北京近郊农田大气NH3与NO2干沉降研究

第卷第期年月土壤学报北京近郊农田大气与干沉降研究沈健林刘学军干张福锁中国农业大学资源与环境学院北京 ?矾 旷 关键词氨气二氧化氮干沉降氮沉降农田中图分类号文献标识码近几十年来随着世界经济和人口的迅速增长全球大气活性氮排放量急剧上升。活性氮大气排放的增加使得从大气沉降到地面的氮素数量也迅速增加从而有可能导致自然或半自然生态系统如森林、草地和湖泊等富营养化土壤或水体酸化以及生物多样性降低等危害。。为了有效地大气氮沉降的生态环境效应欧美一些国家进行了大量的氮沉降监测工作并建立起了比较完善的氮沉降监测网络如联合国欧洲经济委员会欧洲监测与评价、美国的国家大气沉降计划和清洁空气状况与趋势网以及加拿大的空气与降水监测网等。我国关于氮沉降的网络研究起步较晚且主要集中于对氮素湿沉降的监测氮素干沉降监测因为较复杂开展的研究较少。在大气氮素干沉降监测中常用的方法有空气动力学梯度法、涡度相关法和松弛涡度累积法等微气象学方法。这些方法对测定仪器的精度、下垫面的均一性等条件要求较高需要投入大量的人力和物力不适合于长期以及多点的监测。因此研究人员希望借助于比较简便的方法来监测干沉降。年美国科学家撰文提出采用推算模型 作为一种替代性方法来直接计算大型监测网的干沉降通量?引。该方法中沉降通量为沉降物质的大气浓度与沉降速率的乘积其中大气浓度采用仪器来测定而沉降速率则通过测定气象和下垫面参数采用模型来计算。由于这种方法计算干沉降通量相对简便长期以来这种方法已被广泛用于干沉降通量的监测和大气物质流动相关模型中干沉降通量的计算如美国的、加拿大的就是采用推算法来监测氮的干沉降通量的。我国胡正义等?在江西测定农田区域大气硫的干沉降也是基于推算法。当前我国华北平原地区集约化农业包括种植业和养殖业、工业、电力以及交通运输业发展迅速大气活性氮的排放量巨大【引且由于北方地区降水相对较少因此干沉降可能是该地区活性氮从大气中清除的重要机制。本研究通过监测北京近郊农田区域的大气和浓度采用推算法初步定量了北京近郊农田大气和的干沉降通量。材料与方法采样点概况试验共设两个采样点均位于北京的北郊。其中东北旺采样点位于北京海淀区东北旺村中国农业大学东北旺试验站。”。’”国家自然科学基金项目和教育部博士点基金项目资助十通讯作者 作者简介沈健林一男湖南衡阳人硕士研究生主要从事大气氮沉降方面的研究。收稿日期——收到修改稿日期——万方数据土壤学报卷昌平采样点位于北京昌平区回龙观中国农业大学昌平试验站’””。东北旺和昌平试验站分别有试验地和两个试验站的试验地在采样期间主要实行冬小麦夏玉米轮作。东北旺采样点位于东北旺试验站的西南面试验地采样点周围以内为农田之间主要分布有农田、居民区和商业区采样点南面处有一东西向公路日均车流量大约为辆。昌平采样点位于试验站东北面的长期定位试验地周围以内为农田。之间主要分布有农田、居民区和商业 区距采样点正东向处有一存栏量为只的小型教学试验鸡场。采样方法利用 被动采样器意大利柯瑞公司生产采集大气中的和。被动采样器由扩散筒和吸附芯两部分组成。扩散筒由聚碳酸酯材料制成其结构可保持气体能进入扩散筒内而大气颗粒物被阻止在外。吸附芯上浸渍有特定的试剂只专一吸收某种或几种气体。采样时被动采样器固定在两头和下方通风的塑料盒中采样高度为距地面。每个采样点平行设置个或个和被动采样器一次采样周期为周即在将被动采样器安装到采样点之后让其自行采样周后取回被动采样器在空气湿度较大时会因吸湿而漏液这种情况下常在周内将其取回。本试验从年月日开始至年月日结束共连续进行了次采样第一次采样和第二次采样之间因清洗扩散筒而间隔之后每次采样时间都是衔接的即一次采样结束马上进行下一次采样。因采样器故障月日至月日间未对进行采样。同时大气的浓度仅测定到月日。每两次采样进行一次空白校验方法是分别准备两个和被动采样器带到采样点但不进行采样其他步骤同正常采样的被动采样器。样品分析每次采样结束后将已采样的吸附芯置于。冰箱密封避光保存并在一个月内进行化学分析。本试验中被动采样器所采集的大气中的与采样器内吸附芯上浸渍的磷酸反应转化为经高纯水提取后采用水杨酸靛酚蓝比色法测定浓度。被动采样器所采集的与吸附芯上浸渍的三乙醇胺反应后转化为经高纯水提取后采用盐酸萘乙二胺光度法测定浓度。根据采样时间、测定得到的和采集量以及仪器自身所固有的采样速率从而可以计算得到一个采样周期内大气和的平均浓度具体计算为 口式中为每个采样周期内大气或的平均浓度对于被动采样器采样时间不足周时用不到两周时间内的大气和平均浓度来代替周内的平均浓度为将或转换为或的换算系数分别为和为浸提液中或一含量肛为仪器对气体的采样速率。为采样时间。对于值在—温度范围内受气温变化的影响不大可以不进行校正。本试验各次采样期间的平均气温都在此范围所以未对值进行校正。对于值受气温变化的影响较大需根据各采样期间的平均气温用如下公式来校正。式中为采样时段内的平均气温?、分别为丁?和?时被动采样器对的采样速率。干沉降量的计算大气和的沉降通量采用推算法来计算即沉降通量等于大气浓度与其沉降速率的乘积【用公式可表示为式中。为沉降通量即单位时间内沉降到单位表面的氮量。。等为一段时间内大气或的平均浓度弘。为一段时间内大气或的平均沉降速率 。为单位换算因子当沉降通量单位为奴。。和。。时其值分别为和。需通过测定实地气象参数气温、风速、风向、太阳辐照度等和下垫面参数植被类型、叶面积指数等用模型来计算在参数监测条件不够的时候也可引用相关文献的?值。本研究中大气或的沉降速率‰引自文献。结果与讨论大气和浓度变化由图可知采样期间北京东北旺采样点周万方数据期沈健林等北京近郊农田大气与干沉降研究内大气浓度变幅在—。之间平均为肚北京昌平采样点周内大气浓度在。之间平均为。周内大气的平均浓度昌平采样点要高于相应时间段内的东北旺采样点这显然与昌平采样点附近的养殖场产生的氨挥发使得大气浓度升高有关。由图还可看出无论是昌平采样点还是东北旺采样点在月上旬玉米三叶期第一次追肥过后大气浓度都有所上升。随后在夏季的几次强降雨过后大气氨的浓度开始下降。这期间虽然在月上旬玉米大喇叭口期进行了第二次追肥但由于降雨对大气中的清除作用再加上此时正值玉米吸氮高峰期肥料氨挥发 很可能受到抑制大气中地浓度未出现明显变化。雨季月日至月日过后由于施肥活动减少大气氨浓甲?越装度变化比较平稳。秋季小麦播种前施基肥月上旬也仅使大气浓度有微弱上升这可能与秋季气温低、施肥后翻耕覆土由此产生的氨挥发量较小有关。整个试验期间夏季大气氨浓度要大于秋季。孙庆瑞等曾于年月和月采用滤膜法测定了北京地区的大气氨浓度其结果也表明夏季月大气氨浓度要大于秋季月分别为一和。肚该浓度与本研究测定的地浓度比较相近。而在欧美一些农田地区大气浓度常低于一叫远低于本次试验在北京近郊农田区域测得的大气浓度。北京近郊农田区域较高的大气浓度可能与农田过量施用氮肥产生大量的氨挥发以及与该地区畜禽和人群引起的氨排放量较大有关【而如此高的大气浓度必将使的干沉降量也增大。童?燃蠼太霞羹三圉、?—一一叼囫巨嘲懂世舍蔷鐾?芦??歹?歹‖‖图东北旺和昌平采样点大气两周内平均浓度及降雨量动态变化两个采样点大气浓度的时空变异与大气簦有所不同。首先相应采样时段内除月日至日这次采样外大气的浓度东北旺采样点要大于昌平采样点。东北旺采样点两周内大气的浓度在弘之间平均为一而昌平采样点则为 平均为弘。东北旺采样点由于离公路较近容易受到汽车尾气排放的氮氧化物影响因此东北万方数据土壤学报卷旺采样点的大气浓度高于昌平采样点。其次随着时间推移两个采样点周内大气浓度表现出先降低后升高的趋势。月中下旬的强降雨过程使得两个采样点的大气浓度降至最低值表明降雨对大气也有清除作用。随后两个点的大气浓度又缓慢上升。进入到月份气温逐渐下降各种供暖设备开始采用化石燃料使用量增大从而使得大气氮氧化物的排放量增大两个采样点大气浓度有了较大幅度的上升并在试验后期达到了最高值。国内也有用被动采样器测定大气浓度的报道。陈乐恬等?曾用自制的被动采样器测定了北京中关村某地的大气浓度其浓度在—。之间其测定值与本研究的测定值比较相近。本研究测定的大气浓度与在一些发达国家监测到的大气浓度相当。本研究中浓度较高与北京地区交通运输、电力和工业生产导致的大量化石燃料燃烧从而向大气中排放大量和的统称有关。大气浓度较高不但影响空气质量、导致氮沉降量的增加而且还可以通过与空气中氧的光化学反应引起对流层臭氧的增加危害人类健康和植物生长。大气的干沉降量估算本研究采用推算法来计算全采样时段内采样点大气和的干沉降量。由于未能监测实地的和干沉降速率本研究引用文献的沉降速率值来计算沉降通量其中和的沉降速率分别取和。根据采样期间监测到的两个采样点和的平均浓度以及引用的沉降速率可估算全采样时段内在东北旺和昌平两个采样点的干沉降量分别为和相当于日均沉降和的干沉降量则分别为和 相当于日均沉降和一表。表全采样时段两个采样点大气与干沉降通量估算也采样点些墨竺堕量竺堕墨曼皇竺拦竖里盟垦曼里堕曼竺东北旺昌平注全采样时段为年月日至月日全采样时段为年月日至月日不包括月日至月日均为。采样时段平均浓度全时段干沉降通量日均沉降通量。根据文献 的沉降速率取的沉降速率取一推算法中干沉降通量为干沉降物质的大气浓产生较大误差。目前国内外还没有关于冬小麦夏度与其沉降速率的乘积。因此对干沉降物质大气玉米轮作体系中实测的和沉降速率报道浓度和干沉降速率监测的准确性在很大程度上决定若引用其他体系测定的沉降速率值可能存在较大的了试验结果的准确性。本研究采用被动采误差。本文中的和干沉降 速率值是张艳样器测定了采样点每周内大气的和平均等利用年中国气象场资料和下垫面信息浓度由图可知平行采样结果之间的差异较小结合模型计算得到的中国各种农田下垫面的年平均说明该采样器具有较好的精密度。且本试验测定的值。该值的计算运用了中国的气象资料并考虑了农大气和浓度与相关研究结果之间具有田下垫面的特点引用该值来估算本研究区域可比性所以本研究监测的大气浓度和浓和的于沉降通量误差相对较小。度比较可靠。由于干沉降速率的监测比较复杂本值得注意的是在地表与大气、植物与大气研究未监测实地的干沉降速率而是引用相关文献之间存在双向运动有时可能是由地表或植物向大的干沉降速率测定结果从而使计算得到的干沉降气挥发而有时可能是大气向地表或植物的沉降。通量与实际值存在一定的偏差。干沉降速率随气象如果大气浓度大于植物冠层或气孔偿点状况和下垫面状况的变异较大若引用文献中测则会发生由大气向地表或定干沉降所处的气象条件和下垫面状况与引用者所植物叶片的沉降反之则发生地表或植物叶研究区域的气象条件和下垫面状况相差较小则引片向大气挥发。前人的研究结果表明农田氨挥用的干沉降速率值有一定代表性使用该值不会使发主要集中在施肥后—怛这说明全年发生氨试验结果产生较大的误差。反之则会使试验结果挥发的天数有限且本研究测定的大气浓度较万方数据沈健林等北京近郊农田大气与干沉降研究大因此可以认为全采样时段都有大气地的沉降发生。相比之下在农田区域不存在双向流动地面和作物可以视为的吸收库即全年都存在由大气向地面和植物的沉降。这样就可以采用推算法来初步估算大气比和的年沉降量。但要进一步更准确地定量和的干沉降通量监测实地的干沉降速率十分必要这也是进一步研究的重点。若以全采样时段和的平均浓度作为其年平均浓度可粗略估算两个采样点由吐和干沉降的量可达到—妇。除了和之外大气中气态和气溶胶态和也是干沉降氮的重要来源且有研究表明那两部分在大气氮的干沉降中占有较大比例可见在这两个采样点如果将气态和气溶胶态时和考虑进来大气干沉降的氮量将进一步增加氮素干沉降作为大气氮素沉降的重要部分不容忽视。对本研究中两个采样点的氮的湿沉降进行监测表明雨水无机氮的年沉降量可达到 【而雨水有机氮的年沉降量为妇。因此北京地区通过干湿沉降形式输入总量极有可能超过。。对于自然生态系统如此大的氮沉降量将可能使生态系统发生富营养化、酸化等现象’而对于农田生态系统这是一种重要的养分资源应该在养分资源管理或推荐施肥决策中加以充分考虑。参考文献 — — — — —肖辉林大气氮沉降对森林土壤酸化的影响林业科学。王 小治朱建国高人等太湖地区氮素湿沉降动态及生态学意义以常熟生态站为例应用生态学报 — — 张颖刘学军张福锁等华北平原大气氮素沉降的时空变异生态学报