大氣氮磷濕沉降特征及對(duì)沙源區(qū)水庫水環(huán)境的影響

張曉晶，盧俊平，馬太玲，賈永芹，張 昊

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

大氣氮磷濕沉降特征及對(duì)沙源區(qū)水庫水環(huán)境的影響

張曉晶，盧俊平*，馬太玲，賈永芹，張 昊

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

研究典型沙源區(qū)水庫大氣氮、磷濕沉降時(shí)空分布特征及水環(huán)境污染效應(yīng)對(duì)水生態(tài)環(huán)境的治理與修復(fù)具有重要意義。以往的研究多集中在沿海地區(qū)、長江流域及南方地區(qū)，而對(duì)于干旱少雨、多大風(fēng)天氣、蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量的沙源區(qū)水庫則鮮有報(bào)道。以京蒙沙源區(qū)大河口水庫為研究對(duì)象，于2014年3月—2016年2月在水庫周圍5個(gè)不同區(qū)域濕沉降采樣點(diǎn)收集樣品80個(gè)，測定TN、各形態(tài)氮和TP濃度，分析濕沉降中N、P營養(yǎng)鹽的沉降特征，估算大氣氮、磷濕沉降率及濕沉降對(duì)水庫富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)，探討氮、磷濕沉降對(duì)水庫水環(huán)境所產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，大河口水庫濕沉降中N沉降所占比例最大，總氮質(zhì)量濃度年均值為0.50 mg?L-1，其中NH4+-N高于NO3--N，兩者共占約70%；P沉降較少，總磷質(zhì)量濃度年均值為0.08 mg?L-1。濕沉降中氮、磷營養(yǎng)鹽主要來源于畜禽養(yǎng)殖，農(nóng)業(yè)化肥施用及秸稈和牛糞焚燒等。大氣氮、磷濕沉降率呈明顯的季節(jié)性變化特征，表現(xiàn)為夏季最大，夏、秋兩季TN、TP的濕沉降率分別占全年的75%和80%。水庫周圍各區(qū)域濕沉降呈現(xiàn)西北庫區(qū)各季節(jié)沉降率較東南庫區(qū)高的特征。通過大氣濕沉降進(jìn)入大河口水庫的TN年負(fù)荷量為1.89 t?a-1，TP年負(fù)荷量為0.10 t?a-1，分別為同期河流入庫負(fù)荷的5.27%和7.14%，這主要與北方沙源區(qū)多風(fēng)少雨的典型氣候特征和當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件有關(guān)。盡管大河口水庫大氣氮、磷沉降仍以干沉降為主，但濕沉降對(duì)地處生態(tài)環(huán)境極其脆弱的沙源區(qū)水庫水環(huán)境的影響及可能帶來的水生態(tài)環(huán)境問題不容小視。

沙源區(qū)；大河口水庫；濕沉降；沉降通量；氮；磷

隨著農(nóng)業(yè)氮肥、磷肥施用量和能源消耗量的激增及人類活動(dòng)向大氣排放的污染物的增加，導(dǎo)致包括氮磷（楊龍?jiān)龋?007；李太謙等，2010）、重金屬（楊忠平等，2009）、持久性有機(jī)污染物（劉耕耘等，2007）等的大氣沉降量增大，從而加劇了對(duì)水域生態(tài)系統(tǒng)的影響。大氣濕沉降中氮、磷等營養(yǎng)鹽濃度和組成比例過高會(huì)使受納水體表層營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)和pH值發(fā)生改變，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化加重，進(jìn)而影響整個(gè)湖泊（水庫）生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)（張峰，2011；付敏等，2008）。因此，大氣濕沉降對(duì)水體富營養(yǎng)化具有潛在的促進(jìn)作用，是陸源污染物和營養(yǎng)物質(zhì)向水體輸送的重要途徑（Park et al.，2002；胡洋等，2014）。開展大氣氮、磷沉降研究對(duì)于控制水體污染，保護(hù)水生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

北美和歐洲等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)大氣降塵的研究已較多，并已建立了完善的大氣降塵監(jiān)測體系，如美國的國家大氣沉降計(jì)劃（NADP）、加拿大的空氣與降水監(jiān)測網(wǎng)（CAPMON）以及歐洲的氮沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（EMEP）等。中國關(guān)于大氣氮、磷沉降的研究起步較晚，自20世紀(jì)中期開始陸續(xù)對(duì)水域生態(tài)系統(tǒng)（陳能汪等，2006；陳能汪等，2008；石金輝等，2006）、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)（沈建林等，2008；王體健等，2008；Anderson et al.，2006）、草原生態(tài)系統(tǒng)（張燕等，2007；張菊等，2013）和森林生態(tài)系統(tǒng)（樊建凌等，2007；周旺明等，2015）的大氣降塵（包括化學(xué)組成和氮、磷沉降通量等）展開研究。目前，已有大量研究（周立峰，2012；楊凡等，2014；翟水晶等，2009；Luo et al.，2007；Zhang et al.，2010；Liu et al.，2010）表明，大氣濕沉降中富含N、P營養(yǎng)鹽，對(duì)湖庫富營養(yǎng)化的影響不容忽視，同時(shí)對(duì)水環(huán)境藻類水華的爆發(fā)也構(gòu)成一定威脅。但是，這些研究大都集中在沿海地區(qū)、長江流域及南方地區(qū)，而對(duì)于干旱少雨、多大風(fēng)天氣、蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量的沙源區(qū)水庫的研究則鮮有報(bào)道。

水庫水資源不僅在維系地區(qū)水生態(tài)平衡以及預(yù)防洪水及凌汛等方面發(fā)揮著重要作用，而且可對(duì)當(dāng)?shù)厣?、工業(yè)、農(nóng)牧漁業(yè)、水資源利用等方面產(chǎn)生重要影響。為此，本文以沙源區(qū)大河口水庫為研究對(duì)象，于2014年3月—2016年2月對(duì)庫區(qū)周邊5個(gè)濕沉降采樣點(diǎn)進(jìn)行為期2年的監(jiān)測，分析了濕沉降中總氮、不同形態(tài)氮和總磷的時(shí)空變異特征，估算大氣氮、磷濕沉降對(duì)水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)率。因此，全面了解大河口水庫大氣氮、磷濕沉降的季節(jié)和區(qū)域變化特征及入庫沉降通量，對(duì)水庫水環(huán)境污染的綜合治理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與采樣點(diǎn)布設(shè)

大河口水庫位于內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地南部多倫縣境內(nèi)灤河干流上，水域面積為17.26 km2，主要受吐力根河和灤河入庫地表徑流補(bǔ)給，是一座以供水發(fā)電為主，兼具農(nóng)業(yè)灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能的中型水庫。多倫縣屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干旱少雨，多大風(fēng)天氣；夏季短促溫?zé)?，降水集中；秋季氣溫劇降，秋霜來得早；冬季漫長嚴(yán)寒，多寒潮天氣。多倫縣近 30多年年平均氣溫為 2.1 ℃，極端最高氣溫為37.8 ℃，極端最低氣溫為-40.7 ℃；年平均相對(duì)濕度為58%；年降水量為321.4 mm，年極端最高降水量為564.5 mm；年蒸發(fā)量為1713.6 mm；年平均風(fēng)速為3.3 m?s-1，年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)和西風(fēng)。

根據(jù)大河口水庫污染源分布及水庫面積，將大河口水庫采樣斷面劃分為5個(gè)常規(guī)監(jiān)測斷面（JC1、JC2、JC3、JC4、JC5），每個(gè)斷面垂線處設(shè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)。綜合考慮空間分布和采樣便利等因素沿水庫水質(zhì)采樣斷面在岸邊相應(yīng)位置設(shè)置5個(gè)濕沉降采樣點(diǎn)，具體位置如圖1和表1所示。

圖1 大河口水庫監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Monitoring sites of the Dahekou Reservoir

表1 大河口水庫大氣濕降塵監(jiān)測站點(diǎn)位置Table1 The wet deposition sampling sites of the Dahekou Reservoir

1.2 樣品收集與測試

降水樣品的收集參照《大氣降水樣品的采集與保存標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T13580.2—1992）中規(guī)定的方法，采用自行研制的沙源區(qū)干濕沉降自動(dòng)采樣器進(jìn)行采樣。該裝置由太陽能電池板提供電源，兩個(gè)干濕沉降采樣桶共用一個(gè)蓋板，采樣桶由內(nèi)徑為 ?150 mm的聚乙烯塑料桶制成，且充分考慮蓋板在旋轉(zhuǎn)過程中可能受到的強(qiáng)風(fēng)力的干擾，保證將干、濕沉降分開采集，設(shè)備的各部分均可自行拆卸組裝，野外攜帶方便。

濕沉降樣品采集于2014年3月—2016年2月，每月每次降雨開始5～10 min后進(jìn)行，在5個(gè)濕沉降監(jiān)測點(diǎn)均設(shè)置大氣降塵采集器，并加入乙二醇防止微生物引起的氮素轉(zhuǎn)化，降雨結(jié)束后收集全過程混合樣，然后用去離子水清洗大氣降塵采集器，以備下一次降塵采集使用。

樣品收集時(shí)首先量取降水體積，現(xiàn)場測定降水pH值，帶回實(shí)驗(yàn)室分析檢測總氮（TN）、銨態(tài)氮（）、硝態(tài)氮（）、亞硝態(tài)氮（）和總磷（TP）的濃度，具體分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）（魏復(fù)盛，2002）。

1.3 研究方法

根據(jù)大氣濕沉降樣品TN、TP含量，結(jié)合采集器面積、采樣次數(shù)和降水量確定各季節(jié)大河口水庫大氣TN、和TP濕沉降通量。濕沉降通量計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)w為大氣污染物（TN、-N、-N或 TP）月濕沉降通量，kg?km-2?month-1；kw為單位換算系數(shù)，無量綱，kw=10-3；Ci為雨或雪水中污染物質(zhì)量濃度，mg?L-1；Vi為采集雨、雪水的體積，L；S為采集器面積，0.018 m2；h為月降水量，mm；n為月降水（雪）次數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 降水量和pH值的變化

2014年3月—2016年2月連續(xù)兩年內(nèi)按月收集濕沉降共16次，其中2014年的3月、11月和12月，2015年的1月、2月和3月及2016年的1月和2月較干旱，降水量和降水頻率較少，未收集到足夠降水。根據(jù)多倫縣大河口管理站所設(shè)置雨量筒每月實(shí)際監(jiān)測的降水量數(shù)據(jù)，繪制降水量的年季節(jié)變化圖，如圖2所示。各濕沉降采樣點(diǎn)pH值的季節(jié)變化，如圖3所示。

圖2 2014年3月—2016年2月多倫縣降水量季節(jié)變化Fig.2 The Seasonal variation of precipitation in Duolun county from Mar. 2014 to Feb. 2016

圖3 各采樣點(diǎn)濕沉降pH值的變化Fig.3 The change of pH value in each wet deposition at sampling sites

圖4 各采樣點(diǎn)濕沉降中TN和不同形態(tài)N含量的變化Fig.4 Mass concentration variation ranges of nitrogen in each wet deposition at sampling sites The horizontal lines from top to bottom represent maximum, 3/4, average, 1/4, minimum

由圖2可知，2014年3月—2015年2月收集總降水量345.2 mm，春季（3—5月）為80.2 mm、夏季（6—8月）為200.2 mm、秋季（9—11月）為55.9 mm、冬季（12—次年2月）為8.9 mm。2015年收集的總降水量比2014年多112.6 mm，且秋季和冬季的降水量明顯增多，是2014年的3～4倍，兩個(gè)年度夏季降水量相差較小，2015年春季降水量略有減少。春、夏、秋、冬四季降水量分別占全年降水量的16.5%、52.2%、25.7%和5.6%，降水主要集中在夏、秋兩季，約占總降水量的78%，而冬季的降水量最少；降水頻率也有相類似的變化。

由圖3可知，大河口水庫降水pH在6.4～7之間，變化范圍很小。若以 pH=5.6作為判斷酸雨的標(biāo)準(zhǔn)，則研究期間未出現(xiàn)酸雨。因?yàn)閹靺^(qū)周圍人類活動(dòng)較少，對(duì)大氣濕沉降沒有明顯影響，主要影響因素為庫區(qū)周圍空氣中常年有大量的沙塵顆粒，其中的 CaCO3等堿性顆?？梢灾泻痛髿庵械乃嵝猿煞?。此外，pH值的變化趨勢與降水量沒有明顯關(guān)系。

2.2 不同區(qū)域大氣濕沉降氮、磷含量變化特征

根據(jù)連續(xù)兩年對(duì)16次大氣濕沉降樣品N、P濃度的檢測結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析了5個(gè)濕沉降采樣點(diǎn)總氮、不同形態(tài)氮、總磷的變化情況，結(jié)果如圖 4、圖 5所示。

由圖4可知，大河口水庫周邊5個(gè)濕沉降采樣點(diǎn)中 TN 年均值范圍為 0.36～0.61 mg?L-1，平均為0.50 mg?L-1；年均值范圍為 0.15～0.24 mg?L-1，平均為 0.20 mg?L-1；年均值范圍為0.11～0.18 mg?L-1，平均為 0.15 mg?L-1；年均值范圍為 0.018～0.030 mg?L-1，平均為 0.025 mg?L-1。濕沉降采樣點(diǎn)中TN主要由和組成，二者共占總氮約70%，其中以為主，占40%以上，這與相關(guān)研究結(jié)果一致（張修峰等，2008；王江飛等，2015）。濕沉降中的銨態(tài)氮主要來源于畜禽養(yǎng)殖、化肥施用和生物質(zhì)燃燒等，硝態(tài)氮主要來源于燃料燃燒、汽車尾氣和雷擊（Jenkinson et al.，1990；Prospero et al.，1996）。近年來，多倫縣農(nóng)業(yè)和規(guī)?；男笄蒺B(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，截至 2015年底，全縣大小畜存欄 32.8萬頭，農(nóng)業(yè)化肥施用量2861 t（折純），農(nóng)藥使用量105 t，呈逐年增長態(tài)勢。此外，牧區(qū)居民居住較為分散，經(jīng)常對(duì)大量的秸稈和牛糞進(jìn)行焚燒，這都成為大河口水庫大氣濕降塵中氮、磷的主要潛在污染來源。

由圖 5可知，濕沉降中 TP年均值范圍為0.05～0.11 mg?L-1，各采樣點(diǎn)平均值為 0.08 mg?L-1，從年均值上看，TN約是TP的7倍。濕沉降中總氮、不同形態(tài)氮和總磷在區(qū)域上均存在一定差異，但差異較小，年均值最高值出現(xiàn)在JC2點(diǎn)，約為最低點(diǎn)JC1的2倍，這主要由局地人類活動(dòng)頻繁所致，也說明磷的來源不穩(wěn)定。

圖5 各采樣點(diǎn)濕沉降中TP含量的變化Fig.5 The variation ranges of total phosphorus in each wet deposition at sampling sites The horizontal lines from top to bottom represent maximum, 3/4,average, 1/4, minimum

2.3 大氣氮、磷濕沉降含量的時(shí)空變化

各區(qū)域濕沉降中TN及不同形態(tài)N和TP含量的月際變化及月降水量分別如圖6、圖7所示。由于庫區(qū)水域面積較小，庫區(qū)周圍各區(qū)域采樣點(diǎn)降水量差異不大，本研究認(rèn)為各采樣區(qū)域的降水量均相同，降水僅隨月份發(fā)生變化。兩年內(nèi)各區(qū)域降水量隨時(shí)間變化的趨勢相似，夏季7月、8月降水量最大，11月以后降水頻率減小，1月—3月幾乎沒有降水。

由圖6可知，濕沉降中TN及各形態(tài)N的月均質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性差異，各采樣區(qū)域 TN及不同形態(tài)N的月均質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為春季最高，總氮的平均質(zhì)量濃度為 0.62 mg?L-1，氨氮為 0.25 mg?L-1，硝態(tài)氮為 0.19 mg?L-1，亞硝態(tài)氮為 0.03 mg?L-1；秋季次之，總氮的平均質(zhì)量濃度為 0.57 mg?L-1；夏季較低，總氮的平均質(zhì)量濃度為 0.38 mg?L-1；冬季最低，總氮的平均質(zhì)量濃度僅為 0.19 mg?L-1。這與以往的研究結(jié)果略有不同（倪婉敏等，2012；余輝等，2011），主要與西北地區(qū)氣候干旱，降雨稀少且多風(fēng)沙的特殊氣候條件有關(guān)。一般春季多風(fēng)沙，降水頻率低且降水量小，氣溶膠等粒子在空氣中的存留時(shí)間相對(duì)較長，所以在降水中容易出現(xiàn)較高的濃度值；夏季由于降水量大且集中，氣溶膠在空氣中的存留時(shí)間短，在一次降水之前得不到足夠的來源補(bǔ)充，因而降水中TN濃度偏低；冬季水庫進(jìn)入冰封期，大氣沉降受水庫冰面覆蓋阻隔的影響，不會(huì)對(duì)水庫的氮、磷營養(yǎng)鹽含量產(chǎn)生直接影響。

從大氣濕沉降的區(qū)域變化特征來看，5個(gè)區(qū)域濕沉降中 TN及不同形態(tài) N質(zhì)量濃度存在一定差異，但各季節(jié)變化規(guī)律基本相同。JC1點(diǎn)總氮及不同形態(tài)氮質(zhì)量濃度均最低，JC3點(diǎn)質(zhì)量濃度最高，其他區(qū)域質(zhì)量濃度相近。JC3點(diǎn)大氣濕沉降氮質(zhì)量濃度偏高的主要原因是其附近分布有大唐煤化工企業(yè)，燃煤產(chǎn)生氮氧化物氣體，隨降水溶解，造成濕沉降中氮質(zhì)量濃度較其他區(qū)域略高；而JC1點(diǎn)位于水庫出口，受人類活動(dòng)影響小，且周圍無污染源輸入。

各區(qū)域大氣濕沉降 TP質(zhì)量濃度的變化趨勢不盡相同，由圖7可知，除JC2點(diǎn)外，其他區(qū)域均以夏季TP質(zhì)量濃度最低，平均約0.03 mg?L-1，春、秋季TP質(zhì)量濃度相對(duì)較高，平均約為0.09 mg?L-1?？傊?，大河口水庫各區(qū)域TN及不同形態(tài)N和TP的月均質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律十分相似，均隨降水量的增加呈顯著下降趨勢。

2.4 大氣氮、磷濕沉降率的變化

大河口水庫各區(qū)域濕沉降中TN及不同形態(tài)N和TP沉降率的季節(jié)變化情況如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，各區(qū)域濕沉降中TN、各形態(tài)N和TP的沉降率均呈明顯的季節(jié)性變化，且不同形態(tài)氮的季節(jié)變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為夏季最大，夏季各區(qū)域 TN的平均濕沉降率為 78.8 kg?km-2，TP 的平均濕沉降率為 15.8 kg?km-2，的平均濕沉降率為31.52 kg?km-2，占總氮輸入的 40%，兩種硝態(tài)氮共占總氮輸入的 38%；秋季次之，TN的平均濕沉降率為56.79 kg?km-2，TP的平均濕沉降率為10.92 kg?km-2，夏秋兩季TN的濕沉降率占全年的75%，TP的濕沉降率占全年的 80%。氮、磷濕沉降率的季節(jié)變化與降水量呈顯著正相關(guān)，但沙源區(qū)總體降水稀少，大氣氮、磷濕沉降輸入水庫總量也較少。就各區(qū)域而言，西北庫區(qū)各季節(jié)的沉降率較東南庫區(qū)高。JC1點(diǎn)各季節(jié)的濕沉降率均較低，年總沉降率為 126.65 kg?km-2?a-1，JC2 和 JC3 點(diǎn)各季節(jié)沉降率較接近，且濕沉降率相對(duì)較高，達(dá) 213.51 kg?km-2?a-1，其他兩個(gè)區(qū)域的濕沉降率居中，約為 178 kg?km-2?a-1。這主要與氣象因素和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件有關(guān)，大河口庫區(qū)大氣氣團(tuán)主要來自西北方向。

圖6 大河口水庫各區(qū)域濕沉降中TN及不同形態(tài)N含量及降水量月際變化Fig.6 Relationship between monthly concentration of nitrogen and rainfall at five regions of Dahekou Reservoir

圖7 大河口水庫各區(qū)域濕沉降中TP含量及降水量月際變化Fig.7 Relationship between monthly concentration of phosphorus and rainfall at five regions of Dahekou Reservoir

2.5 大氣濕沉降的入庫貢獻(xiàn)率

采用2014年3月—2016年2月監(jiān)測的濕沉降TN和TP沉降率平均值估算其通過大氣濕沉降輸入大河口水庫的總負(fù)荷量。根據(jù)同期入庫河流灤河和吐力根河以及干沉降點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果（盧俊平等，2015；盧俊平等，2017），計(jì)算河流徑流入庫和大氣干沉降TN、TP污染負(fù)荷，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，TN濕沉降負(fù)荷為1.89 t?a-1，占河流徑流入庫負(fù)荷的 5.27%，占總負(fù)荷的 4.39%，干降塵的負(fù)荷貢獻(xiàn)率約為濕沉降的3倍；TP的濕沉降負(fù)荷為0.1 t?a-1，占河流徑流入庫負(fù)荷的7.14%，占總負(fù)荷的 4.72%，干降塵的負(fù)荷貢獻(xiàn)率約為濕沉降的6倍，這與空氣中的磷主要附著在顆粒物上，以干沉降的形式進(jìn)入水庫有關(guān)，該結(jié)果與國內(nèi)外一些研究得出的磷沉降主要為干沉降的結(jié)論是一致的（Benitez-Nelson，2000；Yu et al.，2016；Najeem et al.，2017）。

圖8 大河口水庫各區(qū)域濕沉降中TN和形態(tài)N沉降率的季節(jié)變化Fig.8 Seasonal variations of deposition rates of nitrogen at five regions of Dahekou Reservoir

圖9 大河口水庫各區(qū)域濕沉降中TP沉降率的季節(jié)變化Fig.9 Seasonal variations of deposition rates of phosphorus at five regions of Dahekou Reservoir

3 討論

以往對(duì)大河口水庫水質(zhì)的相關(guān)研究（盧俊平等，2016；盧俊平，2015）表明：大河口水庫水質(zhì)總體處于中度富營養(yǎng)化的狀態(tài)，個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)，如B斷面、入庫河流灤河、吐力根河，處于重富營養(yǎng)化狀態(tài)。大河口水庫由于受入庫吐力根河和灤河水系上游生活、生產(chǎn)排污、馬鈴薯種植基地灌溉退水、地表徑流、大氣降塵等自然和人為活動(dòng)的影響，水庫水質(zhì)污染較為嚴(yán)重。

表2 大河口水庫濕沉降TN、TP年沉降總量與河流入庫負(fù)荷的對(duì)比Table2 Annual total wet deposition of TN and TP to Dahekou Reservoir and its comparison with loading of rivers

將大河口水庫周圍各濕沉降采樣點(diǎn)氮、磷質(zhì)量濃度與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）進(jìn)行對(duì)比，可以看出，降水中TN、TP質(zhì)量濃度均較低，達(dá)到Ⅱ類水平。但是，大河口水庫濕沉降TN和TP年平均質(zhì)量濃度分別為 0.43 mg?L-1和 0.09 mg?L-1，明顯超過了水體富營養(yǎng)化的閾值（TN為0.20 mg?L-1和TP為0.02 mg?L-1），尤其是磷的質(zhì)量濃度已超過閾值約5倍。由于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，自凈能力差，加之近年來工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，給當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境帶來巨大壓力，所以庫區(qū)濕沉降向水庫水體輸入過量的氮、磷勢必會(huì)改變水體的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)，加重其富營養(yǎng)化程度，成為水體富營養(yǎng)化不可忽略的因素。

相對(duì)于國內(nèi)南方濕潤地區(qū)及其他沿海地區(qū)，大河口水庫大氣濕沉降通量相對(duì)較低，與余輝等（2011）在2009年8月—2010年7月對(duì)環(huán)太湖流域濕沉降中氮、磷沉降特征及入湖貢獻(xiàn)率的研究結(jié)果相比，大河口水庫氮磷濕沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太湖地區(qū)，這與降雨量差異有關(guān)；與王江飛等（2015）在2013年9月—2014年8月對(duì)杭嘉湖地區(qū)大氣氮、磷沉降特征研究結(jié)果相比，杭嘉湖地區(qū)氮濕沉降約為大河口水庫的5倍，磷濕沉降約為大河口水庫的2倍。然而，西部地區(qū)大氣氮、磷沉降量普遍處于較低水平，與西藏大氣氮濕沉降相比（邵偉，2009），大河口水庫大氣氮濕沉降約為西藏的3倍；與天山烏魯木齊河源區(qū)氮沉降量相比（王圣杰等，2012），大河口水庫約為其1.4倍。所以，大河口水庫大氣氮、磷濕沉降通量明顯低于南方及沿海地區(qū)，但與西北地區(qū)相比仍處于較高的水平，受當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱铜h(huán)境條件的影響，大氣氮磷營養(yǎng)鹽沉降尤其是干沉降成為大河口水庫富營養(yǎng)化的重要來源。

4 結(jié)論

（1）大河口水庫大氣濕沉降中N沉降所占比例最大，總氮質(zhì)量濃度年均值為 0.50 mg?L-1，其中高于，兩者共占約70%。P沉降較少，總磷質(zhì)量濃度年均值為0.08 mg?L-1。水庫大氣濕沉降中氮、磷營養(yǎng)鹽主要來源于畜禽養(yǎng)殖，農(nóng)業(yè)化肥施用及秸稈和牛糞焚燒等。

（2）受季風(fēng)氣候和年內(nèi)降雨分配極不均勻的影響，大氣濕沉降主要集中在夏、秋季。大河口水庫5個(gè)區(qū)域TN、不同形態(tài)N及TP均表現(xiàn)出相似的季節(jié)變化規(guī)律，春季最高，秋季次之，夏季較低，冬季最低，且月均濃度均隨降水量的增加呈明顯的下降趨勢。濕沉降中TN、TP濃度存在一定區(qū)域差異，年均值最高位于入庫后不遠(yuǎn)處的JC3點(diǎn)，這與該區(qū)域受大唐煤化工企業(yè)燃燒排放的氮氧化物氣體有關(guān)。

（3）受北方沙源區(qū)多風(fēng)少雨典型氣候特征的影響，大河口水庫大氣氮、磷沉降以干沉降為主，通過濕沉降進(jìn)入大河口水庫的 TN年負(fù)荷量為 1.89 t?a-1，TP 年負(fù)荷量為 0.10 t?a-1，分別為同期河流入庫負(fù)荷的 5.27%和 7.14%。從年輸入通量來看，盡管濕沉降的營養(yǎng)鹽輸入遠(yuǎn)小于河流入庫負(fù)荷及其他點(diǎn)源或面源污染負(fù)荷，與國內(nèi)南方和沿海地區(qū)相比也處于較低水平，但由于研究區(qū)處于西北干旱半干旱、生態(tài)環(huán)境極其脆弱的沙源區(qū)，大氣氮、磷濕沉降對(duì)水庫富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)及對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響應(yīng)引起足夠重視。

ANDERSON K A, DOWNING J A. 2006. Dry and wet atmospheric deposition of nitrogen phosphorus and silicon in an agricultural region[J]. Water, Air and Soil Pollution, 176: 351-374.

BENITEZ-NELSON C R. 2000. The biogeochemical cycling of phosphorus in marine systems [J]. Earth-Science Reviews, 51(1): 109-135.

YU J H, ZHANG M G, LI J L. 2016. Simulated seasonal variations in nitrogen wet deposition over East Asia [J]. Atmospheric and Oceanic Science Letters, 9(2): 99-106.

JENKINSON D S. 1990. An introduction to the global nitrogen cycle [J].Soil Use and Management, 6(2): 56-61.

LIU X J, SONG L, HE C E, et al. 2010. Nitrogen deposition as an important nutrient from the environment and its impact on ecosystems in China[J]. Journal of Arid Land, 2(2): 137-143.

LUO L, QIN B, YANG L, et al. 2007. Total inputs of phosphorus and nitrogen by wet deposition into Lake Taihu, China[J]. Hydrobiologia,581: 63-70.

NAJEEM O Oladosu, AKEEM A Abayomi, KEHINDE O Olayinka, et al.2017. Wet nitrogen and phosphorus deposition in the eutrophication of the Lagos Lagoon, Nigeria [J]. Environmental Science and Pollution Research, 24(9): 8645-8657.

PARK S U, LEE Y H. 2002. Spatial distribution of wet deposition of nitrogen in South Korea[J]. Atmospheric Environment, 36(4): 619-628.

PROSPERO J M, BARRETT K, CHURCH T, et al. 1996. Atmospheric deposition of nutrients to the North Atlantic Basin[C]//Nitrogen Cycling in the North Atlantic Ocean and its Watersheds. Springer Netherlands, 27-73.

ZHANG H P, ZHU Y P，LI F P，et al. 2010.Nutrients in the wet deposition of Shanghai and ecological impacts[J]. Physics and Chemistry of the Earth, 41: 2674-2679.

陳能汪, 洪華生, 肖健, 等. 2006. 九龍江流域大氣氮干沉降[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 26(8): 2602- 2607.

陳能汪, 洪華生, 張珞平. 2008. 九龍江流域大氣氮濕沉降研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 29(1): 38- 46.

樊建凌, 胡正義, 莊舜堯, 等. 2007. 林地大氣氮沉降的觀測研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 27(1): 7-9.

付敏, 趙衛(wèi)紅, 王江濤, 等. 2008. 大氣濕沉降對(duì)長江口水域營養(yǎng)鹽的貢獻(xiàn)[J]. 環(huán)境科學(xué), 29(10): 2703-2709.

胡洋, 余輝, 李中強(qiáng). 2014. 濕沉降對(duì)湖泊水質(zhì)及初級(jí)生產(chǎn)力的影響[J].長江流域資源與環(huán)境, 23(1): 75-80.

劉耕耘, 陳左生, 史燁弘, 等. 2007. 北京大氣沉降樣品中的PCBs[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 27(1): 40-44.

李太謙, 焦鋒, 鄭燚. 2010. 杭州北里湖春、夏季大氣氮、磷沉降研究[J].環(huán)境科技, 23(6): 66-70.

盧俊平, 馬太玲, 張曉晶, 等. 2015. 典型沙源區(qū)水庫大氣氮干、濕沉降污染特征研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 34(12): 2357-2363.

盧俊平. 2015. 基于水-底泥-降塵三相界面下沙源區(qū)水庫氮磷污染機(jī)理研究[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué).

盧俊平, 張曉晶, 馬太玲, 等. 2016. 基于可變模糊數(shù)學(xué)模型的大河口水庫富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境工程, 34(221): 136-140.

盧俊平, 馬太玲, 劉廷璽, 等. 2017. 京蒙沙源區(qū)水庫大氣磷干、濕沉降污染特征[J]. 湖泊科學(xué), 29(1): 127-134.

倪婉敏, 朱蕊, 張建英. 2012. 大氣氮濕沉降對(duì)青山湖富營養(yǎng)化的影響[J]. 環(huán)境化學(xué), 31(5): 631-635.

石金輝, 高會(huì)旺, 張經(jīng). 2006. 大氣有機(jī)氮沉降及其對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 21(7): 721- 729.

沈建林, 劉學(xué)軍, 張福鎖. 2008. 北京近郊農(nóng)田大氣NH3與NO2干沉降研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 45(1): 165- 169.

邵偉. 2009. 大氣沉降對(duì)西藏主要作物氮營養(yǎng)的影響[D]. 拉薩: 西藏大學(xué).

魏復(fù)盛. 2002. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. (第四版). 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社.

王體健, 劉倩, 趙恒, 等. 2008. 江西紅壤地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)大氣氮沉降通量的研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 45(2): 280- 287.

王圣杰, 張明軍, 王飛騰, 等. 2012. 基于大氣沉降與徑流的烏魯木齊河源區(qū)氮素收支模擬[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 32(18): 5747-5754.

王江飛, 周柯錦, 汪小泉, 等. 2015. 杭嘉湖地區(qū)大氣氮、磷沉降特征研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 35(9): 2754-2763.

楊龍?jiān)? 秦伯強(qiáng), 胡維平, 等. 2007. 太湖大氣氮、磷營養(yǎng)元素干濕沉降率研究[J]. 海洋與湖沼, 38(2): 104-110.

楊忠平, 盧文喜, 龍玉橋. 2009. 長春市城區(qū)重金屬大氣干濕沉降特征[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 22(1): 28-34.

余輝, 張璐璐, 李煥利. 2011. 太湖氮磷營養(yǎng)鹽大氣濕沉降特征及入湖貢獻(xiàn)率[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 24(11): 1210-1219.

楊凡, 余輝, 李莉. 2014. 大氣濕沉降對(duì)太湖水質(zhì)及葉綠素 a 的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 53(1): 28-32.

張燕, 崔學(xué)民, 樊明壽. 2007. 大氣氮沉降及其對(duì)草地生物多樣性的影響[J]. 草業(yè)科學(xué), 24(7): 12-17.

張修峰, 李傳紅. 2008. 大氣氮濕沉降及其對(duì)惠州西湖水體富營養(yǎng)化的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 16(1): 16-19.

翟水晶, 楊龍?jiān)? 胡維平, 等. 2009. 太湖北部藻類生長旺盛期大氣氮、磷沉降特征[J]. 環(huán)境污染與防治, 31(4): 5-10.

張峰. 2011. 長樂江流域大氣氮、磷沉降及其在區(qū)域營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中的貢獻(xiàn)[D]. 杭州: 浙江大學(xué).

周立峰. 2012. 大氣氮沉降對(duì)白溪水庫飲用水源水質(zhì)影響研究[D]. 寧波:寧波大學(xué).

張菊, 康榮華, 趙斌, 等. 2013. 內(nèi)蒙古溫帶草原氮沉降的觀測研究[J].環(huán)境科學(xué), 34(9): 3552-3556.

周旺明, 郭焱, 朱保坤, 等. 2015. 長白山森林生態(tài)系統(tǒng)大氣氮素濕沉降通量和組成的季節(jié)變化特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 35(1): 158-164.

Wet Deposition of Atmospheric Nitrogen and Phosphorus and Its Impact on Water Environment of Reservoir in Sand Source Area

ZHANG Xiaojing, LU Junping*, MA Tailing, JIA Yongqin, ZHANG Hao
Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China

Spatiotemporal variations of nitrogen (N) and phosphorus (P) and its impact on water pollution are significant to water ecosystem govern and recovery in sand source area. Most previous studies are performed in coastal areas, the Yangtze River Basin and southern of China. While for reservoirs in sand source with more drought, less precipitation, more windy, and evaporation is far greater than precipitation are rarely reported. In this study, five sites around Dahekou Reservoir which located in the sand source area of Beijing and Inner Mongolian, were chosen to collect 80 precipitation samples from March 2014 to February 2016. Mass concentration of total nitrogen (TN), nitrate nitrogen (), nitrite nitrogen), ammonia nitrogen () and total phosphorus (TP) in each precipitation samples were measured to understand seasonal and spatial nutrients variations of wet deposition. The wet deposition rates of N and P were quantified, and the contribution of wet deposition to eutrophication of Dahekou Reservoir was estimated as well. The results indicated that TN deposition accounted for the largest proportion in wet deposition.Annual average mass concentration of TN was 0.50 mg?L-1, in which the content ofwas higher thanand those two components accounted for about 70%. The mass concentrations of TP deposition were relatively lower, with an annual average value of 0.08 mg?L-1. In wet deposition, N and P nutrient salt mainly came from livestock and poultry, chemical fertilizer application for agricultural, the burning of straw and manure, and so on. Seasonally, the deposition rates of nutrients in five sites were high in summer. Wet deposition rate of TN and TP in the two seasons of summer and autumn accounted for 75% and 80%. Spatially，the deposition rates were relatively higher in the northwestern than southeastern of Dahekou Reservoir. The annual wet deposition of TN and TP was 1.89 t and 0.10 t, respectively, which accounting to 5.27% and 7.14% of the annual loading of rivers into Dahekou Reservoir. This was mainly related to the typical climate characteristics of windy and less precipitation and to the local environmental conditions of the northern sand source area of Beijing and Inner Mongolia. Although dry deposition was still the main component of atmospheric nitrogen and phosphorus deposition, much attention should be paid to wet deposition which was significant to water ecosystem and environment of reservoir that located in extremely vulnerable ecological environment.

sand source areas; Dahekou Reservoir; wet deposition; flux; nitrogen; phosphorus

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.12.013

X52

A

1674-5906（2017）12-2093-09

張曉晶, 盧俊平, 馬太玲, 賈永芹, 張昊. 2017. 大氣氮磷濕沉降特征及對(duì)沙源區(qū)水庫水環(huán)境的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(12): 2093-2101.

ZHANG Xiaojing, LU Junping, MA Tailing, JIA Yongqin, ZHANG Hao. 2017. Wet deposition of atmospheric nitrogen and phosphorus and its impact on water environment of reservoir in sand source area [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(12): 2093-2101.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51369020）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016MS0224）

張曉晶（1983年生），女，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事水環(huán)境保護(hù)與水污染控制研究。E-mail: xiaojingzhang1983@aliyun.com

*通信作者。盧俊平，E-mail: ljpcau@163.com

2017-08-24