环境科学学报  2020, Vol. 40 Issue (9): 3180-3189
纱帽山不同海拔大气氮湿沉降通量差异及递变规律的数学模拟    [PDF全文]
李仰征, 雷兴庆, 薛晓辉, 李兰, 赵曼昀, 柯西祥, 贺茂, 吕廷旺, 殷健, 李梅    
贵州工程应用技术学院生态工程学院, 毕节 551700
摘要:通过对毕节市七星关区城郊纱帽山不同海拔大气沉降进行采样,检测了湿沉降中的水溶性总氮、铵态氮、亚硝态氮和硝态氮等指标.结果表明:①采样点位总氮湿沉降通量随海拔升高呈明显下降趋势,海拔每升高1 km年均垂直递减梯度为5.43 kg·hm-2·a-1.冬季山顶通量占最低海拔样点通量均值的29.23%,而夏季为87.80%.这是由季节性降水差异所导致的,夏季雨水冲并作用使得大气气溶胶浓度为全年最低(冬季最高),因此,在有限海拔高度内垂直梯度在夏季最小而冬季最大.②各路径不同程度地出现了沉降峰值带(步梯路除外),这与下垫面污染气体的垂直扩散有关.以车辆尾气为污染源,借助高斯模式推导其最大浓度出现的高度为56.11 m,而实测峰值带为理论计算高度的2~3倍,这与污染物扩散条件复杂及经验公式的非普适性有关.③铵态氮和硝态氮为无机氮的主要形式,亚硝态氮仅占9.04%,且冬季沉降量最大,这与氨氧化细菌在应对低温等不利环境方面有更强的适应性有关.④借助指数模型模拟了氮的湿沉降通量随海拔高度的递变规律,拟合公式为M=15.2534k·exp(-0.00079602x),随机检验拟合程度较高,具有实际应用价值和推广前景.
关键词大气沉降    氮通量    海拔    数学模拟    纱帽山    
Statistical modeling of variability of atmospheric nitrogen wet deposition fluxes along altitudinal gradients of Shamao mountain
LI Yangzheng, LEI Xingqing, XUE Xiaohui, LI Lan, ZHAO Manyun, KE Xixiang, HE Mao, LÜ Tingwang, YIN Jian, LI Mei    
School of Ecological Engineering, Guizhou University of Engineering Science, Bijie 551700
Received 10 May 2020; received in revised from 12 July 2020; accepted 12 July 2020
Abstract: Using sampling atmospheric precipitation strategy along altitudinal gradients of Shamao Mountain,Qixingguan District,Bijie City,to assess the total dissolved nitrogen (TDN),ammonium nitrogen,nitrous nitrogen and nitrate nitrogen in wet deposition.The results showed that:① The wet deposition flux of total nitrogen was decreased with the elevation,and the annual average vertical declining gradient reached 5.43 kg·hm-2·a-1 per 1 km.The flux of the peak sampling point was accounted for 29.23% of the mean value at the lowest altitude sampling points in winter,while it was 87.80% in summer,as the results of the difference of seasonal precipitation characterized with the lowest of atmospheric aerosol concentration under the rainfall rinse effect in summer,vise verse in winter,making the lowest vertical gradient of wet deposition flux in summer and highest in winter within the limited altitude.② Different paths was presented inordinately with peaky curves of atmospheric deposition,which was related to the vertical diffusion of polluted gas on the underlying surface.With assuming the vehicle exhaust as the pollution source and using Gaussian theory of pollutants diffusion,the height of maximum pollutants concentration was 56.11 m.But then the measured peak-zone height was 2~3 times of the theoretical height,which was contributed possibly to the complexity of pollutant diffusion conditions and the non-universality of empirical formula summarized by the former.③ Ammonium nitrogen and nitrate nitrogen were the main forms of inorganic nitrogen.Nitrous nitrogen was accounted for only 9.04% and its sediment amount reached peak in winter,which was related to the stronger adaptability of ammonia-oxidizing bacteria in adverse environment such as low temperature.④ The model of atmospheric nitrogen wet deposition flux with altitude was constructed by exponential model.The formula was M=15.2534k·exp(-0.00079602x),and the high compliance of random test entitled the formula to be spread out in other study.
Keywords: atmospheric deposition    nitrogen flux    altitude    statistical modeling    Shamao mountain    
1 引言(Introduction)

氮沉降是大气氮返回地表并参与氮素循环的重要途径.人类活动加剧不仅会造成氮沉降通量剧增, 而且会对地表生态系统产生深远影响, 因此, 该领域目前得到学术界的普遍关注(Twonsend et al., 1996;Liu et al., 2013; Evangelina et al., 2016;Jung et al., 2017;Wu et al., 2018;康世昌等, 2019), 且相关研究多集中在城市(Rosa et al., 2014;贺成武等, 2014)、森林(Skeffington et al., 2011;宋蕾等, 2018)、农田(崔键等, 2009;尹兴等, 2017)、湿地(Morales et al., 2001;Osei et al., 2010)及环境敏感脆弱区(王圣杰等, 2012)等单点地域.近些年国内外实施的沉降监测网工程(NADP、EMEP等)为氮沉降的大尺度系统性研究构建了平台(Skeffington et al., 2011;Xu et al., 2015;2018).已有学者在氮素来源、形态构成、时空分布和通量估算等方面进行了详实的研究, 揭示出化石燃料燃烧(王德宣等, 2010)、肥料挥发(刘东等, 2007)、禽畜排放(谢志英等, 2011)及污物腐解(Toshisuke et al., 2013)等是导致氮沉降增大的根本因素.沉降中的无机氮多以铵态氮为主(Said et al., 2013;许稳等, 2017), 季节分布多表现为夏季是氮沉降通量较大的时段(邵伟等, 2009;贾钧彦等, 2009), 且空间差异性非常显著, 如梁亚宇等(2018)总结得出我国西部高山高原区与其他低海拔区的氮沉降通量存在巨大差异, 差距已超过一个数量级.此外, 相关研究已揭示不同地域的大气环流形势(康世昌等, 2019)、降水分布(贾钧彦等, 2009)、土地利用(Xu et al., 2015)和海拔高程(Toshisuke et al., 2013)等环境条件都会对氮沉降产生显著制约.

由于地球引力作用导致越靠近地表大气密度越大, 再加上低海拔地区人为活动普遍较为强烈, 因此, 理论上推测海拔高度的增加势必会导致氮沉降通量减少.且该方面目前已有若干报道:Toshisuke等(2013)在日本石川县的研究表明, 氮沉降通量与观测点的海拔高度呈现明显的负相关性;张明军等(2012)在天山乌鲁木齐河源区也有类似发现.此外, Pearson等(2000)和肖化云等(2011)分别在芬兰某山地和江西庐山均发现石生苔藓体内总氮含量与海拔高度也具有一定的负相关关系.在对氮沉降通量递变规律的模拟方面, 虽然Toshisuke等(2013)肖化云等(2011)进行了前期研究, 但他们均选择了线性模型, 尚不够严谨.因为任何环境要素均会产生变异, 且在有限的时空范围内受单一因素的影响其变异很可能遵循线性变化的特点, 但尺度足够大、影响因素复杂时其变异必然是非线性趋势.由于沉降发生以前各类物质均以颗粒或气体形态飘浮于大气中, 因此, 其污染物垂直分布状况理应与大气密度类似, 随海拔增加表现为非线性递减特征(周淑贞等, 1997).但也有少数研究显示两者的负相关关系并不明显, 例如, Rosa等(2014)对墨西哥3个海拔差异较大(500~2500 m)的城市的氮沉降通量进行对比时并没有发现两者之间的关联性, 赵宪伟等(2018)也得出了类似的结果.推敲发现这些负相关关系不明显的研究样地空间距离均较大, 以Rosa等(2014)的研究样地为例, 其监测点多被耕地、居民区甚至是重工业厂区分隔, 沉降通量与海拔之间的关系难免会被其他因素所掩盖.因为各样点立地环境复杂、污染来源多样, 所以导致海拔因子并不是影响氮沉降通量在不同高程出现变异的唯一因素.微域空间的自然和人文环境等基本一致, 能有效降低各影响因子的异质性干扰, 有利于发现大气沉降通量与某单一影响因子的关联.纱帽山地处乌蒙山系腹地, 相对高度差异较大且植被覆盖率高, 在整个贵州高原乃至西南喀斯特地区具有较强的代表性.因此, 本文以纱帽山为研究地域, 探讨海拔对大气氮沉降通量的影响, 并尝试拟合两者之间的非线性关系, 以期为我国高山高原区氮沉降研究提供借鉴与参考.

2 采样分析与数据处理(Samples analysis and treatment) 2.1 研究区概况

毕节市位于贵州省西北部, 为滇东高原向黔中山原过渡地域, 平均海拔约为1500 m, 年均温和降水量分别为13 ℃和900 mm, 季节分布如图 1所示.地表出露岩石以二三叠纪的灰岩、砂页岩为主, 岩溶地貌发育较为充分.气候类型为亚热带季风气候, 黄壤及黄棕壤为主要土壤类型.纱帽山位于毕节市七星关区北郊(毗邻老城区), 自然植被主要有马尾松、杉木、胡桃、光皮桦、火棘和盐肤木等, 植被覆盖率在90%以上, 最高海拔为1773 m.

图 1 逐月大气要素数据 Fig. 1 Monthly distribution of regional atmospheric datas
2.2 样点布设及沉降采集

纱帽山已被建为城郊休憩山地公园, 修筑的观光路径有盘山公路(机动车辆通行)和步梯路(铺设有人行石板).各路径旁均布设了观测点, 鉴于两条线路均处于山体南侧, 所以在山体北侧也布设了第3个监测线路, 该线路为人为踩踏形成的隐约小径, 分布如图 2所示.从山体基部开始, 海拔高程每间隔20~40 m布设样点, 沉降收集装置离地约2~3 m, 盘山公路样点沿线绑缚于电线杆, 其他线路样点安置于灌木或枯树树冠顶端.湿沉降采样器(宋欢欢等, 2014)如图 3所示, 顶部为裹有纱布的塑料漏斗, 中部嵌套双层PVC管, 采样前将阴阳离子交换树脂进行活化并填充于内管, 底部用脱脂棉密封并用纱布封底, 各样点设3个重复.由于本研究样点较多且干湿沉降自动采集装置价格昂贵不便户外长期无人监护采样, 而湿沉降占据氮素总沉降的大部分比例, 约为70%~90%(刘思言等, 2014;袁磊等, 2016;宋蕾等, 2018), 因此, 本研究只对湿沉降进行监测.为比较其季节差异, 分别于2018年12月1日—2019年1月19日(冬季)、2019年3月17日—5月11日(春季)、2019年6月22日—8月24日(夏季)、2019年9月21日—11月9日(秋季)进行采样.秋季回收样品时采集各样点地表土样, 四分法风干后测定土壤全氮.

图 2 样点分布图 Fig. 2 Sampling locations

图 3 采样器结构图 Fig. 3 Sampler structure chart
2.3 检测方法与数据处理

取回样品后对内管中的树脂使用蒸馏水进行清洗直至洗出液无混浊为止, 转入锥形瓶中并加入1 mol · L-1氯化钾浸提液振荡2 h后定容备检.水溶性总氮、硝态氮、铵态氮、亚硝态氮借助紫外分光光度计(上海精科752N)分别采用过硫酸钾氧化紫外光度法、酚二磺酸光度法、纳氏比色法和N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定, 土壤全氮采用半微量凯氏定氮仪利用高锰酸钾-还原性铁法测定.各指标比色时对样品实施加标处理以检验精度, 加标回收率为91.82%~107.10%.获取各形态氮浓度后结合式(1)即可算得某季度平均每月湿沉降通量M.由于非水溶性氮无法直接被植物吸收并参与氮素循环, 因此, 本研究在通量估算时只以水溶性总氮来计算.

(1)

式中, CV分别为定容后浸提液的浓度(mg · mL-1)和体积(mL), S为漏斗顶部收集面积(m2), T为某季度采集器外置总天数(d), 每月天数以30 d计.

3 结果和讨论(Results and discussion) 3.1 不同条路径大气总氮湿沉降通量时空分布

图 4所示, 3条路径近地面最低海拔样点平均月沉降通量为37.22 mg · m-2, 即全年总通量为4.46 kg · hm-2 · a-1.与同处于云贵高原的其他地域相比, 如黄铄淇等(2014)对昆明东郊、任加国等(2019)对滇池和余功友等(2017)对阳宗海等地的报道结果较为接近.季节分布上3条路径大气总氮湿沉降通量均表现为夏季最大、冬季最小、春秋季居中的特点(盘山公路例外, 春季为氮湿沉降最大的季节).高程方面沉降通量表现为随海拔升高呈逐步下降的趋势, 并且在冬季表现最为显著, 山顶冬季月沉降通量为3.80 mg · m-2, 为3条线路最低海拔样点均值的29.23%, 而夏季差异则不明显, 该值则上升到87.80%, 春秋季则处于两者之间.全年平均来看, 海拔每增加100 m月沉降通量减少4.52 mg · m-2, 即每升高1 km垂直递减梯度为5.43 kg · hm-2 · a-1.但随海拔升高各路径氮沉降通量没有表现出稳定下降态势.在不同季节和不同高度均有沉降峰值带出现(夏季除外).

图 4 纱帽山不同海拔各季节总氮湿沉降月均通量 Fig. 4 Seasonal TDN flux curve of atmospheric wet deposition at different altitudes of Shamao mountain
3.2 不同路径大气湿沉降通量中无机氮组分

3条路径无机氮沉降通量如图 5所示, 月均值为6.12 mg · m-2, 且沉降通量也与降水表现出正相关关系(r=0.940, p < 0.01).其中, 铵态氮和硝态氮为无机氮的主要存在形式, 占比分别为51.25%和39.68%.3条路径均在夏季铵态氮沉降量为最大, 这与其他学者(王圣杰等, 2012;宋欢欢等, 2014;杨开军等, 2018)的研究结果一致.

图 5 纱帽山不同海拔沉降通量中无机氮组分 Fig. 5 Seasonal inorganic nitrogen flux of atmospheric wet deposition at different altitudes of Shamao mountain
3.3 分析讨论及污染气体高斯扩散理论的应用

七星关区大气降水主要集中在夏季(图 1), 6—8月降水量占全年总量的51.06%, 而冬季降水量只占5.56%, 这导致步梯路和踩踏小径各样点氮沉降通量均值在夏季和冬季分别出现极大和极小值, 极值比分别为7.87和5.11.其中, 踩踏小径各季节氮沉降通量与降水量的相关性达显著水平(r=0.963, p < 0.01), 这与山西岗南水库(赵宪伟等, 2018)、内蒙古滦河(张晓晶等, 2017)、西藏林芝(邵伟等, 2009)、江西某林场(徐冯迪等, 2016)等区域的研究结果一致.因为亚洲季风控制区降水产生的冲并作用使得大气中的气溶胶等颗粒物在夏季更容易沉降到地表, 冬季降水少致使湿沉降通量自然偏低.但这并不是普遍规律, 其他学者在武汉(彭秋桐等, 2019)、大连(颜文娟等, 2013)、昆明(黄铄淇等, 2014)和重庆(袁玲等, 2009)等地区的研究却发现, 冬、春季节总氮沉降通量反而要明显高于夏季.通过对比不难发现, 后者研究均处于人类活动强度大的大城市及周边区域.已有研究(周婕成等, 2009;孙涛等, 2015)发现, 氮沉降通量随着远离中心城区呈明显下降态势, 再加上冬、春季节气候寒冷, 城市居民的生活取暖及出行方式会导致更多的氮素排放.Galloway等(1994)估算得出, 约有60%~80%人为排放的氮又以沉降的方式返回地表.因此, 城市区域沉降通量的季节性分布规律受人为活动制约, 以致于表现出完全有别于经济欠发达的偏远地区的特征.本案例中盘山公路也是春季氮沉降通量大于夏季, 可能与其紧邻七星关主城区有关.此外, 春季时节出游人数较其他季节多也是潜在影响因素.

虽然氮沉降通量总体上表现为随海拔升高呈逐步下降的趋势, 但这一趋势存在季节性差异, 表现为冬季下降趋势最为显著, 夏季则相反.许多学者(余辉等, 2011;黄铄淇等, 2014;刘冬碧等, 2015)均发现夏季雨水中总氮浓度为全年最低, 王焕晓等(2018)也得出降水强度与雨水总氮浓度呈负相关关系的结论.冲并作用使得雨滴在沉降过程中有足够的空间来接纳沿途大气中的颗粒物, 这是因为整个云贵高原夏季降水云系主体是层状云, 即使是分布最低的雨层云, 其云底相对高度都在600~1000 m以上.进入4月后当地降水量出现明显增长, 5月降水已超过100 mm, 6—8月则更大, 致使大气中颗粒物含量在此期间处于极低水平.贵州省环境质量逐月公报(2018年12月—2019年11月)显示夏季PM10为全年最低, 仅有20.3 μg · m-3.因此, 除夏季以外其他季节各路径均不同程度地出现氮沉降峰值带, 以盘山公路最为典型, 这可能与其紧临主城区且自身又有车辆通行有关.步梯路四季氮沉降曲线均没有明显峰值, 可能与其处于山体的凹谷部(图 2), 两侧植被茂密的拱起山脊对污染物扩散的机械阻碍作用有关.踩踏小径除夏季以外冬季也没有沉降峰值带, 这与第一次冬季回收样品时其北侧的绕城高速并没有正式开通有关, 随后的季节均出现了污染峰值带(夏季也除外), 这充分说明交通运输造成的污染气体排放与扩散是大气氮沉降的重要污染源之一.

盘山公路和踩踏小径分别约在海拔1600~1700 m和1650~1700 m范围出现沉降峰值带, 不同季节出现高程略有差异, 这很可能与来自近地面的污染气体抬升作用有关.因为理论研究与实践验证均发现污染物扩散时其浓度的空间分布是符合正态分布的.因此, 高斯模式在大气污染物扩散领域得到了广泛应用, 其扩散浓度如式(2)所示(李连山等2003).

(2)

式中, c为下风向空间某点的浓度(mg · m-3), xyz分别为该点的空间坐标, Q为排污口源强(mg · s-1), u为污染源排放口高度大气的平均风速(m · s-1), 分母σ为横向(xy)和垂直方向(z)的扩散参数(m).城市生产、生活及交通运输等均是重要的大气污染源.以机动车辆排放尾气为例, 假设某时刻某汽车行驶在某公路点位A, 虽然下一时刻该车发生了位移, 但其他车辆很可能随即占据该点位并继续排放污染气体.因此, 理论上该公路路面每一点都可看作点状污染源(彭军等, 2005).H为有效源高, 是污染源排放口高度与烟气抬升高度h之和.由于各类机动车辆尾气管距地面高程有限, 因此, 以h近似代表有效源高H.鉴于七星关主城区全年平均风速为0.85 m · s-1(数据来源:国家气象科学数据中心地面累年值月值数据集1981—2010), 根据《环境影响评价技术导则-大气环境HJ/T2.2》的相关要求, 符合地表静风或小风时的计算公式(式(3)).

(3)

式中, P为烟气热释放率(kJ · s-1), 汽车速率、油耗、燃油密度和热值分别取100 km · h-1、0.1 L · km-1、7.0×102 kg · m-3和4.6×107 J · kg-1, 内燃机废气带走能耗以30%计, 可得P值为26.82 kJ · s-1.dT/dZ为大气垂直减温率, 一般该值可计为0.0065 K · m-1, 但在实际中由于对流凝结会释放热量, 再加上太阳辐射、风力、海拔和坡向等因素会导致不同地域存在差异, 鉴于h值对垂直减温率的微量变化又非常敏感.因此, 参考江净超等(2016)王艳霞等(2014)在云贵高原运用不同方法得到的近似结果, 该值取0.005 K · m-1, 进而求得h为58.61 m, 并根据P-G扩散曲线表可查算σzσx.

从式(2)可知, 若要计算污染气体扩散最大浓度出现的垂直高度, 只需理论推导该式中当c为最大值时对应的z值即可.对于受污染气体扩散影响的某地点B来说, 其相对于某污染源A点的空间位置是不变的, 即xy是定量, h也已求得, 所以c仅为变量z的函数.由数学相关理论可知, 当c为极大值时dc/dz必为0, 推导可得式(4).

(4)

以上隐函数无法直接求解.但可预判其解分布的大致区间, 再借助相关编程语言, 采用二分法求得近似解z约为56.11 m, 该值与本案例有效源高较为接近, 与实际经验完全相符.但图 4中春季盘山公路氮沉降峰值出现高度约为1600~1700 m, 高程差在100 m以上(城区海拔1500 m), 约为理论推导最大浓度出现高度z值的2倍以上.造成这种现象的原因是多方面的:①沙帽山当地的大气垂直减温率取值为0.005 K · m-1是否准确值得考量;②式(3)是以轿车来计算其有效源高, 但对城市其他车辆如大巴或货车来说, 烟气热释放率P会显著提升;③机动车辆在城区往往处于怠速状态行进, 瞬时油耗更高也会致使P值增加;④紧邻纱帽山的建成区为老城区, 四五层高的步梯老式建筑林立致使餐厨废气的排放基准高度已明显大于城区平均海拔.此外, 不同季节温度、风速等地表大气环境状况差异也会影响到抬升高度的计算.已有学者(孙景群, 1983)使用激光测烟雷达技术实测了烟气抬升高度, 也发现实测结果与理论推算存在较大偏差, 且选用的公式不同也会导致结果存在较大差异(邹长伟等, 2006).这是因为污染物扩散影响条件复杂, 任何公式都是在特定环境下的经验总结, 推导出一个普适公式是非常困难的.

沉降通量中无机氮组分方面, 3条路径铵态氮沉降量均为夏季最大, 这主要因为铵态氮来自于微生物蛋白酶对有机物的腐解作用, 季节性高温环境是有助于腐生菌群繁殖.盘山公路铵态氮沉降通量月均值为2.83 mg · m-2, 与踩踏小径(3.03 mg · m-2)和步梯路地(3.76 mg · m-2)相比略低.这主要是由于公路修筑改变了地表植被状况, 植被盖度大的地域生物残体返还较多, 这为微生物的腐解提供了物源.对公路旁土壤检测也发现其全氮含量(728.08 mg · kg-1)明显低于其他两条路径, 全氮含量占其他两路径的比率分别为73.32%和78.58%.

硝态氮主要来自于硝化细菌对氨的氧化和化石燃料产生的氮氧化物.贺成武等(2014)王德宣等(2010)发现城市交通运营密集区硝态氮沉降要明显高于生活区等其他城区, 表现出线状污染的特点.但本案例中盘山公路旁硝态氮含量(2.28 mg · m-2)还反而低于步梯路地(2.83 mg · m-2), 这可能与微生物的硝化作用有关.硝化细菌主要包涵氨氧化细菌(合成亚硝态氮)和亚硝酸氧化细菌(合成硝态氮)两类, 它们都是自养细菌, 充足的铵态氮和适宜的环境条件等是其增殖的重要影响因素.步梯路近地表大气中铵态氮沉降量为三者最大(3.76 mg · m-2), 这可能为硝化细菌提供了充足的基质从而促进硝态氮的累积.

亚硝态氮是氮素硝化过程中的过渡产物, 3条路径亚硝态氮月均沉降通量仅为0.55 mg · m-2, 在无机总氮中的比率仅为9.06%, 这是由于在适宜的环境条件下亚硝态氮很快被亚硝酸氧化细菌所损耗.所有样点铵态氮与硝态氮沉降通量均是夏季最大(步梯路EFG 3个样点例外), 但亚硝态氮则相反, 总体上沉降通量在冬季为全年最大(盘山公路5号样点例外), 为其他季节沉降通量均值的2.01倍.这主要是因为氨氧化细菌在应对温度变化、碳氮源匮乏和低氧胁迫等不利环境方面, 要明显比亚硝酸氧化细菌有更强的适应性(李仰征等, 2019), 且同等不利条件下, 前者的增殖速率要比后者明显高出许多(Van Loosdrecht et al., 2006).冬季七星关平均气温只有3.86 ℃, 低温对亚硝酸氧化细菌的抑制作用导致氨氧化细菌产物亚硝酸根无法及时被损耗, 进而出现了累积.这与冰箱长期冷藏(4~5 ℃)饭菜会导致亚硝酸盐超标亦为同一道理, 且储存时间与超标倍数呈正相关(肖正华等, 2010).

无机三氮沉降通量随海拔高度变化无明显规律可循, 主要原因可能为无机氮在总氮中占比较低, 且各类氮之间存在氨化、硝化与反硝化过程, 以及流转关系与赋存特点复杂.图 4中总氮沉降通量月均值为踩踏小径(28.89 mg · m-2) < 步梯路径(32.43 mg · m-2) < 盘山公路(41.59 mg · m-2), 减去各自无机氮沉降通量可得有机氮沉降通量, 其关系为踩踏小径(22.97 mg · m-2) < 步梯路径(25.21 mg · m-2) < 盘山公路(35.98 mg · m-2).大气中的有机氮主要来源于工业生产和生活排放、地表扬尘、植被挥发、微生物体及大气中氮氧化物与碳氢化合物发生的光化学产物.结合本案例, 盘山公路旁有机氮沉降通量最大, 这一方面与其濒临七星关主城区有关, 另一方面是因为采样点就位于公路旁, 车辆爬坡燃料的不完全燃烧势必会加剧含氮有机态物质的排放与沉降.

4 不同海拔大气湿沉降中总氮通量递变规律的数学模拟(Statistical Modeling of variability of atmospheric nitrogen wet deposition fluxes along altitudinal gradients)

由于纱帽山相对高度有限, 如要使拟合模型有广泛的代表性和应用价值, 必须扩展地理空间和海拔范围.因此, 本文随机参考了其他研究成果, 高、中、低山及丘陵地区均有涉及, 具体见表 1.

表 1 不同地域山地(高原)大气沉降通量汇总 Table 1 The nitrogen flux summary of atmospheric wet deposition at different mountain altitudes

表 1中湿沉降通量随海拔降低总体上呈现出上升的态势(长白山林区和香溪流域为异质点).由于大气中各类污染物质的垂直分布近似于大气密度分布规律, 即随海拔增加表现为指数递减特征(周淑贞等, 1997).但降水只发生在对流层, 因此, 湿沉降通量在逼近对流层顶部时也必然趋近于零(实际降水现象很可能在对流层中上部就已经逐步停止了).所以可假设有一理想山地, 其山顶高度为12 km且山顶沉降通量为零, 以本案例沉降观测值和表 1中的相关数据为补充, 并借助SPSS软件进行模型拟合, 结果见图 6, 拟合公式见式(5).

(5)
图 6 不同海拔大气总氮湿沉降通量的指数模拟 Fig. 6 Exponential simulation of the nitrogen flux from atmospheric wet deposition along different altitudes

式中, x为海拔高度(m), k为较正系数(高原山地取值为1), M为总氮湿沉降通量(kg · hm-2 · a-1).软件输出结果显示可决系数R2为0.948, 符合拟合检验.p < 0.01表明通过了F检验, 说明拟合方程是显著的并可用于预测应用.随机选取了一些相关报道数据对该模型加以检验, 如王圣杰等(2012)对天山乌鲁木齐河源(海拔4130 m)、余功友等(2017)对云南阳宗海(海拔1813 m)和黄铄淇等(2014)对昆明东部(海拔1917 m)的研究结果与本模型模拟值误差分别仅为0.94、1.12和1.79 kg · hm-2 · a-1.表明该模型拟合程度较高, 在估算山地(高原)氮的湿沉降通量和生态环境评估等领域有一定的应用价值和推广意义.

但与一些农田地域的研究相对比, 如使用梁亚宇等(2019)王体健等(2008)彭畅等(2015)尹兴等(2017)崔键等(2009)朱潇等(2018)研究中的海拔数据进行模拟时, 均发现模拟值普遍偏低于其报道沉降通量, 两者比率在40%~60%之间, 均值为51.56%.造成这一现象的主要原因是农业生产造成的氮素排放是大气氮的重要污染来源(Rees et al., 2013;Xiang et al., 2015).表 1中长白山林地为拟合曲线的异质点, 很可能与其研究中唯一的采样点位于牲畜养殖业较为发达的乡镇有关.因此, 在用该模型评估农田地表氮沉降时, 拟合公式的k值可取为2.并且, 该模型不适宜评价大型城市及近郊的氮沉降.因为同一海拔的不同地域, 其社会经济发展差异巨大导致污染来源复杂, 沉降通量的差异根本无法从大气降水、海拔高程等自然因素进行考量和评判, 如南京市郊(邓君俊等, 2009)、上海郊区(梅雪英等, 2007)和广东韶关(刘思言等, 2014)等地区的报道通量与模拟值存在几倍至几十倍的差异.

5 结论(Conclusions)

降水对大气湿沉降通量有明显影响, 踩踏小径降水与氮湿沉降通量的相关系数已达显著水平(r=0.963, p < 0.01).紧临主城区的盘山公路与其他大、中城市研究结果一致, 春季氮沉降通量为全年最大, 这与该季节的居民生活与出行方式有关.大气氮湿沉降通量随海拔升高呈明显的下降趋势, 每升高1 km垂直递减梯度全年均值为5.43 kg · hm-2 · km-1 · a-1.这是降水的季节分布所导致的, 夏季雨水冲并使得大气气溶胶浓度为全年最低, 因此, 在有限海拔范围内氮沉降通量垂直梯度在夏季最小而冬季最大.除夏季外, 3条路径均不同程度地出现了沉降峰值带, 以盘山公路最为典型.借助高斯模式推导汽车尾气最大浓度出现的理论高度为56.11 m, 与实测沉降峰值带高程有较大差异, 这可能与相关公式的非普适性有关.无机氮沉降通量月均值为6.12 mg · m-2, 以铵态氮和硝态氮为主, 分别占无机总氮比率的51.25%和39.68%.亚硝态氮沉降通量则在冬季为其他季节均值的2.01倍, 这与氨氧化细菌在应对低温等不利环境方面比亚硝酸氧化细菌适应性更强有关.本研究根据大气沉降规律拟合了氮的湿沉降通量公式为M=15.2534k · exp(-0.00079602x).

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