大气氮沉降特征及对土壤和植物的影响研究进展

陈媛媛，张 成*，肖欣娟，钟文挺，王 科，李 根，郑 成，郑罗崇都

（1.成都市农业技术推广总站，四川成都 610041；2.都江堰市农业农村局，四川成都 611830）

大气沉降是物质进行地球化学循环的重要途径，是指大气中的污染物经过一定的途径沉降至地面或水体的过程，可以分为干沉降和湿沉降。干沉降是指大气中的物质通过物理（重力作用、惯性作用、湍流运动、布朗运动等）、化学（化学反应等）、生物（植物气孔吸收等）作用等向地面沉降的过程；湿沉降是指伴随着降雨或者其他水汽凝结现象向地面沉降的过程[1]。大气氮沉降是指活性氮通过干、湿沉降从大气沉降至地表的过程[2]。

氮是植物生长所必需的营养元素，大气氮沉降影响陆地生态系统中有效氮的积累，进而影响生物地球化学循环、土壤微环境及植物新陈代谢和生长发育。沉降到生态系统中的氮一部分可为植物生长提供营养，而过量的氮沉降则会对生态系统产生负面效应。受化石燃料燃烧、含氮化肥的生产和使用、畜牧业发展及人类活动等因素的影响，氮化物逐渐在大气中积累并向陆地和水域系统沉降，氮沉降已成为继气候变化、二氧化碳浓度升高、土地利用变化之后的影响陆地生态系统结构和功能的第四大因素[3-4]。近年来我国大气氮沉降大量增加，这在一定程度上会引起氮富营养化，导致土壤微环境改变，影响植物生长发育，破坏生态系统的稳定性等。本文从大气氮沉降的氮素组成及其沉降通量、氮沉降的时空特征和氮沉降对土壤及植物的影响三方面进行了综述，以期为大气氮沉降相关研究提供理论依据，并为后续研究指明方向。

1 大气氮沉降的氮素组成

自然界中的氮可分为活性氮和非活性氮，非活性氮是指广泛存在的分子氮（N2），活性氮分为无机氮和有机氮。其中，无机氮包括氨氮（NH4+、NH3）、硝氮（NO3-、HNO3、NO2-）、氮氧化合物（NO、N2O、NO2、N2O3）等，主要为铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）；有机氮包括氧化态有机氮、还原态有机氮和生物有机氮[2,5]。氮干沉降的主要氮素形态为颗粒物（NH4+、NO3-）和气体（NH3、HNO3、氮氧化合物），大气中高浓度的氮氧化合物与水蒸气结合伴随降雨进行沉降，主要为NO3-、NH4+离子，氮湿沉降的主要氮素形态为NO3-、NO2-、NH4+离子及可溶性的有机氮[5-6]。现有研究表明：干沉降以硝态氮为主，湿沉降以氨氮为主[7]；氮湿沉降中氨氮占47.45%，有机氮占36.34%，硝氮占16.21%[8]。

2 大气氮沉降通量

目前关于大气氮沉降的研究以湿沉降居多，干沉降相对较少。从表1 可知，氮湿沉降中NH4+-N 普遍高于NO3--N，有机氮的占比较大。经过多年研究，形成了2013 年中国典型生态系统大气氮、磷、酸沉降数据集，包括铵态氮、硝态氮、溶解性总氮、总氮4 个指标[9]；1996—2015 年中国大气无机氮湿沉降时空格局数据集，包括铵态氮、硝态氮、可溶性无机氮3 个指标[10]；2006—2015 年中国无机氮干沉降通量的空间格局数据集，包括颗粒态NH4+、NO3-，气态NH3、HNO3、NO2和总干沉降通量6 个指标[11]及2008—2013 年川中丘陵区典型农田生态系统大气氮沉降数据集，包括大气氮湿沉降的总氮、可溶性总氮、硝态氮、铵态氮、可溶性有机氮及大气氮干沉降的硝态氮、铵态氮、颗粒硝态氮、颗粒铵态氮、二氧化氮10 个指标[12]。现有研究指出全国氮沉降的平均水平为7.90 kg·(hm2·a)-1[13]，西南地区的氮沉降通量为37.8 kg·(hm2·a)-1，仅次于华北地区和东南地区[14]，以崇州为代表的成都平原，大气沉降总量达85 kg·(hm2·a)-1[15]。

表1 大气氮沉降通量

3 大气氮沉降的时空特征

3.1 时间特征

已有的研究表明，氮干沉降与降尘量、温度、湿度、风速等因素有关，湿沉降与降雨量、降雨时间间隔、温度等因素有关，故大气氮沉降表现出明显的季节性和地域性差异。

3.1.1 干沉降

内蒙古京蒙沙源区氮以干沉降为主，占沉降总量的75.17%，干沉降通量春、秋季明显高于夏、冬季[13]。北京市密云水库土门西沟流域氮干沉降通量夏、冬季高，春、秋季低[26]；石匣流域总氮和氨氮干沉降通量冬季最高，溶解性有机氮干沉降通量秋季最高[17]。四川崇州市氮干沉降通量秋季最高，春、冬季次之，夏季最低[15]。河北邯郸市氮干沉降随季节变化趋势为冬、春季开始增长，夏季降低，初秋又开始增长，10 月达最大值[19]。华北地区氮干沉降中气态HNO3和NO3-颗粒物冬、秋季较高，春、夏季较低，气态NH3和NH4+颗粒物春、夏季较高，冬、秋季较低[27]。

3.1.2 湿沉降

伴随降雨进行的氮湿沉降中，氮素浓度与降雨量表现为负相关关系，氮沉降通量与降雨量表现为正相关关系。TN（总氮）和DIN（总无机氮）浓度均与降雨量呈负相关[28]，TN、NH4+-N、NO3--N 和DON（总有机氮）浓度均与降雨量呈显著的负指数幂相关[18]，活性氮浓度冬季＞春季＞秋季＞夏季[29]，TN、NH4+-N、NO3--N 和DIN 浓度春季＞冬季＞夏季＞秋季[23]。TN、DIN 湿沉降通量均与降雨量呈正相关[28]，NH4+-N、NO3--N 湿沉降通量与降水量均为线性正相关关系[30]。氮湿沉降多集中于夏季，邯郸市氮湿沉降通量夏季最高[18-19]；西安市长安区氮湿沉降通量夏季最高，冬季最低[21]；洱海氮湿沉降通量8 月最大，12 月最小[31]；河北保定氮湿/混合沉降通量夏季最大，冬季最小[32]；密云水库石匣流域总氮、氨氮湿沉降通量夏季最大，溶解性有机氮湿沉降通量春季最大[17]；广西武鸣区氮湿沉降通量夏季＞秋季＞春季＞冬季[23]；密云水库氮湿沉降通量夏季＞春季＞秋季＞冬季[26]；四川崇州市TN、NO3--N 和DON 湿沉降通量夏季最高，春、秋季次之，冬季最低，NH4+-N 湿沉降通量秋季最高，春、夏季次之，冬季最低[15]；丹江口水库NO3--N 和DON湿沉降通量秋季最高，夏季次之，冬季最低，NH3-N湿沉降通量夏季最高，秋季次之，冬季最低[8]。

3.2 空间特征

大气氮沉降受气温、海拔、人为干扰等因素的影响，表现出明显的空间性差异。新疆高寒草原夏季NH3-N 浓度较低，这可能与海拔高（3 000 m 以上）、气温低等因素有关[33]。随海拔升高，TN湿沉降通量有明显下降的趋势，海拔每升高1 km，年均垂直递减梯度为5.43 kg·(hm2·a)-1[34]。刘勤等研究表明，安庆市氮湿沉降NH4+和NO3-离子浓度在空间上表现为西南高东北低[35]。万柯均研究表明，大气氮沉降通量的空间性差异为干沉降通量集约化农区、城区＞林区、普通农区，湿沉降和总沉降通量林区＞集约化农区＞城区＞普通农区[15]。

4 大气氮沉降对土壤及植物的影响

4.1 对土壤的影响

氮素是植物生长所必需的矿质元素，大气氮沉降影响土壤酸碱度，碳、氮积累及土壤酶活性。研究表明：低磷（1.25 mg·kg-1）条件下，氮沉降使土壤pH显著降低，土壤全氮和碱解氮含量显著增大[36]；40 kg·(hm2·a)-1、80 kg·(hm2·a)-1氮沉降处理下0～10 cm 和10～20 cm 土层的土壤可溶性有机碳和可溶性有机氮含量均显著提高[37]；120 kg·(hm2·a)-1氮沉降处理下土壤脲酶和蔗糖酶活性分别提高了14.16%、8.11%[38]；在不同氮沉降水平下，随外源氮的增加，土壤铵态氮呈下降趋势，土壤氮残留率增加[39]。

此外，研究表明大气氮沉降的增加促进土壤呼吸作用[40]，提高草地生态系统净初级生产力[4]，但也会改变土壤微生物群落的结构、功能及多样性，降低土壤固氮菌的总体丰富度[41]，导致草地群落物种多样性降低[42]。

4.2 对植物的影响

4.2.1 影响植物光合作用

大气氮沉降影响植物光合作用、生长发育及农作物产量。适量的氮沉降可提高植物光合作用能力，夏凡育等研究表明：大气NO2湿沉降显著影响桑树叶片光合特性，表现为低浓度促进、高浓度抑制，叶面喷施20 mmol·L-1NH4NO3时，叶片光系统Ⅱ的最大光化学效率和光系统Ⅰ的最大氧化还原能力均提高，光合反应中心开放程度增大，活性提高，光能吸收性能指数提高，能量利用效率增强[5]。吕琳玉等研究显示：当大气氮沉降量低于40 kg·(hm2·a)-1时，氮沉降量的增加促进植物叶片光合作用的反应速率[43]。

4.2.2 影响植物生长

大气氮沉降影响植物根系生长，王镜如等研究表明：氮沉降促进浙江楠地上部分生长以竞争光资源，从而抑制了根系生长，但建立地上竞争优势后会反馈地下部分，从而促进根系生长[44]。大气氮沉降对植物生长的影响取决于植物所在生态系统中的氮饱和程度，适量的氮沉降促进植物生长，而氮素充足的生态系统中，氮沉降反而对植物生长产生负面效果[45]。马翔等研究指出：当氮沉降达到6 g·m-2·a-1时，对茶梅幼苗生长有抑制作用，当氮沉降达到12 g·m-2·a-1时，对耐冬山茶幼苗生长有抑制作用，过高的氮沉降抑制耐冬山茶和茶梅生长[46]。

4.2.3 影响作物产量

汪振研究表明：我国水稻田大气氮沉降导致水稻产量增加了12.4×108kg，占全国总产量的0.6%，氮沉降提高水稻产量的面积占总水稻面积的15%，平均增产270.4 kg·hm-2，随氮肥施用量增加，大气氮沉降对水稻的增产作用显著降低；氮沉降使水稻产量减少的面积不到总水稻面积的1%，平均减产24.8 kg·hm-2[47]。

5 展望

成都平原气候温和，土壤肥沃，灌溉充沛，是四川省粮食优势生产区。近年来随城市化进程不断加快，大气氮沉降已成为影响农业生产的重要原因。我国对区域大气氮沉降的研究越来越多，农田、城市、湖泊、流域、森林、草地生态系统等均有涉及，大气氮沉降监测网络已覆盖全国多地，监测内容也由原来的集中于湿沉降转变为干、湿沉降共同监测。关于农田生态系统氮沉降的研究目前多为对氮沉降情况进行监测，通过大气氮沉降进入农田生态系统的氮对土壤微环境、作物生长及产量、农产品质量等的影响研究尚且较少。

氮沉降具有范围广、类型复杂、季节性及地域性差异强、干湿沉降差异大等特点，要进一步提高监测数据的准确性，采样仪器、监测方法、数据处理方式等均有待提高。各地应因地制宜选择最佳的监测方式，以使得监测数据更符合区域实际情况，通过数值模拟对氮沉降情况进行更准确的预测预报，以期为农业生产提供氮沉降预警信息。

适量的氮沉降可促进植物生长，当氮沉降在合理范围内时，适当地降低氮肥施用量，可使氮素得到更大程度的利用，减少氮沉降对土壤、水体等造成的环境污染。后续可开展相关研究，摸清大气氮沉降对农业生产的影响规律，以期使大气氮沉降监测数据得到有效的利用，更好地指导农业生产。