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

梁亚宇，李丽君，刘 平，白光洁，吕 薇，普锦成

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

随着工业化、城市化以及农业现代化进程的加快，人类活动越来越频繁，排放到空气中的活性氮数量日益增多，并通过沉降方式进入陆地水生生态系统。研究表明，过量的氮输入会导致生态系统破坏[1]，比如，土壤酸化、水体富营养化，过量活性氮沉降到森林生态系统与工业中的SO2形成酸雨，直接危害森林植被和造成生物多样性的流失[2-3]。全球人为活动导致的活性氮生产量由1860年的15 t/a增加到2000年的165 t/a，随着社会经济的进一步发展，由人为活动排放的活性氮数量会继续增加，人类生活环境及生态系统会进一步遭到破坏[4]，因此，了解活性氮的来源与沉降现状和未来发展趋势十分必要。

大气氮沉降是指大气中活性氮化合物通过湿沉降和干沉降的形式降落到陆地和水体的过程。氮湿沉降是通过降雨、雪、雾等方式向生态系统主要输入铵态氮、硝态氮等无机态氮和有机氮。氮干沉降是通过降尘和湍流方式输入活性氮，主要包括NO2，NH3，HNO3及颗粒态 NH4+，NO3-。其中，硝态氮和铵态氮是湿沉降的主要成分，前者主要来自化石燃料及生物体的燃烧，还有城市交通运输及火力发电供暖等设施的排放；后者则主要受农业活动的影响，如农田施氮肥、畜牧养殖、垃圾填埋池、污水处理厂等[5]。我国对氮沉降系统的研究从20世纪70年代开始，20世纪80年代氮沉降速率显著增加，从20世纪60年代的0.31 g/（m2·a）增长至21世纪初的1.71 g/（m2·a）[6]，年增长率为0.04%，控制氮沉降急剧增加已经成为目前亟需解决的问题。

笔者主要阐述氮沉降研究方法及我国不同地理分区氮沉降情况，为解决环境及农业问题提供科学的决策依据。

1 氮的干湿沉降研究方法

1.1 湿沉降监测方法

湿沉降最常用的是雨量器，简易方便、价格低廉。但这种方法收集到的是混合沉降。华北平原、广东鼎湖山、陕西关中地区、江苏太湖地区等都采用自制雨量器来收集大气湿沉降。而降水降尘自动收集仪可实现对干湿沉降分离收集。后来研究者在室外用离子交换树脂法采集样品，避免了用雨量器采集样品后造成的时间及精确度上的误差。

用雨量器收集样品易于操作，价格低廉，但样品易被污染，费时费力。降水降尘自动收集仪可分别采集干湿沉降，但需要稳定的电源，不宜在偏远处设点。离子交换树脂法可以有效改善前两者的缺点，并且可以捕获云雾沉降，尤其是在暖湿地区的测定结果比雨量器收集的更真实准确。但是该方法对温度及树脂使用寿命的要求高[6]。

1.2 干沉降监测方法

干沉降的采集要比湿沉降复杂一些，干沉降是大气中的气体及颗粒物在相同大气交换机制（热、湿及冲量）作用的结果，受地球表面特性即物理、化学、生物等复杂过程的影响[8]。主要的研究方法有微气象学法和推算模型法，还有替代面法、差减法，收集干沉降常用的仪器是串级过滤采样器和被动采样器。

微气象学法优点在于可以原位测定，实现连续测量，但要求观测通量的下垫面面积足够大。替代面法是在收集样品时，集尘缸内一般保持5 cm液面高度的蒸馏水，遇到降雨封盖，雨停后揭盖继续收集，采样结束后测定水样体积和氮素含量。但局限性是只能收集直径大于2 μm的重力沉降部分，对气体和气溶胶等不能收集[9]。差减法是使用一直暴露在大气中的总沉降采样器和降水时暴露的湿沉降采样器同时进行采样，最后二者的差值就是大气氮素干沉降通量。

推算法的原理是一段时间内大气干沉降量等于一段时间内采集的大气活性氮浓度与沉降速率的乘积，沉降速率通过大气沉降速率阻力模型获得，这种方法简便准确，因此，得到广泛运用。但不同活性氮气体间的沉降速率差别很大[10]，不同地理分区的下垫面与气候因子差异很大，所以，沉降速率的确定存在难度。

另外，串级过滤采样器广泛应用于大气活性氮干沉降的监测，由英国生态水文中心开发的Delta系统实现了长时间的采样，节约了人力物力成本[11]。采样设备内有一个供采样的泵，用以抽取空气样品，采样泵的抽气口与加过吸附剂和滤膜的采样链相连，进入的气体活性氮成分会被采样链内扩散管上的吸附剂吸附，颗粒物被后面的滤膜收集。吸收的物质依次是气态硝酸、气态氨，剩余气体进入滤膜系统，经过分离和过滤，依次收集颗粒态NH4+，NO3-。这样大气中气溶胶和气态污染物中不同组分分离开，然后单独分析定量，最后结合微气象学方法计算沉降通量[11]，该系统近年在我国广泛应用。

被动采样器主要用于大气NO2和NH3的收集，刘平等[12]在研究中采用此方法采集大气NO2，NO2被动采样器内部浸渍20%的三乙醇吸附剂用于吸附NO2气体，该采样器置于距地面2 m，采样时间一般为30 d，在采样地收集回来后再4℃保存，用比色法测定其浓度。

近年来，随着对氮沉降研究不断深入，诸多研究者通过进行模拟氮沉降[13-14]对森林凋落物分解、土壤理化性质、微生物群落结构等的研究越来越多。模拟氮沉降一般是在地形均一、植被均一的地方建10～20个满足试验需求的样方，这些样方一般同等大小，每个样方间要留有相同距离的缓冲带，每个处理组一般是对照处理、低氮处理、中氮处理和高氮处理，通过这种方法研究氮沉降对土壤及植被的影响。

2 我国不同地理分区干湿沉降特征对比

我国氮沉降的时空分布变异性很大，21世纪初华北成为氮沉降的集中区，大气氮沉降通量从东南沿海向西北内陆递减[15]。

2.1 华北地区氮沉降特征

我国华北地区夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温在8～13℃，年降水量在400～1000mm。华北平原是我国重要的商品粮基地，也是我国氮肥高投入地区。大气向我国农田年输入氮量（湿沉降输入）约为全国年均施氮肥量的1/4[16]。研究显示，华北平原地区大气氮素总沉降在54.4～103.2 kg/（hm2·a）[17]，反映了其高水平的氮污染。华北平原降水中NH-N和NO-N的浓度平均分别为3.76，1.85 mg/L[18]，氮素混合沉降平均值为28 kg（/hm2·a）。北京大气氮素沉降32.5 kg（/hm2·a），高于山东和河北两省的23.6 kg（/hm2·a）[15]。山西省典型旱作农区4 a的大气氮总沉降为24.05～60.26 kg（/hm2·a），平均值为38.9 kg（/hm·2a）[19]，低于华北平原氮素沉降。尹兴等[20]在河北的研究表明，6 a的氮混合沉降平均为32.8 kg（/hm·2a），小于华北平原和山西旱作农区。据调查，华北地区过量施肥造成了深层土壤硝态氮累积、氨的挥发、地下水硝酸盐污染[21]等问题，对农业经济和生态环境的可持续发展造成严重影响。分析表明，氮素输入与降雨量的相关性很高，农田中NH4+-N沉降量是NO3--N的2倍。城市生态系统则主要以NO3--N为主，主要来源于人为活动，如交通、化石燃料燃烧等。近年来，华北地区的大气活性氮浓度及沉降量都有所增加，成为我国氮沉降最为严重的区域。华北地区农田大气活性氮沉降量远超过氮沉降对陆地生态系统影响警戒线（10 kg（/hm2·a）），且季节变化和年度变化均较大。

2.2 华中、华东、华南地区氮沉降特征

该区域包含多个省份，华东、华中地区气温平均13～18℃，年降水量500～1 600 mm，而华南地区高温多雨，降水量在1 400～2 000 mm，长江的大部分流经此地，是重要的淡水资源。太湖水体每年由湿沉降途径带入的N占其表观干湿沉降总量的79.5%。因此，雨、露、雾、雪等大气湿沉降是太湖水体受污染的主要途径[22]。因此，在降雨量丰富、雨热同期且经济高度发达、人类活动频繁的入海口，大气氮干湿沉降对水体生态系统造成了严重影响。珠江三角洲地区的森林、农田、城市生态系统氮湿沉降量分别达到了18～38，6～78，101 kg（/hm·2a）（混合沉降）[14]，可见人类活动对氮具有极大的影响。

雷州半岛典型农田的湿沉降总量为25.3 kg/（hm2·a），总沉降量为42.9 kg（/hm2·a）[23]。湖南长沙县金井河流域的农田、林地监测点的铵态氮沉降量最高，其大气氮混合沉降超过26 kg（/hm2·a）[24]，江西千烟洲农田湿沉降也达到了23.2 kg（/hm·2a）[25]，比华北平原要略低，但高于东北地区。铵态氮在湿沉降中所占比例达到50%。南京郊区氮沉降总量达到10.99 kg（/hm·2a）[26]，湿沉降占总量的60.1%。南方地区活性氮沉降量虽比北方高，但其浓度较低，是因为丰富的降雨对其的稀释作用。对林地而言，广东鼎湖山烂柯山湿沉降为38.2 kg（/hm2·a）[27]。林地生态系统氮沉降负荷值在10～20 kg（/hm·2a），鼎湖山亚热带林地仅湿沉降就超过了临界值，表明在我国南方亚热带地区大气中活性氮污染已经很严重。

2.3 西北地区氮沉降特征

西北地区是温带大陆性气候和高寒气候，包括陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆。西北地区深居内陆，气候干旱，冬季寒冷，夏季高温，年降水量在200～400 mm，有的地方仅50 mm。陕西关中地区工农业发展迅速，大气氮沉降总量有持续增加的趋势，魏样[13]用盆栽试验和长期定位试验估算出仅2008年5—9月杨凌地区大气总氮沉降平均为20.6 kg/hm2，2009年 5—10月为21.4 kg/hm2。西宁市郊则为25.6 kg（/hm·2a）[28]。近年来的研究表明，NO3--N占总无机氮的比例不断上升，说明工业发展、化石燃料燃烧、交通运输等显著影响到降雨中氮沉降。较之华北地区，南方地区的氮沉降量要低，但是这一值也超过了临界负荷值。

新疆地区属于干旱半干旱气候，乌鲁木齐市区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岭云杉森林生态系统大气氮干沉降通量为5.44 kg（/hm2·a），以NH3-N为主，约占干沉降总量的63%[30]。这是由于研究区内是以畜牧养殖为主，会排放大量NH3，另外，氮干沉降主要集中在春夏季，是因为春夏季人类生产活动较多，可见人为因素对氮沉降的影响很大。由此可以看出，大气氮沉降具有显著的空间差异，此地区远远低于雷州半岛、东北农田区的氮沉降量。原因在于西北地区受森林植被类型及地表覆盖度、冠层高度的影响，更为重要的是人为因素及气象条件。

以上研究均表明，由于西部地区干旱少雨，工农业欠发达，污染源少，该区各生态区氮沉降量比东部地区要低，新疆城郊农田大气氮干沉降量是荒漠-绿洲交错带农田的1.33倍[31]。由此可见，人为活动对农田、森林、城市生态系统的影响非常显著。因此，要找到活性氮污染的来源，需从源头治理，加以调控。

2.4 西南地区氮沉降特征

西南地区包括四川、重庆、贵州、云南、西藏自治区。由于青藏高原隆起，该区从西北到东南的温度和降水有很大差异，降水量基本上呈现“东多西少”，整个西南地区春季降水量偏少，夏季降水较多。该地的森林覆盖率为36%。藏东南林芝2 a的氮沉降监测显示，湿沉降量平均值是2.36 kg（/hm·2a）[32]，降水中铵态氮和硝态氮的平均浓度分别为0.36，0.10 mg/L。各形态氮浓度以春冬最高，夏秋较低，夏季氮沉降所占比例约为50%。可以看出，该地沉降量比国内外的平均水平减小了近10倍。由于该地多山地形，阻隔了空气顺畅运动，且工农业经济欠发达。相比而言，重庆近郊、远郊和林区总氮平均浓度远比林芝要高，铵氮在总氮中所占比例最大[33]。云南阳宗海总氮沉降通量夏季最高，对阳宗海富营养化贡献较大[34]。四川盆地西缘的都江堰年氮湿沉降量是36.2 kg/（hm2·a），无机氮占总氮的72.8%[35]，原因是此地区降雨量丰富及东南季风与青藏高原西风直流交汇处致污染物汇聚于此。

综上所述，虽然西南地区地形、气候类型复杂，大气氮沉降量相对其他地区比较低，但是仍高于生态系统的临界负荷值，尤其是都江堰及重庆氮沉降来源依然是以农业施肥与交通、工农业发展等为主，因此，同样应该对氮沉降带来的环境危害引起重视。

2.5 东北地区氮沉降特征

东北地区夏季温热多雨，冬季寒冷干燥，年降水量在300～1 000 mm，森林覆盖率高，广大的山区孕育着丰富的森林资源。黑龙江省和吉林省为农业大省。

森林是陆地生态系统重要的组成部分，过量的氮沉降会对森林生态系统产生负面效应，如伤害叶片，减少根冠比[36]。正常情况下，森林叶片中营养元素间的比例在一个正常范围之内，如果过多的氮沉降下来，会使其他营养元素稀释，造成植物体营养失衡[37]。孙涛[38]对东北兴安落叶松林1 a的氮湿沉降观测表明，该地区大气氮湿沉降量为19.16 kg/hm2，其中，铵态氮、硝态氮、可溶性有机氮的输入量分别占湿沉降量的52%，26%，22%。为期3 a的模拟氮沉降明显降低了土壤的pH值，因此，长期的氮素添加会导致土壤酸化。郝龙飞[39]研究表明，氮沉降显著降低林分地表植被覆盖率，且随氮沉降量增加而降低。随着工业排放和机动车尾气等人为氮源的增加，长白山森林有机氮湿沉降为16.6 kg/（hm2·a），占全年氮湿沉降总量的60%，空气中氧化氮的浓度明显增加。

吉林省中部农田生态系统年均湿沉降总氮量为18.3 kg/hm2[40]，对总氮贡献率为57%。氮输入会影响土壤碳密度，土壤碳库的动态平衡影响作物产量和土壤肥力的高低。由于东北地区总氮输入速率达到5.78 g/（m2·a），且土壤中有机碳含量高，氮沉降促进了东北地区土壤碳蓄积[41]，这是东北地区农田肥力高于全国其他地区的原因之一。

3 我国氮沉降研究展望

总体来说，国际上对氮沉降研究已形成较为成熟的体系，如美国的国家大气沉降计划，清洁空气状况与趋势网等，还有欧洲的监测与评价计划、氮素饱和实验等，他们的研究已经有了长足的发展。我国在此领域也有了很大的进步，中国农业大学的氮沉降网络也覆盖了全国40多个点。另外，在研究内容上，原先我国研究主要集中在湿沉降上，对干沉降及特殊环境条件的地区缺少定位点，对云雾沉降和冠层沉降的观测较少[8]，因此，今后可加大对上述沉降类型的监测研究，创造出新的研究方法。除此之外，现在采集干湿沉降的仪器存在局限性，要尽可能地改善，以减少监测误差。

氮沉降具有沉降范围广、沉降类型复杂、地域差异性强等特点，全国采用同一种方法采集沉降物存在一定难度，所以，需在实地监测的同时进行地域时空模拟研究。我国学者对诸多地区的氮沉降特征研究表明，氮沉降多与降水、施肥、能源燃料燃烧等有关，因此，对氮沉降做数值模拟，为更多地区的氮沉降情况做出合理估算，预测其氮沉降情况。另外，很多研究者已开始通过模拟氮沉降法对氮沉降与土壤理化性质、土壤微生物、土壤动物之间的关系进行研究，深入探究氮沉降对土壤生物和地球环境的影响。今后我国仍将继续加强对大气活性氮的横向监测并通过数值模型估算且预测更多地区的氮沉降情况。