岗南水库上游流域大气氮干湿沉降研究

赵宪伟 李橙 杨晶 马雄飞 王月锋 吴亦红 田在锋

摘要：以岗南水库上游流域为研究对象，在岗南水库及其控制流域设置5个采样点位，分析2015年7月至2016年6月流域大气氮素干、湿沉降通量时空分布特征。结果表明，岗南水库流域总氮干、湿沉降通量范围分别为177～1347 kg/（km2·月）和99～3868 kg/（km2·月）。大气干沉降以硝态氮和有机氮为主，春、夏季较高；湿沉降中氮素形态以氨态氮和硝态氮为主，夏季最高，春季次高，秋冬季较低。空间分布上，呈现出由西北向东南不断增加的趋势。利用大气氮素总沉降量、流域面积以及水库水面面积计算得到全流域大气总氮沉降入河负荷量为3 674 t/a，直接沉降入库负荷量为10516 t/a。

关键词：岗南水库；氮；干沉降；湿沉降

中图分类号：X52 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2018）05011507

Dry and wet deposition of nitrogen in the upstream basin of Gangnan Reservoir

ZHAO Xianwei1，LI Cheng2，3，YANG Jing2，3，MA Xiongfei2，3，WANG Yuefeng2，3，WU Yihong2，TIAN Zaifeng2

（

1.College of Water Sciences，Beijng Normal University，Beijing 100875，China；2.Hebei Academy of Environmental Sciences，Shijiazhuang 050037，China；3.Zhengqi Environmental Technology Co Ltd of Hebei，Shijiazhuang 050037，China）

Abstract：

[JP+2]In this study，we chose five sampling points in Gangnan reservoir basin to monitor nitrogen depositions.We analyzed the spatial and temporal distribution characteristics of dry and wet deposition fluxes of atmospheric nitrogen from July 2015 to June 2016.The results showed that dry and wet deposition fluxes of total nitrogen were 1771347 kg/（km2·month） and 993868 kg/（km2·month） respectively.The nitrate and organic nitrogen were the dominant contributors to atmospheric dry deposition flux.Their amount was higher in spring and summer.The nitrogen forms in wet deposition were mainly [JP+3]ammonia nitrogen and nitrate nitrogen，the amount of which was higher in summer and spring and lower in fall and winter.In terms of spatial distribution，there was an increasing trend from the northwest to the southeast.Based on the total amount of atmospheric nitrogen deposition，watershed area，and reservoir surface area，we calculated the total atmospheric nitrogen deposition into river for the whole basin，which was 3 674 t/a.The direct nitrogen deposition into the Gangnan reservoir was 10516 t/a.

Key words：

Gangnan Reservoir；nitrogen；dry deposition；wet deposition

氮素循環是自然界中重要的物质循环之一，20世纪以来，全球人口迅速增长，过量施用合成化肥以及畜禽养殖的发展，使得地球生态系统氮负荷超载，大气中含氮物质的浓度快速增加，最终过量的氮通过大气沉降进入水体和土壤。研究表明，55%～60%的人为活性氮以NOx和NHy这两种形式释放到大气中，其中70%～80%的成分继而又以大气干、湿沉降的方式返回到陆地系统和水体[12]。过量的氮沉降会引发土壤酸化、水生态系统富营养化等负面效应[34]。发达国家开展大气沉降的研究较早，目前主要集中在网络化、系统化方向，应用模型模拟不同生态系统的氮沉降量和沉降负荷[5]。中国氮沉降研究起步于20世纪70年代[6]。近些年的研究主要集中在不同生态系统大气氮素沉降的时空分布规律及影响方面[710]。研究表明，华北平原属于高氮沉降区，干沉降是该地区大气氮素沉降的主要部分[11]。河北平原城市近郊农田大气氮沉降量受周边地区工业与当地农田施氮量共同影响且由干湿沉降共同决定[12]。太原市旱作农区不同年份间总沉降数量较高，远超于氮沉降对陆地生态系统影响警戒线[13]。另外，大气氮素干湿沉降对区域水体的氮贡献也不可忽视，在部分地区已成为水体重要污染来源。杨龙元等[14]研究结果表明，大气TN的年沉降负荷占入湖河流等点污染源输入氮总负荷的488%，以湿沉降为主。太湖北部梅梁湾区域大气氮素年沉降量高达6 958 t，远超过太湖湖泊生态系统理论允许的总氮年沉降量[15]。

岗南水库为石家庄市的水源地，属海河流域子牙河水系。多年环境监测数据显示，岗南水库上游流域和岗南水库库区水体总氮含量超过应执行的《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类标准要求。作为地表水体氮素输入源之一，大气氮素干、湿沉降对本流域水系生态影响的研究尚未开展。因此，本文研究目标为：（1）通过2015-2016 年对岗南水库流域内5 个站点的大气氮干湿沉降的实地观测，揭示大气氮干湿沉降时空分布特征；（2）定量估算岗南水库流域大气氮干湿沉降通量，为预测干湿沉降对水库等淡水生态系统的影响提供基础数据。

1 流域概况

岗南水库上游流域面积15 900 km2，山区面积约占流域面积的66%。流域内主要有山西省的繁峙、代县、原平、忻州、定襄、五台、盂县及河北省的平山等8县（市），人口约有210多万人。流域地处半湿润半干旱地区，多年平均降雨量485 mm，且80%以上集中在汛期6月-9月。岗南水库上游流域横跨河北和山西两个重要的煤炭能源基地，其对大气中SO2、NOx的排放及空气污染的形成均有重要的贡献[16]。流域内耕地面积占总土地面积的40%，且化肥施用量大，研究表明[17]，化肥的挥发是影响大气沉降污染成分占比的重要因素之一。同时，近年来京津冀范围内灰霾频发，大气中活性氮含量增加，势必会对流域内大气氮素的沉降情况带来影响。

2 材料与方法

2.1 采样点的布设

为了全面了解流域内大气氮干湿沉降时空特征，并合理估算大气氮干湿沉降通量，结合流域地形地貌、水系特征，人类活动及采样便利性等因素，兼顾空间位置和不同经济发展类型，在岗南水库流域选择5个具有代表性的县城或乡镇作为采样点（见图1和表1）。

2.2 样品的收集与测试

样品采集：借鉴已有研究的样品收集方法[2021]，参照国家大气环境监测规范，所有干湿沉降样品由全自动干湿沉降采样仪（APS3A，长沙湘蓝科学仪器有限公司）进行收集。仪器分湿沉降采样通道和干沉降采样缸两个部分，降雨开始10 s内干沉降采集自动停止，封盖，雨停5 min后自动开始。干沉降桶中铺PUF膜，以其代表面采集样品；雨水样收集于高密度聚乙烯塑料瓶，在仪器自带冰箱中低温保存。采样频率以一个月为期，PUF膜用洁净的聚乙烯塑料袋包装，密封，标号，带回实验室后室温下自然风干，随后放入恒温恒湿器中干燥后冷冻保存。

干沉降样品处理过程：首先将PUF膜分成10～20等份，从中选取一定量的样品膜，浸泡后用MilliQ水超声波提取1 h，将提取液用045 μm的醋酸纤维膜进行过滤，使用连续流动分析仪（德国Seal AA3）测定滤液中的总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮。

湿沉降样品处理过程：样品用045 μm的醋酸纤维膜进行过滤后，先测定pH值，然后利用连续流动分析仪（德国Seal AA3）测定溶解性营养盐浓度，包括总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮。

2.3 数据分析方法

根据2015年7月到2016年5月对各个站点采集干湿沉降样品实验測试所得数据，利用公式（1）和（2）计算，得出流域大气氮干湿沉降通量。前期运用Excel进行采样记录和实验室原始测试数据的统计，数据处理采用SPSS软件进行平均值和方差分析等，最终时间和空间层面的数据比较和展示采用Origin 85和ArcGIS。

干沉降通量计算见公式（1）：

3 结果与讨论

3.1 大气总氮干、湿沉降通量

根据5个采样点11个月总氮干、湿沉降监测分析，得到流域总氮沉降通量统计结果（见表2）。干沉降通量范围为177～1347 kg/（km2·月），平均值为656 kg/（km2·月）。湿沉降通量范围99～ 3868 kg/（km2[KG-*4]·[KG-*4]月），平均值为1270 kg/（km2[KG-*4]·[KG-*4]月）。各月大气总氮干沉降通量变异系数为038，湿沉降通量变异系数为081。由此可见，大气总氮湿沉降受年内降水分配不均匀影响，变异特征较为显著。与我国其他区域对比，岗南水库流域大气氮干、湿沉降通量均高于福建九龙江流域[2223]结果。虽然不同的研究方法和测定方案对数据的可比性有一定影响，但是本研究结果足以说明岗南水库流域的大气氮沉降量非常可观，由此引起的生态环境效应问题不容小觑。

3.2 大气总氮干、湿沉降通量变化特征

3.2.1 总氮沉降时间变化趋势

岗南水库流域大气氮干、湿沉降通量随时间变化曲线见图2，其中2016年1月、2月降雨量极少，因此无湿沉降数据。从图中可以看出，春（2月-5月）、夏（6月-9月）两季总氮沉降通量偏高，秋（10月-12月）冬（12月-次年2月）两季沉降通量偏低。存在的原因为：（1）研究流域降雨量年内极不均匀，年降水70%～80%集中在汛期（春、夏两季），多以暴雨形式出现[24]，暴雨有利于大气氮沉降进入土壤或水体，导致氮沉降量偏大；（2）采样点多分布于农村，春、夏两季含氮化肥、农药的使用量增高；（3）由于受到春夏两季高温的影响，畜禽粪便中氮素容易挥发，上述原因均会导致大气中氨氮升高，进而影响大气中氮素沉降量[2526]。

从逐月大气总氮干、湿沉降通量比例关系可以看出（图3），春季大气总氮沉降以干沉降为主，占总沉降通量的4923%～100%；夏、秋两季主要为湿沉降，占总沉降通量的5871%～8139%。春季风沙天气较多且湿度小，干沉降偏高；夏秋两季降雨量较大， 湿沉降量也较多，说明干湿程度直接决定干湿沉降量比例。

3.2.2 总氮沉降空间变化趋势

研究区总氮干、湿沉降通量空间变化见图4。可以看出无论干沉降还是湿沉降，其氮输入量均呈现出由西北向东南不断增加的趋势。总体反映出农业生产区（化肥施用强度大）、交通要塞，氨挥发强烈，因此氮沉降量较大的规律。干、湿沉降量最高值均出现在下槐镇（点位5），分析其原因有以下几种。（1）从表3可以看出，下槐镇降尘量和降雨量均处于较高水平。降尘量和降雨量直接决定干、湿沉降量。

（2）与其他点位相比，此地地势开阔，海拔较低，气象扩散条件较差，利于颗粒沉降。（3）从图4可以看出，该点位干沉降中硝酸盐氮占比也明显高于其他采样点，硝酸盐氮是汽车尾气的主要成分，该区域位于交通枢纽，是连接河北和山西两省的运煤要道，运输车辆尾气排放及运输过程中煤粉产生大量扬尘，导致该点位大气氮沉降量较大。

3.3 大气干、湿沉降中氮素形态及来源分析

3.3.1 氮素各成分比例变化趋势

干沉降中不同形态氮素组分占比见图5。研究[CM（22]区干沉降中氨态氮平均占总氮比例的23%，硝态氮

平均占总氮的3126%，有机氮平均占381%，区域氮素干沉降以硝态氮和有机氮为主。

湿沉降中氨态氮平均占总氮为5633%，硝态氮平均占总氮的3652%，均大于干沉降比例，而有机氮含量比例大幅度下降，平均仅占598%。因此，研究区湿沉降氮素形态比例以氨态氮和硝态氮为主。

3.3.2 氮素形态组成季节变化趋势

不同形态氮素干、湿沉降通量也表现出一定的时间分布差异（见图6）。其中氨态氮、硝态氮和有机氮干沉降平均通量分别为1339 kg/（km2·月）、1997 kg/（km2·月）、2688 kg/（km2·月）。夏季（7月-9月）各组分干沉降量呈现下降趋势，这源自夏季多雨，空气中颗粒物含量减少。10月以后各组分干沉降量继续下降，至11月氨态氮和硝态氮达到最低值，12月-次年2月有缓慢增加的趋势，而有机氮沉降量继续保持下降。这是由于本文研究区域处于农业生产活跃区，大气中有机氮主要以还原态形式存在[24]，存留时间短，在冬季条件下易被氧化为氨态氮和硝态氮；另外由于北方冬季燃煤取暖也会导致大气沉降中硝态氮含量的增加。3月-5月所有组分均呈现增加趋势，有机氮增量明显，可能与研究区域靠近内蒙，春季大风天气引起的土壤再悬浮也可以将其中所含的腐殖质和细菌等带入大气造成了所采集的沙尘气溶胶中有机氮的浓度增高。氨态氮主要来源于土壤中施用的有机氮肥和无机氮肥的铵释放。

氨态氮、硝态氮和有机氮湿沉降平均通量分别为7171 kg/（km2·月）、4043 kg/（km2·月）、680 kg/（km2·月）。7月-9月气温较高加速畜禽粪便氨挥发，进入大气，随后在强降雨作用下沉降到地面，导致氨态氮、硝态氮湿沉降量达到最大值，之后逐渐下降至秋季最小。进入春季后，由于农业活动频繁，沉降量又有所回升。因此，岗南水库上游流域氨态氮、硝态氮和有机氮的大气湿沉降通量在夏季最高，春季次高，秋冬季较低，主要是受到区域气候特点和农业活动的影响。

3.4 大气总氮干、湿沉降对岗南水库流域及库区氮负荷贡献[HJ]

通过岗南水库上游流域大气总氮干、湿年均沉 降通量656 kg/（km2·月）和[HJ]1270 kg/（km2·月）以及流域面积15 900 km2，计算获得研究区大气总氮总沉降量。相关研究表明，大气氮素中只有約11%～12%沉降到水体中[2627]，岗南水库上游流域位于山区，植被覆盖良好，因此确定本研究流域大气氮素入河量占总沉降量的10%，计算确定全流域2015年7月-2016年6月大气总氮沉降入河量为3 674 t/a。采用研究区下游下槐镇（点位5）总氮沉降结果，结合岗南水库水面面积[26]，估算大气总氮通过直接沉降入库污染负荷量为10516 t/a。

4 结论

（1）受半湿润半干旱地区气候特征影响，研究区内大气总氮干沉降通量范围为177～1347 kg/（km2·月）、总氮湿沉降通量范围99～3868 kg/（km2·月）。全流域在监测时间段内大气总氮沉降入河负荷量为3 674 t/a，大气总氮通过直接沉降入库负荷量约为105 t/a。

（2）大气总氮沉降时空变异特征较为显著，主要是受年内降水分配不均的影响。1月-5月大气总氮总沉降通量以干沉降为主，7月-12月大气总氮沉降以湿沉降为主，符合流域半湿润半干旱气候特点。在空间上，大气总氮干、湿沉降通量最高值均出现在下槐镇（点位5），分别为8155 kg/km2和16468 kg/km2。

（3）流域大气干沉降以硝态氮和有机氮为主，湿沉降氮素形态以氨态氮和硝态氮为主，且均大于干沉降比例。从总体来看，研究区大气氮干、湿沉降量比较可观，由此引起的生态环境效应问题不容忽视。

受经费及大气沉降样品收集较为困难的限制，本文仅在流域内选择有限的5个采样点进行监测，加之大气氮沉降过程会受到大气物理、化学、生物、生态等多种因素的综合影响，使本研究在探讨大气氮干湿沉降空间分布特征和估算流域总沉降量时受到一定限制，不能对造成大气氮干湿沉降时空差异的影响因素进行深入的探讨。但是，本研究仍可为进一步深入开展小流域及水库大气氮沉降及其生态环境效应研究奠定基础。

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