太原周邊農田雨季硫氮濕沉降特征

梁亞宇，宋志輝，李麗君,白光潔,呂 薇,劉 平

（1.山西大學生物工程學院，山西 太原 030006；2.太原市環保局杏花嶺分局監測站，山西 太原 030009；3.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，山西 太原 030031）

近年來，由于農業中氮肥施用增多以及化石燃料在工業交通運輸等行業中使用量增大，全球SO2和NOx 排放量持續增加[1-2]。有研究稱，預計到2050年氮排放量可達到270 Tg/a[3]。濕沉降是大氣顆粒物和氣溶膠通過降水降雪作用直接遷移到地表和水體的過程[4-5]。過量氮硫化合物沉降到地面，會導致生物多樣性減少、土壤養分下降、水體富營養化等問題，嚴重時甚至會對生態系統平衡產生威脅[6]。

我國的能源經濟結構導致了大氣氮和硫的大量排放[7-9]。太原市屬于煤炭重工業城市，能源結構以煤炭為主，是我國大氣污染情況較重的城市之一[10]。研究表明，大氣沉降是生態系統獲得氮硫素的重要途徑，大氣中硫氮的沉降通量會對土壤-植物生態系統氮硫循環產生重要影響[4]。另外，農田下墊面的硫沉降通量遠高于針葉林、水體、草地等下墊面的硫沉降通量，且華東地區農田區的硫沉降已占其他下墊面硫沉降通量的72%[11]。國內對硫沉降的研究多見于南方酸雨區，對北方干旱和半干旱地區研究較少，但對城市、森林、水體等下墊面的研究較多。因此，對太原市農田區的硫沉降通量研究很有必要。

本研究選取了太原市周邊典型農田區雨季降水對其大氣氮硫沉降特征及其來源進行了定量分析，以期為太原市周邊農田區降水中氮硫離子沉降量進行合理估算，為該農田區生態環境及施肥計劃的制定提供可靠的理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗設在距太原市43 km 的榆次區東陽鎮山西省農業科學院東陽試驗基地（經度112.89°，緯度38.05°）進行，該區域海拔799.4 m，年均氣溫 9.7 ℃，雨熱同期。歷年平均降雨量為450 mm，其中，生育期5—9月歷年平均降雨量為321.4 mm，無霜期188 d，周圍有較密集的村莊和道路網。

1.2 試驗方法

采樣點用長沙產的APS-3B 型干濕沉降儀收集濕沉降，因其可對干、濕沉降進行獨立收集，降水發生時沉降桶由傳感器控制打開收集濕沉降樣品[12]。儀器布置于試驗基地寬闊平坦的地方，周圍無大樹遮擋，無大型污染源，周圍主要種植玉米及藥材等作物。雨水樣品在每次降雨事件后采集，采樣周期為30 d，將采集到的濕沉降樣品置于50 mL的聚乙烯瓶中，在實驗室中用0.45 μm 濾膜過濾后-15 ℃冷凍保存。采樣時間為2016年6—10月。采集得到的樣品在間斷化學分析儀（Smart Chem 200）上測定無機氮濃度。硫酸根濃度用連續雙抑制型離子色譜儀（861 Advanced Compact IC）測定。

1.3 濕沉降量的估算

雨水樣品在每次降雨事件后采集，收集好的雨水冷凍保存并在30 d 內分析完。濕沉降中的元素根據濕沉降中S，N 的濃度和量來計算。

降水中NH4+-N，NO3--N 的月平均濃度用加權平均表示，根據公式計算各月（年）平均濃度。

式中，C 表示月（年） 加權平均質量濃度（mg/L），Cn，Pn分別表示第n 次降雨中氮、硫素的質量濃度（mg/L）及降雨量（mm），n 表示降雨次數。

計算氮硫沉降量的方法如下[13]。

式中，Dwd表示月（年）降雨中氮硫濕沉降量（kg/hm2），P 表示月（年） 降雨量（mm），C 表示月（年）加權平均濃度（mg/L），100 是單位換算系數。

1.4 數據處理

試驗采用Excel 2007 軟件處理數據并繪圖。

2 結果與分析

2.1 降水中SO42--S及無機氮離子質量濃度變化特征

本試驗采集了2016年6—10月31 個有效的濕沉降樣品，采樣期降雨量占全年降雨量的86%。從表1可以看出，東陽試驗基地2016年雨季降水中SO42-S，NH4+-N，NO3--N 的加權平均質量濃度分別是 11.84，2.72，0.80 mg/L，3 種離子質量濃度變化范圍分別是 9.55～17.84，0.21～6.10，0.38～3.97 mg/L。從表2可以看出，本研究SO42--S 質量濃度高于北京[14]、咸陽和一些南方城市，NH4+-N 質量濃度低于北京[14]，高于太原[15]和晉城[16]，NO3--N 質量濃度均低于西安、咸陽等北方城市[17]，一些南方地區降水中氮硫濃度均低于監測點[18]。監測點降水中SO42--S 質量濃度分別是NH4+-N，NO3--N 質量濃度的4.3 倍和 14 倍，SO42--S 質量濃度 9月最高、7月最低，NH4+-N 質量濃度在6月達到最高后逐月降低，NO3--N 質量濃度 6—8月較低，9，10月升高。SO42-S，NO3--N 質量濃度值表現出降雨量高的月份其濃度值較低的趨勢，說明降雨對濕沉降中可溶性離子有一定的稀釋作用[19]。

從圖1可以看出，SO42--S 質量濃度與NO3--N質量濃度呈極顯著線性正相關（P＜0.01），相關系數為 0.688。但 NH4+-N 質量濃度與 SO42--S 和NO3--N 的相關性均不顯著（P＞0.05）。研究區降雨中SO42-/NO3-和NH4+/NO3-的加權平均濃度比值分別為 13.93，3.20。

表1 監測點各月氮硫濕沉降濃度、沉降量及降雨量的變化

表2 全國部分地區降水中N，S 元素沉降情況

2.2 降水中SO42--S及無機氮沉降量變化特征

由表1和圖2可知，東陽試驗基地各月大氣氮、硫濕沉降通量變化規律有所不同，SO42-S，NH4+-N，NO3--N沉降量分別為34.50，7.93，2.47 kg/hm2，SO42--S 沉降量分別是 NH4+-N，NO3--N 沉降量的4.3 倍和 14 倍，氮硫總沉降量為 44.9 kg/hm2，無機氮沉降量為10.40 kg/hm2。硫濕沉降高于姚孟偉等[15]2012年對太原市的研究值。降雨中3 種離子沉降量的變化依次是 7月＞6月＞8月＞10月＞9月，6，7月的氮硫沉降量占到整個雨季總沉降量的74.6%。降雨量大的月份濕沉降量越高，與前人研究結果一致[22-23]。

研究表明，降雨量與氮硫沉降量呈正相關關系[13，24]。本研究監測期間降雨量為 291.5 mm，占全年降雨量的86%，31 場降雨中3 種離子沉降量與對應的降雨量呈極顯著線性正相關（P＜0.01）。從圖3可以看出，SO42-S，NH4+-N 的月沉降量與月降雨量達到線性正相關，相關系數分別是0.943，0.702，NO3--N 的月沉降量與月降雨量呈二次多項式正相關，相關系數為0.616。從圖4可以看出，SO42--S 沉降量與NO3--N 沉降量呈顯著線性正相關（P＜0.05），相關系數為 0.619。

3 結論與討論

研究區監測期內SO42--S 質量濃度遠高于無機氮離子。通過人為排放的SO2和NOx 經光化學反應形成的SO42-和NO3-，是降雨中主要致酸離子，二者之比通常是用來反映降水酸化程度的定性度量[25]。研究區雨季降雨中SO42-/NO3-的加權平均濃度值為13.93，說明該地降雨中SO42-濃度很高，SO42-/NO3-高于西安（12.89）、咸陽（11.11）[17]、重慶（10.9）[16]、太原（4.38）[15]。山西煤炭資源豐富，是國家重要的煤化工生產基地。高耗能、高污染的化工企業在帶來經濟利益的同時也排放了大量的煙粉塵、二氧化硫和氮氧化物，給環境帶來巨大壓力。因此，高硫沉降對研究區大氣污染的貢獻不可忽視。

本研究表明，SO42--S 與NO3--N 的濃度之間及沉降量之間均達到顯著水平，說明二者有相同的來源。研究區地處交通要道，周圍車流量大，村莊較多，生活燃料以煤炭為主，其燃燒釋放的氮硫化物致使空氣中氮硫濃度升高，加之太原市地形東西北部高、南部低，太原市秋冬季盛行偏北風，盛行風向驅使污染物“南下”是造成研究區空氣中SO42-和NO3-濃度增加的原因。此外，大氣中NH3主要來源于人畜排泄物和氮肥的揮發及微生物對動植物殘體和土壤有機物的分解等，雨季高溫加之農田施肥活動頻繁，排放到大氣中的NH3濃度增加進而影響降雨中NH4+-N 的濃度[26]。氮硫總沉降中硫沉降占77%，無機氮占23%，硫沉降占的比例較大，類似于李愛萍等[18]研究結果。無機氮中NH4+-N 占的比例高，集中沉降月均是 6，7月。雖 NO3--N 濃度 9，10月較高但該月份降雨量較低，因此，NO3--N 沉降量在整個雨季差異不大。本研究結果表明，NH4+-N 和SO42--S 及NO3--N 之間無論是濃度還是沉降量關系均不顯著，說明農田區降水中NH4+-N 的來源主要是農事活動，交通及生活燃煤等因素主要影響區內SO42--S 和NO3--N 沉降通量，所以，人類活動是SO42--S 和無機氮通量的主要影響因素。

許亞宣等[27]對我國硫沉降的數值模擬顯示，我國華北、華東、華南和西南地區均出現不同程度的S沉降超臨界負荷現象，南方地區較為嚴重，硫總沉降中濕沉降占的比例是干沉降的3 倍，諸多研究表明，過多硫沉降會造成環境污染與生態問題。東陽試驗基地屬于半干旱半濕潤區，其氮硫濕沉降卻高于年降雨量豐富的江西鷹潭[4]、常熟[20]、九寨溝[21]等地，說明本研究區空氣中氮硫污染形勢比較嚴峻。此外，張明等[4]的研究表明，大氣硫沉降輸入占農田生態系統輸入總量的90%以上，對農田生態系統養分循環有較大影響，農田消耗的氮硫元素較多，因此，對作物生長季獲取營養元素有重要意義[28-29]。此外，本試驗區僅雨季的無機氮濕沉降量就超過氮沉降對陸地生態系統影響警戒線（10 kg/（hm2·a））[30]，因此，要高度關注氮硫沉降對空氣的污染狀況。