南京地區(qū)大氣氮磷沉降及模擬氮沉降對土壤氣體排放的影響研究.pdf

1、自工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)導(dǎo)致全球范圍大氣氮磷沉降逐漸加劇。大氣沉降是氮磷生物地球化學(xué)循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響各類自然生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分輸入、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡和水體質(zhì)量等。本研究以南京地區(qū)大氣氮磷沉降為研究對象，通過4年連續(xù)定位監(jiān)測，比較分析并選擇南京水網(wǎng)地區(qū)氮磷沉降的觀測研究方法，選擇三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)觀測氮磷沉降通量和組成特征，進(jìn)而結(jié)合氮自然豐度和雙端元混合模型辨析沉降氮的來源;探討模擬氮沉降和生物炭添加對農(nóng)業(yè)土壤和森林土壤氣體排放的影響

2、。
　　試驗(yàn)研究分為以下4部分:①2009～2011年在同一地點(diǎn)比較研究濕法收集干沉降(DW)、干法收集干沉降(DD)和濕沉降(Wet)等三種觀測方法對大氣氮磷沉降通量、組成及其動(dòng)態(tài)變化的影響。②2010～2012年選擇南京地區(qū)城市近郊區(qū)(SB)、水稻-旱作輪作區(qū)(RU)、蔬菜種植區(qū)(VC)三個(gè)典型觀測點(diǎn)，研究大氣氮磷的混合沉降和濕沉降通量、組成及其時(shí)空變化特征。③2010～2012年動(dòng)態(tài)監(jiān)測上述三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)混合沉降中NH4+-N和

3、NO3--N的氮素自然豐度，結(jié)合雙端元混合模型分析，辨析沉降氮中NH4+-N和NO3--N的來源及不同來源的貢獻(xiàn)。④2012～2013年進(jìn)行模擬氮沉降研究試驗(yàn)，包括3個(gè)氮水平:0(N0)、60(N60)和120(N120) kg N hm-2a-1和2個(gè)生物炭水平0、30 t hm-2，每2個(gè)月模擬1次氮沉降，探討氮沉降和生物炭添加對農(nóng)業(yè)土壤和森林土壤N2O、NH3和CO2排放通量及動(dòng)態(tài)變化的影響。
　　主要研究結(jié)果如下:

4、　　(1)2009～2011年在南京地區(qū)比較研究DW、DD和Wet三種觀測方法對大氣氮磷沉降影響的研究表明，DW觀測法NH4+-N、NO3--N和TP的干沉降通量分別為7.5 kg N hm-2 a-1、6.3 kgN hm-2 a-1和1.9 kg Phm-2 a-1; DD觀測法NH4+-N、NO3--N和TP的干沉降通量則分別為2.2、4.9kg N hm-2 a-1和0.4 kg P hm-2 a-1。DW和DD這兩種干沉降觀測

5、方法存在顯著差異，DD觀測法NH-4+-N、NO3--N和TP的沉降通量分別為DW觀測法的29％、78％和21％。因此在水網(wǎng)地區(qū)應(yīng)該同時(shí)采用DW和DD這兩種觀測方法來監(jiān)測大氣干沉降，分別模擬大氣沉降到水域表面和陸地生態(tài)系統(tǒng)。
　　濕沉降(Wet)觀測研究表明，總磷(TP)和無機(jī)氮(包括NH4+-N和NO3--N)的濕沉降量分別為1.1 kg P hm-2 a-1和28.7 kg N hm-2 a-1，其中NH4+-N占無機(jī)氮總量的

6、43％。結(jié)合上述干沉降觀測研究結(jié)果，對于水域表面，NH4+-N、NO3--N和TP沉降總量（干沉降+濕沉降）分別為19.8 kg Nhm-2a-1、22.7 kgN hm-2 a-1和3.0 kgP hm-2 a-1，其中DW觀測法干沉降對總沉降量的貢獻(xiàn)分別占38％、28％和63％，因此不應(yīng)忽視干沉降對水域表面氮磷沉降通量的貢獻(xiàn)。對于陸地表面，NH4+-N、NO3--N和TP沉降總量（干沉降+濕沉降）分別為14.5 kg N hm-2a

7、-1、21.3 kg Nhm-2a-1和1.5 kg Phm-2 a-1，其中DD觀測法干沉降對總沉降通量的貢獻(xiàn)分別占15％、23％和27％，因此氮磷沉降研究中也要充分考慮干沉降對陸地生態(tài)系統(tǒng)氮磷沉降通量的貢獻(xiàn)。根據(jù)上述研究結(jié)果，建議在水網(wǎng)地區(qū)應(yīng)該同時(shí)采用DW+Wet和DD+Wet這兩類觀測方法來監(jiān)測大氣氮磷沉降，分別表征到水域表面和陸地生態(tài)系統(tǒng)的大氣沉降通量。
　　(2)2010～2012年南京地區(qū)SB、RU和VC三個(gè)典型觀測點(diǎn)

8、大氣氮磷的混合沉降（濕沉降+部分干沉降）乖濕沉降研究表明，南京地區(qū)SB、RU和VC三個(gè)典型觀測點(diǎn)的氮磷混合沉降通量分別為54.82 kgNhm-2 a-1和1.82 kgP hm-2a-1，其中NH4+-N的含量占無機(jī)氮總量的69.7％; NH4+-N的混合沉降量在SB、RU和VC這三個(gè)觀測點(diǎn)分別為34.97、36.87和42.8 kg Nhm-2 a-1，集中在夏季，受區(qū)域活動(dòng)和降雨量的影響較大。
　　無機(jī)氮和TP的濕沉降通量分

9、別為25.65 kgN hm-2 a-1和1.29 kgP hm-2 a-1，顯著低于同步觀測的混合沉降通量(分別為54.82 kg Nhm-2 a-1和1.82 kgPhm-2a-1)，間接表明干沉降通量在大氣混合沉降及沉降總量中的重要貢獻(xiàn)，值得高度重視。
　　(3)2010～2012年上述SB、RU和VC三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)混合沉降中NH4+-N和NO3--N的氮素自然豐度動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果表明，δ15NH4+-N的變化范圍為-12.85‰～

10、14.47‰，隨作物施肥和溫度的變化而具有明顯的季節(jié)變化;δ15NO3--N的變化范圍為-9.31‰～+15.67‰，多數(shù)在0‰以上波動(dòng)。根據(jù)混合沉降中NH4+-N/NO3--N比率以及δ15NH4+-N和δ15NO3--N動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合雙端元混合模型分析，結(jié)果表明:化學(xué)肥料和動(dòng)物排泄物都是NH4+-N沉降的主要來源，分別占53.6％和46.4％;化石燃料燃燒和土壤排放則是NO3--N沉降的主要來源，分別占75.1％和24.9％。因

11、此，應(yīng)該充分重視動(dòng)物排泄物和化石燃料燃燒在氮沉降總量中的重要地位。
　　(4)模擬氮沉降研究試驗(yàn)表明，氮沉降與生物炭添加對農(nóng)業(yè)土壤和森林土壤的N2O、NH3和CO2排放動(dòng)態(tài)及排放通量具有明顯的影響。對于農(nóng)業(yè)土壤而言，相對于不加氮處理(N0)，N60和N120兩處理農(nóng)業(yè)土壤N2O排放量分別為8.89 kgNhm-2 a-1和13.64 kg N hm-2a-1，分別增加了29.8％和99.1％(p＜0.05); NH3排放分別為2.

12、82 kg N hm-2 a-1和4.05 kgN hm-2 a-1，分別增加了33.6％和91.9％(p＜0.05)。對于森林土壤而言，與N0處理相比，N60和N120處理森林土壤N2O排放量分別為9.02 kgNhm-2 a-1和15.82 kg Nhm-2 a-1，分別增加了141.2％(p＜0.05)和323.0％(p＜0.05); NH3排放分別為3.42 kg Nhm-2 a-1和3.84 kg Nhm-2 a-1，分別增加

13、了39.0％(p＜0.05)和56.1％(p＜0.05)。模擬氮沉降對兩種土壤CO2排放都沒有顯著影響。因此模擬氮沉降顯著促進(jìn)了農(nóng)業(yè)土壤和森林土壤中N2O和NH3排放，且隨著沉降量的增加而顯著增加，要充分認(rèn)識(shí)到日益增加的氮沉降對土壤N2O和NH3排放的影響。
　　與不添加生物炭的處理相比，生物炭添加抑制了農(nóng)業(yè)土壤和森林土壤N2O排放量，分別降低了20.2％和25.5％;生物炭添加增加了農(nóng)業(yè)土壤CO2和NH3排放量，分別增加了7.2

14、％和21.0％,但是降低了森林土壤CO2和NH3排放量，分別降低了31.5％和22.5％。在氮沉降日益增強(qiáng)的背景下，生物炭添加可以顯著減緩森林土壤N2O、NH3和CO2排放量，可以作為一種減緩氮沉降影響的潛在措施。然而，生物炭添加雖然顯著減緩農(nóng)業(yè)土壤N2O排放量，但仍然促進(jìn)了CO2和NH3排放量，是否作為減緩氮沉降影響的潛在措施值得深入研究。
　　因此，在水網(wǎng)地區(qū)應(yīng)該同時(shí)采用DW+Wet和DD+Wet這兩類觀測方法來監(jiān)測大氣氮磷沉