樊建凌,胡正义,周 静,吴丛杨慧 (.中国科学院南京土壤研究所,土壤与农业可持续发展国家重点实验室,江苏 南京 0008；.中国科学院大学资源与环境学院,北京 00049)

林地大气氮沉降通量观测对比研究

樊建凌1*,胡正义2,周 静1,吴丛杨慧1(1.中国科学院南京土壤研究所,土壤与农业可持续发展国家重点实验室,江苏 南京 210008；2.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049)

以中国科学院红壤生态实验站森林微气象分站阔叶林为研究对象,采用穿透雨量法和微气象学推论法对该阔叶林地大气氮沉降通量进行了对比研究.结果表明,穿透雨量法观测2006年10月～2007年9月林地NH4+-N干沉降通量为37.66kg N /(hm2·a), NO3--N干沉降通量为18.53kgN/(hm2·a),其中NH4+-N是氮化物干沉降的主要贡献者,占总干沉降的67.0%.该研究方法所得结果与微气象学方法观测结果具有较好的一致性,表明穿透雨量法估算林地氮干沉降通量具有一定的可靠性.微气象学法与穿透雨量法观测结果共同说明研究地大气氮沉降量较高,过量的氮输入对研究地生态系统的影响值得关注.

氮沉降；穿透雨量法；微气象学推论法；对比研究

大气沉降是大气中氮化物清除的主要过程之一,也是森林生态系统获得氮素的重要途径[1-3].大气沉降分为干沉降和湿沉降两部分,研究表明,干沉降通量占氮沉降总量的 40%～80%[4-5].因此研究干沉降对生态系统的作用有重要的意义.但是,我国对氮沉降的研究主要集中在湿沉降.而干沉降问题从研究方法的开发至干沉降通量的估算等方面均缺乏系统深入的研究,导致我国干沉降研究存在很大的不确定性.

常用的干沉降通量观测的方法有涡度相关法、浓度梯度法、穿透雨量法、微气象学推论法等.然而各种方法都有其优缺点,常常要根据研究的目的、所要求的时空分辨率和精确性以及费用状况来选择合适的方法[6].其中,穿透雨量法由于其观测相对简单而常被用于研究森林植被中酸沉降的变化趋势.国外已有许多研究采用穿透雨通量法来估算森林地区的氮、硫和氯的干沉降通量[7-9].美国综合森林研究项目对 13个不同的森林观测点采用同样的方案来估算氮、硫和其他大气组分的干、湿沉降通量[10].一些改进的穿透雨方法或其他技术也用于森林地区酸沉降的研究,如应用穿透雨方法和沉降速率法计算了荷兰的30个森林地区硫的干、湿沉降通量[11];采用冠层收支模型估算了荷兰森林生态系统氮、硫和钙的干沉降通量[12].而国内应用穿透雨方法对干沉降通量进行的研究也有零星报道,如在重庆市铁山坪小流域背景点采用穿透雨方法估算了氮、硫和钙的干沉降通量[13];在福建南坪采用穿透雨方法估算了主要无机组分的干沉降通量及树冠交换量[14].然而关于该方法的可靠性及与其他方法观测结果的比较尚未见报道.

本研究以中国科学院红壤生态试验站森林微气象站为依托,开展了湿沉降、穿透雨、树干茎流的观测,采用穿透雨方法进行氮干沉降通量的估算.同时对研究地大气氮化物浓度进行观测,用大叶模型计算氮化物干沉降速率,采用微气象学推论法对氮干沉降通量进行估算.并对两种干沉降通量估算方法结果进行比较.

1 材料与方法

1.1 实验场地

实验在位于江西省鹰潭市(116°55'E, 28°15'N)中国科学院红壤生态试验站森林小气候分站进行.下垫面为树龄18a、平均高度约5m的落叶阔叶林(小叶栎,Quercus Chenii),土壤基本理化性质见表1.四周较开阔,附近5km范围内没有大的污染源,鹰潭市燃煤火电厂位于观测地以东 10km,贵溪电厂位于观测地以东 30km.共观测一年(2006年10月～2007年9月).

表1 土壤基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of the tested soil

1.2 穿透雨量法观测及样品分析

1.2.1 树干茎流观测 在实验场地内选取8.25m×9.75m 区域为研究对象,对该区域内林木按其胸径(DBH,即树干在1.3m高度处的直径)进行分级,以3cm为一个径级.从各级林木中选取2株树形和树冠中等的标准木进行茎流收集.在距地面1.3m处,将直径2cm大小的塑料管沿中缝剪开,取其一半螺旋状缠绕于树干上,用泡钉固定,管与树干的接缝处用玻璃胶封严,环绕树干的胶管与水平面呈 30°左右倾角,便于水分向下流动,管下端连接 250mL的塑料瓶,每次雨后更换,样品于4°C冷藏保存供分析.

1.2.2 林下穿透雨观测 在林下随机安放 4组漏斗进行穿透雨收集:先将一根竹竿插在地下固定,杆高1.5m左右,在杆上平行固定4个漏斗(内径 6.5cm,边 4mm),在漏斗上盖一层纱布进行过滤,用橡皮管连接漏斗底部,将收集的穿透雨导入一塑料桶中,塑料桶用黑色塑料袋包裹,防止样品见光分解.每次降雨过后取回塑料桶,测量所收集样品体积后移入 250mL的塑料瓶中于 4℃冷藏保存供分析,并更换纱布.

1.2.3 林外雨观测 在林外 200m 处设一对照点采集林外雨,方法同穿透雨采集.

1.2.4 样品分析 用pH计(HANNA, pH 211)测定样品pH值;样品中的NH4+–N用靛酚蓝比色法测定;NO3-–N用双波长法测定[15].

穿透雨中离子的体积加权平均浓度(Volume-weighted mean, VWM)通过下式计算:

式中:Ci是样品i中离子浓度;Vi是降雨时穿透雨样品i的体积;n是降雨时的样品数.

1.2.5 穿透雨方法估算干沉降通量原理及方法 大气降水是森林生态系统养分输入的一个重要途径,一方面大气降水携带大量的化学物质进入森林,另一方面穿透雨对植物枝叶的淋洗和对树干分泌物质的淋溶,促进了森林生态系统的物质循环.大气降水经过森林时,树冠对其进行了重新分配.大气降水通过林冠空隙直接落入林地或在树冠下层形成水滴落入林地,称为穿透雨;另一部分大气降水经树叶、树枝并沿树干流入林地,称为树干茎流.穿透雨通量和树干茎流之和与空旷地湿沉降的差值称为净穿透雨.如果所有沉降物质都被雨水从树冠上冲刷下来,则树冠下的净穿透雨通量可以作为树冠上的干沉降通量的估算值,其中树冠交换作用(吸收或淋溶作用)也可以进行量化[8].当忽略树冠交换作用时,净穿透雨通量等于森林生态系统的干沉降通量[16].

普遍认为穿透雨和树干茎流中的化学组分与以下 3个过程有关,即来自植被冠层表面的降水;降水对之前颗粒物、气体等在冠层表面沉降的冲洗;以及冠层表面(包括叶片、树枝、附生植物以及微生物)与流经冠层溶液间的相互作用,该相互作用包括树冠的淋溶和吸收作用[14,17].因此,溶解于冠层表面溶液中的物质平衡可以用下式表示:

式中:TF表示穿透雨通量;SF表示树干茎流通量;IP表示林外雨通量;DD表示干沉降;CE表示冠层的交换作用.因此,净穿透雨通量(NTF)可表示为:

由式(3)可以看出,穿透雨通量与树干茎流通量之和减去林外雨通量即为干沉降与冠层交换之和.

本研究采用Hanchi等[18]的方法计算树干茎流通量,该方法可以将各标准木测得的树干茎流体积推广到整个研究区域,并将茎流体积转化为茎流量(以 mm 为单位).该方法将研究区域内所有林木按其胸径(DBH)进行分级,各径级中标准木所得数据与单位面积研究区域内这一径级树木数量相乘得到每次降雨中总树干茎流通量.

本研究采用多元回归分析估算干沉降和冠层交换,该方法最早由Lovett等[19]提出,并经许多研究者不断地改进[20-21].净穿透雨通量(NTF)中的干沉降部分与两次降雨的间隔时间(ADP)成正比;冠层交换部分与每次降雨的降雨量正相关[14,21].本研究中多元回归用 SPSS 13.0进行计算,以每次降雨的净穿透雨通量为因变量,以降雨间隔时间(ADP)、降雨量(P)及H+浓度为自变量,按下式进行逐步回归:

式中:NTFx为组分x的净穿透雨通量, mg/m2;b1为干沉降系数,mg/(m2·d);b2为冠层交换系数,mg/(m2·mm);b3和b4为酸沉降对净穿透雨的影响,L/m2;a为y轴的截距;Cx表示氮化物的浓度;CH+表示H+浓度.

1.3 微气象学推论法求算干沉降通量

1.3.1 样品采集与分析 采用TH-2001大气环境自动观测系统(武汉天虹智能仪表厂)定位监测大气 NO2浓度,采样高度约 4.2m,系统每 min测定1次;采用TH110B空气采样器(武汉天虹智能仪表厂)采集氨态氮,以10%的H2SO4为吸收液,每月上、中、下旬各 2d,每 d4次,每次采样以0.5L/min的流速持续1h;用TH150A采样器(武汉天虹智能仪表厂)采集TSP,每月上、中、下旬各2d,每天采样以100L/min的流速持续8～10h,颗粒物NH4+-N和NO3--N用极薄的玻璃纤维滤膜收集(直径小于 0.1μm),用 0.5mol/L的 HCl浸提过滤后进行分析;采用 APS-2型自动雨水收集器(武汉天虹智能仪表厂)收集雨水,逢雨必收,用靛酚蓝比色法分析溶液中的 NH4+-N;用双波长法测定NO3--N.

1.3.2 数据处理 实验测得各氮化物浓度值,采用统计方法剔除离群值后,进行算术平均得到各氮化物年均浓度值.

大气氮沉降通量(F)计算如下:

式中:F为大气氮沉降通量;C为平均浓度;Vd为干沉降速率,其值采用大叶阻力相似模型计算,具体计算方法参见文献[22].

2 结果与讨论

2.1 森林水化学分析

图1为2006年10月～2007年9月森林降水的pH值、雨量、NH4+-N和NO3--N浓度.从图1可以看出,大气降水穿过林冠表面后其化学元素含量发生了很大变化.树干茎流 pH值显著低于穿透雨(P<0.01),而穿透雨pH值又显著低于林外降雨(P<0.01).树干茎流中NH4+-N浓度显著高于穿透雨(P<0.01),而穿透雨中NH4+-N浓度又显著高于林外降雨(P<0.01).树干茎流中NO3--N浓度显著高于穿透雨和林外降雨(P<0.01),然而穿透雨和林外降雨中 NO3--N浓度没有显著差异(P>0.05).造成穿透雨 pH值降低及 NH4+-N和NO3--N浓度增加的主要原因是雨水淋溶了植物组织上的营养物质、大气降水淋洗了林冠上的尘埃颗粒以及植物和雨水之间的离子交换[23],另外,林冠截留也会造成穿透雨和树干茎流中营养元素浓度的升高[24].

图1 2006年10月～2007年9月森林降水化学特征Fig.1 Chemical characteristics of forest rainwater from October 2006 to September 2007

由图 1还可以看出,虽然树干茎流量相对很小,但是其中NH4+-N和NO3--N浓度却显著高于穿透雨和林外雨.这主要由于树干茎流中的营养元素是经过林冠和树皮作用后的元素[25],而树皮给大气沉降物提供了良好的接受场所;另外由于茎流通量较少,使其中的元素出现了浓缩的现象[14].然而,树干茎流及其所含元素的分布范围较小,仅限于树干基部四周,并沿着根的生长方向直接进入土壤[26],而且这部分养分是水溶性的,无需经过复杂的分解过程就可以被植物直接吸收,它具有加速植物生长和促进养分循环的重要作用.因此,虽然树干茎流量很小,但它在土壤化学养分输入平衡方面有重要的意义[24,27].

2.2 干沉降通量

因为树冠淋溶主要发生在叶面,并随降雨冲刷下来,所以和雨水相关的因素(如降雨量、降雨持续时间、降雨强度等)都可能影响树冠淋溶,而降雨间隔时间能影响树冠截获的干沉降[19].采用式(2)～式(4),应用多元线性回归计算了2006年10月～2007年9月林地氮干沉降通量,结果见表2.

从表 2可以看出,NH4+-N净穿透雨通量与降雨量、降雨间隔时间以及降雨中NH4+-N浓度显著相关,而 NO3--N净穿透雨通量与降雨量和降雨间隔时间显著相关.该结果表明冠层截获的干沉降和冠层淋溶或吸收对净穿透雨中的 NH4+-N和 NO3--N都有重要的贡献.然而,NH4+- N与NO3--N净穿透雨通量与降雨pH值相关性均不显著(P>0.10),故 pH值没有进入回归方程(表 2),该结果表明降雨pH值对净穿透雨中NH4+-N和NO3--N影响不大.

将回归模型计算所得干沉降系数b1与2006年10月～2007年9月非降雨天数(330d)相乘即得这一年内干沉降通量.结果表明,2006年 10月～2007年9月林地NH4+-N干沉降通量为37.66kgN/(hm2·a),NO3--N 干沉降通量为 18.53 kgN/(hm2·a),其中 NH4+-N 是氮化物干沉降的主要贡献者,占总干沉降的 67.0%.金蕾等[13]应用穿透雨方法研究了重庆市铁山坪小流域背景点无机组分的干沉降通量,结果表明,年均NH4+-N干沉降通量为14kgN/(hm2·a),NO3--N 干 沉 降 通 量 为 6kgN/(hm2·a).本研究结果较高主要是由于研究地的差异,金蕾等[13]的研究在重庆市铁山坪小流域背景点,周围污染源较少;而本研究林地位于红壤生态试验站森林小气候分站,周围有较多农田与养殖场,其中的NH3挥发对研究地的大气氮干沉降有较大的影响.

表2 林地净穿透雨量多元线性回归求算氮干沉降通量结果Table 2 Nitrogen dry deposition fluxes based on multiple linear regression of net throughfall

2.3 总无机氮沉降通量

2006年10月～2007年9月林地NH4+-N湿沉降通量为22.66kg N/(hm2·a),NO3--N湿沉降通量为20.17kgN/(hm2·a),总无机氮沉降通量为 99.02kg N/(hm2·a).在总氮沉降通量中,NH4+-N 干沉降是最主要的贡献者,占总氮沉降的 38%(图 2).在干沉降中,NH4+-N干沉降通量远大于NO3--N干沉降通量;而在湿沉降中,NH4+-N和NO3--N湿沉降通量相似.

图2 2006年10月～2007年9月总N沉降通量中各组分所占比例Fig.2 Contribution of N fractions to total N deposition from October 2006 to September 2007

由图 2还可以看出,大气氮沉降中干沉降的贡献(57%)远大于湿沉降(43%).Goulding等[28]研究发现干沉降对大气氮沉降的贡献可达 79%.而在我国氮沉降的研究中有关干沉降的定量观测研究还较少,是亟需加强的关键内容.

周国逸等[29]研究发现鼎湖山自然保护区森林氮湿沉降达38.4kg/(hm2·a).福建南平地区杉木人工林湿沉降氮输入为 11.5～18.1kg/(hm2·a)[30].这些研究结果均低于本研究结果,主要由于试验地NH3浓度较高,导致NH4+-N干湿沉降量较大.王体健等[31]在该地区研究发现农田氮沉降达62.6kg/(hm2·a),其中干沉降占51%,与本研究结果相近.

2.4 微气象学推论法计算干沉降通量

本研究同时对研究地气象条件及大气氮化物浓度进行了观测,应用大叶阻力相似模型计算了研究地各种氮化物干沉降速率[22],进而求算出2006年10月～2007年9月研究地大气氮干沉降通量,结果见表3.

由表3可见,2006年10月～2007年9月研究地NH3-N的干沉降通量为44.64kg N/(hm2·a),是大气氮干沉降的主要贡献者(占总氮干沉降通量的 68.4%).其次为 NO2-N,占总干沉降的 28.1%.而颗粒物中的NH4+-N和NO3--N仅占总干沉降的0.7%和2.8%.

2006年10月～2007年9月研究地还原型氮化物(NH3+颗粒物中 NH4+-N)干沉降通量为45.1kg N/(hm2·a),氧化型氮化物(NO2+颗粒物中NO3--N)干沉降通量为 20.2kg N/(hm2·a).穿透雨量法研究结果(表 2)与该方法所得干沉降通量的误差小于 20%,说明两种方法对林地氮化物干沉降通量的研究结果具有较好的一致性.

表3 2006年10月～2007年9月微气象学推论法计算林地干沉降通量Table 3 Atmospheric N dry deposition fluxes based on inferential method from Oct 2006 to Sep 2007

3 结论

3.1 应用穿透雨方法求得2006年10月～2007年9月林地 NH4+-N干沉降通量为 37.66kg N/(hm2·a),NO3--N 干沉降通量为 18.53kg N/(hm2·a),其中 NH4+-N是氮化物干沉降的主要贡献者.该研究方法所得结果与微气象学推论法计算结果具有较好的一致性,表明穿透雨量法估算林地氮干沉降通量具有一定的可靠性.

3.2 2006年10月～2007年9月林地氮干沉降通量是湿沉降通量的 2倍.因此,加强干沉降的研究,实现在区域尺度上量化干沉降通量并掌握其变化趋势,是我国酸沉降研究中亟待开展的重要内容.

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Comparative study on the observation of atmospheric nitrogen deposition in a forestland.

FAN Jian-ling1*, HU Zheng-yi2, ZHOU Jing1, WU Cong-yang-hui1(1.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China).China Environmental Science, 2013,33(5)：786～792

Comparative study on atmospheric nitrogen deposition was conducted using throughfall method and micrometeorological inferential method with study object of broadleaf forest (Quercus chenii) at Forest Micrometeorological Experiment Sub-Station, Experiment Station of Red Soil Ecology, Chinese Academy of Sciences.The results observed by throughfall method from Oct. 2006 to Sep. 2007 showed that NH4+–N and NO3-–N dry deposition were 37.7 and 18.5kgN/(hm2·a), respectively, in which NH4+–N were the predominant contributors, accounting for 67.0%of total dry deposition. These results were in agreement with those obtained by micrometeorological inferential method,indicating that throughfall method was reliable in the estimation of nitrogen dry deposition under forestland. Results obtained from these two methods confirmed that excessive N deposition fluxes occurred in the study area, and that their effects on various ecosystems should be paid more attention.

nitrogen deposition; throughfall method; micrometeorological inferential method; comparative study

X16

A

1000-6923(2013)05-0786-07

2012-09-06

国家自然科学基金资助项目(41001134,41271243,20577055)

* 责任作者, 副研究员, jlfan@issas.ac.cn

樊建凌(1981-),男,山西太原人,副研究员,博士,主要从事大气氮、硫沉降及其环境效应方面研究.发表论文16篇.