中国及全球大气氮沉降的时空格局研究

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由于快速的农业、工业和城市发展,中国区域的人为源活性氮排放在近三十年迅速增加,这促进了人们对中国区域大气氮沉降研究的关注。然而,过去的研究主要关注的是大气氮湿沉降,仍然缺乏中国干、湿总氮沉降的评估。另一方面,由于大量的全球商品贸易和地区间的不平衡发展,全球的氮沉降格局也在发生变化。因此,全面评估包括干、湿沉降的中国大气总氮沉降的空间格局及其年代际变异,以及如何在全球视野下看中国的氮沉降问题,不仅有助于全面认识我国的氮沉降水平及变化,并且对政府决策的制定和氮沉降生态效应的研究具有重要意义。  本论文整合了1980年以来全球1731个湿沉降观测站点(站点-年有效数据9058条)、555个干沉降氮化物浓度观测站点(站点-年有效数据7424条)和1996-2015年连续的NO2遥感柱浓度数据。基于这些地面和遥感的观测数据,本论文在探讨全球干、湿沉降特征的基础上,通过建立遥感经验模型和应用空间插值法,系统研究了中国大气氮干湿沉降的年代际变异、空间格局及其控制因子。主要的结果如下:  (1)全球总氮沉降通量在2005-2014年的均值为9.31 kgN ha-1 a-1,干、湿沉降通量分别为2.59、6.71 kg N ha-1 a-1。全球氮沉降在近二十年整体呈现增加的趋势,但不同地区具有不同的变化趋势。其中,西欧、北美和东亚地区的氮沉降出现了下降的趋势,而其他地区的氮沉降则基本出现了不同程度的增加趋势,尤其是南亚地区,已经成长为仅次于东亚的第二大氮沉降集中区。  (2)中国总氮沉降在1996-2015年间呈现先增加后稳定的状态,氮沉降通量的全国均值在近10年保持在19.60 kg N ha-1 a-1左右。在总氮沉降的两个组分中,湿沉降呈现先增加后降低的趋势,干沉降则呈现持续增加的趋势。与此相对应的是干沉降在总氮沉降中所占的比例从1996-2000年的39%上升到2011-2015年的48%。同时,总氮沉降中的NHx/NOy比从1996-2000年的4.0下降到2011-2015年的2.1。  (3)中国大气干、湿沉降具有不同的空间格局和变异趋势。中国各省的干沉降在1996-2015年间呈现不同程度的增加趋势,到2011-2015年时形成以河北、天津、山东、河南、江苏等省市为高干沉降的集中区(干沉降大于25kg N ha-1 a-1),干沉降呈现以该区域为中心向北、西、南方向逐渐降低的趋势;在1980-2015年间,湿沉降大于25kg N ha-1a-1的高沉降区主要是在华南和华中地区,其他地区湿沉降较低,但值得注意的是华北地区逐渐成长为又一新的湿沉降高沉降区。  (4)氮肥施用、能源消费及降水是中国大气氮沉降空间格局的主要控制因子。其中,氮肥施用量和能源消费量可共同解释干沉降空间变异的94%;氮肥施用量、能源消费量和降水量可共同解释湿沉降空间变异的75%;氮肥施用量和能源消费量可共同解释总氮沉降空间变异的88%,降水量则无显著影响。  论文最后基于目前中国氮沉降的情形和中国政府的相关政策展望了中国未来的氮沉降趋势。中国政府近年已制定和实施了相关的农业措施、环保措施以及能源结构的调整,通过限制氮源排放将有助于氮沉降的降低。根据本论文的结果,目前中国的总氮沉降已趋于稳定,在这些措施的制定和实施下,中国的氮沉降可能会进一步降低,这对于缓解由于高氮沉降可能引起的生态问题具有重要的意义。
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