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

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3

刘学军,　张福锁

(中国农业大学资源与环境学院,北京　100193)

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,其数量高达1.8×107t/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注〔1-2〕。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。

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分的三大来源〔3〕。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、过氧化硝酸酯)的氮素〔4〕。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排放急剧增加〔1,5〕。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,全球大气氮沉降已经由1860年的3.10×107t/a增加到20世纪90年代中期的1.03×108t/a,并将于2050年进一步增加到1.95×108t/a〔6〕。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动的加剧其影响已日益全球化〔7〕。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地及水生生态系统的生产力和生物多样性〔8-9〕,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〔10〕。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。

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

第26卷　第3期2009年5月

干旱区研究

AR I D　Z ONE　RESE ARCH

Vol.26　No.3

May　2009

3收稿日期:2008-11-24;　修订日期:2009-01-06

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@

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NH

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)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〔13〕。目前,氮素干沉降的测定主要基于两类方法:①推断法(I nferential Meth2 od)〔14〕,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(DE LT A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〕。2.1.3　其他环境养分　灌溉水中养分的输入可以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的比例来估计,或者采用15N自然丰度法、乙炔还原法等对固氮量进行评价〔17-18〕。

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,这样植物的吸氮量就反映了大气氮沉降的数量〔19〕。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。大气氮沉降的生物监测主要有两种方法:①基于15N稀释法的I T N I

(I ntegral T otal N itr ogen I nput)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衣/苔藓、草本植物以及树木叶片等〔21〕。

I T N I系统的原理基于15N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同位素丰度降低,根据系统15N丰度被稀释的程度可以计算出大气氮沉降的数量〔20,22〕。指示植物在石英砂中生长,在整个生育期统一供应固定15N丰度的氮素营养液〔如5%丰度Ca(NO

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)

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〕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15N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

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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