生態(tài)系統(tǒng)(如草原、森林)的安全問題需要得到關(guān)注，建立與完善大氣氮沉降長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行。