我國(guó)降雨和森林穿冠水中銨態(tài)氮的同位素豐度

我國(guó)降雨和森林穿冠水中銨態(tài)氮的同位素豐度

近年來(lái)，由于農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)氨氮的排放量不斷增加。氨是主要的大氣污染物，對(duì)水體的富營(yíng)養(yǎng)化、氧化和植物營(yíng)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(zhǎng)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，更多的銨氮在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到地面。這一過(guò)程改變了氮循環(huán)的循環(huán)，導(dǎo)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(shù)也越來(lái)越多地被人們認(rèn)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(shí)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(lái),國(guó)際上已經(jīng)有不少關(guān)于降雨氮同位素豐度研究的報(bào)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(guó)內(nèi)在大氣中穩(wěn)定氮同位素方面的觀測(cè)還不多.本文觀測(cè)分析了我國(guó)7個(gè)站點(diǎn)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(shí)驗(yàn)方法1.1苯甲酸鈉光催化劑本文包括7個(gè)采樣站點(diǎn),其中5個(gè)森林站點(diǎn):杭州的梅家塢(MJW)、長(zhǎng)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(zhǎng)白山(CBS);2個(gè)城市站點(diǎn):北京(BJ)和貴陽(yáng)(GY).站點(diǎn)的具體位置和分布見(jiàn)表1.MWJ、YLS是靠近城市的森林站點(diǎn),有較高的氮污染;CBS和LGS相對(duì)遠(yuǎn)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(diǎn),位于中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心和貴州省環(huán)境科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院內(nèi).在所有站點(diǎn),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(jìn)行了分析,在某些站點(diǎn),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(dòng)采樣器(青島嶗山公司)在空曠地采集,采集器是一個(gè)有Teflon涂層的漏斗(Φ=200mm),底部與一個(gè)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(fù)沖洗3遍.酸雨自動(dòng)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(shè)計(jì)制作的采集器進(jìn)行采集,由一個(gè)10.6cm直徑的PET漏斗和一個(gè)3L的PET瓶相連接構(gòu)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(gè)月的樣品通過(guò)體積加權(quán)平均合并成季節(jié)樣進(jìn)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(jìn)行過(guò)濾.樣品的pH值由PHB-4型pH計(jì)測(cè)定,NH4+的濃度由DX-120型離子色譜測(cè)定,其檢出限為0.15mg·L-1.通過(guò)使用一種改進(jìn)后水樣預(yù)處理方法,并結(jié)合同位素質(zhì)譜,對(duì)所有水樣中銨態(tài)氮的同位素豐度進(jìn)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(xì)操作過(guò)程和步驟見(jiàn)文獻(xiàn).前處理后獲得的陽(yáng)離子樹(shù)脂樣品被送到中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院穩(wěn)定同位素質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(jié)果以δ15N表示,精確度為±0.2‰.2結(jié)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(diǎn)的pH值都在3—6之間,降雨和穿冠水的pH沒(méi)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(diǎn).由于北京地區(qū)土壤為堿性,氨的排放量較大,同時(shí)人口眾多,因而導(dǎo)致了較高的銨態(tài)氮沉降.CBS和LGS站作為背景站點(diǎn),相比其他站點(diǎn)降雨中的銨態(tài)氮濃度要更低,尤其是CBS站點(diǎn),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(cè)結(jié)果7個(gè)站點(diǎn)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(cè)結(jié)果與國(guó)內(nèi)和國(guó)際上以往的觀測(cè)結(jié)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(diǎn),同樣地,Freyer也報(bào)道過(guò)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(cè)結(jié)果卻明顯不同.對(duì)比本文和Xiao在貴陽(yáng)夏季降雨中銨態(tài)氮δ15N值的觀測(cè)結(jié)果,可以看出本文中的結(jié)果明顯較高.由于降雨中的銨態(tài)氮主要來(lái)自于大氣中的氨的洗脫作用,因此不同站點(diǎn)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(dǎo)致的.Freyer等發(fā)現(xiàn),由動(dòng)物排泄物釋放的氨的δ15N值范圍為-12‰到-4‰,而來(lái)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(jī)肥,因此該站點(diǎn)降雨中較低銨態(tài)氮δ15N值就很可能是受到動(dòng)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(diǎn)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(lái)自這些源的氨的δ15N值是較低的.而本文2009年在貴陽(yáng)觀測(cè)到夏季降雨中銨態(tài)氮δ15N值高于2002年Xiao觀測(cè)到的結(jié)果,主要可能是近年來(lái)貴陽(yáng)地區(qū)工業(yè)污染加劇所致,因?yàn)楣I(yè)源排放的氨的δ15N值被認(rèn)為要高于自然源所釋放的氨.2.3我國(guó)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(diǎn),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(duì)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(guò)降雨沖刷過(guò)程進(jìn)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(cè)結(jié)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(cè)MJW和YLS站在較為嚴(yán)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(dǎo)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(dá)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(cè)分析了我國(guó)7個(gè)站點(diǎn)降雨和穿冠水中銨態(tài)氮δ15N值.結(jié)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