梁亚宇，宋志辉，李丽君,白光洁,吕 薇,刘 平

（1.山西大学生物工程学院，山西 太原 030006；2.太原市环保局杏花岭分局监测站，山西 太原 030009；3.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西省土壤环境与养分资源重点实验室，山西 太原 030031）

近年来，由于农业中氮肥施用增多以及化石燃料在工业交通运输等行业中使用量增大，全球SO2和NOx 排放量持续增加[1-2]。有研究称，预计到2050年氮排放量可达到270 Tg/a[3]。湿沉降是大气颗粒物和气溶胶通过降水降雪作用直接迁移到地表和水体的过程[4-5]。过量氮硫化合物沉降到地面，会导致生物多样性减少、土壤养分下降、水体富营养化等问题，严重时甚至会对生态系统平衡产生威胁[6]。

我国的能源经济结构导致了大气氮和硫的大量排放[7-9]。太原市属于煤炭重工业城市，能源结构以煤炭为主，是我国大气污染情况较重的城市之一[10]。研究表明，大气沉降是生态系统获得氮硫素的重要途径，大气中硫氮的沉降通量会对土壤-植物生态系统氮硫循环产生重要影响[4]。另外，农田下垫面的硫沉降通量远高于针叶林、水体、草地等下垫面的硫沉降通量，且华东地区农田区的硫沉降已占其他下垫面硫沉降通量的72%[11]。国内对硫沉降的研究多见于南方酸雨区，对北方干旱和半干旱地区研究较少，但对城市、森林、水体等下垫面的研究较多。因此，对太原市农田区的硫沉降通量研究很有必要。

本研究选取了太原市周边典型农田区雨季降水对其大气氮硫沉降特征及其来源进行了定量分析，以期为太原市周边农田区降水中氮硫离子沉降量进行合理估算，为该农田区生态环境及施肥计划的制定提供可靠的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验设在距太原市43 km 的榆次区东阳镇山西省农业科学院东阳试验基地（经度112.89°，纬度38.05°）进行，该区域海拔799.4 m，年均气温 9.7 ℃，雨热同期。历年平均降雨量为450 mm，其中，生育期5—9月历年平均降雨量为321.4 mm，无霜期188 d，周围有较密集的村庄和道路网。

1.2 试验方法

采样点用长沙产的APS-3B 型干湿沉降仪收集湿沉降，因其可对干、湿沉降进行独立收集，降水发生时沉降桶由传感器控制打开收集湿沉降样品[12]。仪器布置于试验基地宽阔平坦的地方，周围无大树遮挡，无大型污染源，周围主要种植玉米及药材等作物。雨水样品在每次降雨事件后采集，采样周期为30 d，将采集到的湿沉降样品置于50 mL的聚乙烯瓶中，在实验室中用0.45 μm 滤膜过滤后-15 ℃冷冻保存。采样时间为2016年6—10月。采集得到的样品在间断化学分析仪（Smart Chem 200）上测定无机氮浓度。硫酸根浓度用连续双抑制型离子色谱仪（861 Advanced Compact IC）测定。

1.3 湿沉降量的估算

雨水样品在每次降雨事件后采集，收集好的雨水冷冻保存并在30 d 内分析完。湿沉降中的元素根据湿沉降中S，N 的浓度和量来计算。

降水中NH4+-N，NO3--N 的月平均浓度用加权平均表示，根据公式计算各月（年）平均浓度。

式中，C 表示月（年） 加权平均质量浓度（mg/L），Cn，Pn分别表示第n 次降雨中氮、硫素的质量浓度（mg/L）及降雨量（mm），n 表示降雨次数。

计算氮硫沉降量的方法如下[13]。

式中，Dwd表示月（年）降雨中氮硫湿沉降量（kg/hm2），P 表示月（年） 降雨量（mm），C 表示月（年）加权平均浓度（mg/L），100 是单位换算系数。

1.4 数据处理

试验采用Excel 2007 软件处理数据并绘图。

2 结果与分析

2.1 降水中SO42--S及无机氮离子质量浓度变化特征

本试验采集了2016年6—10月31 个有效的湿沉降样品，采样期降雨量占全年降雨量的86%。从表1可以看出，东阳试验基地2016年雨季降水中SO42-S，NH4+-N，NO3--N 的加权平均质量浓度分别是 11.84，2.72，0.80 mg/L，3 种离子质量浓度变化范围分别是 9.55～17.84，0.21～6.10，0.38～3.97 mg/L。从表2可以看出，本研究SO42--S 质量浓度高于北京[14]、咸阳和一些南方城市，NH4+-N 质量浓度低于北京[14]，高于太原[15]和晋城[16]，NO3--N 质量浓度均低于西安、咸阳等北方城市[17]，一些南方地区降水中氮硫浓度均低于监测点[18]。监测点降水中SO42--S 质量浓度分别是NH4+-N，NO3--N 质量浓度的4.3 倍和 14 倍，SO42--S 质量浓度 9月最高、7月最低，NH4+-N 质量浓度在6月达到最高后逐月降低，NO3--N 质量浓度 6—8月较低，9，10月升高。SO42-S，NO3--N 质量浓度值表现出降雨量高的月份其浓度值较低的趋势，说明降雨对湿沉降中可溶性离子有一定的稀释作用[19]。

从图1可以看出，SO42--S 质量浓度与NO3--N质量浓度呈极显著线性正相关（P＜0.01），相关系数为 0.688。但 NH4+-N 质量浓度与 SO42--S 和NO3--N 的相关性均不显著（P＞0.05）。研究区降雨中SO42-/NO3-和NH4+/NO3-的加权平均浓度比值分别为 13.93，3.20。

表1 监测点各月氮硫湿沉降浓度、沉降量及降雨量的变化

表2 全国部分地区降水中N，S 元素沉降情况

2.2 降水中SO42--S及无机氮沉降量变化特征

由表1和图2可知，东阳试验基地各月大气氮、硫湿沉降通量变化规律有所不同，SO42-S，NH4+-N，NO3--N沉降量分别为34.50，7.93，2.47 kg/hm2，SO42--S 沉降量分别是 NH4+-N，NO3--N 沉降量的4.3 倍和 14 倍，氮硫总沉降量为 44.9 kg/hm2，无机氮沉降量为10.40 kg/hm2。硫湿沉降高于姚孟伟等[15]2012年对太原市的研究值。降雨中3 种离子沉降量的变化依次是 7月＞6月＞8月＞10月＞9月，6，7月的氮硫沉降量占到整个雨季总沉降量的74.6%。降雨量大的月份湿沉降量越高，与前人研究结果一致[22-23]。

研究表明，降雨量与氮硫沉降量呈正相关关系[13，24]。本研究监测期间降雨量为 291.5 mm，占全年降雨量的86%，31 场降雨中3 种离子沉降量与对应的降雨量呈极显著线性正相关（P＜0.01）。从图3可以看出，SO42-S，NH4+-N 的月沉降量与月降雨量达到线性正相关，相关系数分别是0.943，0.702，NO3--N 的月沉降量与月降雨量呈二次多项式正相关，相关系数为0.616。从图4可以看出，SO42--S 沉降量与NO3--N 沉降量呈显著线性正相关（P＜0.05），相关系数为 0.619。

3 结论与讨论

研究区监测期内SO42--S 质量浓度远高于无机氮离子。通过人为排放的SO2和NOx 经光化学反应形成的SO42-和NO3-，是降雨中主要致酸离子，二者之比通常是用来反映降水酸化程度的定性度量[25]。研究区雨季降雨中SO42-/NO3-的加权平均浓度值为13.93，说明该地降雨中SO42-浓度很高，SO42-/NO3-高于西安（12.89）、咸阳（11.11）[17]、重庆（10.9）[16]、太原（4.38）[15]。山西煤炭资源丰富，是国家重要的煤化工生产基地。高耗能、高污染的化工企业在带来经济利益的同时也排放了大量的烟粉尘、二氧化硫和氮氧化物，给环境带来巨大压力。因此，高硫沉降对研究区大气污染的贡献不可忽视。

本研究表明，SO42--S 与NO3--N 的浓度之间及沉降量之间均达到显著水平，说明二者有相同的来源。研究区地处交通要道，周围车流量大，村庄较多，生活燃料以煤炭为主，其燃烧释放的氮硫化物致使空气中氮硫浓度升高，加之太原市地形东西北部高、南部低，太原市秋冬季盛行偏北风，盛行风向驱使污染物“南下”是造成研究区空气中SO42-和NO3-浓度增加的原因。此外，大气中NH3主要来源于人畜排泄物和氮肥的挥发及微生物对动植物残体和土壤有机物的分解等，雨季高温加之农田施肥活动频繁，排放到大气中的NH3浓度增加进而影响降雨中NH4+-N 的浓度[26]。氮硫总沉降中硫沉降占77%，无机氮占23%，硫沉降占的比例较大，类似于李爱萍等[18]研究结果。无机氮中NH4+-N 占的比例高，集中沉降月均是 6，7月。虽 NO3--N 浓度 9，10月较高但该月份降雨量较低，因此，NO3--N 沉降量在整个雨季差异不大。本研究结果表明，NH4+-N 和SO42--S 及NO3--N 之间无论是浓度还是沉降量关系均不显著，说明农田区降水中NH4+-N 的来源主要是农事活动，交通及生活燃煤等因素主要影响区内SO42--S 和NO3--N 沉降通量，所以，人类活动是SO42--S 和无机氮通量的主要影响因素。

许亚宣等[27]对我国硫沉降的数值模拟显示，我国华北、华东、华南和西南地区均出现不同程度的S沉降超临界负荷现象，南方地区较为严重，硫总沉降中湿沉降占的比例是干沉降的3 倍，诸多研究表明，过多硫沉降会造成环境污染与生态问题。东阳试验基地属于半干旱半湿润区，其氮硫湿沉降却高于年降雨量丰富的江西鹰潭[4]、常熟[20]、九寨沟[21]等地，说明本研究区空气中氮硫污染形势比较严峻。此外，张明等[4]的研究表明，大气硫沉降输入占农田生态系统输入总量的90%以上，对农田生态系统养分循环有较大影响，农田消耗的氮硫元素较多，因此，对作物生长季获取营养元素有重要意义[28-29]。此外，本试验区仅雨季的无机氮湿沉降量就超过氮沉降对陆地生态系统影响警戒线（10 kg/（hm2·a））[30]，因此，要高度关注氮硫沉降对空气的污染状况。