华南甘蔗种植区大气氮素湿沉降特征

【研究意义】大气氮沉降是指含氮氧合物从大气中移出，以活性含氮化合物氮素沉降回地表[1]。氮沉降是全球氮素循环的重要环节，适宜的大气氮素沉降量可以为作物生长提供必需的养分，但过量的氮沉降会引起水体污染、土壤或水体酸化等系列生态问题[2]。大气氮沉降及其生态环境效应已经成为国内外学者关注的问题，我国华南地区是我国糖料蔗主产区，该区域氮素投入高，降雨充沛，大气氮素湿沉降可能表现出不同的区域特征，因此，开展华南甘蔗种植区大气氮素湿沉降特征研究，对区域氮素沉降及其生态环境效应评估均具有重要意义。【前人研究进展】我国学者针对不同地域的大气氮素湿沉降开展了相关研究，如洞庭湖1年监测结果表明，大气氮湿沉降38.7～90.9 kg N沉降量高于沉降量，氮素湿沉降量与降雨量呈正相关，氮素湿沉降浓度与降雨量呈负相关[3]；太湖地区氮素湿沉降2年结果表明，湿沉降量季节变化明显，夏、春季高，秋、冬季低，年大气氮湿沉降27.0 kg N hm-2；江西鹰潭红壤丘陵农业区、珠江口香洲、祁连山海北等监测点结果表明，研究区域降水中不同月份的浓度及沉降量均变异较大，各形态氮含量和沉降量均表现春、冬季较高，夏、秋季较低[4-6]。而上海地区氮素湿沉降监测结果则指出，沉降量高于沉降量[7]。可见，我国大气氮素湿沉降浓度及沉降量存在较大的地域性差异。【本研究切入点】目前，有关华南甘蔗种植区大气氮素湿沉降的相关资料较少，且试验监测年限短。【拟解决的关键问题】对华南甘蔗种植区大气氮素湿沉降的浓度、沉降量及降雨规律进行定量分析，以期为区域氮素沉降及其生态环境效应评估提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验在农业部华南植物营养与施肥技术科学观测实验站进行，该站位于广西武鸣区锣圩镇(N 23°14′50″，E 108°2′36″)，地处华南亚热带季风湿润气候区，气候高温多雨，年平均温度22.1 ℃，年≥10 ℃有效积温8105 ℃，无霜期344 d，试验期间年平均降水量1245.6 mm，但降雨季节分布不均，干湿季节明显。试验站主要作物为甘蔗。

1.2 样品采集与分析

在试验区域安装雨量计，于2008年1月至2015年12月采集了日降雨量大于0.5 mm的雨水样品，共获得463个雨水样品。样品采集后，于4 ℃冰箱保存并在15 d内分析完成。样品分析采用GB-89方法：总氮(TN)用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，铵态氮用定酚蓝比色法，硝态氮直接用紫外分光光度计。总无机氮(DIN)浓度为铵态氮和硝态氮浓度之和。

1.3 数据计算与统计

雨水中不同形态氮的月(季、年)的平均浓度均根据公式(1)，氮素沉降量根据公式(2)计算。式中，C(mg N L-1)为雨水氮素加权平均浓度；F(kg N hm-2)为氮素沉降量，每次降雨水样浓度与相应降雨量的乘积累加，100为换算系数。Ci为第i次降雨中氮的浓度；Pi为第i次降雨的降雨量。

一年四季根据广西当地实际气象情况划分：春(2-4月)、夏(5-7月)、秋(8-10月)、冬(11-2月)。

试验数据绘图和统计分析分别采用Origin2017和SAS9.1软件进行，LSD法进行数据的差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 研究区域降雨量、雨水不同形态氮浓度动态变化

2008-2015年，监测区降雨量及雨水中氮素浓度的月动态变化如图1所示。监测期间该地区年降雨量1027.4～1379.8 mm，平均为1245.6 mm。月降雨量差异较大，最大为7月268.7 mm，其次为6月246.9 mm，最小为2月19.1 mm。降雨的季节性分布不均，降雨量主要集中在夏、秋两季，分别为658.0和331.3 mm，夏秋两季约占全年降雨量的79.42 %；而春、冬两季降雨较少，分别为140.5 mm和115.9 mm，春冬两季占全年降雨量的20.58 %。

图1 降雨量和雨水不同形态氮素含量月动态变化Fig.1 Monthly variations of rainfall and N concentration

雨水中、DIN和TN浓度各月的差异较大，分别为 0.08～3.80、0.04～3.25、0.12～5.52和0.20～6.65 mg N L-1，月均浓度分别为0.73、0.67、1.40和1.89 mg N L-1。雨水中的不同形态氮素浓度与降雨量之间呈负相关关系，随着降雨增多，和TN浓度明显下降。

如表1所示，和TN浓度季节变化趋势相似，均表现为冬季和春季浓度较高，而在夏季和秋季浓度较低。总体来看，大气湿沉降不同形态氮素浓度大小顺序均依次为春季>冬季>夏季>秋季。

2008-2015年监测点雨水中不同形态氮素浓度及其比例如表2所示，大气湿沉降TN浓度在0.53～2.45 mg N L-1，平均1.45 mg N L-1，TN浓度呈现出先增加后降低的趋势，其中2008-2012年TN浓度呈现出增加趋势，2012-2015年则呈现出较大波动性；DIN浓度在0.42～1.56 mg N L-1，平均1.04 mg N L-1，占TN浓度的63.67 %～82.70 %，平均73.09 %。无机氮中，浓度分别为0.23～0.99、0.12～0.84 mg N L-1，平均为0.53和0.51 mg N L-1，2种形态氮中浓度占TN浓度的25.27 %～56.60浓度则占TN浓度的22.58 %～49.45 %，浓度与浓度的比值由2009年度1.96下降至2015年的0.54，呈逐年下降趋势。整体上，大气湿沉降中氮素以DIN为主，而在DIN中和含量相差较小。

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