胶州湾夏秋季大气湿沉降中的营养盐及其入海的生态效应

为揭示大气湿沉降对胶州湾营养盐的输送通量及其生态效应,分别于2015年6—8月(夏季)、9—11月(秋季)采集胶州湾降水样品,测定了降水中不同形态N、P、Si的浓度。结果表明,降水中不同形态营养盐的浓度变化较大,且均与降水量呈负相关关系,其中NH4-N和NO3-N的浓度较高,溶解有机氮(DON)占溶解态总氮(DTN)含量的25.9%,而NO_2-N,PO_4-P和SiO_3-Si的浓度均很低。溶解无机氮(DIN)、DON、PO_4-P以及SiO_3-Si的湿沉降通量分别为141.7、61.87、0.35 mmol m~(-2)a~(-1)和0.12 mmol m~(-2)a~(-1)。受降水量和营养物质来源制约,各项营养盐湿沉降通量时间变化显著。农业活动导致的无机氮排放构成了胶州湾湿沉降DIN的主要来源。大气湿沉降DIN、DON、PO_4-P和SiO_3-Si分别占胶州湾总输入负荷的9.04%、10.24%、0.57%和0.17%,湿沉降输入的PO_4-P在夏、秋季分别可以支持0.575 mgC m~2d~(-1)和1.42 mg C m~2d~(-1)的新生产力;雨水中DIN/P比值高达1 617,突发性强降雨带来的营养盐输入会加剧表层水体的P限制和Si限制,对胶州湾浮游植物群落结构和粒级结构产生重要影响。大气湿沉降是胶州湾生源要素生物地球化学过程的重要一环,对营养物质收支的贡献及可能引发的生态效应不容忽视。     

胶州湾生源要素的大气沉降及其生态效应研究进展

作为受人类活动影响显著的典型半封闭海湾,胶州湾生源要素的大气沉降研究在揭示人为污染物质排放对海湾生态系统影响方面具有典型性.从大气干/湿沉降生源要素的研究方法、通量及其影响因素、入海生态效应3个方面入手,系统总结了胶州湾生源要素大气干、湿沉降及其生态效应的研究进展:1)与国内外有关海湾、河口和边缘海相比,胶州湾大气干、湿沉降氮的浓度和通量都较高,溶解无机氮(DIN)是其主要组分,溶解有机氮(DON)占总溶解态氮(TDN)含量的22%～31%,而P和Si的浓度和沉降通量都很低.2) (NO₃^--N+NO₂^--N)的大气沉降量比陆源输入量略高,而NH₄⁺-N、PO₄^3--P以及SiO₃^2--Si的大气沉降量所占比例很低.3)大气总悬浮颗粒物(TSP)浓度、排放源强度、降水量以及气象条件是影响胶州湾大气沉降生源要素的主要因素.4)大气沉降的生源要素可促进胶州湾初级生产力的提高和改变表层海水的营养盐结构,进而导致浮游植物群落结构的改变和优势种由硅藻向甲藻的演替,从而对胶州湾生态系统产生重要影响.对今后的研究提出建议:1)建设胶州湾大气干/湿沉降监测网;2)精确量化不同形态和粒径生源要素颗粒的干沉降速率;3)量化大气沉降生源要素入海的生态效应,并深入剖析其生物地球化学机制;4)甄别大气沉降生源要素通过间接方式入海的机制、通量及影响因素.深入研究胶州湾生源要素的大气沉降,对阐明人类活动对海湾生态系统的影响有积极意义,也有助于加深对陆架边缘海生源要素生物地球化学循环过程的理解.     

百年尺度地球系统模式模拟的陆地生态系统碳通量对CO2浓度升高和气候变化的响应

利用了加拿大地球系统模式CanE SM2(Canadian Earth System Model of the CCCma)的结果,针对百年尺度大气CO_2浓度升高和气候变化如何影响陆地生态系统碳通量这一问题,分析了1850—1989年间陆地生态系统碳通量趋势对二者响应,以及与关键气候系统变量的关系。结果表明,140年间,当仅仅考虑CO_2浓度升高影响时,陆地生态系统净初级生产力(NPP)增加了117.1 gC m~(-2)a~(-1),土壤呼吸(Rh)增加了98.4 gC m~(-2)a~(-1),净生态系统生产力(NEP)平均增加了18.7 gC m~(-2)a~(-1)。相同情景下,全球陆地生态系统的NPP呈显著增加的线性趋势(约为0.30 PgC/a~2),Rh同样呈显著增加线性趋势(约为0.25 PgC/a~2)。仅仅考虑气候变化单独影响时,NPP平均减少了19.3 gC/m~2,土壤呼吸减少了8.5 gC/m~2,NEP减少了10.8 gC/m~2。在此情景下,整个陆地生态系统的NPP线性变化趋势约为-0.07 PgC/a~2(P0.05),Rh线性变化趋势约为-0.04 PgC/a~2(P0.05)。综合二者的影响,前者是决定陆地生态系统碳通量变化幅度和空间分布的最重要影响因子,其影响明显大于气候变化。值得注意的是,CanE SM2并没有考虑氮素的限制作用,所以CO_2浓度升高对植被的助长作用可能被高估。此外,气候变化的贡献也不容忽视,特别是在亚马逊流域,由于当温度升高、降水和土壤湿度减少,NPP和Rh均呈显著减少趋势。     

陕北典型农区大气干湿氮沉降季节变化

为了研究大气通过干湿沉降输入到农田土壤的氮通量,2007年6月至2008年5月在陕西榆林和洛川两地进行了为期一年的观测试验.结果表明:榆林和洛川地区大气总无机氮沉降通量分别为22.17和16.95 kg·hm~(-2)·a~(-1),湿沉降分别占95.1%和90.4%,干沉降分别占4.9%和9.6%,两个地区氮沉降均以湿沉降为主.总无机氮沉降中,NO_3~--N分别为12.22和9.24 kg·hm~(-2)·a~(-1),分别占总无机氮沉降量的55.1%和54.5%.由于污染水平、气象条件、下垫面特性等的差异,总无机氮沉降中,湿沉降量和NO_3~--N沉降量均是榆林地区大于洛川地区.     

模拟SO42-沉降对闽江口淡水感潮野慈姑湿地甲烷排放通量的影响

2015年12月—2016年10月,每月小潮日原位定期向闽江口塔礁洲淡水感潮野慈姑(Sagittaria trifolia L.)湿地施加剂量为60、120 kg S hm~(-2)a~(-1)的K_2SO_4溶液(分别记做S-60和S-120),探讨模拟硫酸根(SO_4~(2-))沉降对河口淡水感潮湿地甲烷(CH4)排放通量及间隙水SO_4~(2-)浓度的影响。对照、S-60和S-120处理组CH_4排放通量年均值分别为(7.88±1.00)mg h~(-1)m~(-2)、(6.55±0.97)mg h~(-1)m~(-2)和(6.66±1.49)mg h~(-1)m~(-2)。在年尺度上,两个高强度模拟SO_4~(2-)沉降处理组均未显著降低闽江口淡水感潮野慈姑湿地CH_4排放通量(P0.05),即高强度SO_4~(2-)沉降不会对河口淡水感潮湿地CH_4排放通量产生类似于其对泥炭湿地和水稻田的显著抑制效应。在年尺度以及秋、冬季,两个施加K_2SO_4溶液处理显著增加了野慈姑湿地10 cm深度土壤间隙水SO_4~(2-)浓度。对于各个处理组,温度较高的夏、秋季CH_4排放通量均显著高于温度相对较低的冬、春季(P0.05)。不同处理组CH_4排放通量均与土壤温度呈显著正相关关系,温度仍然是影响亚热带河口淡水感潮湿地CH_4排放通量的重要环境因子。     

山西北部农村区域大气活性氮沉降特征

利用DELTA系统、被动采样器和雨量器在山西省北部生态脆弱区朔州的一个监测点通过一整年的监测试验,研究了该地区农村区域大气氮素干湿沉降的月际变化。结果表明:2011年该地区大气氮素湿沉降为12.43kgN hm~(-2)a~(-1),远低于华北平原大气氮素混合沉降的平均值28.0kg N hm~(-2)a~(-1),降水中铵态氮、硝态氮和有机氮平均分别为1.24 mg N/L、1.27 mg N/L、1.26mg N/L。大气氮素湿沉降的年内分布不均,60%的沉降集中在降水较丰沛的4-10月份。试验区干沉降以氧化态氮(HNO_3NO_2和pNO_3~-)的沉降为主,氧化态氮的干沉降量是还原态氮(NH_3和pNH_4~+)的1.37倍,大气氮素干沉降总量为35.43 kg N hm~(-2)a~(-1)。总体来看,作为典型的干旱区,该地区氮的干沉降是湿沉降的3倍,氮素干湿沉降总量达到47.86kg N hm~(-2)a~(-1)。此外,硝态氮和铵态氮在雨水中呈线性相关,而在PM_(10)颗粒物中乘幂正相关;雨水中总碳和总氮呈线性正相关,而PM_(10)颗粒物中二者呈二次多项式关系。鉴于朔州地区古城镇较高的氮沉降数量,应该对该地区输入农田的氮素环境养分引起足够重视。     

模拟氮沉降和降雨对华西雨屏区常绿阔叶林土壤呼吸的影响

从2013年12月至2014年11月,通过野外原位试验,对华西雨屏区常绿阔叶林进行了模拟氮沉降和降雨试验,采用LI-8100土壤碳通量分析系统(LI-COR Inc.,USA)测定了对照(CK)、氮沉降(N)、减雨(R)、增雨(W)、氮沉降+减雨(NR)、氮沉降+增雨(NW)6个处理水平的土壤呼吸速率,并通过回归方程分析了温度和湿度与土壤呼吸速率间的关系。结果表明:(1)氮沉降和增雨抑制了常绿阔叶林土壤呼吸速率,减雨促进了常绿阔叶林土壤呼吸速率。(2)减雨使华西雨屏区常绿阔叶林土壤呼吸年通量增加了258 g/m~2,而模拟氮沉降和增雨使华西雨屏区常绿阔叶林土壤呼吸年通量分别减少了321g/m~2和406g/m~2。(3)减雨增加了土壤呼吸的温度敏感性,模拟氮沉降和增雨降低了土壤呼吸的温度敏感性。(4)模拟温度和湿度与土壤呼吸速率间回归方程分析表明,土壤水分对土壤呼吸速率的影响较小。(5)模拟氮沉降和增雨处理减少土壤微生物生物量碳、氮的含量,减雨处理增加了土壤微生物生物量碳、氮的含量。(6)模拟氮沉降和降雨对华西雨屏区土壤CO_2释放的影响未表现出明显的交互作用。     

红壤典型地区大气硫输入的干沉降通量研究

在江西（鹰潭）红壤典型地区农田下垫面上进行大气SO2、硫酸盐（SO4^2-）的浓度采样,利用阻力模式计算SO2和SO4^2-的干沉降速度,估算大气S输入农田生态系统的干沉降通量,结果表明,农田下热垫面上SO2和SO4^2-干沉降速度的平均值分别是0．43、0．23cm.s^-1,干沉降速率具有明显的日变化特征,一般白天大于夜间,午后出现最大值,大气S输入农田生态系统的半年干沉降通量为6．7g.m^-2。     

氮素类型和剂量对寒温带针叶林土壤N2O排放的影响

大气氮沉降输入会增加森林生态系统氮素有效性,进而改变土壤N_2O产生与排放,然而有关不同氮素离子(氧化态NO_3~--N与还原态NH_4~+-N)沉降对土壤N_2O排放的影响知之甚少。以大兴安岭寒温带针叶林为研究对象,构建了3种类型(NH_4Cl、KNO_3、NH_4NO_3)和4个施氮水平(0、10、20、40 kg N hm~(-2)a~(-1))的增氮控制试验,利用流动化学分析仪和静态箱-气相色谱法4次/月测定凋落物层和矿质层土壤无机氮含量、土壤-大气界面N_2O净交换通量以及相关环境因子,分析施氮类型和剂量对土壤氮素有效性、土壤N_2O通量的影响探讨氮素富集条件下土壤N_2O通量的环境驱动机制。结果表明:施氮类型和剂量均显著影响土壤无机氮含量,土壤NH_4~+-N的积累效应显著高于NO_3~--N。施氮一致增加寒温带针叶林土壤N_2O排放,NH_4NO_3促进效应最为明显,增幅为442%-677%,高于全球平均水平(134%)。土壤N_2O通量与土壤温度、凋落物层NH_4~+-N含量正相关,且随着施氮水平增加而增加。结果表明大气氮沉降短期内不会导致寒温带针叶林土壤NO_3~--N大量流失,但会显著促进土壤N_2O的排放。此外,外源性NH_4~+和NO_3~-输入对土壤N_2O排放的促进作用具有协同效应,在未来森林生态系统氮循环和氮平衡研究中应该区分对待。     

红壤典型地区大气硫输入的干沉降通量研究——以江西红壤站为例

在江西(鹰潭)红壤典型地区农田下垫面上进行大气SO₂、硫酸盐(SO₄^2-)的浓度采样,利用阻力模式计算SO₂和SO₄^2-的干沉降速度,估算大气S输入农田生态系统的干沉降通量.结果表明,农田下垫面上SO₂和SO₄^2-干沉降速度的平均值分别是0.3、0.23cm·s^-1.干沉降速度具有明显的日变化特征,一般白天大于夜间,午后出现最大值.大气S输入农田生态系统的半年干沉降通量为6.7g·m^-2.     

冬麦田臭氧干沉降过程的观测

地表臭氧作为近地层最主要的大气污染物之一,其不断上升的浓度及其对粮食作物的影响受到越来越多的关注.本研究利用微气象学观测方法,探明自然条件下冬麦田的臭氧沉降过程,分析了影响臭氧沉降过程的环境因子.结果表明: 观测期内(小麦生长旺期)臭氧通量均值为-0.35 μg·m^-2·s^-1(负号表示沉降方向指向地面),臭氧沉降平均速率为0.55 cm·s^-1,空气动力学阻力均值为30 s·m^-1,粘性副层阻力均值为257 s·m^-1,冠层阻力均值为163 s·m^-1,且均存在明显的日变化趋势.臭氧沉降阻力大小受摩擦速度、太阳辐射强度、温度和相对湿度等因素的影响.     

Sensitivity of continental United States atmospheric budgets of oxidized and reduced nitrogen to dry deposition parametrizations

Reactive nitrogen (N_r) is removed by surface fluxes (air–surface exchange) and wet deposition. The chemistry and physics of the atmosphere result in a complicated system in which competing chemical sources and sinks exist and impact that removal. Therefore, uncertainties are best examined with complete regional chemical transport models that simulate these feedbacks. We analysed several uncertainties in regional air quality model resistance analogue representations of air–surface exchange for unidirectional and bi-directional fluxes and their effect on the continental N_r budget. Model sensitivity tests of key parameters in dry deposition formulations showed that uncertainty estimates of continental total nitrogen deposition are surprisingly small, 5 per cent or less, owing to feedbacks in the chemistry and rebalancing among removal pathways. The largest uncertainties (5%) occur with the change from a unidirectional to a bi-directional NH₃ formulation followed by uncertainties in bi-directional compensation points (1–4%) and unidirectional aerodynamic resistance (2%). Uncertainties have a greater effect at the local scale. Between unidirectional and bi-directional formulations, single grid cell changes can be up to 50 per cent, whereas 84 per cent of the cells have changes less than 30 per cent. For uncertainties within either formulation, single grid cell change can be up to 20 per cent, but for 90 per cent of the cells changes are less than 10 per cent.     

黄土区降水降尘输入农田土壤中的氮素评估

随着人类活动引起大气活性氮的急剧增加,大气氮沉降亦明显增加,由此引发的各生态系统的响应也逐渐表现出来.研究黄土区氮沉降,对农业生态系统的氮素循环与平衡提供一定的数据支持,同时为农民科学合理施肥提供依据,为研究氮沉降的环境生态效应和生物有效性提供科学支撑.用APS-2A型降水降尘自动采样器对陕西杨凌和洛川地区2006～2007年的降水降尘输入氮总量、月动态变化及各形态N的贡献率进行了监测与分析.结果显示杨凌点2006年总降雨量为507.8 mm,总N沉降通量为20.6 kg/(hm2·a),其中N湿沉降通量为19.1 kg/(hm2·a),占93%;降尘输入的N通量为1.5 kg/(hm2·a),占7%.总N沉降通量中NO-3-N为7.3 kg/(hm2·a),占36%.洛川点2006年6月～2007年5月总降雨量为579.5 mm,总N沉降通量为12.7 kg/(hm2·a),其中N湿沉降通量为11.4 kg/(hm2·a),占90%;降尘输入N的通量为1.2 kg/(hm2·a),占10% .总N沉降通量中NO-3-N为8.7kg/(hm2·a),占69%.两个点N沉降通量和氮素形态的差异在很大程度上反映了活性N主要来自人为活动,即农业生产排放的活性N.     

陕西省不同生态区大气氮素干湿沉降的时空变异

为研究陕西省不同生态区大气氮素干湿沉降的时空变化规律,于2009年11月至2010年10月对4个生态区5个监测点的干湿沉降输入量进行为期1a的观测。结果表明:监测期内,榆林、洛川、西安、杨凌和安康地区总N沉降量分别为4.7、11.9、25.8、31.9和19.2 kg/hm2,其中N湿沉降量分别为2.9、10.4、24.8、27.7和16.3 kg/hm2,占总沉降的62%—96%,N干沉降量分别为1.8、1.5、1.0、4.1和2.9 kg/hm2,占4%—38%,且湿沉降与降雨量之间呈正相关关系,干沉降与之相反;各地区NH+4-N沉降量分别为2.0、6.4、17.0、17.2和11.9 kg/hm2,占总沉降的44%—66%,NO-3-N沉降量分别为2.6、5.5、8.8、14.7和7.3 kg/hm2,占34%—56%,除榆林地区外,其他地区以NH+4-N沉降为主。     

我国雷州半岛典型农田大气氮沉降

近一个半世纪以来,粮食和能源需求导致活性氮创造的急剧增加,从而导致各种活性氮的排放及其沉降的增加。氮沉降引起土壤酸化,水体富营养化,及敏感生态系统植物多样性的丧失等不良生态效应。因此定量不同生态系统氮沉降量对于确定该地区生态系统安全及氮循环有重要意义。南方地区氮沉降已有较多研究,主要集中于湿沉降的研究,选取雷州半岛地区典型农田综合研究了大气氮素的干湿沉降。结果表明:大气活性氮浓度NH3、HNO3、NO2、pNH+4和pNO-3浓度分别为5.62、0.88、3.16、3.30、2.02μg N/m3。采用欧洲氮沉降监测网的氮干沉降速率估算了大气氮干沉降量为17.6 kg N hm-2a-1。大气降雨NO-3-N浓度为(0.86±0.36)mg N/L,NH+4-N浓度为(1.11±0.68)mg N/L,大气降雨无机氮含量冬季最高,夏季最低。大气无机氮年湿沉降总量为25.3 kg N/hm2。湿沉降NH+4-N和NO-3-N,干沉降NH3、HNO3、NO2、pNH+4、pNO-3分别占沉降量的30.8%、28.0%、23.7%、5.4%、2.8%、3.9%、5.4%。湿沉降NH+4和干沉降NH3在氮沉降中占主导地位显示氮肥施用导致的NH3挥发对大气活性氮浓度及氮沉降的显著贡献。鉴于研究可观的氮沉降量(总沉降量42.9 kg N hm-2a-1),其向农田的养分的输入不容忽视;氮沉降对该地区水体,自然生态系统的环境影响需要受到重视。     

The chemistry of wet deposition for a tallgrass prairie ecosystem: inputs and interactions with plant canopies

The chemistry and nutrient inputs of wet deposition, and the N chemistry of throughfall, were characterized for a tallgrass prairie in north-central Kansas. Dominant ions in wetfall were NH ₄ ⁺ , Ca²⁺, H⁺, NO ₃ ^- , and SO ₄ ^2- ; weighted mean pH was 4.79. Principal sources of ions appeared to be natural emissions and wind-blown soils. Concentrations of NO ₃ ^- -N, NH ₄ ⁺ -N, and organic N in wet deposition were 0.31, 0.30, and 0.17 mg/L, respectively, resulting in N inputs of 2.5, 2.5, and 1.4 kg · ha^-1 · yr^-1. Comparisons with bulk precipitation suggested that at least 50% of atmospheric N inputs were from dry deposition. Concentrations of NO ₃ ^- -N, NH ₄ ⁺ -N, and organic N in unburned prairie throughfall were 0.27, 0.28, and 1.28 mg/L, and in burned prairie throughfall were 0.33, 0.37, and 0.91 mg/L, respectively. The prairie canopy intercepted up to 48% of incident precipitation. Lower inorganic N and higher organic N concentrations in throughfall relative to wet deposition probably resulted from leaf uptake of N and immobilization by microbes associated with the standing dead plant materials of the prairie canopy. The removal of these materials by fire is important in maintaining N availability for tallgrass prairie. Much of the N immobilization appeared to have been of N that was supplied to the prairie canopy by dry deposition.