我國降雨和森林穿冠水中銨態(tài)氮的同位素豐度

我國降雨和森林穿冠水中銨態(tài)氮的同位素豐度

近年來，由于農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的快速發(fā)展，我國氨氮的排放量不斷增加。氨是主要的大氣污染物，對水體的富營養(yǎng)化、氧化和植物營養(yǎng)產(chǎn)生了重要影響。地表徑流中的大多數(shù)活性氮將隨著氮沉淀而回到地面。由于氨氮長距離傳輸?shù)奶攸c，更多的銨氮在短時間內(nèi)恢復到地面。這一過程改變了氮循環(huán)的循環(huán)，導致氮飽和。隨著大氣氮沉降研究的深入,穩(wěn)定氮同位素技術也越來越多地被人們認知和利用.穩(wěn)定氮同位素能夠用于大氣系統(tǒng)中氮污染源的識別、植被-土壤-地下水系統(tǒng)中氮的形態(tài)和轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究以及環(huán)境污染物的示蹤.近年來,國際上已經(jīng)有不少關于降雨氮同位素豐度研究的報道,如研究降雨中氮同位素豐度的季節(jié)性變化、降雨中不同氮污染源的追蹤以及降雨和穿冠水中氮同位素豐度的比較.但是,國內(nèi)在大氣中穩(wěn)定氮同位素方面的觀測還不多.本文觀測分析了我國7個站點的降雨和森林穿冠水中銨態(tài)氮的同位素豐度,初步探討了銨態(tài)氮同位素豐度的分布和變化規(guī)律.1實驗方法1.1苯甲酸鈉光催化劑本文包括7個采樣站點,其中5個森林站點:杭州的梅家塢(MJW)、長沙的岳麓山(YLS)、重慶的鐵山坪(TSP)、黔東南的雷公山(LGS)和吉林的長白山(CBS);2個城市站點:北京(BJ)和貴陽(GY).站點的具體位置和分布見表1.MWJ、YLS是靠近城市的森林站點,有較高的氮污染;CBS和LGS相對遠離大城市和工業(yè)污染源;BJ和GY分別是北方和南方的城市站點,位于中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心和貴州省環(huán)境科學規(guī)劃設計研究院內(nèi).在所有站點,降雨和穿冠水樣都按周采集,其中在MJW、YLS和GY采集了2009年全年的樣品并進行了分析,在某些站點,僅采集了部分季節(jié)的降雨和穿冠水水樣.在LGS和TSP分別采集了春季和秋季的樣品,而在CBS采集了秋季和冬季的樣品,在北京采集了夏季和冬季的樣品.降雨使用SYC-1型酸雨自動采樣器(青島嶗山公司)在空曠地采集,采集器是一個有Teflon涂層的漏斗(Φ=200mm),底部與一個塑料收集桶相連.每次采樣前采集器都要用Mili-Q超純水反復沖洗3遍.酸雨自動采樣器的靈敏度為不低于0.2mm·h-1.穿冠水是用一種自主設計制作的采集器進行采集,由一個10.6cm直徑的PET漏斗和一個3L的PET瓶相連接構成.穿冠水采集器安裝在距離地面1m處.所有樣品都放在冰箱中保存,每3個月的樣品通過體積加權平均合并成季節(jié)樣進行分析.1.2銨態(tài)氮的同位素分析所有水樣在分析之前用孔徑為0.45μm的聚醚砜膜進行過濾.樣品的pH值由PHB-4型pH計測定,NH4+的濃度由DX-120型離子色譜測定,其檢出限為0.15mg·L-1.通過使用一種改進后水樣預處理方法,并結合同位素質(zhì)譜,對所有水樣中銨態(tài)氮的同位素豐度進行了分析.本方法主要分為4步,分別是銨態(tài)氮的富集、蒸餾純化、轉(zhuǎn)移和最終分析,其詳細操作過程和步驟見文獻.前處理后獲得的陽離子樹脂樣品被送到中國林業(yè)科學研究院穩(wěn)定同位素質(zhì)譜實驗室進行同位素比率分析.樣品用錫箔包好后送入元素分析儀中燃燒生成N2,并由與之串聯(lián)的FinniganMATDeltaVadvantage型質(zhì)譜儀分析其氮同位素豐度,銨態(tài)氮的同位素結果以δ15N表示,精確度為±0.2‰.2結果與討論2.1降雨中銨態(tài)氮的濃度降雨和穿冠水的pH分布如圖1(a)所示.BJ站降雨pH值接近7,而其余站點的pH值都在3—6之間,降雨和穿冠水的pH沒有明顯的差別.如圖1(b)所示,降雨中銨態(tài)氮的濃度范圍為0.15mg·L-1至8.62mg·L-1,其中BJ站降雨中的銨態(tài)氮濃度要明顯高于其他站點.由于北京地區(qū)土壤為堿性,氨的排放量較大,同時人口眾多,因而導致了較高的銨態(tài)氮沉降.CBS和LGS站作為背景站點,相比其他站點降雨中的銨態(tài)氮濃度要更低,尤其是CBS站點,其秋季降雨中銨態(tài)氮濃度甚至接近于0.在穿冠水中,銨態(tài)氮濃度范圍為0.19mg·L-1至5.06mg·L-1,其中TSP站的銨態(tài)氮濃度最高.2.2降雨中銨態(tài)氮15n值的觀測結果7個站點中,降雨中的銨態(tài)氮的δ15N值都低于0,其年平均值范圍為-8.67‰至-3.66‰(表2).本文中降雨銨態(tài)氮的觀測結果與國內(nèi)和國際上以往的觀測結果基本一致,為-12.2‰至-0.5‰.表2中,MJW站降雨中的銨態(tài)氮的δ15N平均值為-8.67‰,要明顯低于其余站點,同樣地,Freyer也報道過甚至更低的降雨中銨態(tài)氮的δ15N值(-12.2‰),而這與Hoering等的觀測結果卻明顯不同.對比本文和Xiao在貴陽夏季降雨中銨態(tài)氮δ15N值的觀測結果,可以看出本文中的結果明顯較高.由于降雨中的銨態(tài)氮主要來自于大氣中的氨的洗脫作用,因此不同站點降水中銨態(tài)氮δ15N值的差異性是由于不同的氨的排放源所導致的.Freyer等發(fā)現(xiàn),由動物排泄物釋放的氨的δ15N值范圍為-12‰到-4‰,而來自于肥料的氨的δ15N值為-5‰到0‰.MJW站位于杭州龍井茶產(chǎn)區(qū),大量施用有機肥,因此該站點降雨中較低銨態(tài)氮δ15N值就很可能是受到動物排泄物釋放氨的影響.LGS站降雨中銨態(tài)氮的δ15N值在本文所有站點中最高,其原因可能是雷公山地區(qū)受農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的影響較小,而來自這些源的氨的δ15N值是較低的.而本文2009年在貴陽觀測到夏季降雨中銨態(tài)氮δ15N值高于2002年Xiao觀測到的結果,主要可能是近年來貴陽地區(qū)工業(yè)污染加劇所致,因為工業(yè)源排放的氨的δ15N值被認為要高于自然源所釋放的氨.2.3我國降雨和穿冠水中銨態(tài)氮的15n值比選穿冠水中銨態(tài)氮的δ15N值變化如圖2所示,其平均值范圍分別為-3.92‰至24.4‰.其中,MJW站春季和夏季穿冠水中銨態(tài)氮的δ15N值要明顯高于其余站點,分別為24.11‰和24.69‰;而LGS和TSP站穿冠水中銨態(tài)氮的δ15N值卻較低,分別為-1.07‰和-3.92‰.由圖2中降雨和穿冠水中銨態(tài)氮δ15N的對比可以看出,位于城市和近郊的YLS和MJW站穿冠水中的銨態(tài)氮的δ15N值要明顯高于降雨,而位于郊區(qū)和背景地區(qū)TSP和LGS站穿冠水中銨態(tài)氮的δ15N值只略高于降雨.其可能原因是城市地區(qū)大氣顆粒物濃度高,林冠層富集的大氣顆粒物也較多,更多大氣顆粒物通過降雨沖刷過程進入了穿冠水,而通常大氣顆粒物中含有銨鹽且15N富集度高.Heaton等的觀測結果表明,大氣中顆粒物中銨態(tài)氮的δ15N值范圍為0‰至15‰,我們推測MJW和YLS站在較為嚴重的氮污染壓力下,大氣顆粒物中銨態(tài)氮很可能有更高的δ15N值,從而導致了穿冠水中銨態(tài)氮的δ15N值明顯增加,甚至在部分季節(jié)達到非常高的值.3不同工區(qū)和背景地區(qū)穿冠水中銨態(tài)氮15n值的特征本文觀測分析了我國7個站點降雨和穿冠水中銨態(tài)氮δ15N值.結果表明,降水中銨態(tài)氮δ15N平均值為-8.67‰至-3.66‰,其中杭州近郊梅家塢降雨樣品中銨態(tài)氮δ15N平均值最低,貴州雷公山降雨樣品中銨態(tài)氮δ15N平