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，人類活動導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，選擇三個監(jiān)測點觀測氮磷沉降通量和組成特征，進而結(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、。
　　試驗研究分為以下4部分:①2009～2011年在同一地點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)三個典型觀測點，研究大氣氮磷的混合沉降和濕沉降通量、組成及其時空變化特征。③2010～2012年動態(tài)監(jiān)測上述三個監(jiān)測點混合沉降中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。④2012～2013年進行模擬氮沉降研究試驗，包括3個氮水平:0(N0)、60(N60)和120(N120) kg N hm-2a-1和2個生物炭水平0、30 t hm-2，每2個月模擬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)應該同時采用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分別占38％、28％和63％，因此不應忽視干沉降對水域表面氮磷沉降通量的貢獻。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。根據(jù)上述研究結(jié)果，建議在水網(wǎng)地區(qū)應該同時采用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三個典型觀測點

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三個典型觀測點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的含量占無機氮總量的69.7％; NH4+-N的混合沉降量在SB、RU和VC這三個觀測點分別為34.97、36.87和42.8 kg Nhm-2 a-1，集中在夏季，受區(qū)域活動和降雨量的影響較大。
　　無機氮和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，值得高度重視。
　　(3)2010～2012年上述SB、RU和VC三個監(jiān)測點混合沉降中NH4+-N和NO3--N的氮素自然豐度動態(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。根據(jù)混合沉降中NH4+-N/NO3--N比率以及δ15NH4+-N和δ15NO3--N動態(tài)監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合雙端元混合模型分析，結(jié)果表明:化學肥料和動物排泄物都是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，應該充分重視動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，要充分認識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)應該同時采用DW+Wet和DD+Wet這兩類觀測方法來監(jiān)測大氣氮磷沉