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农环格格有话说： 9月3日周六（农历八月初三），大家早安！！ 今天文章讲述： ▼大气氮沉降的概念、来源及研究方法； ▼梳理出近年来我国红壤区大气氮沉降的形态、数量及其对农田生态系统的影响； ▼提出了红壤农田生态系统大气氮沉降当前存在的问题及今后的发展趋势。 文章的意义在探求切实有效控制氮沉降的技术与对策,减少农田氮素损失对环境的压力, 保障农业可持续发展。 来源《土壤》2015年第2期。 ................................................... 1 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 2 中国科学院南京土壤研究所 ...............................................................  背 景  大气氮沉降作为营养源和酸源,沉降数量的急速增加,将严重影响生态系统的生产力和稳定性,对农田生态系统的影响日益显现。 我国作为世界人口最多的国家,人为源活性氮总量极其可观,其来源主要是化肥氮不当施用及化石燃料消耗和汽车尾气排放井喷式增长,进而造成大气氮沉降的增加。1968—1997 年,长江流域大气氮沉降增长了4 倍,为 18.2 kg/(hm2?a)(以 N 计,全文同);2003—2005 年,长江三角洲农田生态系统达到 22.7 ~30.0 kg/(hm2?a);而当前,我国大气氮沉降已经成为继北美和西欧之后的第三大氮沉降集中分布区,并以每年 8 kg/hm2 的速度递增。大气氮沉降的增加,对陆地生态系统的影响日益突出,甚至成为区域生态系统衰退的主要原因,并引起公众和科学家的关注。 问 题 就生态系统而言,目前大气氮沉降的研究主要集中在对大气氮沉降敏感的自然生态系统尤其是森林生态系统和水域生态系统,而对农田生态系统大气氮沉降(特别是干沉降和有机态氮沉降)规律研究相对较少。传统观点认为,农田生态系统受人类活动尤其是氮肥施用的影响大,对大气氮素沉降相对不敏感。但新近的研究表明,沉降到农田生态系统的氮素数量和作用可能被大大低估。 可见,大气氮沉降已成为陆地生态系统中一个不可忽视的稳定氮输入源,认识和评估区域生态系统特别是农田生态系统大气氮沉降及其生态效应意义重大,也是我国应对氮污染控制和全球变化深入研究所必需的。 我国红壤主要分布在长江以南的低山丘陵区,是我国经济林果、经济作物和粮食的重要基地。同时, 该区经济发展快,伴随而来的环境问题突出,环境污染和以土壤加速酸化为主要表征的土壤资源质量退化问题严重,成为自然资源与环境领域科学家们日益关注的热点问题之一。 红壤因具有“酸瘦黏板结”的特征,其农田生态系统相对比较脆弱。当前,红壤区农田氮素普遍盈余,最高达 1 061.7 kg/hm2,其盈余量的不断增加,加大其对环境污染风险的威胁;另据估算,红壤酸化面积高达 150 万 hm2。而湿沉降输入红壤区的氮量多在 9.0 ~ 35.0 kg/(hm2?a),最高可达94.1 kg/(hm2?a),已与欧洲高氮沉降区当量。 可见,随着红壤农田酸化面积的增大和土壤氮素盈余的增加,这样急速增加的大气氮沉降对红壤农田生态系统的影响将日益显现。 大气氮沉降概念及来源 大气中的氮素分为非活性氮和活性氮两种。非活性氮指 N2,约占大气成分的 78%,一般处于非活性状态,大多不能直接被生物直接利用和对环境产生影响。活性氮包括生物活性氮、光化学活性氮和辐射活性氮,其化合物可分为无机态 NHx(如 NH3 和 NH4+)、无机态氧化氮(NO、NO2、HNO3、N2O、NO3– 等)、有机态氮(尿素、蛋白质和核酸等)。所谓大气氮沉降是指大气中活性氮溢出并被运至陆地和水域表面的过程,包括湿沉降和干沉降两种。湿沉降指在重力作用下,水溶性气态或颗粒态含氮物质被雨雪溶解或冲刷至地面的过程,主要是NH4+、NO3–和少量水溶性有机氮的沉降;干沉降是在无降水条件下,由于湍流运动和重力等作用,含氮化合物在大气中输送和扩散时,不断被下垫面(农田、草地和水域等)吸收而形成的向地面持续迁移过程,主要是气态的 NOx、HNO3、NHx 和颗粒态的 NH4+、NO3– 以及有机态氮的沉降。 大气氮沉降的来源大致分为自然源和人为源两种。自然源是指自然条件下,N2 受固氮微生物和雷电作用而产生的氮氢化合物和氮氧化合物,该类氮源基本稳定,为 257 ~ 270 Tg/a,即使农业的出现,也未改变这种状态(表 1)。且自然源活性氮处于相对稳定的生物地球化学循环中,不易引起严重的环境问题。 人为源是由于人类活动,如生物/化石燃料燃烧(火力发电厂、钢铁厂、炼焦厂等工矿企业的燃料燃烧,各种工业窑炉的燃料燃烧以及各种民用炉灶、取暖锅炉的燃料燃烧等)、工业生产过程、农业生产过程(化肥施用、耕作栽培和农业烧荒等)和交通运输(汽车、飞机和轮船运输等)等影响而产生的氮。其中,燃料燃烧和土壤微生物活动是大气中 NOx 的主要来源,农业活动如化学氮肥和动物排泄物施用等为大气中 NHx 的主要来源。我国 NOx 排放总量也由1980 年的 4.7 Tg 增加到 2000 年的 11.8 Tg(年均增加4.6%),到 2004 年又增至 16.0 Tg(年均增长 10.6%);NHx 的排放量也由 1990 年的 10.8 Tg 上升到 2000 年的 13.6 Tg。此外,随着中国人口的不断增加、国民经济的持续稳定增长和人民物质文化生活水平的不断提高,未来 30 年中国 NOx 排放量将呈现稳步增长的趋势。如果不采取进一步的控制措施,到 2020 年和 2030 年,全国能源消费导致的 NOx 排放总量将分别达到 23.6 ~ 29.1 和 31.5 ~ 43.0 Tg。 大气氮沉降研究方法 目前,大气氮沉降的研究方法较多,如风洞法、浓度梯度法、脉动法等;研究时空和技术也在不断地拓宽,欧美已由分散观测发展为定位研究,并逐步形成区域监测网络,如 1997 年美国建成的国家酸沉降网(NADP/NTN)和 2001 年运行的包括 12 个国家在内的东亚酸沉降网(EANET),大气氮沉降的研究技术取得长足的发展。然而,国内外仍未形成统一的标准。随着自动化和 3S 技术的推进,大气氮沉降的研究手段也在不断突破,这为大气氮素沉降的深入研究奠定了坚实的基础。 自英国洛桑试验站 1850 年前后开始收集并分析雨水中的氮素含量以来,大气湿沉降的研究历史已有150 多年。我国自 20 世纪中期也陆续对水域生态系统和森林生态系统的大气氮沉降化学组成和通量等展开研究,但至今仍未形成对各生态系统连续、统一的观测研究网络。虽然国家酸沉降监测网创立于 1992 年,但其主要工作主要集中在降水 pH 和电导率的测定上。湿沉降通常由降水量和雨水中氮素浓度决定,只在一定的时空内发生,相对比较集中,易于测定。常用的研究方法有雨量器法、离子交换树脂法(ion-exchange resin,IER)、通降法和茎流法等。目前,有关氮沉降通量的研究,多集中在无机态氮上,而有机态氮常因其种类及分析方法限制而被忽略。 通常,以沉降速率和大气氮浓度的乘积来表征大气氮干沉降通量的大小。然而,大气氮干沉降过程受诸多因子如气象条件、下垫面特征和物质自身特性等的支配,对其通量的估测难度较大,此方面的研究于20 世纪 60 年代才开始起步,20 世纪 80 年代欧共体的 NITREX 项目和美国的大气沉降研究网络计划则标志着大气干沉降系统、网络化研究的开始,而目前,此项研究在中国开展得仍较少。 大气干沉降研究技术大致分为表面分析法和大气通量法两类。表面分析法,主要通过研究污染物在沉积表面富集状况来测定干沉降,通过沉降表面积与暴露时间来进行计算干沉降通量,常用的方法有叶面提取法、穿透雨量法、流域物质平衡法、同位素示踪法、雪样收集法、空气动力学替代表面法、其他替代表面法等,该方法所需费用较少,而且能够测定所感兴趣的多种物质,然而易受植物、建筑物等多表面的大量采样分析及较长的时间尺度测量等限制。大气通量法是根据已知的大气特性及污染物浓度数据来推测污染物的通量,常用方法有涡度相关法、垂直梯度法、大气物质平衡法、复合人工示踪剂法、方差法,与表面分析方法相比,大气通量法有其明显的优势,该类方法可以在较短的时间内得出沉降的通量,有些方法甚至可直接得出沉降通量。然而该类方法都需要测定污染物的浓度,所需的监测仪器比较昂贵,而且对测量结果的精度要求较高。 随着自动化技术的广泛应用,一些干沉降自动收集仪也开始应用于大气氮沉降的研究中。德国的Weigel 等发展了一种新的研究手段——ITNI(integral total nitrogen input)盆栽系统,并利用该系统直接测定了大气氮沉降的数量,其结果与通过长期定位试验无氮区的间接估计值相当吻合。此外,利用氮沉降模型结合 GIS 技术从区域或全球尺度来估计与评价大气氮沉降的数量,也成为氮沉降研究的另一条途径。然而,目前尚没有一个广泛适用的模型来评估氮沉降增加引起的阳离子通量及其潜在限制。 红壤农田区大气氮沉降通量 红壤农田生态系统中,大气氮沉降情况如表 2。无机态氮年沉降量以西藏最低(1.3 kg/hm2),以上海最高(77.8 kg/hm2);有机态氮为 0.7 ~ 71.6 kg/hm2,占湿沉降总量的 3.1% ~ 64.7%,这接近国内外的研究结果(33±19)%。笔者在鹰潭红壤生态站长期定位监测研究发现,2005—2012 年氮湿沉降年际间虽有波动,但整体上呈增加趋势,这与我国陆地生态系统大气氮沉降的整体趋势基本一致。除特殊年份(2006—2007 年监测点大量施用猪粪外),大气氮湿沉降总量为 14.4 ~ 42.1 kg/hm2 (均值为 31.7 kg/hm2),无机态氮和有机态氮分别占总沉降氮量的 63.2% ~81.8% 和 18.2% ~ 36.8%。季节上,以雨季(4—6 月)为主,占年沉降氮量的 28.1%。可能原因在于区域季节性降水和氮肥(化肥和有机肥)的施用。与同期常熟农田站观测相比,鹰潭红壤生态站无机态氮沉降与之相当,而有机态氮沉降则高出85.6%,主要原因在于鹰潭红壤生态站周边畜禽养殖及畜禽排泄物农用等活动。
与其他区域相比,红壤农田区无机态氮年沉降量大多集中在 20 ~ 40 kg/hm2,接近我国华北平原的14.1 ~ 38.5 kg/hm2和洛桑试验站 154 年(1843—1997 年)的观测结果 10 ~ 45 kg/hm2,略高于美国大平原氮沉降通量为 8 ~ 22 kg/hm2。此外,我国红壤区大气氮湿沉降量接近甚至超过陆地生态系统的临界负荷 25 kg/hm2。可见,红壤农田生态系统正在受大气氮沉降的威胁。 红壤农田区大气氮干沉降特别是气态氮沉降的研究,从 2003 年开始,初步估算 2003—2004 年江西鹰潭农田区 HNO3、NH3、NOx 的年平均沉降速率分别为 0.76、0.18、0.10 cm/s。笔者在鹰潭红壤生态站定位监测和估算发现,2004—2007 年,气态 HNO3、NH3、NOx 和离子态 NO3–/NH4+ 的日沉降速率呈现显著的昼夜变化,峰值出现在 11:00—13:00;季节上,NH3、NOx 和离子态 NO3–/NH4+ 的沉降速率都呈现冬春季显著高于夏秋季而气态 HNO3 则相反;年沉降速率方面,HNO3、NH3、NOx 和离子态 NO3–/NH4+ 的年际间变异较小(图 1),其年平均沉降速率分别为 0.81,0.26,0.12 和 0.16 cm/s,这与国内外相近农田下垫面的结果基本一致。同时,笔者也发现江西鹰潭2005 年干沉降氮总量为 82.6 kg/hm2,其中气态氮占干沉降总量的 71.1%,这与在雷州半岛农田的观测结果(81.9%)基本一致;干湿沉降比为 1.65,这与国外一些科学家研究发现的干湿沉降量级基本相当的结论相似。与国内其他农田区相比,北京郊区农田大气 NH3 和 NO2 沉降的估算发现,约有15 ~ 16 kg/hm2 的干沉降氮素输入农田生态系统。可见,氮素干沉降特别是气态氮沉降已成为农田生态系统大气氮素沉降的重要部分,不可忽视。
目前,有关大气有机氮沉降的研究已成为国际上关注的一个热点和难点。由于大气有机氮化合物种类繁多,其在干沉降过程中的收集和测定比较困难,故前人有关有机氮沉降的研究多集中在湿沉降上。有数据显示,降尘中携带大量的有机氮。邓君俊等2004 年 12 月至 2005 年 11 月在南京郊区的观测发现,气态有机氮浓度高达 260.9 μg/m3,分别是NH3 和 NOx 的 13.88 和 118.59 倍,其年沉降通量高达 20.1 kg/hm2,占干沉降氮通量(43.8 kg/hm2)的45.89%;而气溶胶有机氮平均浓度为 10.08 μg/m3,其年沉降通量为 5.8 kg/hm2,占干沉降氮通量的13.24%。同期,王体健等在鹰潭红壤生态站的观测发现,气态有机氮的平均浓度为 7.2 μg/m3,其年沉降量为 3.3 kg/hm2,为干沉降氮的 10.31%;气溶胶中有机氮平均浓度为 0.92 μg/m3,其年沉降通量为 0.4 kg/hm2,仅占干沉降的 1.25%。可见,大气有机氮干沉降在区域上的差异较大。基于大气有机氮沉降对生态系统的影响及科学估算大气氮沉降,有必要对典型红壤农田生态系统大气有机氮沉降及其生态效应进行更深一步的探讨和研究。 2004—2012 年,笔者在鹰潭红壤生态站的观测发现,红壤农田生态系统大气氮总沉降年通量为94.50 ~ 185.99 kg/hm2,除 2006 和 2007 年受大量猪粪施用影响外,其余年份的均值为 109.07 kg/hm2,接近南京郊区的 109.9 kg/hm2 ,略高于红壤林地生态系统的 81.32 ~ 83.67 kg/hm2,而远高于陕西农田区的 12.6 ~ 22.17 kg/hm2。原因主要在于陕西农田区干沉降仅包括颗粒态氮沉降,而据前人研究发现气态氮沉降为大气干沉降的主要形式,而颗粒态氮沉降仅占干沉降的 2%。此外,气象条件也是造成区域大气总沉降差异的另一重要因素,陕西农田多位于暖温带–温带半干旱–半湿润大陆季风区,年降水量相对较小(414 ~ 632 mm),而鹰潭红壤生态站位于亚热带湿润大陆季风区,年降水量较大(年均1 800 mm),降水与大气氮沉降成正相关,故造成本研究农田区较高的氮沉降通量。
大气氮沉降对红壤农田生态系统的影响 过去 150 年,有文献记载的 NH3 和 NOx 排放加速了氮沉降,危及空气和水质量并改变了世界陆地和水生生态系统的功能。氮沉降对生态系统的影响以及生态系统对氮的响应主要取决于系统自身的氮饱和度。一般生态系统氮沉降饱和度的临界点为25 kg/hm2,超过该值时会造成饱和,生态系统将做出强烈反应。生态系统的氮沉降量低于氮饱和临界点时,一定的氮沉降量可以增加系统的生产力;而当生态系统处在氮饱和状态,即大气干湿沉降输入生态系统的氮超出植物和微生物等的需求时,氮沉降不但会降低生产力,而且会对植物产生重要影响。并且红壤农田生态系统氮素大多处于盈余状态,大气氮沉降的增加无疑将对生态系统产生影响。 由于农田生态系统大气氮沉降的研究开展较晚,当前的研究主要集中在大气氮沉降的定量及源析方面。因此,有关大气氮沉降对农田特别是红壤农田生态系统效应的研究较少。笔者根据近 10 年在鹰潭红壤生态站的研究发现,大气湿沉降无机态氮分别占牧草(马唐)和冬萝卜吸收氮素的 19.8% 和 18.5%,占整个生态系统的 18.9%。此外,笔者室内模拟土柱实验发现,大气氮沉降加速了红壤农田表层土壤的酸化;王强等的田间试验,也有类似的发现。邵伟在西藏农区发现,大气氮沉降等环境氮是西藏林芝地区主要作物青稞、小麦生长的重要养分输入,在西藏的大环境背景下,氮沉降的增加,不仅可以维持土壤生产力,还会提高西藏主要作物青稞、小麦的营养和品质。可见,大气氮沉降在补充作物必要的氮素营养同时,也威胁到农田土壤的生态环境。 在林地的研究发现,大气氮沉降影响植物光合作用、生物多样性。对森林土壤而言,大气氮沉降增加是导致土壤碳氮平衡的主要原因之一。而此方面的工作,在农田尤其是红壤农田生态系统的进展较少。
结论与展望 我国红壤区酸沉降(包括氮沉降)较为严重,且中低产田占总耕地面积的 2/3 以上,且红壤农田生态系统氮素普遍存在盈余,土壤酸化等退化严重,已成为公众关注的重大问题之一。但是目前,在红壤农田区大气氮沉降的定量化研究仍不够全面,研究对象多集中在无机态氮湿沉降上,而因较难直接获得干沉降特别是气态氮沉降及对有机态氮湿沉降主观重视不够,有关大气沉降有机态氮和干沉降氮通量及其在自然生态系统特别是红壤农田生态系统上的定量研究比较缺乏,进而限制对大气氮沉降特别是气态氮沉降及其生态效应(特别是农田生态系统)的进一步认识。因此,红壤农田生态系统大气氮沉降研究的首要任务在于选择典型的区域,进行系统长期的观测(特别加强气态氮沉降和有机态氮沉降的观测),揭示区域大气氮沉降的特征及来源,进而为探讨大气氮沉降对区域农田生态系统的生态影响提供可靠的数据支撑。 在研究技术和手段上,由于大气氮沉降的时空变异性大,不同的氮沉降方法因采样空间和时间尺度不同、沉降组分特性和分析仪器精度的不同等而导致测量结果的差异较大。因此,亟需建立区域统一的大气氮沉降观测及分析标准,以便大气氮沉降科学系统的比较和评估,进而为大气氮沉降的生态效应研究提供可靠的数据。 在大气氮沉降对红壤农田生态效应方面,由于区域大气氮沉降特征及定量化研究不全面的限制,目前此部分的工作也刚刚起步,初步探讨了大气氮沉降对土壤酸化的效应,而对大气氮沉降影响土壤酸化的机理、土壤有机碳分、N2O 和 CH4 排放及红壤农田生态系统生产力等过程机制还知之甚少,同时也制约了对活性氮的气候效应的综合评估。因此,精确红壤农田区大气氮沉降通量和解析大气氮沉降来源,全面系统地认识大气氮沉降,进一步佐证和估算大气氮沉降对红壤农田生态系统的贡献份额,进而探求切实有效控制氮沉降的技术与对策,利于农田配方施肥和氮肥优化管理,提高氮素利用效率、减少农田氮素损失与环境压力, 保障农业可持续发展。 -----END ----- |
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