广东韶关地区大气氮干湿沉降特征研究

刘思言，陈 瑾，卢 平*，李来胜，陈中颖

1. 华南师范大学化学与环境学院，广东 广州 510655；2. 环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655

广东韶关地区大气氮干湿沉降特征研究

刘思言1，陈 瑾1，卢 平1*，李来胜1，陈中颖2

1. 华南师范大学化学与环境学院，广东 广州 510655；2. 环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655

2012年4月─2013年9月利用自动分离干湿沉降的采样器对广东省韶关市降雨和干沉降进行采集，分析样品降雨量、降尘量及氮营养盐干湿沉降浓度，计算各指标干湿沉降通量，利用沉降通量分析其影响因素及季节性变化趋势，为该地区大气氮沉降的通量预测及其环境管理提供支持，并为其生态环境中污染物的控制与减排提供科学依据。结果表明，观测期间总氮干沉降通量、湿沉降通量和总沉降通量平均值分别为47.73、295.7和310.5 kg·km-2·month-1。氨态氮、硝酸盐氮与有机氮干沉降通量平均值分别为17.39、12.98和17.37 kg·km-2·month-1，其湿沉降通量平均值分别为132.4、117.0和46.23 kg·km-2·month-1。总氮湿沉降通量占总氮总沉降通量平均比例为83.19%，说明总氮沉降通量以湿沉降为主。影响因素方面，总氮干沉降通量与降尘量无相关性；湿沉降受降雨量影响较大，所以受雨季影响，韶关地区4─6月总氮湿沉降负荷较大。成分组成上，干沉降中氨态氮平均占总氮比例35.48%，硝酸盐氮平均占27.96%，有机氮平均占36.55%，因此该地区氮营养盐干沉降中以氨态氮和有机氮为主；氮营养盐湿沉降以氨态氮和硝酸盐氮为主，氨态氮平均占总氮比例46.87%，硝酸盐氮平均占40.64%，有机氮平均比例为12.49%，说明该地区湿沉降同时受到农业活动和工业活动的影响。季节变化上，氮营养盐干沉降通量由大到小依次为冬季、春季、秋季、夏季，湿沉降通量春季较高，夏秋两季较低。

大气氮沉降；干沉降；湿沉降；韶关

随着工业、农业活动日益增多，人类向大气排放的氮化物不断增加，已经影响到大气沉降中氮营养盐含量的变化。虽然早在18世纪后期，洛桑试验站就开始对大气氮沉降进行研究(Goulding等，1998)，但是相对其他污染源，大气沉降中的氮污染容易被忽视。近几年，我国大气氮沉降才逐渐受到关注，Xu（Xu等，2013）等分析出大气沉降是长江流域中溶解性无机氮的重要来源之一；颜文娟（颜文娟和史锟，2013）等监测出大连市区总氮湿沉降通量高于生态系统氮沉降饱和度临界点（樊后保和黄玉梓，2006），而过量的氮营养盐输入将导致水体富营养化、土壤酸化等环境问题的出现。在广东省，珠江口地区总氮总沉降通量较高（陈中颖等，2010），而深圳市各氮营养盐湿沉降通量平均值均高于国外（Huang等，2013）。因此，广东省大气沉降中的氮污染应受到重视。

目前，广东省韶关地区水环境氮营养物质超标（李瑞林，2010；冉东辉，2011）且水体自净能力降低，造成该问题的主要原因之一就是通过降雨沉降的大气氮污染物（梁瑞英和黄小兰，2001），因此研究该地区大气氮沉降具有重要意义。本研究通过对韶关地区大气总氮及氮营养盐干湿沉降的监测，分析出其影响因素和变化规律，为大气氮沉降的通量预测及其环境管理提供支持，并为该地区生态环境中污染物的控制与减排提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

韶关市位于广东省北部，西北和东北与湖南省郴州市、江西省赣州市交界；东南接河源市，西南连清远市，南邻广州市和惠州市，介于东经112°50′～114°45′、北纬23°5′～25°31′之间。一年四季均受季风影响，冬季盛行东北季风，夏季盛行西南和东南季风，四季特点为春季阴雨连绵，秋季降水偏少，冬季寒冷，夏季偏热。雨量充沛，年均降雨1400～2400 mm，3─8月为雨季，9─2月为旱季。

1.2 样品采集

沉降样品使用直径为φ220 mm可自动分离干湿沉降的自制采样器采集，干沉降采用湿法收集，即向缸中预先加入适当量的去离子水作为收集液，本研究采用去离子水作为收集液，且在每月月底收集1个样品；湿沉降缸事先用稀盐酸和去离子水清洗，并在雨后收集样品，每月视降雨情况采集雨样，多雨季节采集7场有代表性的降雨样品，少雨季节则采集当月所有场次的降雨样品。沉降样品装入经预处理的聚乙烯瓶，尽快送实验室分析。

样品采集时间为2012年4月─2013年9月。

1.3 样品分析

降尘量采用重量法分析；降雨量由翻斗式雨量计自动记录；总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法（HJ636─2012）；硝酸盐氮采用紫外分光光度法（HJ/T346─2007）；氨态氮采用纳氏试剂分光光度法（HJ525─2009）；亚硝酸盐氮采用离子色谱法（GB/T1350.5─1992）。

1.4 数据处理

收集到的样品根据降雨量和样品中污染物的浓度，分别采用式（1）～（3）计算每个月干沉降、湿沉降以及总沉降的沉降通量，并应用Execl2010和SPSS12.0进行数据分析。

式中：FD、FW和FT分别为表观的干沉降、湿沉降和总沉降月通量，kg·km-2·month-1；C为当月干沉降样品的氮组成浓度，mg·L-1；V为干沉降采样后沉降缸内剩余的液体量，L；f为干沉降采样时间折算系数，即实际采样小时数与月平均730小时之比；S为干沉降缸的面积，m2；ci为当月第i次湿沉降样品的氮组分浓度，mg·L-1；hi为第i次湿沉降采样时的降雨量，mm；H为湿沉降采样当月的总降雨量，mm。

2 结果与分析

2.1 总氮沉降观测结果分析

2.1.1 总氮沉降通量分析

表1为2012年4月至2013年9月总氮沉降通量观测结果。其中，总氮干沉降通量为3.820～116.8 kg·km-2·month-1，平均值为47.73 kg km-2month-1，高于福建九江流域（陈能汪等，2006），略低于大亚湾地区（邹伟等，2011）。总氮湿沉降通量为20.48～694.8 kg·km-2·month-1，平均值为295.7 kg·km-2·month-1，远高于大亚湾、新加坡（Jun等，2011）地区，且明显高于韶关地区总氮干沉降通量。总氮总沉降通量为32.48～806.0 kg·km-2·month-1，平均值为310.5 kg·km-2·month-1。从干湿构成来看，与美国Barnegat Bay地区（Yuan，2002）研究结果相似，总氮湿沉降通量占总氮总沉降通量平均比例高于80%，为83.19%，而干沉降比例平均值只有16.81%，由此可见该地区总氮沉降是以湿沉降为主。

表1 韶关地区氮沉降通量观测结果Table 1 Atmospheric deposition fluxes of nitrogen in Shaoguan

图1 氮沉降通量随时间变化趋势Fig. 1 Temporal variation of TN deposition fluxes

2.1.2 总氮沉降通量随时间变化趋势

图1为2012年4月至2013年9月韶关地区总氮沉降通量随时间变化趋势，其中2013年1、2月降雨量极少，故无湿沉降数据。由图可知，总氮总沉降变化趋势与湿沉降变化趋势完全相同，因此总氮总沉降通量大小主要影响来源于湿沉降通量。观测期间，干沉降通量波动性相对湿沉降通量较小，对总沉降通量贡献不大。比较两年观测数据，5─7月，总氮湿沉降通量呈下降趋势，且两年同月份沉降通量水平基本一致；8月湿沉降通量较7月有所增加，同时2013年8月湿沉降量明显高于2012年；9月则回到7月沉降量水平。除1、2月外，9月之后总氮湿沉降通量一直呈上升趋势至次年5月。氮湿沉降通量大小与降雨量及当地施肥量有明显关系，施肥量大，氮湿沉降通量亦增大，因此推断韶关地区进入3月后总氮湿沉降通量明显增加，其主要原因有两个：一是降雨量的增加；二是由于该地区以农业为主，农田挥发出的氨是大气中氨态氮的主要来源，进入春季后，农业活动频繁，植物进入生长期，需施洒大量含有氮元素的化肥、农药，造成大气中氨氮浓度增加。

2.1.3 总氮沉降变化影响因素

2.1.3.1 降尘量对总氮干沉降的影响

图2为总氮干沉降通量与降尘量关系。总氮干沉降通量大小与降尘量无相关性（r=3.06，P=0.914，）。由图可知，除个别月份外，韶关地区降尘量相对稳定。2013年3月出现高峰值可能是因为1月和2月连续两个月降雨量少，空气相对干燥，因此存留大量悬浮物在3月沉降至地面。但是，总氮干沉降量的大小并没有随着降尘量的增加而增大。2012年11月、12月与次年5月，观测到的降尘量没有明显增加，但是总氮干沉降通量却处于较大值；相反，3月降尘量较大时，总氮干沉降量却有所下降。

总之，韶关地区总氮干沉降通量与降尘量变化关系不明显。降尘量并不是总氮干沉降通量大小的主要影响因素，应该还受到当地湿度、气温、风速、风压的等气象条件的影响。

图2 总氮干沉降通量与降尘量关系Fig. 2 Relationship between dry deposition fluxes of TN and dust fall

图3 总氮湿沉降通量与降雨量关系Fig. 3 Relationship between wet deposition fluxes of TN and rainfall

2.1.3.2 降雨量对总氮湿沉降的影响

图3为总氮湿沉降通量变化与降雨量关系，由于2013年1、2月降雨量极少，故无其湿沉降数据。湿沉降通量大小与降雨量呈正相关性（R=0.606，P=0.013），即基本随降雨量的增加而增大。2012年4─6月韶关地区总降雨826 mm，占本研究2012年（4─12月）降雨量的52.83%，相应的湿沉降通量总和1201 kg·km-2，占同年湿沉降量62.20%；2013年4─6月总降雨量798 mm，占本研究2013年（3─9月）降雨量的41.50%，同期湿沉降通量总和占2013年湿沉降量55.70%。由此可知，受降雨影响，韶关地区总氮湿沉降量主要集中在4─6月，此3个月总氮湿沉降通量总和比例均高于全年的50%。2013年8月总氮湿沉降通量高出2012年同期湿沉降通量2倍，其原因是受到台风“尤特”的影响，韶关地区遭强降雨侵袭，通过无线通信设备监测到该月降雨高达778 mm，是2012年同期降雨量的4倍左右，因此在2013年8月出现较高峰值。相反，降雨量较少的月份对应的湿沉降通量也较低，如每年的7月和9月。

综上所述，降雨量变化是韶关地区总氮湿沉降量主要影响因素，总氮湿沉降通量大小随着降雨量的增大而增加。受雨季影响，韶关地区4─6月总氮湿沉降负荷较大，故若需对该地区环境中氮污染物控制与减排，应该重点关注此3个月。

2.2 大气沉降中氮营养盐组成观测结果分析

2.2.1 氮营养盐中各成分比例变化趋势

2.2.1.1 干沉降中氮营养盐各成分组成

图4为干沉降中氮营养盐各成分组成百分比。监测期间，氨态氮占总氮比例在27.87%～50.46%间波动，其比例低于同样以耕地为主的陕西省杨凌地区（苏成国等，2003）。2012年氨态氮比例全年高于30%，2013年虽然有所下降，但仍有6个月高于30%。硝酸盐氮占总氮比例处于16.77%～40.85%间，超过一半监测时间低于30%。有机氮占总氮比例偏高，波动范围为18.50%～52.72%，其中有9个月高于35%，大气沉降中的有机氮同样能被水中的浮游生物利用（Peierls和Pearl，1997），因此韶关地区应控制有机氮排放。总之，韶关地区干沉降中氨态氮平均占总氮比例35.48%，硝酸盐氮平均占27.96%，有机氮平均占36.55%，因此该地区氮营养盐干沉降中以氨态氮和有机氮为主。

2.2.1.2 湿沉降中氮营养盐各成分组成

图5为湿沉降中氮营养盐各成分组成百分比。湿沉降中，氨态氮平均占总氮比例46.87%，硝酸盐氮平均占40.64%，均大于干沉降中的所占比例，而有机氮平均比例大幅减少，为12.49%。观测期间，氨态氮占总氮比例在25.24%～70.54%间波动，与干沉降相比，波动范围更宽。硝酸盐氮占总氮比例最高时超过50%，其中有14个月超过30%，而浙江农业活动频繁的临安地区硝态氮比例平均只有33.5%（倪婉敏等，2012），因此韶关地区工业生产对大气产生的氮污染也应受到关注。有机氮占总氮比例波动范围为0.39%～27.48%，比较两年数据发现，2013年有机氮湿沉降比例较2012年有明显增加。从变化趋势上来看，氨态氮与硝酸盐氮比例变化趋势基本相反，仅在2013年3、4月两者所占比例一起减少。总之，韶关地区氮营养盐湿沉降组分与干沉降不同，以氨态氮和硝酸盐氮为主，说明该地区湿沉降同时受到农业活动和工业活动的影响。

图4 干沉降中氮营养盐各成分组成百分比Fig. 4 Chemical composition of dry deposition fluxes of nitrogen

图5 湿沉降中氮营养盐各成分组成百分比Fig. 5 Chemical composition of wet deposition fluxes of nitrogen

图6 氮营养盐干沉降通量季节变化趋势Fig. 6 Seasonal variations of the dry deposition fluxes of nitrogen

2.2.2 氮营养盐组成季节变化趋势

2.2.2.1 干沉降中氮营养盐组成季节变化趋势

图6为氮营养盐组成干沉降季节变化趋势。氨态氮、硝酸盐氮与有机氮干沉降通量平均值分别为17.39、12.98和17.37 kg·km-2·month-1，且随季节变化趋势大致相同。由图可知，6月进入夏季后，各指标干沉降通量逐月减小，7月─9月硝酸盐氮和有机氮干沉降通量甚至低于10 kg·km-2·month-1（除2013年8月）。秋季各指标干沉降通量有所增加。冬季和春季，氨态氮和有机氮干沉降通量维持较高水平，并在5月出现最大值。硝酸盐氮干沉降通量虽然在冬季逐月下降，但平均值仍高于秋季。总之，氨态氮、硝酸盐氮和有机氮在冬季和春季干沉降通量较大，夏季和秋季普遍偏低，由大到小依次为冬季、春季、秋季、夏季。

2.2.2.2 湿沉降中氮营养盐组成季节变化趋势

图7为氮营养盐组成湿沉降季节变化趋势。氨态氮、硝酸盐氮和有机氮湿沉降通量平均值分别为132.4、117.0和46.23 kg·km-2·month-1，数值上明显高于干沉降通量。由图可知，夏季开始，氨态氮和硝酸盐氮湿沉降通量逐月下降，8月两者沉降通量因强降雨量而增大。入秋后，氨态氮和硝酸盐氮湿沉降通量开始增加。有机氮湿沉降通量在夏季和秋季维持低值。与崔键(崔键等，2009)等人的研究相似，春季后，各项指标湿沉降通量明显增大，可能因为春季农业活动较频繁，大气中氮营养盐成分较高。总之，春季湿沉降通量较大，夏、秋两季偏低，冬季因缺少数据无法准确比较，参考广东省增城地区湿沉降春、夏季高，秋、冬季低的监测结果（林兰稳等，2013），推断韶关地区冬季湿沉降通量低于春季。由于湿沉降通量受到降雨量影响较大，故出现无湿沉降或夏季8月湿沉降通量较大等的特殊情况，因此需要多年长期监测才能确切掌握各氮营养盐组分湿沉降季节性变化特征。

图7 氮营养盐湿沉降通量季节变化趋势Fig. 7 Seasonal variations of the wet deposition fluxes of nitrogen

3 结论

（1）广东省韶关地区总氮干沉降通量、湿沉降通量和总沉降通量大小平均值分别为47.73、295.7和310.5 kg·km-2·month-1。从干湿构成来看，总氮沉降是以湿沉降为主。总氮总沉降通量变化趋势与湿沉降相同，均在3─5月偏高，一是因为降雨量的增加，二可能是施洒大量含有氮元素的化肥、农药所致。总氮干沉降通量变化相对平稳，且对总沉降通量贡献不大。

（2）降雨量是韶关地区总氮湿沉降量变化的主要影响因素，湿沉降通与量降雨量呈正相关性。受雨季影响，该地区总氮4─6月总氮湿沉降负荷较大，需重点关注。干沉降方面，因总氮干沉降通量大小与降尘量无明显相关性，故降尘量并不是影响氮干沉降通量大小的主要因素，应该还受到当地湿度、气温、风速、风压的等气象条件的影响。

（3）氮营养盐成分组成方面，韶关地区氮营养组成盐干沉降以氨态氮和有机氮为主。湿沉降有所不同，以氨态氮和硝酸盐氮为主，说明该地区湿沉降同时受到农业活动和工业活动的影响。

（4）观测期间，氨态氮、硝酸盐氮和有机氮干沉降通量平均值分别为17.39、12.98和17.369 kg·km-2·month-1，其季节性差异由大到小依次为冬季、春季、秋季、夏季。湿沉降方面，氨态氮、硝酸盐氮和有机氮沉降通量平均值分别为132.4、117.0和46.23 kg·km-2·month-1，其季节变化与干沉降相似，基本上春季沉降通量较大，夏、秋两季偏低，但由于降雨影响较大，短期内无法准确掌握其季节变化趋势特征。

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Dry and Wet Atmospheric Deposition of Nitrogen into Shaoguan, Guangdong Province

LIU Siyan1, CHEN Jin1, LU Ping1*, LI Laisheng1, CHEN Zhongying2
1. School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510655, China; 2. South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environment Protection, Guangzhou 510655, China

To help predicate the atmospheric nitrogen deposition fluxes and provide scientific basises for ecological environment pollution control and abatement assist environmental, the characteristics of atmospheric nitrogen deposition in Shaoguan, Guangdong Province were investigated. In the study, the dry and wet atmospheric nitrogen deposition samples were collected by an automatic sampler from April 2012 to September 2013, and the amounts of rainfall, dust deposition, and wet and dry atmospheric nitrogen deposition were measured, followed by the calculation of the deposition fluxes of each indicator. Based on the results, the influencing factors and the seasonal change tendencies of the deposition indicators were analyzed. The results show that the average wet, dry and bulk deposition fluxes of nitrogen were 47.73 kg·km-2·month-1, 295.7 kg·km-2·month-1and 310.5 kg·km-2·month-1, respectively. The average ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, and organic nitrogen dry deposition fluxes were 17.39 kg·km-2·month-1, 12.98 kg·km-2·month-1and 17.37kg·km-2·month-1,respectively, and their corresponding average wet deposition fluxes were 132.4 kg·km-2·month-1, 117.0 kg·km-2·month-1and 46.23 kg·km-2·month-1, respectively. The wet nitrogen flux accounted for 83.19% of the total nitrogen flux, showing that wet deposition contributes mainly to the bulk nitrogen deposition. In addition, the total dry nitrogen deposition flux had no correlation with the amount of dust deposition, but the wet deposition flux was greatly influenced by the amount of rainfall, as evidenced by a large load of wet nitrogen deposition of nitrogen from April to June, the rainy season in Shaoguan. Furthermore, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, and organic nitrogen accounted for 35.48%, 27.96% and 36.55% of the dry total nitrogen, respectively, indicating that ammonium nitrogen and organic nitrogen were the main contributors to the dry nitrogen deposition. On the other hand, ammonium nitrogen and nitrate nitrogen were the main contributors to the wet nitrogen deposition, with ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, and organic nitrogen accounting for 46.87%, 40.64% and 12.49% of the wet nitrogen deposition, respectively, and the results imply that the wet nitrogen deposition was influenced both by agricultural and industrial activates in the area. As for seasonal change, the dry nitrogen deposition fluxes were descending in the order of the Winter, the Spring, the Autumn and the Summer, but the wet deposition fluxes was relatively higher in the Spring and lower in the Summer and Autumn.

atmospheric nitrogen deposition; dry deposition; wet deposition; Shaoguan

X51

A

1674-5906（2014）09-1445-06

刘思言，陈瑾，卢平，李来胜，陈中颖. 广东韶关地区大气氮干湿沉降特征研究[J]. 生态环境学报, 2014, 23(9): 1445-1450. LIU Siyan, CHEN Jin, LU Ping, LI Laisheng, CHEN Zhongying. Dry and Wet Atmospheric Deposition of Nitrogen into Shaoguan, Guangdong Province [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1445-1450.

国家环保公益性行业科研专项(201109008)

刘思言（1989年生），女，硕士研究生，主要研究方向是大气氮磷干湿沉降。E-mail: liusiyan891027@163.com *通讯作者：卢平(1966年生)，女，副教授，从事水污染控制工程及环境分析研究。E-mail: luping@scnu.edu.cn

2014-06-10