伊犁河谷大氣氮濕沉降特征研究
——以首府伊寧市為例

張 偉，余 婷，何 嬌，劉忠權

(新疆伊犁職業技術學院農業工程學院，新疆伊寧 835000)

大氣氮沉降是指大氣中的各種活性氮通過干、濕沉降等形式從大氣中清除的過程。氮沉降具有雙面效應，氮作為植物生長的必需營養元素，早期能為植物生長供應所需氮素營養，但是隨著沉降量超越自然臨界負荷后又可連鎖誘發諸如土壤酸化、水體富營養化、生物多樣性減退等負面效應，社會經濟也因此蒙受巨大損失，甚至直接威脅人類的健康。隨著人類活動干擾加劇，如礦物燃燒、化學氮肥的施用以及畜牧業的規模化發展使得向大氣中排放的活性氮激增，大氣氮素沉降也相應快速增加。隨著我國經濟的快速發展，大氣活性氮的排放量快速增加，到2010年已高達56 Tg。

新疆是我國干旱區的主體，屬典型的山地-綠洲-荒漠生態系統，而伊犁河谷作為干旱區綠洲生態系統受人為因素影響嚴重，人口由2000年的208萬增長至2020年的284萬，由此估計通過大氣沉降帶入的氮素等養分數量將明顯增加，但由于缺乏系統的沉降資料目前還難以對其生態效應進行全面評價。伊寧市作為伊犁河谷最大的城市，也是國家“一帶一路”沿線支點城市。因此，開展伊寧市大氣氮濕沉降監測，有利于為評價我國干旱區綠洲(伊犁河谷)環境養分的輸入數量和時空分布規律提供數據支持。

1 資料與方法

伊寧市位于新疆西北邊陲，地處伊犁河谷盆地中央，地理坐標為43°50′～44°09′N、80°04′～81°29′E。伊寧市屬北溫帶大陸性氣候，年均氣溫10.5 ℃，年均降水量235 mm，農業生產以種植業、畜牧養殖為主。伊寧市作為伊犁州直首府，現有總人口54.75萬，是國家“一帶一路”沿線支點城市，也是北疆重要城市。

該研究采用雨水采集法，是使用SDM6固定雨量器(包括不銹鋼漏斗和玻璃瓶)手動收集每次降水，并用25 mm雨量筒(最小刻度0.1 mm)記錄降雨量。每次降水取全過程樣，如有連續降水過程，則08：00—次日08：00為一次樣品。降水樣品充分混勻后立即用50 mL干凈的聚乙烯瓶儲存，并暫時在-18 ℃環境中存放。

每個收集的樣品用0.45 μm濾膜過濾，NO-N、NH-N用AA3連續流動分析儀測定，TN經過硫酸鉀氧化后，紫外分光光度法測定。濕沉降量計算公式如下：

(1)

(2)

式(1)中，是一段時期內個降水樣本計算的平均濃度(mg/L)；是第次單個樣本濃度(mg/L)；是第次降雨量(mm)。式(2)中，為濕沉降量[kg/(hm·a)]；為一段時期內所有降水的總量(mm)；100為單位轉換系數。

濕沉降總氮(TN)包括無機活性總氮(TIN)和可溶性有機氮(DON)，TIN是NO-N與NH-N之和；DON采用差減法，DON=TN-TIN。通過Excel對原始數據進行分析，采用SPSS軟件對數據進行相關統計。

2 結果與分析

采樣期間，伊寧市共降水58次，年降水量為236.71 mm。對大氣氮濕沉降所有樣品中無機活性氮NO-N、NH-N進行分析，從圖1可以看出，伊寧市大氣氮濕沉降中NO-N、NH-N的濃度大部分分布在2.00 mg/L以下，分別占總次數的82.75%、67.24%。總體上看，NO-N、NH-N的年平均濃度分別為0.57、1.17 mg/L，最大值分別為5.04、6.94 mg/L，最小值分別為0.04、0.29 mg/L，說明NO-N、NH-N在濃度分布范圍上變化較大，可能除了受排放源季節影響外，還與連續降水沖刷造成濃度持續降低有關。

圖1 無機活性氮濃度的頻數分布Fig.1 Frequency distribution of inorganic active nitrogen concentration

降水中NO-N、NH-N的濃度以及NH-N/NO-N值關系如圖2所示，該研究期間NO-N月均濃度為0.34～1.16 mg/L，月均濃度均低于NH-N月均濃度；NH-N月均濃度為0.49～2.45 mg/L，月均濃度變化較大，其中4—7月份都高于1.79 mg/L。NH-N/NO-N值為1.46～3.98，從全年變化來看，3—8月份比值均大于2，考慮3月底開始當地雪水逐漸融化，開始春耕生產至8月份都是農忙季節，該時期以NH-N排放源為主導較為明顯。

圖2 2020年5月—2021年4月無機活性氮月均濃度變化以及NH4+-N/NO3--N值月變化Fig.2 The monthly average concentration change of inorganic reactive nitrogen and the monthly change of NH4+-N/NO3--N value from May 2020 to April 2021

圖3 2020年5月—2021年4月不同形態氮濃度的月變化Fig.3 Monthly variation of nitrogen concentration in different forms from May 2020 to April 2021

圖4 不同形態氮濃度的季節變化Fig.4 Seasonal variation of nitrogen concentration in different forms

從圖5可以看出，濕沉降無機氮組分NO-N月均沉降量為0.04～0.21 kg/hm，年均沉降量為1.33 kg/hm；NH-N月均沉降量為0.07～0.36 kg/hm，年均沉降量為2.78 kg/hm；DON月均沉降量為0.01～0.63 kg/hm，年均沉降量為2.04 kg/hm；TN月均沉降量為0.16～1.09 kg/hm，年均沉降量為6.15 kg/hm。從季節分布來看(圖6)，降水主要集中在春季和冬季，占全年降水量的61.41%；NO-N沉降量以冬季最高(0.42 kg/hm)，秋季最低(0.20 kg/hm)；NH-N沉降量以秋季最低(0.35 kg/hm)，春季最高(0.86 kg/hm)，是秋季的2.46倍；DON沉降量以春季最高(0.76 kg/hm)，冬季次之(0.52 kg/hm)，2個季節沉降量為全年的66.76%；TN沉降量以春季最高(1.94 kg/hm)，秋季最低(0.89 kg/hm)。總體上大氣氮沉降量從大到小依次為春季[1.94 kg/(hm·a)]>冬季[1.69 kg/(hm·a)]>夏季[1.63 kg/(hm·a)]>秋季[0.89 kg/(hm·a)]。

圖5 2020年5月—2021年4月各形態氮濕沉降量和降水量的月變化Fig.5 Monthly variation of nitrogen wet deposition of different forms and precipitation from May 2020 to April 2021

圖6 各形態氮濕沉降量和降水量的季節變化Fig.6 Seasonal variation of nitrogen wet deposition of different forms and precipitation

Liu等的研究按照氮濕沉降(NO-N、NH-N濕沉降)在全國范圍沉降通量的大小劃分為高、中、低3個沉降區，新疆屬于低沉降區[<15 kg/(hm·a)]行列。該研究中伊寧市2020年5月—2021年4月TN濕沉降量為6.15 kg/(hm·a)，與低沉降區劃分值相符。從表1可以看出，與國內其他城市相比，TIN年沉降量高于西藏林芝縣[2.36 kg/(hm·a)]，與烏魯木齊市[6.0 kg/(hm·a)]相近，低于其他東部城市。這是由于經濟發達地區人口稠密，也是工農業相對發達和氮肥的高投入地區，因此活性氮的排放顯著高于西部欠發達地區。但是從氮沉降的不同形態濃度來看，NO-N質量濃度為0.57 mg/L，高于林芝縣(0.10 mg/L)，是烏魯木齊市濃度的57.00%、太原市的4.42%；NH-N質量濃度為1.17 mg/L，高于林芝縣(0.36 mg/L)，是烏魯木齊市濃度的90.00%、太原市的32.50%。從以上結果比較來看，伊寧市與烏魯木齊市相比，在交通運輸、工業化規模方面差距較大。

氮沉降和富營養化臨界負荷估算表明，我國已有約15%的土地超過臨界負荷，威脅到了生態系統健康。研究發現我國的氮沉降臨界負荷總體上呈現東高西低的走向，新疆氮沉降臨界負荷為4～10 kg/(hm·a)。該研究TN濕沉降量為6.15 kg/(hm·a)，說明研究區域氮沉降已經接近臨界負荷上限。

伊寧市大氣氮濕沉降量在不同形態所占質量分數由大到小依次為NH-N(45.20%)>DON(33.17%)>NO-N(21.63%)，可見DON是氮素濕沉降的重要組成部分。但是現有的研究多集中于降水中無機氮的定量，對于有機氮的定量研究較少。事實上，這部分氮素在大氣氮沉降中占有相當大的比例，張海霞等研究發現有機氮在氮濕沉降量中所占比例最大。從表1可以看出，DON濃度與沈陽市監測結果接近，但是沉降量僅占沈陽市的30.96%，說明兩地間降水量差距較大。

對伊寧市大氣氮濕沉降的各形態氮每個月沉降量和降水量進行相關性分析，結果發現(表2)，各形態的氮沉降量與降水量均呈顯著正相關(<0.05)，NO-N與NH-N之間沉降量呈極顯著正相關(<0.01)，DON與NO-N、NH-N沉降量均呈正相關，TN與NO-N、NH-N、DON沉降量均呈極顯著正相關(<0.01)。

表1 該研究和全國其他城市大氣氮濕沉降各形態的比較Table 1 Comparison of various forms of atmospheric nitrogen wet deposition between this study and other cities in China

表2 各形態氮濕沉降量和降水量的相關系數Table 2 The correlation coefficient of nitrogen wet deposition of various forms and precipitation

3 討論

根據已有的研究證明，NH-N主要來源于農業化肥和畜禽養殖造成的氨揮發，另外，機動車在低速行駛時，燃油燃燒不完全也會有氨的排放；NO-N主要來源于化石燃料燃燒和汽車尾氣排放；DON主要來源于以生物釋放、揚塵和大氣化學反應為主的自然源與以工業生產、化肥及化石燃料燃燒和生物質能燃燒為主的人為源。不同形態氮沉降量所占比例不同，TIN濕沉降量為4.11 kg/(hm·a)，在TN中占66.83%，說明無機活性氮是氮沉降的主要形態。NH-N濕沉降量為2.78 kg/(hm·a)，在TIN中占67.64%，說明在當地農牧業占主要地位，農業施肥量大或畜牧養殖量大。NH-N/NO-N值在濕沉降中可以用來表示農業和工業活動對氮沉降的相對貢獻，該研究中NH-N/NO-N值為2.05，說明研究區域氮沉降以農業來源排放的氮沉降為主。伊寧市作為一座旅游城市，工業化程度低，并且所處的伊犁河谷是以農牧業為主，所以來自農業源的氨氮所占比例較高。該研究中NH-N/NO-N值>1，與伊寧市發展狀況相一致。

該監測點研究區域濕沉降存在季節性差異，總體上春季>冬季>夏季>秋季。3個季節的沉降量明顯高于秋季，其原因有幾個方面：一是春夏季節是伊犁河谷作物種植、畜牧生產的季節，肥料的大量施用、畜牧養殖造成大量活性氮的揮發；二是濕沉降通量與降水量呈顯著正相關，冬季、春季較大降水使沉降量增長；三是冬季伊犁河谷燃煤供暖，化石燃料燃燒及城市機動車交通擁堵造成活性氮排放量明顯增長；四是從沉降濃度來看，春夏季節濃度較高，經過2個季節雨水沖刷使秋季濃度下降，以及秋季莊稼成熟收獲后，農田開始處于閑置狀態，導致沉降通量降低。

4 結論

(1)在監測期內，伊寧市大氣氮濕沉降中NO-N、NH-N、DON、TN平均濃度分別為0.57、1.17、0.86、2.60 mg/L。NO-N、NH-N濃度峰值集中在5—7月份，秋季濃度明顯低于其他3個季節；DON濃度在春季和冬季較高。從沉降量來看，TN沉降量為6.15 kg/(hm·a)，低于東部省份監測結果。TIN占TN沉降量的66.83%，說明氮沉降是以無機活性氮為主。NH-N是TIN沉降量中的主要組成部分，所占比例為67.64%。在已有的氮沉降相關研究中，對DON沉降量分析較少，但是在該研究中發現DON占TN沉降量的33.17%，說明DON在氮沉降中也占有一定的比例。在研究大氣氮沉降的相關研究中，加強對DON的研究是很有必要的。

(2)大氣氮濕沉降量與降水量的相關性分析表明，不同形態的氮沉降量均與降水量呈顯著正相關(<0.05)，NO-N與NH-N之間沉降量呈極顯著正相關(<0.01)。降水量增長，濕沉降量隨之增長，降水量集中在冬季、春季，氮沉降量呈春冬季高于夏秋季。

(3)伊犁河谷位于新疆西北，生態系統脆弱，該研究TN濕沉降量為6.15 kg/(hm·a)，如果再將氮素干沉降量計算在內，總的沉降量已接近或超過了新疆氮沉降臨界負荷值4～10 kg/(hm·a)。因此，該地區水體富營養化及陸地生態系統(如草原、森林)的安全問題需要得到關注，建立與完善大氣氮沉降長期監測系統勢在必行。