伊犁河谷大气氮湿沉降特征研究——以首府伊宁市为例

摘要 为研究伊宁市大气氮素湿沉降的变化特征，2020年5月—2021年4月进行采样，并定量分析大气氮沉降各形态组分的变化特征。结果表明，伊宁市年均总氮湿沉降量为6.15 kg/hm 其中NO 3--N湿沉降量为1.33 kg/hm NH 4+-N湿沉降量为2.78 kg/hm 可溶性有机氮（DON）湿沉降量为2.04 kg/hm2;无机活性总氮（TIN）湿沉降量占总氮（TN）比例为66.83%，DON占TN比例为33.17%。湿沉降量与降雨量呈显著正相关，湿沉降量在春季、冬季较高，占全年总湿沉降量的59.02%。伊宁市氮湿沉降量接近西部干旱地区氮沉降临界负荷4～10 kg/（hm2·a）。因此，该地区水体富营养化及陆地生态系统（如草原、森林）的安全问题需要得到关注。

关键词 大气氮;湿沉降;变化特征;伊犁河谷;伊宁市

中图分类号 X 51  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）17-0066-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.17.016

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Characteristics of Atmospheric Nitrogen Wet Deposition in Yili River Valley—Taking Yining City as an Example

ZHANG Wei，YU Ting，HE Jiao et al

（School of Agricultural Engineering， Xinjiang Yili Vocational and Technical College， Yining， Xinjiang 835000）

Abstract In order to study the variation characteristics of atmospheric nitrogen wet deposition in Yining City， sampling was carried out from May 2020 to April 2021， and the variation characteristics of various forms and components of atmospheric nitrogen deposition were quantitatively analyzed.The results showed that the total nitrogen （TN） deposition were 6.15 kg/hm2，of which nitrate nitrogen（NO 3--N） deposition was 1.33 kg/hm2，ammonium nitrogen（NH 4+-N） deposition was 2.78 kg/hm2， and soluble organic nitrogen （DON） deposition was 2.04 kg/hm2.Inorganic total nitrogen （TIN） deposition accounted for 66.83 % of TN， DON accounted for 33.17 % of TN.Wet deposition flux was positively correlated with rainfall. Wet deposition flux was higher in spring and winter， accounting for 59.02 % of total N deposition.The wet N deposition in Yining City was close to the critical nitrogen deposition load of 4-10 kg/（hm2·a ） in western arid areas.Therefore，the eutrophication of water bodies and the safety of terrestrial ecosystems （such as grasslands， forests） in the region need to be concerned.

Key words Atmospheric nitrogen;Wet deposition;Variation characteristics;Yili River Valley;Yining City

大气氮沉降是指大气中的各种活性氮通过干、湿沉降等形式从大气中清除的过程。氮沉降具有双面效应，氮作为植物生长的必需营养元素，早期能为植物生长供应所需氮素营养，但是随着沉降量超越自然临界负荷后又可连锁诱发诸如土壤酸化、水体富营养化、生物多样性减退等负面效应，社会经济也因此蒙受巨大损失，甚至直接威胁人类的健康[1-3]。随着人类活动干扰加剧，如矿物燃烧、化学氮肥的施用以及畜牧业的规模化发展使得向大气中排放的活性氮激增，大气氮素沉降也相应快速增加。随着我国经济的快速发展，大气活性氮的排放量快速增加，到2010年已高达56 Tg[4]。

新疆是我国干旱区的主体，属典型的山地-绿洲-荒漠生态系统，而伊犁河谷作为干旱区绿洲生态系统受人为因素影响严重，人口由2000年的208万增长至2020年的284万，由此估计通过大气沉降带入的氮素等养分数量将明显增加，但由于缺乏系统的沉降资料目前还难以对其生态效应进行全面评价。伊宁市作为伊犁河谷最大的城市，也是国家“一带一路”沿线支点城市。因此，开展伊宁市大气氮湿沉降监测，有利于为评价我国干旱区绿洲（伊犁河谷）环境养分的输入数量和时空分布规律提供数据支持。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

伊宁市位于新疆西北边陲，地处伊犁河谷盆地中央，地理坐标为43°50′～44°09′N、80°04′～81°29′E。伊宁市属北温带大陆性气候，年均气温10.5 ℃，年均降水量235 mm，农业生产以种植业、畜牧养殖为主。伊宁市作为伊犁州直首府，现有总人口54.75万，是国家“一带一路”沿线支点城市，也是北疆重要城市。

1.2 样品采集

该研究采用雨水采集法，是使用SDM6固定雨量器（包括不锈钢漏斗和玻璃瓶）手动收集每次降水，并用25 mm雨量筒（最小刻度0.1 mm）记录降雨量。每次降水取全过程样，如有连续降水过程，则08：00—次日08：00为一次样品。降水样品充分混匀后立即用50 mL干净的聚乙烯瓶储存，并暂时在-18 ℃环境中存放。

1.3 样品分析与数据处理

每个收集的样品用0.45 μm滤膜过滤，NO 3--N、NH 4+-N用AA3连续流动分析仪测定，TN经过硫酸钾氧化后，紫外分光光度法测定。湿沉降量计算公式如下：

C w=ni=1（C iP i）/ni=1P i（1）

D w=P t×C w100（2）

式（1）中，C w是一段时期内n个降水样本计算的平均浓度 （mg/L）; C i是第i 次单个样本浓度（mg/L）;Pi是第i 次降雨量（mm）。

式（2）中， D w 为湿沉降量[kg/（hm2·a）];Pt 为一段时期内所有降水的总量（mm）;100为单位转换系数。

湿沉降总氮（TN）包括无机活性总氮（TIN）和可溶性有机氮（DON），TIN是NO 3--N与NH 4+-N之和;DON采用差减法，DON=TN-TIN。通过Excel对原始数据进行分析，采用SPSS软件对数据进行相关统计。

2 结果与分析

2.1 大气氮湿沉降浓度特征分析

采样期间，伊宁市共降水58次，年降水量为236.71 mm。对大气氮湿沉降所有样品中无机活性氮NO 3--N、NH 4+-N进行分析，从图1可以看出，伊宁市大气氮湿沉降中NO 3--N、NH 4+-N的浓度大部分分布在2.00 mg/L以下，分别占总次数的82.75%、67.24%。总体上看，NO 3--N、NH 4+-N的年平均浓度分别为0.57、1.17 mg/L，最大值分别为5.04、6.94 mg/L，最小值分别为0.04、0.29 mg/L，说明NO 3--N、NH 4+-N在浓度分布范围上变化较大，可能除了受排放源季节影响外，还与连续降水冲刷造成浓度持续降低有关。

降水中NO 3--N、NH 4+-N的浓度以及NH 4+-N/NO 3--N值关系如图2所示，该研究期间NO 3--N月均浓度为0.34～1.16 mg/L，月均浓度均低于NH 4+-N月均浓度;NH 4+-N月均浓度为0.49～2.45 mg/L，月均浓度变化较大，其中4—7月份都高于1.79 mg/L。NH 4+-N/NO 3--N值为1.46～3.98，从全年变化来看，3—8月份比值均大于 考虑3月底开始当地雪水逐渐融化，开始春耕生产至8月份都是农忙季节，该时期以NH 4+-N排放源为主导较为明显。

由图3可知，TN月均浓度为1.10～4.42 mg/L，最低值出现在9月份;DON月均浓度为0.05～1.85 mg/L，最低值出现在4月份。从整个监测时间来看，NO- 3-N、NH+ 4-N、DON、TN平均浓度分别为0.57、1.17、0.86、2.60 mg/L。从季节变化分析湿沉降变化特征，从图4可以看出，TN浓度为1.95～3.35 mg/L，其中春夏季节浓度明显高于秋冬季节;DON浓度为0.56～1.31 mg/L，春季浓度高于其他季节;NO 3--N浓度为0.45～0.82 mg/L，夏季和冬季浓度高于春季和秋季;NH 4+-N浓度为0.78～1.78 mg/L，春季和夏季浓度明显高于秋季和冬季。

2.2 大气氮湿沉降量特征分析

从图5可以看出，湿沉降无机氮组分NO 3--N月均沉降量为0.04～0.21 kg/hm 年均沉降量为1.33 kg/hm2;NH 4+-N月均沉降量为0.07～0.36 kg/hm 年均沉降量为2.78 kg/hm2;DON月均沉降量为0.01～0.63 kg/hm 年均沉降量为2.04 kg/hm2;TN月均沉降量为0.16～1.09 kg/hm 年均沉降量为6.15 kg/hm2。从季节分布来看（图6），降水主要集中在春季和冬季，占全年降水量的61.41%;NO 3--N沉降量以冬季最高（0.42 kg/hm2），秋季最低（0.20 kg/hm2）;NH 4+-N沉降量以秋季最低（0.35 kg/hm2），春季最高（0.86 kg/hm2），是秋季的2.46倍;DON沉降量以春季最高（0.76 kg/hm2），冬季次之（0.52 kg/hm2），2个季节沉降量为全年的66.76%;TN沉降量以春季最高（1.94 kg/hm2），秋季最低（0.89 kg/hm2）。总体上大气氮沉降量从大到小依次为春季[1.94 kg/（hm2·a）]>冬季[1.69 kg/（hm2·a）]>夏季[1.63 kg/（hm2·a）]>秋季[0.89 kg/（hm2·a）]。

Liu等[13]的研究按照氮湿沉降（NO 3--N、NH 4+-N湿沉降）在全国范围沉降通量的大小划分为高、中、低3个沉降区，新疆属于低沉降区[<15 kg/（hm2·a）]行列。该研究中伊宁市2020年5月—2021年4月TN湿沉降量为6.15 kg/（hm2·a），与低沉降区划分值相符。从表1可以看出，与国内其他城市相比，TIN年沉降量高于西藏林芝县[2.36 kg/（hm2·a）]，与乌鲁木齐市[6.0 kg/（hm2·a）]相近，低于其他东部城市。这是由于经济发达地区人口稠密，也是工农业相对发达和氮肥的高投入地区，因此活性氮的排放显著高于西部欠发达地区[14]。但是从氮沉降的不同形态浓度来看，NO 3--N质量浓度为0.57 mg/L，高于林芝县（0.10 mg/L），是乌鲁木齐市浓度的57.00%、太原市的4.42%;NH 4+-N质量浓度为1.17 mg/L，高于林芝县（0.36 mg/L），是乌鲁木齐市浓度的90.00%、太原市的32.50%。从以上结果比较来看，伊宁市与乌鲁木齐市相比，在交通运输、工业化规模方面差距较大。