环境养分及其在生态系统养分资源管理中的作用_以大气氮沉降为例

2009年5月May　2009ARID　ZONE　RESEARCH

文章编号:　1001-4675(2009)03-0306-06

环境养分及其在生态系统养分资源管理中的作用

———以大气氮沉降为例

刘学军,　张福锁

(中国农业大学资源与环境学院,北京　100193)

3

摘　要:以大气氮素沉降为例,对环境养分的概念、研究方法、数量及其与人为活性氮排放的关系进行了阐述。总结文献资料发现,大气氮素干湿沉降等环境养分已经成为我国农田及自然生态系统一项重要的养分资源,其数量

7高达1.8×10t/a,相当于全国氮肥用量的60%。因此,通过养分资源综合管理,充分利用好这一环境养分资源是

实现我国农田及自然生态系统可持续发展的关键所在。关键词:大气沉降;氮素;环境养分;生态效应;资源管理中图分类号:X171.1　　文献标识码:A

　　随着人类活动导致的全球环境问题的加剧,环境养分或环境来源养分也日益引起人们的关〔1-2〕注。什么是环境养分?环境养分与人类活动究竟存在怎样的关系?如何认识环境养分对生态系统,尤其是农田生态系统的影响?这一系列的问题需要我们给出科学的认识,进而为更好地利用环境养分、避免其负面生态效应提供科学依据。本文将以大气氮素沉降为例,对环境养分的概念、研究方法、时空分布特征及其在农田养分管理中的作用做一系统的介绍,以期达到抛砖引玉的效果。

的过程,这些含氮化合物包括各种无机形态(如铵态氮、硝态氮)和有机形态(如尿素、氨基酸、过氧化

〔4〕

硝酸酯)的氮素。自从工业革命特别是合成氨工业的大规模应用以来,人类活动导致的大气活性氮

〔1,5〕

排放急剧增加。据估计,由于人类对粮食和能源需求持续增加所引起的大气活性氮排放加剧,全

7

球大气氮沉降已经由1860年的3.10×10t/a增加

8

到20世纪90年代中期的1.03×10t/a,并将于。与此同时,

排放到大气中含氮化合物通过一系列的物理、化学反应形成气溶胶或细颗粒物,可通过大气环流迁移数百乃至数千公里,从而影响周边国家乃至全球的大气质量与氮素沉降。因此,大气氮沉降因人类活2050年进一步增加到1.95×10t/a

8

〔6〕

1　环境养分概述

环境养分是指来自大气圈、水圈和岩石圈,通过

物理、化学或生物学过程进入陆地和水生生态系统的各种养分的统称。具体而言,环境养分包括大气沉降、灌溉水、生物固氮以及种子或秧苗等带入的营养元素,它与土壤养分、肥料养分一起构成了植物养

〔3〕

分的三大来源。从元素组成上看,环境养分包括氮、磷、钾和各种微量元素,但从数量和影响来看,氮和硫是两种最为重要的环境养分,大气干湿沉降是这两种环境养分的主要来源。鉴于氮素既是非常重要的植物营养元素,同时又是环境污染元素,因此,本文将通过对大气氮素沉降的分析来对环境养分的来龙去脉有一深入的了解。

大气氮沉降是指各种含氮化合物通过湿沉降(降雨)和干沉降形式从大气中移出并降落到地表

3收稿日期:2008-11-24;　修订日期:2009-01-06

动的加剧其影响已日益全球化。大气氮沉降作

为营养源与酸源,其数量的急剧变化将严重影响陆

〔8-9〕

地及水生生态系统的生产力和生物多样性,因而成为各国科学家和公众广泛关注的议题。目前,东亚的中国、西欧和北美已成为全球氮沉降的三大热点地区。由此不难看出,大气氮素沉降因其特殊地位几乎成了环境养分的代名词。

〔10〕

〔7〕

2　环境养分的研究方法

2.1　环境养分的直接测定法

这是通过对各种来源的环境养分进行直接收集

和测定,从而得到环境养分总量的一类方法。具体而言,这类方法包括大气湿沉降、干沉降以及灌溉水

基金项目:国家自然科学基金(20577068);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-06-0111)资助

作者简介:刘学军(1969-),男,湖南桃江人,教授,主要研究方向为环境养分及其生态效应.E-mail:liu310@cau.edu.cn

3期　　　　　　　刘学军等:环境养分及其在生态系统养分资源管理中的作用———以大气氮沉降为例　　　　　　　

等的收集与养分浓度测定等直接定量方法。2.1.1　氮素湿沉降　量雨器和湿沉降自动收集器

2.1.3　其他环境养分　灌溉水中养分的输入可以

是目前收集大气湿沉降的常用方法,前者收集的沉降样品由于包括部分干沉降(如降尘)又称为混合沉降,后者指在降水发生时打开收集的样品是真正的湿沉降

〔11〕

。一般情况下,混合沉降与湿沉降没有

本质差异。但在干旱地区或者沙尘暴频发的地区,有必要将两者区分开来。降雨或降雪样品收集后一般应放置在实验室冰箱中保存,以防样品氮素组分发生形态转化或损失。水样中的铵态氮和硝态氮可用流动分析仪或者离子色谱仪进行测定,可溶性总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法分析,总氮和铵态氮、硝态氮的差值即为可溶性有机氮〔12〕

。

2.1.2　氮素干沉降　与湿沉降不同,大气干沉降的

收集和测定相对较为困难。这主要是因为干沉降的发生与沉降受体表面物理、化学以及生物学特性密切相关,而且一些大气活性氮化合物(如NH3)具有双向流动的特点,这些都使得大气氮素干沉降通量具有较大的不确定性od)

〔14〕

〔13〕

。目前,氮素干沉降的测定

主要基于两类方法:①推断法(InferentialMeth2

,即通过主动或被动采样的仪器收集大气中

活性氮化合物,通过分析测定和相应的气象参数得到这些组分的大气浓度,采用文献中报道的相应活性氮组分的沉降速率,大气浓度与沉降速率、时间的乘积即为单位时间内大气氮素干沉降通量;②微气象学方法,如垂直梯度法和涡度相关法等,主要利用微气象学原理,通过快速检测大气中含氮化合物浓

度(梯度)变化,结合各种微气象条件来计算大气含氮化合物的沉降或排放通量

〔15〕

。两类方法比较,前

者相对容易实现,因为只要有合适的气体和气溶胶收集器以及附近的气象参数,就可以得到大气各种活性氮化合物的浓度,而对于任意特定的生态系统,这些活性氮化合物的沉降速率应该是基本确定的,因而可以获得大气氮素干沉降的通量。后者因需要

昂贵的仪器设备和广阔的下垫面(测定高度与下垫面半径之比为1∶100),测定起来非常困难。即使在欧美发达国家,也只有少数实验室(如英国爱丁堡生态水文中心等)能开展这类工作。目前,中国农业大学环境养分研究小组已经采用被动采样器、大流量采样器、Denuder采样器(DELTA系统)等仪器设备在华北平原等地开展氮素干沉降通量的研究。初步结果表明,这一地区存在严重的大气人为活性氮污染和不同寻常的氮素干沉降通量

〔16〕

通过与湿沉降类似的方法,通过收集和测定灌溉水

样品的氮素等养分浓度,结合全年的灌溉量即可获得当年灌溉水中带入的养分数量。种子和移栽秧苗输入的养分,同样可以测定种子或秧苗中氮、磷、钾养分浓度及输入单位农田的生物干重,进而得到这一部分环境养分的数量。生物固氮途径固定的氮素养分可以通过豆科等固氮植物生物固氮占总吸氮量15

的比例来估计,或者采用N自然丰度法、乙炔还原

〔17-18〕

法等对固氮量进行评价。2.2　环境养分的间接定量法2.2.1　土壤无肥区估计法　这是一类间接定量环境养分的方法,其原理是根据土壤不施肥小区植物地上部吸氮量来间接估计环境养分数量。由于植物吸收的氮素养分中包含了土壤供氮,因此,该方法所得的环境养分实际上是土壤+环境的养分供应,高估了环境养分的数量。但是,如果是长期定位试验无肥区(如10年以后),一般认为土壤氮库养分释放与外界的输入基本达到平衡,这样植物的吸氮量

〔19〕

就反映了大气氮沉降的数量。我国20世纪80年代初以来,各研究单位布置了近百个持续时间在15年以上的田间肥料定位试验,通过总结这些定位试验无肥区植物吸氮量的结果,应该可以对我国环境氮素养分的数量和分布有一个整体的认识。2.2.2　生物监测法　生物监测是一种用于大气或水体污染状况监测的低成本方法。大气氮沉降的生

15

物监测主要有两种方法:①基于N稀释法的ITNI(IntegralTotalNitrogenInput)砂培-盆栽系统〔20〕;②基于被动响应的植物监测,常见的指示植物有地

〔21〕

衣/苔藓、草本植物以及树木叶片等。

15

ITNI系统的原理基于N同位素稀释法,适于生命周期短的农作物。大气氮沉降输入的氮素(自然丰度),使得整个系统标记的15N同位素丰度

15

降低,根据系统N丰度被稀释的程度可以计算出

〔20,22〕

大气氮沉降的数量。指示植物在石英砂中生

15

长,在整个生育期统一供应固定N丰度的氮素营养液〔如5%丰度Ca(NO3)2〕供给作物生长。大气中的活性氮化合物一方面通过干湿沉降进入石英砂/营养液系统,然后通过根系被作物吸收,另一方面可以被植物地上部直接吸收同化。作物收获以后,测量所有部分(包括作物、石英砂、营养液)的含氮量和N的丰度,然后根据质量守恒定律,可以计算出环境氮的输入总量和被植物吸收利用部分的环境氮数量。

关于利用地衣或者苔藓进行氮素沉降的生物监

307

15

。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　干　旱　区　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　26卷

测,主要是基于地衣/苔藓生长在岩石表面,其氮素养分主要源自大气氮素干湿沉降,因而其体内氮素浓度的高低无疑反映了大气中活性氮污染程度与沉降的多寡。同理,高等植物地上部或者叶片体内氮素(尤其是铵态氮)浓度、氮磷比也与大气活性氮浓度或沉降通量存在一定相关性,从而可以间接表征大气氮素沉降的数量。但是,这类生物监测需要与大气活性氮浓度或沉降的直接测定结果建立数学关系(如线形回归方程),根据生物监测的氮素浓度估计当地的大气沉降水平

〔21,23〕

〔23〕

素养分的数量进行了初步评价。为了简化计算,笔者根据国际上的一些研究成果

〔29〕

,假定我国氮素

干、湿沉降数量相当,两者比例为1∶1,这样通过湿沉降的估算就可以得到大气氮素干、湿沉降总量的结果。中国大陆多年来的年均降雨量约为600mm

〔30〕

,根据全国各地报道的雨水氮素浓度的加权

平均,雨水氮素(铵态氮、硝态氮和有机氮之和)平

6

均浓度约为1.3mg/L,这样我国大陆(9.60×10

2km)通过湿沉降带入的氮素养分总量达到7.50×

。

10t/a,氮素干、湿沉降总量为1.50×10t/a。据粗

66

3　我国环境养分资源的数量与区域特征自然界中大气氮素沉降既是酸源,更是重要的

环境养分资源。传统观点认为,农田生态系统作为受人类强烈干扰的人工生态系统,由于氮肥和有机肥等的大量投入,大气沉降对农田氮素输入的贡献可以忽略。据美国国家大气沉降网近20年来的观测,每年通过湿沉降(雨水)带入的氮素数量非常

2

有限(3～12kg/hm),仅占玉米、小麦等作物需氮量的5%～10%。国内20世纪80年代以来的研究也发现,每年雨水带入农田的氮量一般不超过15～20kg/hm

2〔25〕

略估计,这些氮素约有1/4沉降到我国的农田生态

2

系统(按农田年均氮素干、湿沉降量为30kg/hm计),剩下的3/4或降落到我国的森林、草地、水体等生态系统或跨国界降落至周边国家和海洋之中。如果考虑到其他来源的环境氮养分,如生物固氮

65

(2.00×10t/a)、灌溉水(5.00×10t/a)和种子及

5秧苗(5.00×10t/a)带入的氮素,我国环境养分输

〔24〕

入的氮素总量可达1.80×10t/a,相当于全国氮肥年消费量的60%

〔30〕

7

。即使只算进入农田的环境氮

6

养分,这一数量也达到7.00×10t/a,接近全国农田氮肥用量的1/4。因此,从这一角度来看,怎么关注我国环境养分资源的数量和对作物营养的潜在贡献也不为过。

另一方面,我国环境养分也存在极大的地域性差异。整体而言,以中东部地区和沿海地区环境氮的数量高于内陆地区,内陆地区又高于青藏高原和西北地区。以氮素湿沉降为例,监测结果表明,我国华北平原湿沉降中无机态氮和有机态氮的年通量分别为27kg/hm和5kg/hm

2

2〔28,31〕

,但是,这些结果没有包括大气干沉降的

〔22〕

贡献。新近的一些研究显示,农田生态系统中大气氮沉降的数量和作用可能远远高于原来的估计。

英国洛桑试验站Broadbalk长期定位试验的结果表

2

明,每年大气干湿沉降提供的氮素(44kg/hm)可以长期维持无肥区小麦的氮素需求,而同期监测到雨水氮仅为9kg/hm。同样,德国的Weigel等通过Halle长期定位试验与他们自制的ITNI盆栽系

15

统(基于N稀释原理)结果发现,每年大气沉降带入农田的氮素数量为50～60kg/hm,远高于当地湿沉降的数量。我们课题组在华北平原的研究表明,大气氮素干湿沉降的年输入量为80～90

2〔22〕

kg/hm,而通过雨水带入的氮素年均仅为这一数量的1/3

〔11,28〕

2

2〔26〕

〔27〕

。而且,湿沉降规

。因此,在大气氮沉降的评价中只考

虑降雨,即湿沉降带入的氮素是远远不够的,必须同时进行干沉降的定量研究。可喜的是,近年来国际上在大气干沉降研究,无论在方法上还是沉降规律的认识上都有了明显的进展,这对于我国开展氮素干沉降规律的研究提供了有益的借鉴。既然大气氮素干沉降研究在我国基本上还是空白,那么,我们是否有办法来估计我国大气氮沉降的总量及其区域分布特征?为此,在综合我们小组近年来的工作与国内公开发表的成果,对我国环境氮308

〔15,29〕

律与降雨的分布有密切的关系,降雨量高的6～9月

同时也是湿沉降最高的月份,沉降数量可达全年的2/3以上。从全国范围来看,我国各省市的氮素湿沉降(图1,由于有机氮监测结果不全,本文只总结铵态氮和硝态氮湿沉降)大体上分为三个等级,即

2

高沉降区(>25kg/hm,如上海、北京、河南、山东、四川、重庆、江苏、浙江、江西等)、中沉降区(15～25kg/hm,如河北、湖南、湖北、陕西、辽宁、福建、广东

2

等)和低沉降区(<15kg/hm,如云南、贵州、西藏、内蒙古、新疆、甘肃、吉林、黑龙江等)。如果将氮素

2

沉降和各地区的经济状况联系起来,不难发现经济愈发达地区大气氮沉降愈高,因为经济发达地区往往也是工农业相对发达和氮肥高投入地区,其人为活性氮的大气排放也显著高于经济欠发达地区。另外,我国西北干旱、半干旱地区由于降雨量明显低于

3期　　　　　　　刘学军等:环境养分及其在生态系统养分资源管理中的作用———以大气氮沉降为例　　　　　　　

中东部地区,也是其湿沉降带入的氮量相对较低的一个重要原因。不过,这些地区氮素沉降中干沉降的相对比例应显著高于南方多雨地区。我国北方地区(尤其是西北地区)每年冬、春季节因干旱所导致的沙尘暴作为干沉降的一部分,每年输入环境氮养分也是相当可观的。笔者通过对2005年4月16～

17日发生在北方地区的一场沙尘暴初步估算,发现

不到2d时间降落的沙尘给整个北京地区带入氮素养分高达6000t,相当于整个北京氮素干沉降平均

2〔32〕

输入4kg/hm。我国新疆平均每年的沙尘天气有数十次之多,这无疑是当地农田或绿洲生态系统

〔33〕

环境养分的重要来源。

注:资料来自刘学军等,未发表(总结自2000年以来国内外文献报道的氮素湿沉降结果和本小组在全国不同生态区的监测结果)。

图1　我国主要地区农田生态系统氮素湿沉降的年通量

Fig.1　AnnualfluxesofNwetdepositioninagroecosystemsinthemainregionsofChina

4　环境养分在农田养分管理及自然生

态系统养分循环中的作用

从以上分析可以看出,大气氮素沉降作为环境

养分的主体,具有典型养分资源特征和区域分布特征。为此,应根据其特点采取分区域管理的应对策略。在我国中东部地区包括华北平原和沿海经济发达地区,应高度重视大气沉降为主体的环境氮对农田生态系统养分输入及其对水体富营养化的贡献,充分利用这部分环境养分资源、减少氮肥的不合理

〔32〕

投入,从而实现养分资源的高效利用。例如,在

15

华北平原利用N稀释法(ITNI系统)研究表明,在整个冬小麦-夏玉米轮作系统氮素沉降的总量变幅

2

为80～90kg/hm,而当季植物可以直接利用氮素沉

2〔22〕

降约50kg/hm。这说明在环境氮养分供应丰富

2

的华北地区农民至少可以减少50～80kg/hm的肥料氮投入,而不会出现作物减产的风险。在我国内陆和西部地区,大气氮素沉降对农田的养分输入贡献相对较小,人们则应该更多地关注大气氮素沉降等环境养分对森林和草地等自然、半自然生态系统的潜在影响,系统评价其对这些敏感生态生产力、生物多样性以及土壤固碳潜力和温室气体排放等的影响。美国科学院院士、著名生态学家Tilman教授小

组的最新研究结果表明,大气氮沉降年通量即使只

2

比背景值增加10kg/hm,也可以导致草地生态系

〔34〕

统17%物种数(特别是稀有草种)的丧失。其结果推翻了过去普遍认为的低量氮素沉降有助于自然生态生产力提高与生物多样性增加的观点。但这一结果是否具有普适性还有待进一步的证据。

中国改革开放30年来,随着氮肥用量、畜牧业、启动车数量和工业的迅速发展,人为活性氮的大气排放也在急剧上升。据我们小组估计,中国人为大气活性氮的排放量已经从20世纪80年代的7.20

67×10t/a增至2000年以后的1.63×10t/a(表1)。这一增长趋势与日本环境署对中国大气活性氮排放

〔35〕

的评估结果相吻合。因此,我们完全有理由相信中国的大气氮素沉降也已经比20世纪80年代初增加至少一倍以上。但是,氮素沉降究竟增加有多少?它是否提升了我国森林或草地生态系统的生产力、增加了土壤固碳潜力,还是降低这些系统的生物多样性并加剧了这些脆弱生态系统对气候变化的敏感性?由于缺乏系统的研究,对这些科学问题目前还不清楚,但是深入理解这些关键过程对系统评价我国自然、半自然生态系统对大气氮素沉降的综合响应,制定更为严格的环境保护政策将提供坚实的科学基础。

309

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　干　旱　区　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　26卷表1　中国20世纪80年代以来人为活动引起的

NH3和NOx大气排放

Tab.1　NH3andNOxdischargestoatmospherecausedby

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　humanactivitiesinChinasincethe1980s/(106t・a-1)

时间段

1980-19891990-19992000-2006

NH3-N5.849.5412.09.13

NOx-N1.412.694.312.63

〔5〕　HollandEA,DentenerFJ,BraswellBH,etal.Contemporaryand

pre2industrialglobalreactivenitrogenbudgets〔J〕.Biogeochemis2try,1999,46:7-43.

合计

7.2512.216.311.7

〔6〕　GallowayJN,DentenerFJ,CaponeDG,etal.Nitrogencycles:

past,present,andfuture〔J〕.Biogeochemistry,2004,70:153-226.

平均

注:资料来自刘学军等,未发表(根据农业、工业、交通等不同排放源的数量与排放系数计算)。

〔7〕　MatsonP,LohseKA,HallSJ.Theglobalizationofnitrogendepo2

sition:consenquencesforterrestrialecosystems〔J〕.Ambio,2002,31:113-119.5　结语与展望

在欧美等发达国家,自20世纪80年代以来各国都先后建立起全国性或跨国界的大气沉降监测网络(如美国NADP、欧洲的EMAP、日本的东亚酸沉降网等),其监测结果配合相应的大气沉降模型,基本实现对各自国家大气(氮素等)干湿沉降输入的

〔29〕

区域评估和减排条件下的未来情景分析。对于大气氮素沉降的环境效应,国外也有较为系统的研〔9,36〕究。而在中国,目前尚没有建立一个国家层面的覆盖全国的大气沉降监测网,由于缺乏协调和相互信任,不同部门之间的沉降数据很难得以共享。我国在大气氮素干沉降方面的研究还刚刚起步,尚存较多方面的空白。因此,建议国家有关部门(如环保部)应组织一个由大学或科学院牵头、覆盖全国主要地区和生态系统的大气沉降监测网络,给予相对稳定的经费支持,同时开展大气湿沉降和干沉降的定量研究,并选择一些敏感生态系统开展大气氮沉降生态响应与反馈的长期定位试验。数据管理可以采用国外公益性平台(如美国NADP)的方式无偿提供给不同层次人群(包括科研、教学人员、学生、企业、环保部门等)使用。总之,加强农田环境养分输入,特别是大气氮素沉降的联网研究是定量评价环境养分资源数量和有效管理环境养分资源的必由之路。

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—ACaseStudyonAtmosphericNitrogenDeposition

LIUXue2jun,　ZHANGFu2suo

(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

Abstract:　Inthispaper,acasestudyonatmosphericnitrogen(N)depositioninthemainregionsofChinaiscarried,andthedefinition,formsandamountofnutrientfromenvironment(NFE)andtherelationshipbetweenNFEandNdischargetoatmospherecausedbyhumanactivitiesaresummarized.Basedthestudyresultsinthispa2perandthereferences,itisfundthatNwetanddrydepositionhasbecomeasanimportantnutrientresourcesinag2riculturalandnaturalecosystemsinChina.ThetotalannualamountofNdepositionandotherNformsfromenviron2mentinChinaisupto1.8×10t,andequalstoapproximately60%ofthenationalNfertilizerconsumption.Therefore,itiscrucialtofullyutilizetheenvironmentalnutrientresourcesbymanagingthenutrientresourcesinanintegrativesoastoachievethesustainabledevelopmentofbothagriculturalandnaturalecosystems.ItissuggestedtodevelopanationwidenetworkformonitoringandquantitativelyresearchingtheNwetanddrydepositionandcar2ryingoutthelong2termexperimentabouttheecologicalresponseandfeedbackofsomesensitiveecosystemstoNdepositionfromatmosphere.

Keywords:　atmosphericdeposition;nitrogen;nutrientmanagement;ecologicaleffect.

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