梁亞宇，宋志輝，李麗君,白光潔,呂 薇,劉 平

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西 太原 030006；2.太原市環(huán)保局杏花嶺分局監(jiān)測(cè)站，山西 太原 030009；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030031）

近年來，由于農(nóng)業(yè)中氮肥施用增多以及化石燃料在工業(yè)交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中使用量增大，全球SO2和NOx 排放量持續(xù)增加[1-2]。有研究稱，預(yù)計(jì)到2050年氮排放量可達(dá)到270 Tg/a[3]。濕沉降是大氣顆粒物和氣溶膠通過降水降雪作用直接遷移到地表和水體的過程[4-5]。過量氮硫化合物沉降到地面，會(huì)導(dǎo)致生物多樣性減少、土壤養(yǎng)分下降、水體富營(yíng)養(yǎng)化等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?duì)生態(tài)系統(tǒng)平衡產(chǎn)生威脅[6]。

我國(guó)的能源經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了大氣氮和硫的大量排放[7-9]。太原市屬于煤炭重工業(yè)城市，能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，是我國(guó)大氣污染情況較重的城市之一[10]。研究表明，大氣沉降是生態(tài)系統(tǒng)獲得氮硫素的重要途徑，大氣中硫氮的沉降通量會(huì)對(duì)土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)氮硫循環(huán)產(chǎn)生重要影響[4]。另外，農(nóng)田下墊面的硫沉降通量遠(yuǎn)高于針葉林、水體、草地等下墊面的硫沉降通量，且華東地區(qū)農(nóng)田區(qū)的硫沉降已占其他下墊面硫沉降通量的72%[11]。國(guó)內(nèi)對(duì)硫沉降的研究多見于南方酸雨區(qū)，對(duì)北方干旱和半干旱地區(qū)研究較少，但對(duì)城市、森林、水體等下墊面的研究較多。因此，對(duì)太原市農(nóng)田區(qū)的硫沉降通量研究很有必要。

本研究選取了太原市周邊典型農(nóng)田區(qū)雨季降水對(duì)其大氣氮硫沉降特征及其來源進(jìn)行了定量分析，以期為太原市周邊農(nóng)田區(qū)降水中氮硫離子沉降量進(jìn)行合理估算，為該農(nóng)田區(qū)生態(tài)環(huán)境及施肥計(jì)劃的制定提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在距太原市43 km 的榆次區(qū)東陽鎮(zhèn)山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽試驗(yàn)基地（經(jīng)度112.89°，緯度38.05°）進(jìn)行，該區(qū)域海拔799.4 m，年均氣溫 9.7 ℃，雨熱同期。歷年平均降雨量為450 mm，其中，生育期5—9月歷年平均降雨量為321.4 mm，無霜期188 d，周圍有較密集的村莊和道路網(wǎng)。

1.2 試驗(yàn)方法

采樣點(diǎn)用長(zhǎng)沙產(chǎn)的APS-3B 型干濕沉降儀收集濕沉降，因其可對(duì)干、濕沉降進(jìn)行獨(dú)立收集，降水發(fā)生時(shí)沉降桶由傳感器控制打開收集濕沉降樣品[12]。儀器布置于試驗(yàn)基地寬闊平坦的地方，周圍無大樹遮擋，無大型污染源，周圍主要種植玉米及藥材等作物。雨水樣品在每次降雨事件后采集，采樣周期為30 d，將采集到的濕沉降樣品置于50 mL的聚乙烯瓶中，在實(shí)驗(yàn)室中用0.45 μm 濾膜過濾后-15 ℃冷凍保存。采樣時(shí)間為2016年6—10月。采集得到的樣品在間斷化學(xué)分析儀（Smart Chem 200）上測(cè)定無機(jī)氮濃度。硫酸根濃度用連續(xù)雙抑制型離子色譜儀（861 Advanced Compact IC）測(cè)定。

1.3 濕沉降量的估算

雨水樣品在每次降雨事件后采集，收集好的雨水冷凍保存并在30 d 內(nèi)分析完。濕沉降中的元素根據(jù)濕沉降中S，N 的濃度和量來計(jì)算。

降水中NH4+-N，NO3--N 的月平均濃度用加權(quán)平均表示，根據(jù)公式計(jì)算各月（年）平均濃度。

式中，C 表示月（年） 加權(quán)平均質(zhì)量濃度（mg/L），Cn，Pn分別表示第n 次降雨中氮、硫素的質(zhì)量濃度（mg/L）及降雨量（mm），n 表示降雨次數(shù)。

計(jì)算氮硫沉降量的方法如下[13]。

式中，Dwd表示月（年）降雨中氮硫濕沉降量（kg/hm2），P 表示月（年） 降雨量（mm），C 表示月（年）加權(quán)平均濃度（mg/L），100 是單位換算系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用Excel 2007 軟件處理數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水中SO42--S及無機(jī)氮離子質(zhì)量濃度變化特征

本試驗(yàn)采集了2016年6—10月31 個(gè)有效的濕沉降樣品，采樣期降雨量占全年降雨量的86%。從表1可以看出，東陽試驗(yàn)基地2016年雨季降水中SO42-S，NH4+-N，NO3--N 的加權(quán)平均質(zhì)量濃度分別是 11.84，2.72，0.80 mg/L，3 種離子質(zhì)量濃度變化范圍分別是 9.55～17.84，0.21～6.10，0.38～3.97 mg/L。從表2可以看出，本研究SO42--S 質(zhì)量濃度高于北京[14]、咸陽和一些南方城市，NH4+-N 質(zhì)量濃度低于北京[14]，高于太原[15]和晉城[16]，NO3--N 質(zhì)量濃度均低于西安、咸陽等北方城市[17]，一些南方地區(qū)降水中氮硫濃度均低于監(jiān)測(cè)點(diǎn)[18]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)降水中SO42--S 質(zhì)量濃度分別是NH4+-N，NO3--N 質(zhì)量濃度的4.3 倍和 14 倍，SO42--S 質(zhì)量濃度 9月最高、7月最低，NH4+-N 質(zhì)量濃度在6月達(dá)到最高后逐月降低，NO3--N 質(zhì)量濃度 6—8月較低，9，10月升高。SO42-S，NO3--N 質(zhì)量濃度值表現(xiàn)出降雨量高的月份其濃度值較低的趨勢(shì)，說明降雨對(duì)濕沉降中可溶性離子有一定的稀釋作用[19]。

從圖1可以看出，SO42--S 質(zhì)量濃度與NO3--N質(zhì)量濃度呈極顯著線性正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為 0.688。但 NH4+-N 質(zhì)量濃度與 SO42--S 和NO3--N 的相關(guān)性均不顯著（P＞0.05）。研究區(qū)降雨中SO42-/NO3-和NH4+/NO3-的加權(quán)平均濃度比值分別為 13.93，3.20。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)各月氮硫濕沉降濃度、沉降量及降雨量的變化

表2 全國(guó)部分地區(qū)降水中N，S 元素沉降情況

2.2 降水中SO42--S及無機(jī)氮沉降量變化特征

由表1和圖2可知，東陽試驗(yàn)基地各月大氣氮、硫濕沉降通量變化規(guī)律有所不同，SO42-S，NH4+-N，NO3--N沉降量分別為34.50，7.93，2.47 kg/hm2，SO42--S 沉降量分別是 NH4+-N，NO3--N 沉降量的4.3 倍和 14 倍，氮硫總沉降量為 44.9 kg/hm2，無機(jī)氮沉降量為10.40 kg/hm2。硫濕沉降高于姚孟偉等[15]2012年對(duì)太原市的研究值。降雨中3 種離子沉降量的變化依次是 7月＞6月＞8月＞10月＞9月，6，7月的氮硫沉降量占到整個(gè)雨季總沉降量的74.6%。降雨量大的月份濕沉降量越高，與前人研究結(jié)果一致[22-23]。

研究表明，降雨量與氮硫沉降量呈正相關(guān)關(guān)系[13，24]。本研究監(jiān)測(cè)期間降雨量為 291.5 mm，占全年降雨量的86%，31 場(chǎng)降雨中3 種離子沉降量與對(duì)應(yīng)的降雨量呈極顯著線性正相關(guān)（P＜0.01）。從圖3可以看出，SO42-S，NH4+-N 的月沉降量與月降雨量達(dá)到線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.943，0.702，NO3--N 的月沉降量與月降雨量呈二次多項(xiàng)式正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.616。從圖4可以看出，SO42--S 沉降量與NO3--N 沉降量呈顯著線性正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為 0.619。

3 結(jié)論與討論

研究區(qū)監(jiān)測(cè)期內(nèi)SO42--S 質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于無機(jī)氮離子。通過人為排放的SO2和NOx 經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)形成的SO42-和NO3-，是降雨中主要致酸離子，二者之比通常是用來反映降水酸化程度的定性度量[25]。研究區(qū)雨季降雨中SO42-/NO3-的加權(quán)平均濃度值為13.93，說明該地降雨中SO42-濃度很高，SO42-/NO3-高于西安（12.89）、咸陽（11.11）[17]、重慶（10.9）[16]、太原（4.38）[15]。山西煤炭資源豐富，是國(guó)家重要的煤化工生產(chǎn)基地。高耗能、高污染的化工企業(yè)在帶來經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)也排放了大量的煙粉塵、二氧化硫和氮氧化物，給環(huán)境帶來巨大壓力。因此，高硫沉降對(duì)研究區(qū)大氣污染的貢獻(xiàn)不可忽視。

本研究表明，SO42--S 與NO3--N 的濃度之間及沉降量之間均達(dá)到顯著水平，說明二者有相同的來源。研究區(qū)地處交通要道，周圍車流量大，村莊較多，生活燃料以煤炭為主，其燃燒釋放的氮硫化物致使空氣中氮硫濃度升高，加之太原市地形東西北部高、南部低，太原市秋冬季盛行偏北風(fēng)，盛行風(fēng)向驅(qū)使污染物“南下”是造成研究區(qū)空氣中SO42-和NO3-濃度增加的原因。此外，大氣中NH3主要來源于人畜排泄物和氮肥的揮發(fā)及微生物對(duì)動(dòng)植物殘?bào)w和土壤有機(jī)物的分解等，雨季高溫加之農(nóng)田施肥活動(dòng)頻繁，排放到大氣中的NH3濃度增加進(jìn)而影響降雨中NH4+-N 的濃度[26]。氮硫總沉降中硫沉降占77%，無機(jī)氮占23%，硫沉降占的比例較大，類似于李愛萍等[18]研究結(jié)果。無機(jī)氮中NH4+-N 占的比例高，集中沉降月均是 6，7月。雖 NO3--N 濃度 9，10月較高但該月份降雨量較低，因此，NO3--N 沉降量在整個(gè)雨季差異不大。本研究結(jié)果表明，NH4+-N 和SO42--S 及NO3--N 之間無論是濃度還是沉降量關(guān)系均不顯著，說明農(nóng)田區(qū)降水中NH4+-N 的來源主要是農(nóng)事活動(dòng)，交通及生活燃煤等因素主要影響區(qū)內(nèi)SO42--S 和NO3--N 沉降通量，所以，人類活動(dòng)是SO42--S 和無機(jī)氮通量的主要影響因素。

許亞宣等[27]對(duì)我國(guó)硫沉降的數(shù)值模擬顯示，我國(guó)華北、華東、華南和西南地區(qū)均出現(xiàn)不同程度的S沉降超臨界負(fù)荷現(xiàn)象，南方地區(qū)較為嚴(yán)重，硫總沉降中濕沉降占的比例是干沉降的3 倍，諸多研究表明，過多硫沉降會(huì)造成環(huán)境污染與生態(tài)問題。東陽試驗(yàn)基地屬于半干旱半濕潤(rùn)區(qū)，其氮硫濕沉降卻高于年降雨量豐富的江西鷹潭[4]、常熟[20]、九寨溝[21]等地，說明本研究區(qū)空氣中氮硫污染形勢(shì)比較嚴(yán)峻。此外，張明等[4]的研究表明，大氣硫沉降輸入占農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)輸入總量的90%以上，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)有較大影響，農(nóng)田消耗的氮硫元素較多，因此，對(duì)作物生長(zhǎng)季獲取營(yíng)養(yǎng)元素有重要意義[28-29]。此外，本試驗(yàn)區(qū)僅雨季的無機(jī)氮濕沉降量就超過氮沉降對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響警戒線（10 kg/（hm2·a））[30]，因此，要高度關(guān)注氮硫沉降對(duì)空氣的污染狀況。