论文部分内容阅读
中国自上世纪80年代工农业及城市迅速发展以来，人为活动引起的大气活性氮(Reactive nitrogen，Nr)排放急剧增加，这直接导致大气Nr污染和氮(N)沉降的加剧，从而对陆地和水生生态系统以及人类健康产生负面影响。但由于受研究手段和监测范围等的影响，目前对大气氮沉降的研究仍存在一些困难。苔藓植物因其特殊的形态结构和生理学性质被广泛应用于环境变化和大气沉降的指示与监测，可用于替代无仪器监测地区的氮沉降直接测量，并能更为真实地反映大气污染状况。 中国南方是我国重要的工业基地和经济发达地区，能源消耗和氮肥施用量分别占到全国总消耗量的50％和53％，这使其成为我国乃至全世界污染物排放最大的地区之一。其中，贵州作为西南重要的能源省份之一，长期经受严重的酸沉降侵害。但目前大多数研究只是针对某一特定区域或单一城市的重点讨论，缺乏大范围区域内的大气氮沉降污染特征分析和研究。为此，本研究利用苔藓方法来估算大气氮沉降。首先，对贵州省目前的氮沉降水平进行全面评估，通过空间插值方法探索其空间分布格局，并对其未来趋势进行初步预计。其次，将研究范围拓展至中国南方地区，系统定量了4大地理区域氮沉降通量及其时空格局，分析了不同土地利用类型上Nr组分的沉降情况;同时对不同区域氮沉降和人为Nr排放之间的变化关系进行研究;并对我国南方地区Nr排放引起的人类健康损害成本进行大致估算，旨在为我国南方不同地区大气Nr污染和N沉降的治理提供科学依据。本文的主要研究结果如下: 1.中国南方大气氮沉降数据的MoransⅠ值为0.66，表明该地区年均氮沉降存在较强的空间自相关性;且数据服从正态分布，可进行空间插值分析。研究所选取的4种代表性空间插值方法(反距离权重法IDW、径向基函数法RBF、普通克里金法OK和泛克里金法UK)中，IDW和RBF插值法简便易用，而克里金(Kriging)插值法相对较复杂，需进行半变异函数拟合。拟合精度分析结果指示，孔洞效应模型精度指标为SE=0.035,R2=0.510,SE prediction=1.238，是OK插值法的最优半变异函数模型;而J-Bessel函数模型为UK插值法的最优半变异函数模型，模型精度指标为SE=0.041，R2=0.523，SE prediction=1.437。交叉验证(cross-validation)和验证(validation)结果表明，OK插值法精度和准确度最高(精度指标:ME=-0.059，RMSE=5.240，MRE=0.129，MAE=4.007;准确度指标CV=0.15，SD=5.47)，IDW和RBF插值法的准确度与OK插值法相似，UK插值法结果最差。4种插值方法均反映了南方地区大气氮沉降的总体空间格局，即从西北向东南方向逐渐递增，但不同的插值方法在局部区域形成了不同的预测结果。IDW、RBF和OK插值法对氮沉降的预估相差不大，均在10～70kg N ha-1yr-1之间变动，但OK插值法的平滑效应在4种方法中最强。UK插值法高估了大部分地区的氮沉降，且在样点稀少的西北和西南端产生了严重的插值误差。尽管RBF插值法产生了与OK插值法相似的结果，但由于OK插值法在样点稀少的地区依然能形成最优无偏估计，因此选定OK插值法对本研究区域大气氮沉降进行空间分析。 2.2014年7～8月贵州省苔藓N含量均值为2.23％±0.25，证明研究区域具有较高的大气氮输入（＞20kg ha-1yr-1）。全省大气总氮沉降均值为27.74kg haq yr-1，大部分地区沉降量超过了26kg ha-1yr-1。贵阳市中心氮沉降值最高达36.84kgha-1yr-1，黔东南地区氮沉降最低为12.10kg ha-1yr-1。贵州省大气氮沉降总体呈现出自西向东逐渐递减的空间分布格局，与苔藓N含量的空间变化形式一致。研究区苔藓δ15N值在-5.89‰～-0.72‰范围内变化，表明贵州省大气氮沉降来源于城市污水氨氮和农业NH3的排放。对全省大气氮湿沉降组分进行分析，结果表明，大气铵(NHx)输入是控制贵州省苔藓氮含量和氮同位素变化的主要因素，全省大气氮沉降中的主要氮形态为NHx。NH4+-N和NO3-N沉降通量分别为14.49kg ha-1yr-1和12.16kg ha-1yr-1，分布格局相似，高氮沉降区主要集中在贵阳、六盘水和毕节，不同的是，毕节地区NH4+-N沉降最高，而贵阳地区NO3--N沉降最高。NH4+-N/NO3--N平均比值为1.19，意味着源于农业活动和生活污水的NH4+-N对贵州省氮沉降的贡献大于来自工业活动和交通运输的NO3--N。然而，氮排放通量变化趋势与沉降的组成情况相反，全省平均NH3排放通量为18.56kg ha-1yr-1，NOy平均排放通量约为NH3排放通量的1.7倍，达到了31.63kg ha-1yr-1。研究还发现，氮排放较小的黔东南氮沉降/氮排放比值大于其他地区，相反，氮排放较大的贵阳和六盘水两个地区氮沉降/氮排放比值较小，反映了本地排放高、易对周边地区产生影响的特点。贵州省大部分地区(71.39％)氮沉降已达20～30kgN ha-1yr-1。然而，已有近30％的地区处于氮沉降不敏感区，沉降量高达30～40kgN ha-1yr-1。全省有99.6％的地区已超过陆地生态系统氮沉降临界负荷，若以全国年均氮沉降增速(0.41kg ha-1yr-1)计，9年后贵州省将全面步入氮沉降不敏感区。 3.2002～2014年间中国南方的苔藓氮含量(2.24％～3％)，湿沉降量(22.78～31.53kgN ha-1yr-1)及其Nr组分沉降量(NH4+-N:12.23～16.82kg N ha-1yr-1;NO3--N:9.18～14.88kgN ha-1yr-1)，和总氮沉降量(28.23～36.86kg N ha-1yr-1)存在大的空间变异。在区域尺度上，苔藓氮含量和总氮沉降量均呈现华南＞华中＞华东＞西南的空间格局;而Nr组分沉降量的变化趋势略有不同，NH4+-N沉降表现为华中＞华东＞西南＞华南，NO3--N沉降则表现为华南＞华中＞华东＞西南，但两者在不同土地利用类型上均呈现城市＞农村＞背景区的递减顺序。NH4+-N/NO3--N比均值为1.2，且城市中的比值最小(1.02)，其次是背景区(1.22)，农村地区比值最大(1.45)，表明农业源依然主导着我国南方大气氮沉降。总氮沉降量（32.33kg N ha-1yr-1）比1990～2003年上涨了将近42％，不同地区氮沉降和排放存在差异，其中华东和华南两个地区大气氮沉降小于氮排放，且华东区差异最大;但总体来说，中国南方氮沉降和排放通量相当，反映了人为活动对大气氮沉降的主导作用。尽管我国南方大气氮沉降水平较高，但却大大低于国际上所报道，年总氮沉降为8.25Tg，占全球陆地氮沉降的11％。同样，农田氮沉降（33.48kg N ha-1yr-1）也远远小于前人所报道，相当于196.94kg的氮肥施用量，占同期氮肥施用量的26.29％。目前，NH3-N和NOx-N排放造成的健康损害成本分别为US$29.6/kg NH3和US$42.5/kg NOx，由Nr排放引起的健康损害总成本已达6620.2亿美元，占全国GDP的7％，其中NOx排放成本贡献(66％)大于NH3排放(34％)。Nr排放的健康损害成本与人均GDP和城市化率均呈现显著负相关性，表明随着社会经济的发展，氮沉降中氧化态氮会逐渐增加，并极有可能在不久的将来成为氮沉降的主体。