王江飛,周柯錦,汪小泉,鄧 靖,吳柳芳,馬曉雁*,鐘 曉,蒲鳳蓮,施麗莉,陳 江,蔣彩萍（.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 00；.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州 00；.浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 0007；.嘉興市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站,浙江 嘉興 000；.杭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,浙江杭州 0007；.湖州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心站,浙江 湖州 000）

杭嘉湖地區(qū)大氣氮、磷沉降特征研究

王江飛1,周柯錦2,汪小泉2,鄧 靖1,吳柳芳3,馬曉雁1*,鐘 曉2,蒲鳳蓮4,施麗莉5,陳 江6,蔣彩萍2
（1.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014；2.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州 310012；3.浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310007；4.嘉興市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站,浙江 嘉興 314000；5.杭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,浙江杭州 310007；6.湖州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心站,浙江 湖州 313000）

通過(guò)2013年9月～2014年8月杭嘉湖地區(qū)杭州、嘉興和湖州3個(gè)典型站點(diǎn)大氣氮、磷沉降數(shù)據(jù),探討了杭嘉湖地區(qū)大氣氮、磷沉降的污染特征.結(jié)果表明,目標(biāo)地區(qū)內(nèi)大氣氮、磷沉降通量水平較高,分別為4950.74～5585.80,65.25～69.72kg/（km2?a）；直接降入水域中的氮、磷素分別為6038.4,77.8t,分別相當(dāng)于農(nóng)業(yè)源的氮、磷入河量的 39.6%和5.9%.氮沉降以濕沉降形式為主,磷沉降以干沉降形式為主；氮、磷濕沉降通量主要受降雨量影響,且隨降雨量的增加而增加；氮、磷沉降存在時(shí)空差異性,大氣氮干沉降通量以杭州、嘉興地區(qū)為較高,大氣磷干沉降通量以嘉興地區(qū)為最高,大氣氮濕沉降通量則以湖州、嘉興地區(qū)為較高,大氣磷濕沉降以湖州地區(qū)最高；時(shí)間尺度上,氮沉降夏秋兩季最高,磷沉降以秋冬兩季最高.

杭嘉湖；氮素沉降；磷沉降；干濕沉降；反向云團(tuán)軌跡

氮、磷作為環(huán)境中最重要的2種營(yíng)養(yǎng)元素,可通過(guò)大氣沉降形式輸入到湖泊、海洋及森林等界面,是生態(tài)系統(tǒng)地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)研究的重要組成內(nèi)容.自工業(yè)革命以來(lái),化學(xué)氮肥和化石燃料的消耗量急劇增加,導(dǎo)致人為的氮排放量激增,氮沉降已經(jīng)成為全球氮循環(huán)中的重要組成部分［1-2］.大氣氮、磷沉降作為環(huán)境不可忽視的營(yíng)養(yǎng)物補(bǔ)充來(lái)源,是補(bǔ)充生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷流失的一項(xiàng)重要途徑,對(duì)植物生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用［3-4］,但是過(guò)量的大氣氮、磷沉降到環(huán)境中,對(duì)陸地及水生生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響［5］.因此,開展大氣氮、磷沉降通量研究對(duì)認(rèn)識(shí)區(qū)域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)平衡,推進(jìn)水污染控制,保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前,由于環(huán)境惡化和大氣沉降產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出,大氣氮、磷沉降逐漸成為研究的熱點(diǎn),國(guó)內(nèi)對(duì)各種生態(tài)系統(tǒng)如湖泊、海洋、草地和森林等的研究均有報(bào)道［6-11］.研究表明,我國(guó)氮沉降的空間分布具有東高西低、地區(qū)間差異顯著的特征,加強(qiáng)對(duì)氨排放的管理和控制和東部發(fā)達(dá)地區(qū)的氮氧化物排放,對(duì)減少氮沉降具有重要意義［12］.杭嘉湖地區(qū)屬于太湖流域浙江片區(qū),針對(duì)該地區(qū)的大氣氮、磷沉降研究鮮有報(bào)道,而太湖地區(qū)的大氣氮、磷沉降研究已有較多報(bào)道,一些調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)［13-15］,形成太湖大氣TN污染的主要途徑是濕沉降,而大氣TP污染則主要來(lái)自干沉降,濕沉降和總沉降與當(dāng)?shù)孛酚旰团_(tái)風(fēng)侵襲時(shí)的降水量呈顯著正相關(guān),大氣濕沉降向太湖水生生態(tài)系統(tǒng)輸送氮達(dá) 6562.2t/a,占入湖河道年輸入污染物總量的 13.6%,對(duì)同一地區(qū)而言,不同時(shí)間測(cè)定的大氣TN、TP沉降通量大小具有明顯差異.本研究通過(guò)對(duì)杭州、嘉興和湖州3個(gè)站點(diǎn)為期1年的監(jiān)測(cè),獲得了杭嘉湖地區(qū)大氣氮、磷干濕沉降通量,分析了影響大氣沉降的因素,時(shí)空變化規(guī)律,旨在為杭嘉湖地區(qū)污染治理提供相關(guān)依據(jù).

1　實(shí)驗(yàn)與方法

1.1研究區(qū)域概況及采樣點(diǎn)

杭嘉湖地區(qū)是浙江最大的堆積平原,河網(wǎng)密布,水源充足,氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候.隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,流域內(nèi)主要河道和湖區(qū)的水質(zhì)污染日益嚴(yán)重,給地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了巨大壓力.在杭嘉湖地區(qū)設(shè)置了杭州站、嘉興站和湖州站3個(gè)大氣氮磷沉降監(jiān)測(cè)站點(diǎn),3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分別設(shè)置在所在市環(huán)境監(jiān)測(cè)站常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近或監(jiān)測(cè)站樓頂（圖 1）,具有較好的代表性,能反映周邊一定范圍內(nèi)的大氣平均狀況,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有連續(xù)性和可比性.

圖1　采樣點(diǎn)分布示意Fig.4　Figure of sampling locations

1.2采樣與分析

大氣沉降樣品的采集依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行［16］.大氣總沉降樣品采用內(nèi)徑150mm的標(biāo)準(zhǔn)玻璃降塵缸收集,降塵缸放置于離地1.5m的固定采樣鐵架上,每月月初放置,于集塵缸中加入5cm左右液面高度的蒸餾水,以占滿缸底為準(zhǔn),加水量視當(dāng)?shù)氐臍夂蚨?月底采樣.濕沉降樣品利用降雨自動(dòng)采樣器收集并同步記錄降雨量,自動(dòng)采樣器上的感雨器能夠感知降雨,降雨時(shí)自動(dòng)打開防塵蓋進(jìn)行采樣,降雨結(jié)束自動(dòng)關(guān)閉防塵蓋防止樣品被污染,若一天中有幾次降水則合并為一個(gè)樣品測(cè)定,若遇連續(xù)幾天降雨,則收集上午8：00至次日上午8：00的降水,即24h降水樣品作為一個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)定.樣品采集后盡快完成測(cè)定,不能及時(shí)測(cè)定的密封后放在冰箱保存并在一周內(nèi)完成測(cè)定.

采樣容器和樣品容器在第一次使用前需用10%（V/V）鹽酸或硝酸溶液浸泡 24h,用自來(lái)水洗至中性,再用去離子水沖洗多次,然后用少量去離子水振搖,測(cè)其電導(dǎo)率（EC）,EC值小于0.15mS/m視為合格,倒置晾干后備用.采樣器每次使用后,先用去離子水沖洗干凈后晾干加蓋保存?zhèn)溆?

監(jiān)測(cè)歷時(shí)一年（2013年9月至2014年8月）.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法［17］分別利用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法和過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測(cè)定大氣沉降樣品中的總氮（TN）和總磷（TP）.采用平行雙樣測(cè)定作為實(shí)驗(yàn)室分析精密度的控制手段,最終測(cè)試結(jié)果取兩結(jié)果的平均值,采用有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為準(zhǔn)確度的控制手段,平行雙樣測(cè)定值的精密度和準(zhǔn)確度的允許偏差參照標(biāo)準(zhǔn)方法中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制指標(biāo).

1.3氣團(tuán)反向軌跡分析

利用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的氣團(tuán)反向軌跡模型（HYSPLIT-4）和全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（GDAS）氣象數(shù)據(jù),對(duì)杭嘉湖地區(qū)2013年9月至2014年8月每日做5d的反向軌跡分析,計(jì)算了 500m高度的反向軌跡,并通過(guò)聚類分析得到每季的云團(tuán)反向軌跡,用以反映氣團(tuán)的輸送過(guò)程及來(lái)源.

1.4大氣沉降通量計(jì)算

不考慮降塵缸內(nèi)可能發(fā)生的物理化學(xué)及生物過(guò)程,根據(jù)收集到的總沉降樣品體積和測(cè)得的TN、TP濃度計(jì)算出大氣月總沉降通量（Ft,kg/ km2）,根據(jù)降雨量和測(cè)得的TN、TP濃度計(jì)算出大氣月濕沉降通量（Fw,kg/km2）,而大氣月干沉降通量（Fd,kg/km2）由月總沉降通量減去月濕沉降通量得到.計(jì)算公式如下：

式中：Ft為大氣月總沉降通量,kg/km2；Ct為總沉降樣品測(cè)得的TN、TP的質(zhì)量濃度,mg/L；Vt為總沉降樣品的體積,L；S為降塵缸的底面積,m2.

式中：Fw為大氣月濕沉降通量,kg/km2,Ci為第i次降雨的TN、TP的質(zhì)量濃度,mg/L；hi為第i次降雨過(guò)程的降雨量,mm.

式中：Fd為大氣月干沉降通量,kg/km2.

2　結(jié)果與討論

2.1降雨等級(jí)和降雨量對(duì)大氣沉降的影響

氣象學(xué)上,降雨等級(jí)的劃分是根據(jù)降雨量確定的,即日降雨量小于 10mm的降雨定義為小雨,10～25mm的降雨為中雨,大于25mm的降雨為大雨.杭州站點(diǎn)與嘉興站點(diǎn)采用降雨自動(dòng)收集儀來(lái)收集降水,取得了豐富的降水?dāng)?shù)據(jù),在2013年9月至2014年8月研究期間杭州站與嘉興站分別采集降水樣品77和76個(gè),其中小雨類樣品分別為41和31個(gè),中雨類樣品分別為21和28個(gè),大雨類樣品分別為15和17個(gè).不同等級(jí)降雨的平均化學(xué)組成見表1.

表1　不同等級(jí)降雨中氮、磷濃度統(tǒng)計(jì)Table 1　Statistics of phosphorus and nitrogen concentration in different grades of rainfall

由表1可知,杭州站小雨中TN平均濃度分別是中雨和大雨的 1.6和 1.9倍,杭州站小雨中TP平均濃度分別是中雨和大雨的1.7和3.1倍；嘉興站小雨中 TN平均濃度分別是中雨和大雨的1.4和1.7倍,嘉興站小雨中TP平均濃度分別是中雨和大雨的1.3和1.5倍.杭州、嘉興兩地區(qū)受納的大氣氮、磷濕沉降中,小雨中的 TN、TP濃度較高,可能由于小雨的細(xì)小液滴,使得其與大氣接觸表面積增大,從而粘附、溶解更多的含氮素物質(zhì)氣溶膠；此外小雨的降雨歷時(shí)一般較長(zhǎng),即對(duì)大氣的沖刷時(shí)間長(zhǎng),也可導(dǎo)致大氣中氮素物質(zhì)的更多沉降.與小雨導(dǎo)致的濕沉降相比,大雨所攜帶的TN、TP污染物占年濕沉降通量的比例較高,由表1計(jì)算可得,杭州大雨中TN、TP污染物占年濕沉降通量的比例分別高達(dá) 44.4%和 39.4%,嘉興為 52.9%和 61.0%.降雨導(dǎo)致的濕沉降是地面水環(huán)境中氮、磷物質(zhì)的面源污染來(lái)源之一,此外,大雨對(duì)下墊面的沖刷作用較強(qiáng),攜帶的污染物較多,對(duì)水環(huán)境污染有較大的影響.

將逐月大氣氮、磷濕沉降通量與降雨量進(jìn)行相關(guān)分析（圖2）,可見杭州的大氣氮、磷濕沉降通量與降雨量呈顯著的線性正相關(guān)（p＜0.05）,大氣氮、磷濕沉降主要受降雨的影響,且隨降雨量的增加而增加；嘉興的大氣氮濕沉降通量與降雨量也呈顯著的線性正相關(guān)（p＜0.01）,而磷濕沉降與降雨量則無(wú)顯著相關(guān)性（p＞0.05）,嘉興地區(qū)磷濕沉降總體上隨降雨量的增加而增加.氮濕沉降的高低與城市發(fā)展水平等具有很大相關(guān)性,相同降雨量的條件下,杭州市的氮濕沉降通量明顯高于嘉興市.

圖2　大氣氮、磷濕沉降與降雨量的關(guān)系Fig.4　The relationship between rainfall and atmospheric wet deposition of nitrogen and phosphorus

2.2杭嘉湖大氣氮、磷沉降的水環(huán)境效應(yīng)

將杭嘉湖的大氣氮、磷濕沉降質(zhì)量濃度（表2）與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）［18］相比,可以看出,杭嘉湖3地的降水中TP濃度較低,達(dá)到I類水平,但是降水中TN濃度相對(duì)較高,已經(jīng)達(dá)到劣V類水平,同時(shí)杭嘉湖降水中的氮、磷濃度也超過(guò)了富營(yíng)養(yǎng)水體的氮、磷閾值（分別是0.2,0.01mg/L）,尤其是氮的濃度已經(jīng)超過(guò)閾值 10倍以上,因此大氣氮濕沉降輸入杭嘉湖的水環(huán)境后,可加速其污染.

表2　杭嘉湖大氣氮、磷濕沉降質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)（mg/L）Table 1　The mass concentration of atmospheric wet deposition of nitrogen and phosphorus （mg/L）

由表3可以看出,大氣氮沉降總體上以濕沉降形式為主,但干沉降也不容忽視,如杭州地區(qū)大氣氮干濕沉降比例約 1：1,而大氣磷沉降則以干沉降形式為主,杭州、嘉興與湖州地區(qū)的磷干沉降分別占總沉降的69%、67%和60%,這與國(guó)外一些研究結(jié)果證實(shí)的磷沉降主要為干沉降的結(jié)論相吻合［19-20］.若以杭嘉湖3地的行政面積來(lái)計(jì)算（杭州以市轄區(qū)面積計(jì)算）,調(diào)查期內(nèi)杭嘉湖地區(qū)沉降氮素共約6.8萬(wàn)t,磷素0.1萬(wàn)t,相當(dāng)于14.9萬(wàn)t的尿素；杭嘉湖地區(qū)流域水環(huán)境面積約1145km2,直接降入水域中的氮素約6038.4t,磷素77.8t,相當(dāng)于1.3萬(wàn)t的尿素.與2013年杭嘉湖地區(qū)農(nóng)業(yè)源（包括農(nóng)田種植和畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖）TN、TP的水環(huán)境輸入量相比［21］,則以大氣沉降形式直接降入水域的氮、磷素分別相當(dāng)于農(nóng)業(yè)源的氮、磷入河量的 39.6%和5.9%.可見,大氣沉降引起的水環(huán)境輸入量不容忽視,大氣氮沉降作為杭嘉湖地區(qū)水環(huán)境無(wú)機(jī)氮污染的重要來(lái)源之一,在區(qū)域內(nèi)的水體富營(yíng)養(yǎng)化的中長(zhǎng)遠(yuǎn)控制中仍具有十分重要的意義.與氮污染源相比,以大氣沉降方式進(jìn)入水體的磷很少.

表3　杭嘉湖地區(qū)大氣干濕沉降通量及占總沉降通量比例Table 1　Atmospheric dry and wet deposition fluxes and the proportion of the total deposition flux

2.3大氣氮、磷干濕沉降空間變化特征

一般認(rèn)為,當(dāng)?shù)两低吭谝欢ǚ秶鷥?nèi)時(shí),大部分氮被保留在生態(tài)系統(tǒng)中,但2500kg/km2作為一個(gè)臨界點(diǎn),超過(guò)這一數(shù)值時(shí),就會(huì)出現(xiàn)氮飽和狀態(tài)［22］,過(guò)量的氮沉降會(huì)加速土壤的酸化和水體的富營(yíng)養(yǎng)化［23］,杭嘉湖地區(qū)年氮沉降通量約是該值的2倍,說(shuō)明杭嘉湖地區(qū)已成為高氮沉降區(qū).相對(duì)于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)（表4）,杭嘉湖地區(qū)的大氣沉降通量相對(duì)較高,與楊龍?jiān)仍?002年7月～2003年6月對(duì)太湖的研究結(jié)果相比,杭嘉湖大氣氮總沉降通量大于太湖地區(qū),而磷總沉降通量卻遠(yuǎn)小于太湖地區(qū),這與地區(qū)及年際間大氣沉降中的氮、磷濃度和降雨量差異有關(guān),杭嘉湖三地在研究期間的年降雨量分別達(dá)1366,1335,1448mm,大于太湖地區(qū)的年降雨量 984mm；而與翟水晶等在2007年對(duì)太湖北部的研究結(jié)果相比,杭嘉湖三地的氮濕沉降通量均明顯大于太湖,除不同地區(qū)、年份間的環(huán)境、降雨量等因素造成的差異外,與采樣點(diǎn)設(shè)置亦有關(guān)系,太湖北部的研究將采樣點(diǎn)設(shè)置在湖面上方,在縮短采樣周期的同時(shí)避免了昆蟲產(chǎn)卵、地面揚(yáng)塵及周邊人類活動(dòng)對(duì)樣品的干擾.與國(guó)外其他地區(qū)的大氣氮、磷沉降通量相比,杭嘉湖地區(qū)則處于較高水平,杭嘉湖平均氮總沉降通量分別是美國(guó)東北部海岸、歐洲北海灣和西班牙東海岸的4.7,5.5和7.6倍,杭嘉湖平均磷總沉降通量分別是南非西海岸、西班牙高山湖泊和加拿大阿爾伯塔窄湖的4.2,5.6和3.4倍.雖然不同的下墊面及實(shí)驗(yàn)方法在一定程度上影響數(shù)據(jù)的可比性,但仍然說(shuō)明杭嘉湖地區(qū)的大氣氮、磷沉降通量水平很高.

杭嘉湖 3地大氣氮總沉降通量大小依次為嘉興＞杭州＞湖州,磷總沉降通量的大小順序則為嘉興＞湖州＞杭州,總的來(lái)說(shuō),基本處于同一水平上.大氣氮、磷沉降通量在空間上呈現(xiàn)出的差異性主要表現(xiàn)在不同形式的沉降上,大氣氮干沉降通量以杭州和嘉興地區(qū)較高,分別達(dá)到 2474.25, 2415.55kg/（km2?a）,而大氣氮濕沉降通量以嘉興和湖州地區(qū)最高,分別達(dá)到 3170.25,3506.66kg/ （km2?a）；大氣磷干沉降通量以嘉興地區(qū)最高,達(dá)到46.98kg/（km2?a）,大氣磷濕沉降通量以湖州地區(qū)最高,達(dá)到27.15kg/（km2?a）.

將嘉興降水中各形態(tài)氮的濃度進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算,則研究期間NH4+-N、NO3--N、DON占TN的比例分別為37.9%、25.5%和36.6%,可見大氣氮濕沉降以銨態(tài)氮最多,這與相關(guān)研究結(jié)果一致［24-25］.雨水中的銨態(tài)氮主要來(lái)源于大氣中NH3的溶解,大氣中 NH3則主要來(lái)源于畜禽養(yǎng)殖、化肥施用和生物質(zhì)燃燒等,硝態(tài)氮主要產(chǎn)生于燃料燃燒、汽車尾氣和雷擊［26-27］.嘉興養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá),以 2013年生豬出欄數(shù)為例,杭嘉湖三地分別為 44.59,419.8,163.7萬(wàn)頭［28］,將杭嘉湖環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（2013年）中的畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植的年氮、磷排放量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表5所示,可見在杭嘉湖三地,嘉興的畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植兩個(gè)面源污染源的TN、TP排放量最高,基本占杭嘉湖地區(qū)兩個(gè)面源TN、TP排放量的一半.大量畜禽糞污的排放會(huì)引起的氨的揮發(fā),農(nóng)業(yè)種植亦會(huì)導(dǎo)致大量的化肥施用,這可能是嘉興地區(qū)的大氣氮、磷濕沉降沉降通量較杭州、湖州要高的原因.

表4　國(guó)內(nèi)外各地區(qū)大氣沉降對(duì)比［kg/（km2?a）］Table 1　Comparison of atmosphere deposition in different regions［kg/（km2?a）］

表5　杭嘉湖畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植TN、TP排放量的對(duì)比Table 1　TN, TP emissions comparison of Hang-Jia-Hu livestock and poultry aquaculture and agricultural planting

其次,大氣沉降除了與氣象因素外,與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件也有關(guān)系,湖州站點(diǎn)與太湖距離不足10km,太湖周圍被大片農(nóng)田包圍,其大面積高強(qiáng)度的使用農(nóng)藥、化肥可能是湖州氮、磷沉降通量較高的原因.杭州工業(yè)區(qū)主要分布在城北,杭州站點(diǎn)附近有汽車城和汽車站,車流量非常大,且環(huán)境衛(wèi)生和植樹綠化相對(duì)較差,這可能是杭州站點(diǎn)較高的氮、磷沉降通量的原因.

2.4 杭嘉湖地區(qū)大氣氮、磷干濕沉降通量的季節(jié)性變化特征

按春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～11月）、冬（12～翌年 2月）對(duì)杭嘉湖地區(qū)氮、磷沉降通量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),所得結(jié)果見表6.

利用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的氣團(tuán)反向軌跡模型HYSPLIT-4,由于NOAA把全球氣象 1°×1°數(shù)據(jù)插值到正形投影的地圖上,因此在杭嘉湖地區(qū)尺度上,各站點(diǎn)的氣團(tuán)反向軌跡是一致的,故本研究選擇杭嘉湖地區(qū)中部一點(diǎn)（東經(jīng)120.40°,北緯30.60°）對(duì)其2013年9月至2014年8月做5d的反向軌跡分析,以500m高度的反向軌跡來(lái)反映杭嘉湖地區(qū)云下氣團(tuán)的來(lái)源,結(jié)果見圖3.

表6　各季節(jié)大氣氮、磷沉降通量對(duì)比Table 1　Comparing the seasonal atmospheric of nitrogen and phosphorus

圖3　氣團(tuán)反向軌跡圖Fig.4　The air mass back trajectory

大氣氮、磷干濕沉降通量的變化在時(shí)間上呈現(xiàn)較明顯的變化,由圖4可以看出,氮總沉降通量以夏秋兩季最高（夏季＞秋季＞冬季＞春季）,夏秋季作為農(nóng)作物的生長(zhǎng)季,是氮沉降的重要時(shí)期,生長(zhǎng)季大規(guī)模的農(nóng)業(yè)施肥活動(dòng)使得大氣中可沉降的氮素較多,而較強(qiáng)、頻繁的降水又使得這些氮素沉降的比較徹底［31］，此外,夏秋兩季較高的氣溫也加速了畜禽糞便中的氨向大氣中的揮發(fā).氮沉降以濕沉降方式為主,而氮濕沉降以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮為主,硝態(tài)氮主要由雷擊、工業(yè)燃料燃燒及汽車尾氣產(chǎn)生,遷移距離很大,可達(dá)數(shù) km；銨態(tài)氮主要來(lái)自土壤,化肥和畜禽糞便中銨態(tài)氮的揮發(fā),遷移距離一般小于 100km［46-47］.有研究表明,由大陸性氣團(tuán)影響的降雨氮濃度明顯高于海洋性氣團(tuán)影響的降雨,且大氣降水中的化學(xué)成分不僅受局地污染源的影響,還受到氣團(tuán)遠(yuǎn)距離污染物傳輸?shù)挠绊懀?8-49］,夏季影響杭嘉湖地區(qū)的氣團(tuán)主要來(lái)自浙江南部、江西、福建、廣東等地,屬于大陸性氣團(tuán),受季風(fēng)氣候影響這兩季杭嘉湖地區(qū)降雨充沛,氣團(tuán)來(lái)源地浙江、廣東作為工業(yè)強(qiáng)省可能向研究區(qū)域輸送了大量硝態(tài)氮污染物,而秋季杭嘉湖地區(qū)氣團(tuán)主要來(lái)自研究區(qū)域的西北方向,氣團(tuán)經(jīng)過(guò)渤海、黃海、東海、山東東部、江蘇東部和上海,屬于海洋性氣團(tuán),但上海、江蘇作為發(fā)達(dá)地區(qū)可能向研究區(qū)域輸入硝態(tài)氮污染物.磷總沉降通量以秋冬兩季最高（秋季＞冬季＞春季＞夏季）,這是由于磷沉降以干沉降方式為主,而秋冬兩季降雨較夏秋兩季要少,此外有研究表明,大氣干沉降與可吸入顆粒物 PM10呈正相關(guān)關(guān)系［39］,秋冬兩季影響杭嘉湖地區(qū)的氣團(tuán)基本來(lái)自北方,因此秋冬兩季磷沉降通量較高還可能受北方地區(qū)霾天氣系統(tǒng)南下的影響.

圖4　大氣氮、磷沉降通量季節(jié)性變化Fig.4　The seasonal variation of atmospheric deposition flux of nitrogen and phosphorus

由圖4可見,不同形式的氮、磷沉降其季節(jié)性變化也不同,對(duì)于氮干沉降而言,杭州、嘉興均表現(xiàn)出春、夏、秋季逐漸升高的特點(diǎn),而湖州表現(xiàn)出夏、秋、冬季逐漸升高的特點(diǎn).各地的氮濕沉降通量的季節(jié)性變化并不一致,這與各地的降雨水平及雨水中 TN濃度的差異性有關(guān),但各地氮濕沉降最高的季節(jié)均為夏季.對(duì)于磷干沉降而言,各地季節(jié)性變化不一致,杭州表現(xiàn)為春、冬兩季高于夏、秋兩季,嘉興則表現(xiàn)為秋季明顯高于其他季節(jié)（占全年磷干沉降的 49%）的特點(diǎn),湖州表現(xiàn)出春、秋、冬季保持較高水平而夏季明顯低于其他季節(jié)的特點(diǎn).對(duì)磷濕沉降而言,杭州與湖州的季節(jié)性變化較一致,均表現(xiàn)出夏、秋、冬季逐漸降低的特點(diǎn),夏季為其磷濕沉降通量最大的季節(jié),嘉興則表現(xiàn)為春、夏、秋季逐漸升高的特點(diǎn),秋季為其磷濕沉降通量最大的季節(jié).

雖然本研究選取的 3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有一定的代表性,但是仍然受到了人類活動(dòng)一定的影響,因此用這 3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)來(lái)反應(yīng)整個(gè)杭嘉湖地區(qū)的大氣氮、磷沉降其結(jié)果可能偏高,為提高準(zhǔn)確性,后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)增加代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量.杭嘉湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)、人口密集,汽車尾氣、工業(yè)廢氣、畜禽養(yǎng)殖和大面積農(nóng)藥化肥施放等點(diǎn)、面源對(duì)大氣的污染日趨嚴(yán)重,大氣氮、磷沉降作為面源污染的重要來(lái)源之一,其對(duì)杭嘉湖地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)尤其是對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視.

3　結(jié)論

3.1大氣氮、磷濕沉降主要受降雨量影響,且隨降雨量的增加而增加.不同等級(jí)降雨條件下的氮、磷沉降通量有顯著差異,大雨所攜帶的TN、TP污染物占年濕沉降通量的的比例較高,因此大雨對(duì)水環(huán)境污染影響要大于中雨和小雨.研究期間,降入杭嘉湖地區(qū)的氮素約6.8萬(wàn)t,磷素0.1萬(wàn)t,相當(dāng)于14.9萬(wàn)t的尿素,其中直接降入水域中的氮、磷素分別為6038.4,77.8t,分別相當(dāng)于農(nóng)業(yè)源的氮、磷入河量的39.6%和5.9%.

3.2杭嘉湖地區(qū)大氣氮、磷沉降中,大氣氮沉降以濕沉降形式為主,磷沉降以干沉降形式為主.該區(qū)域的大氣氮、磷沉降呈現(xiàn)出一定的時(shí)空差異性,大氣氮干沉降通量以杭州、嘉興地區(qū)較高,大氣磷干沉降通量以嘉興地區(qū)最高,大氣氮濕沉降通量則以湖州、嘉興地區(qū)較高,大氣磷濕沉降通量以湖州地區(qū)最高,而三地區(qū)的大氣氮、磷總沉降通量水平基本一致.在時(shí)間尺度上,杭嘉湖地區(qū)氮沉降以夏秋兩季最高,磷沉降以秋冬兩季最高.

［1］ Galloway J N, Townsend A R, Erisman J W, et al. Transformation of the nitrogen cycle： recent trends, questions, and potential solutions ［J］. Science, 2008,320（5878）：889-892.

［2］ Holland E A, Dentener F J, Braswell B H, et al. Contemporary and pre-industrial global reactive nitrogen budgets［C］//New Perspectives on Nitrogen Cycling in the Temperate and Tropical Americas. Springer Netherlands, 1999：7-43.

［3］ Russow R W B, Bahme F, Neue H U. A new approach to determine the total airborne N input into the soil/plant system using 15N isotope dilution （ITNI）： results for agricultural areas in Central Germany ［J］. The Scientific World Journal, 2001,1：255-260.

［4］ Russow R, B?hme F. Determination of the total nitrogen deposition by the15N isotope dilution method and problems in extrapolating results to field scale ［J］. Geoderma, 2005,127（1）：62-70.

［5］ Van Breemen N. Nitrogen cycle： Natural organic tendency ［J］. Nature, 2002,415（6870）：381-382.

［6］ 張金良,于志剛.大氣的干濕沉降及其對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響［J］. 海洋環(huán)境科學(xué), 1999,18（1）：70-76.

［7］ 趙婷婷,李秋艷,陸麗巧,等.漕橋河小流域平原河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境污染分析 ［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011.

［8］ 向仁軍,柴立元,張 龔,等.湖南蔡家塘森林小流域氮和硫的輸入輸出特征 ［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2006,26（8）：1372-1378.

［9］ 王體健,劉 倩,趙 恒,等.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), 2008,45（2）：280-287.

［10］ 樊建凌,胡正義,周 靜,等.林地大氣氮沉降通量觀測(cè)對(duì)比研究［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33（5）：786-792.

［11］ 韓麗君,朱玉梅,劉素美,等.黃海千里巖島大氣濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽的研究 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33（7）：1174-1184.

［12］ 鄭丹楠,王雪松,謝紹東,等.2010年中國(guó)大氣氮沉降特征分析［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34（5）：1089-1097.

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

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

［15］ 宋玉芝,秦伯強(qiáng),楊龍?jiān)?等.大氣濕沉降向太湖水生生態(tài)系統(tǒng)輸送氮的初步估算 ［J］. 湖泊科學(xué), 2005,17（3）：226-230.

［16］ GB 13580.2-92 大氣降水樣品的采集與保存 ［S］.

［17］ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法 ［M］. 第4版.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

［18］ GB 3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) ［S］.

［19］ Asman W A H, van Jaarsveld H A. A variable-resolution transport model applied for NHxin Europe ［J］. Atmospheric Environment. Part A. General Topics, 1992,26（3）：445-464.

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

［21］ 2013年杭嘉湖環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) ［Z］. 2013.

［22］ 樊后保,黃玉梓.陸地生態(tài)系統(tǒng)氮飽和對(duì)植物影響的生理生態(tài)機(jī)制 ［J］. 植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報(bào), 2006,32（4）：395-402.

［23］ Magill A H, Aber J D, Berntson G M, et al. Long-term nitrogen additions and nitrogen saturation in two temperate forests ［J］. Ecosystems, 2000,3（3）：238-253.

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

［25］ 陳中穎,李開明,林文實(shí),等.珠江口大氣氮磷干濕沉降通量及其污染特征 ［J］. 環(huán)境污染與防治, 2010,32（11）：53-57.

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

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

［28］ 浙江省統(tǒng)計(jì)局.浙江統(tǒng)計(jì)年鑒 ［J］. 北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2014.

［29］ 林文實(shí),李開明,王雪梅,等.珠江口及近海海域干濕沉降的監(jiān)測(cè)［C］//中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2007年年會(huì)大氣成分觀測(cè),研究與預(yù)報(bào)分會(huì)場(chǎng)論文集, 2007.

［30］ 周婕成,史貴濤,陳振樓,等.上海大氣氮濕沉降的污染特征 ［J］.環(huán)境污染與防治, 2009,31（11）：30-34.

［31］ 張 峰.長(zhǎng)樂江流域大氣氮,磷沉降及其在區(qū)域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中的貢獻(xiàn) ［D］. 杭州：浙江大學(xué), 2011.

［32］ 孫志高,劉景雙,王金達(dá).三江平原典型濕地系統(tǒng)大氣濕沉降中氮素動(dòng)態(tài)及其生態(tài)效應(yīng) ［J］. 水科學(xué)進(jìn)展, 2007,18（2）：182-192.

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

［34］ 鄧君俊,王體健,李 樹,等.南京郊區(qū)大氣氮化物濃度和氮沉降通量的研究 ［J］. 氣象科學(xué), 2009,29（1）：25-30.

［35］ 商少凌,洪華生.廈門海域大氣氣溶膠中磷的沉降通量 ［J］. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 1997,36（1）：106-109.

［36］ 邵 偉.大氣沉降對(duì)西藏主要作物氮營(yíng)養(yǎng)的影響 ［D］. 拉薩：西藏大學(xué), 2009.

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

［38］ 林蘭穩(wěn),肖輝林,劉婷琳,等.廣州東北郊大氣氮濕沉降動(dòng)態(tài)及其與酸雨的關(guān)系 ［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013,22（2）：293-297.

［39］ 魏 樣.陜西省不同生態(tài)區(qū)大氣氮沉降及酸雨監(jiān)測(cè) ［D］. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué), 2010.

［40］ Paerl H W, Dennis R L, Whitall D R. Atmospheric deposition of nitrogen： implications for nutrient over-enrichment of coastal waters ［J］. Estuaries, 2002,25（4）：677-693.

［41］ Nyaga J M, Cramer M D, Neff J C. Atmospheric nutrient deposition to the west coast of South Africa ［J］. Atmospheric Environment, 2013,81：625-632.

［42］ Morales-Baquero R, Pulido-Villena E, Reche I. Atmospheric inputs of phosphorus and nitrogen to the southwest Mediterranean region： Biogeochemical responses of high mountain lakes ［J］. Limnology and Oceanography, 2006,51（2）：830-837.

［43］ Shaw R D, Trimbee A M, Minty A, et al. Atmospheric deposition of phosphorus and nitrogen in central Alberta with emphasis on Narrow Lake ［J］. Water, Air, and Soil Pollution, 1989,43（1/2）：119-134.

［44］ Hertel O, Skjoth C A, Frohn L M, et al. Assessment of the atmospheric nitrogen and sulphur inputs into the North Sea using a Lagrangian model ［J］. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 2002,27（35）：1507-1515.

［45］ Sanz M J, Carratalá A, Gimeno C, et al. Atmospheric nitrogen deposition on the east coast of Spain： relevance of dry deposition in semi-arid Mediterranean regions ［J］. Environmental Pollution, 2002,118（2）：259-272.

［46］ Aneja V P, Roelle P A, Murray G C, et al. Atmospheric nitrogen compounds II： emissions, transport, transformation, deposition and assessment ［J］. Atmospheric Environment, 2001,35（11）：1903-1911.

［47］ Dennis R L. Using the Regional Acid Deposition Model to determine the nitrogen deposition airshed of the Chesapeake Bay watershed ［J］. Atmospheric Deposition of Contaminants to the Great Lakes and Coastal Waters, 1997,15：293-304.

［48］ 王雪梅,楊龍?jiān)?秦伯強(qiáng),等.春季太湖水域無(wú)機(jī)氮濕沉降來(lái)源初探 ［J］. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2006,45（4）：93-97.

［49］ 艾東升.上海市大氣降水化學(xué)組成特征及物源解析 ［D］. 上海：華東師范大學(xué), 2011.

Atmospheric nitrogen and phosphorous deposition in Hangjiahu area.

WANG Jiang-fei1, ZHOU Ke-jin2, WANG Xiao-quan2, DENG jing1, WU Liu-fang3, MA Xiao-yan1*, ZHONG Xiao2, PU Feng-lian4, SHI Li-li5, CHEN Jiang6, JIANG Cai-ping2（1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；2.Zhejiang Province Environmental Monitoring Center, Hangzhou 310012, China；3.Environmental Science Research and Design Institute of Zhejiang Province, Hangzhou 310007, China；4.Jiaxing Environmental Protection Monitoring Station, Jiaxing 314000, China；5.Hangzhou Environmental Monitoring Station, Hangzhou 310007, China；6.Huzhou Environmental Monitoring Center Station, Huzhou 313000, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2754～2763

Available data of atmospheric nitrogen and phosphorous deposition during Sep, 2013 to Aug, 2014, were collected from three typical monitoring stations of Hang-Jia-Hu area, which are located at Hangzhou, Jiaxing andg Huzhou city respectively. The pollution characteristics of this area were discussed. Annual bulk deposition of nitrogen and phosphorous were significantly high in range of 4950.74～5585.80 and 65.25～69.72kg/（km2?a）； Atmospheric deposition of nitrogen, phosphorus into the water were 6038.4 and 77.8 tons, respectively, equivalent to 39.6% and 5.9% input amount of nitrogen and phosphorus by agricultural. The principal deposition form for nitrogen was wet deposition, while for and phosphorous, it was dry deposition. Wet deposition of nitrogen and phosphorous were affected by rainfall situation, and usually increased along with the rainfall amount. The spatial ariation characteristics of nitrogen and phosphorous showed that high dry atmospheric deposition of nitrogen （Hangzhou, Jiaxing）, high dry atmospheric deposition of phosphorous （Jiaxing）, high wet nitrogen deposition （Huzhou, Jiaxing）, and high wet phosphorous of Huzhou. On the time scale, nitrogen deposition was much higher in summer and autumn, while phosphorus deposition was much higher in autumn and winter.

Hangjiahu；nitrogen deposition；phosphorous deposition；dry and wet deposition；air mass backward trajectory

X131,X831

A

1000-6923（2015）09-2754-10

2015-01-23

水污染治理國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2012ZX07506-006）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51208468,51378446）；浙江省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（14SWH17YB）；浙江省環(huán)保廳項(xiàng)目（2012A006）

*責(zé)任作者, 副教授, mayaner620@163.com

王江飛（1990-）,男,安徽安慶人,浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)樗廴究刂婆c治理.