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      大氣氮沉降特征及對土壤和植物的影響研究進(jìn)展

      2022-05-30 06:06:55陳媛媛張成肖欣娟鐘文挺王科李根鄭成鄭羅崇都
      南方農(nóng)業(yè)·上旬 2022年10期
      關(guān)鍵詞:時空特征

      陳媛媛 張成 肖欣娟 鐘文挺 王科 李根 鄭成 鄭羅崇都

      摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類活動排放至大氣中的氮持續(xù)增長,大氣氮沉降已成為繼氣候變化、二氧化碳濃度升高、土地利用變化之外影響陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的第四大因素。通過大氣沉降到生態(tài)系統(tǒng)的氮可作為營養(yǎng)源供植物生長,過量的氮則會產(chǎn)生消極作用。從大氣氮沉降的氮素組成及其沉降通量、氮沉降的時空特征和氮沉降對土壤、植物的影響三方面進(jìn)行綜述,總結(jié)了大氣氮沉降的不同氮素形態(tài)及沉降通量,對比了氮干沉降、濕沉降的時空特征,闡述了大氣氮沉降對土壤生態(tài)系統(tǒng)及植物生長的影響。從現(xiàn)有的研究來看,我國對各地區(qū)大氣氮沉降情況的監(jiān)測越來越多,包括農(nóng)田、城市、森林等,但關(guān)于大氣氮沉降的影響研究多與水體、森林、草地等相關(guān),對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響研究報道較少,如對土壤微環(huán)境、農(nóng)作物生長及作物產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響等。

      關(guān)鍵詞 大氣氮沉降;氮素組成;干沉降;濕沉降;時空特征

      中圖分類號:X831;S19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:C DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.19.037

      大氣沉降是物質(zhì)進(jìn)行地球化學(xué)循環(huán)的重要途徑,是指大氣中的污染物經(jīng)過一定的途徑沉降至地面或水體的過程,可以分為干沉降和濕沉降。干沉降是指大氣中的物質(zhì)通過物理(重力作用、慣性作用、湍流運(yùn)動、布朗運(yùn)動等)、化學(xué)(化學(xué)反應(yīng)等)、生物(植物氣孔吸收等)作用等向地面沉降的過程;濕沉降是指伴隨著降雨或者其他水汽凝結(jié)現(xiàn)象向地面沉降的過程[1]。大氣氮沉降是指活性氮通過干、濕沉降從大氣沉降至地表的過程[2]。

      氮是植物生長所必需的營養(yǎng)元素,大氣氮沉降影響陸地生態(tài)系統(tǒng)中有效氮的積累,進(jìn)而影響生物地球化學(xué)循環(huán)、土壤微環(huán)境及植物新陳代謝和生長發(fā)育。沉降到生態(tài)系統(tǒng)中的氮一部分可為植物生長提供營養(yǎng),而過量的氮沉降則會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。受化石燃料燃燒、含氮化肥的生產(chǎn)和使用、畜牧業(yè)發(fā)展及人類活動等因素的影響,氮化物逐漸在大氣中積累并向陸地和水域系統(tǒng)沉降,氮沉降已成為繼氣候變化、二氧化碳濃度升高、土地利用變化之后的影響陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的第四大因素[3-4]。近年來我國大氣氮沉降大量增加,這在一定程度上會引起氮富營養(yǎng)化,導(dǎo)致土壤微環(huán)境改變,影響植物生長發(fā)育,破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。本文從大氣氮沉降的氮素組成及其沉降通量、氮沉降的時空特征和氮沉降對土壤及植物的影響三方面進(jìn)行了綜述,以期為大氣氮沉降相關(guān)研究提供理論依據(jù),并為后續(xù)研究指明方向。

      1? 大氣氮沉降的氮素組成

      自然界中的氮可分為活性氮和非活性氮,非活性氮是指廣泛存在的分子氮(N2),活性氮分為無機(jī)氮和有機(jī)氮。其中,無機(jī)氮包括氨氮(NH4+、NH3)、硝氮(NO3-、HNO3、NO2-)、氮氧化合物(NO、N2O、NO2、N2O3)等,主要為銨態(tài)氮(NH4+)和硝態(tài)氮(NO3-);有機(jī)氮包括氧化態(tài)有機(jī)氮、還原態(tài)有機(jī)氮和生物有機(jī)氮[2,5]。氮干沉降的主要氮素形態(tài)為顆粒物(NH4+、NO3-)和氣體(NH3、HNO3、氮氧化合物),大氣中高濃度的氮氧化合物與水蒸氣結(jié)合伴隨降雨進(jìn)行沉降,主要為NO3-、NH4+離子,氮濕沉降的主要氮素形態(tài)為NO3-、NO2-、NH4+離子及可溶性的有機(jī)氮[5-6]?,F(xiàn)有研究表明:干沉降以硝態(tài)氮為主,濕沉降以氨氮為主[7];氮濕沉降中氨氮占47.45%,有機(jī)氮占36.34%,硝氮占16.21%[8]。

      2? 大氣氮沉降通量

      目前關(guān)于大氣氮沉降的研究以濕沉降居多,干沉降相對較少。從表1可知,氮濕沉降中NH4+-N普遍高于NO3--N,有機(jī)氮的占比較大。經(jīng)過多年研究,形成了2013年中國典型生態(tài)系統(tǒng)大氣氮、磷、酸沉降數(shù)據(jù)集,包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、溶解性總氮、總氮4個指標(biāo)[9];1996—2015年中國大氣無機(jī)氮濕沉降時空格局?jǐn)?shù)據(jù)集,包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性無機(jī)氮3個指標(biāo)[10];2006—2015年中國無機(jī)氮干沉降通量的空間格局?jǐn)?shù)據(jù)集,包括顆粒態(tài)NH4+、NO3-,氣態(tài)NH3、HNO3、NO2和總干沉降通量6個指標(biāo)[11]及2008—2013年川中丘陵區(qū)典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)大氣氮沉降數(shù)據(jù)集,包括大氣氮濕沉降的總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、可溶性有機(jī)氮及大氣氮干沉降的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、顆粒硝態(tài)氮、顆粒銨態(tài)氮、二氧化氮10個指標(biāo)[12]?,F(xiàn)有研究指出全國氮沉降的平均水平為7.90 kg·(hm2·a)-1[13],西南地區(qū)的氮沉降通量為37.8 kg·(hm2·a)-1,僅次于華北地區(qū)和東南地區(qū)[14],以崇州為代表的成都平原,大氣沉降總量達(dá)85 kg·(hm2·a)-1[15]。

      3? 大氣氮沉降的時空特征

      3.1? 時間特征

      已有的研究表明,氮干沉降與降塵量、溫度、濕度、風(fēng)速等因素有關(guān),濕沉降與降雨量、降雨時間間隔、溫度等因素有關(guān),故大氣氮沉降表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性和地域性差異。

      3.1.1? 干沉降

      內(nèi)蒙古京蒙沙源區(qū)氮以干沉降為主,占沉降總量的75.17%,干沉降通量春、秋季明顯高于夏、冬季[13]。北京市密云水庫土門西溝流域氮干沉降通量夏、冬季高,春、秋季低[26];石匣流域總氮和氨氮干沉降通量冬季最高,溶解性有機(jī)氮干沉降通量秋季最高[17]。四川崇州市氮干沉降通量秋季最高,春、冬季次之,夏季最低[15]。河北邯鄲市氮干沉降隨季節(jié)變化趨勢為冬、春季開始增長,夏季降低,初秋又開始增長,10月達(dá)最大值[19]。華北地區(qū)氮干沉降中氣態(tài)HNO3和NO3-顆粒物冬、秋季較高,春、夏季較低,氣態(tài)NH3和NH4+顆粒物春、夏季較高,冬、秋季較低[27]。

      3.1.2? 濕沉降

      伴隨降雨進(jìn)行的氮濕沉降中,氮素濃度與降雨量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,氮沉降通量與降雨量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。TN(總氮)和DIN(總無機(jī)氮)濃度均與降雨量呈負(fù)相關(guān)[28],TN、NH4+-N、NO3--N和DON(總有機(jī)氮)濃度均與降雨量呈顯著的負(fù)指數(shù)冪相關(guān)[18],活性氮濃度冬季>春季>秋季>夏季[29],TN、NH4+-N、NO3--N和DIN濃度春季>冬季>夏季>秋季[23]。TN、DIN濕沉降通量均與降雨量呈正相關(guān)[28],NH4+-N、NO3--N濕沉降通量與降水量均為線性正相關(guān)關(guān)系[30]。氮濕沉降多集中于夏季,邯鄲市氮濕沉降通量夏季最高[18-19];西安市長安區(qū)氮濕沉降通量夏季最高,冬季最低[21];洱海氮濕沉降通量8月最大,12月最小[31];河北保定氮濕/混合沉降通量夏季最大,冬季最小[32];密云水庫石匣流域總氮、氨氮濕沉降通量夏季最大,溶解性有機(jī)氮濕沉降通量春季最大[17];廣西武鳴區(qū)氮濕沉降通量夏季>秋季>春季>冬季[23];密云水庫氮濕沉降通量夏季>春季>秋季>冬季[26];四川崇州市TN、NO3--N和DON濕沉降通量夏季最高,春、秋季次之,冬季最低,NH4+-N濕沉降通量秋季最高,春、夏季次之,冬季最低[15];丹江口水庫NO3--N和DON濕沉降通量秋季最高,夏季次之,冬季最低,NH3-N濕沉降通量夏季最高,秋季次之,冬季最低[8]。

      3.2? 空間特征

      大氣氮沉降受氣溫、海拔、人為干擾等因素的影響,表現(xiàn)出明顯的空間性差異。新疆高寒草原夏季NH3-N濃度較低,這可能與海拔高(3 000 m以上)、氣溫低等因素有關(guān)[33]。隨海拔升高,TN濕沉降通量有明顯下降的趨勢,海拔每升高1 km,年均垂直遞減梯度為5.43 kg·(hm2·a)-1[34]。劉勤等研究表明,安慶市氮濕沉降NH4+和NO3-離子濃度在空間上表現(xiàn)為西南高東北低[35]。萬柯均研究表明,大氣氮沉降通量的空間性差異為干沉降通量集約化農(nóng)區(qū)、城區(qū)>林區(qū)、普通農(nóng)區(qū),濕沉降和總沉降通量林區(qū)>集約化農(nóng)區(qū)>城區(qū)>普通農(nóng)區(qū)[15]。

      4? 大氣氮沉降對土壤及植物的影響

      4.1? 對土壤的影響

      氮素是植物生長所必需的礦質(zhì)元素,大氣氮沉降影響土壤酸堿度,碳、氮積累及土壤酶活性。研究表明:低磷(1.25 mg·kg-1)條件下,氮沉降使土壤pH顯著降低,土壤全氮和堿解氮含量顯著增大[36];40 kg·(hm2·a)-1、80 kg·(hm2·a)-1氮沉降處理下0~10 cm和10~20 cm土層的土壤可溶性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)氮含量均顯著提高[37];120 kg·(hm2·a)-1氮沉降處理下土壤脲酶和蔗糖酶活性分別提高了14.16%、8.11%[38];在不同氮沉降水平下,隨外源氮的增加,土壤銨態(tài)氮呈下降趨勢,土壤氮?dú)埩袈试黾覽39]。

      此外,研究表明大氣氮沉降的增加促進(jìn)土壤呼吸作用[40],提高草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力[4],但也會改變土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)、功能及多樣性,降低土壤固氮菌的總體豐富度[41],導(dǎo)致草地群落物種多樣性降低[42]。

      4.2? 對植物的影響

      4.2.1? 影響植物光合作用

      大氣氮沉降影響植物光合作用、生長發(fā)育及農(nóng)作物產(chǎn)量。適量的氮沉降可提高植物光合作用能力,夏凡育等研究表明:大氣NO2濕沉降顯著影響桑樹葉片光合特性,表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制,葉面噴施20 mmol·L-1 NH4NO3時,葉片光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率和光系統(tǒng)Ⅰ的最大氧化還原能力均提高,光合反應(yīng)中心開放程度增大,活性提高,光能吸收性能指數(shù)提高,能量利用效率增強(qiáng)[5]。呂琳玉等研究顯示:當(dāng)大氣氮沉降量低于40 kg·(hm2·a)-1時,氮沉降量的增加促進(jìn)植物葉片光合作用的反應(yīng)速率[43]。

      4.2.2? 影響植物生長

      大氣氮沉降影響植物根系生長,王鏡如等研究表明:氮沉降促進(jìn)浙江楠地上部分生長以競爭光資源,從而抑制了根系生長,但建立地上競爭優(yōu)勢后會反饋地下部分,從而促進(jìn)根系生長[44]。大氣氮沉降對植物生長的影響取決于植物所在生態(tài)系統(tǒng)中的氮飽和程度,適量的氮沉降促進(jìn)植物生長,而氮素充足的生態(tài)系統(tǒng)中,氮沉降反而對植物生長產(chǎn)生負(fù)面效果[45]。馬翔等研究指出:當(dāng)?shù)两颠_(dá)到6 g·m-2·a-1時,對茶梅幼苗生長有抑制作用,當(dāng)?shù)两颠_(dá)到12 g·m-2·a-1時,對耐冬山茶幼苗生長有抑制作用,過高的氮沉降抑制耐冬山茶和茶梅生長[46]。

      4.2.3? 影響作物產(chǎn)量

      汪振研究表明:我國水稻田大氣氮沉降導(dǎo)致水稻產(chǎn)量增加了12.4×108 kg,占全國總產(chǎn)量的0.6%,氮沉降提高水稻產(chǎn)量的面積占總水稻面積的15%,平均增產(chǎn)270.4 kg·hm-2,隨氮肥施用量增加,大氣氮沉降對水稻的增產(chǎn)作用顯著降低;氮沉降使水稻產(chǎn)量減少的面積不到總水稻面積的1%,平均減產(chǎn)24.8 kg·hm-2 [47]。

      5? 展望

      成都平原氣候溫和,土壤肥沃,灌溉充沛,是四川省糧食優(yōu)勢生產(chǎn)區(qū)。近年來隨城市化進(jìn)程不斷加快,大氣氮沉降已成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要原因。我國對區(qū)域大氣氮沉降的研究越來越多,農(nóng)田、城市、湖泊、流域、森林、草地生態(tài)系統(tǒng)等均有涉及,大氣氮沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國多地,監(jiān)測內(nèi)容也由原來的集中于濕沉降轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、濕沉降共同監(jiān)測。關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮沉降的研究目前多為對氮沉降情況進(jìn)行監(jiān)測,通過大氣氮沉降進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的氮對土壤微環(huán)境、作物生長及產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等的影響研究尚且較少。

      氮沉降具有范圍廣、類型復(fù)雜、季節(jié)性及地域性差異強(qiáng)、干濕沉降差異大等特點(diǎn),要進(jìn)一步提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,采樣儀器、監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)處理方式等均有待提高。各地應(yīng)因地制宜選擇最佳的監(jiān)測方式,以使得監(jiān)測數(shù)據(jù)更符合區(qū)域?qū)嶋H情況,通過數(shù)值模擬對氮沉降情況進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報,以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供氮沉降預(yù)警信息。

      適量的氮沉降可促進(jìn)植物生長,當(dāng)?shù)两翟诤侠矸秶鷥?nèi)時,適當(dāng)?shù)亟档偷适┯昧?,可使氮素得到更大程度的利用,減少氮沉降對土壤、水體等造成的環(huán)境污染。后續(xù)可開展相關(guān)研究,摸清大氣氮沉降對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響規(guī)律,以期使大氣氮沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)得到有效的利用,更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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      (責(zé)任編輯:易? 婧)

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