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亚热带典型流域大气氮湿沉降特征与环境效应及其同位素源解析

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第1章 文献综述

1.1 大气氮沉降

1.2 氮沉降的生态环境效应

1.3 氮的流失

1.4 同位素追溯氮污染来源

第2章 引言

2.1 研究目的与意义

2.2 研究内容

2.3 技术路线

第3章 材料与方法

3.1 区域概况

3.2 主要仪器与试剂

3.3 实验步骤与方法

3.4 数据处理与分析方法

第4章 结果与讨论

4.1 大气氮湿沉降特征

4.2 典型降雨事件对流域氮迁移、输出的影响

4.3 森林林冠对大气湿沉降的截留作用

4.4 同位素解析流域氮污染来源

4.5 大气氮沉降对流域水体水质的影响

第5章 结论与建议

5.1 主要结论

5.2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目

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摘要

氮是自然界中最重要的生源要素之一。随着人类活动的增加，氮循环过程受到了一定影响。化学肥料的不合理施用、化石燃料的燃烧、汽车尾气排放都直接或间接引起大气中氮浓度升高，加剧了氮沉降，导致酸雨、水体富营养化和土壤酸化等一系列环境问题。从全球尺度来看，在1860~1960年人为活性氮（Nr）的产生增长较慢，但在近50年来呈加速增长态势，由1860年仅为15 Tg攀升到1995年的156 Tg，直至2005年的187 Tg。目前，我国大气氮素沉降通量平均达到8.85 Tg?a-1，成为继欧洲和美国之后的第三大氮沉降区。我国位于地球环境变化最快的季风气候区，在流域尺度研究氮的输入与输出，有利于制定针对性措施控制和管理氮素流失，减轻氮素流失对生态环境的影响。目前，我国对流域氮污染的研究大多集中在长江、黄河和珠江等大河流域以及巢湖、太湖和滇池等主要湖泊流域，对于亚热带丘陵地区农业流域的研究相对较少。
　　本研究以江西千烟洲农业生态系统的典型小流域——香溪河流域为研究区，连续监测该地区的大气氮沉降、森林林冠对氮湿沉降的截留作用和地表径流等过程；采用同位素示踪手段解析流域内氮污染来源，揭示流域内氮循环过程以及对流域内水体水质的影响。获得如下主要研究结果：
　　1.2014年香溪流域降雨量为1330.5 mm，氮沉降通量达到41.72 kg?hm-2，不同降雨量的次降雨事件雨水中氮浓度存在差异，其中小雨中总溶解性氮（DTN）和溶解性无机氮（DIN）浓度较其它类型降雨浓度高。2014年总径流量2.74?105 m3，降雨量与径流量之间呈正相关关系，最高值均出现在6月；雨水的pH值范围为5.83~4.68，酸雨发生率约为75％。
　　在2014年春季无降雨条件下，流域内水体中游的氮素浓度较高，下游最低，总氮（TN）浓度最大值为12.10 mg?L-1。次降雨-径流事件下，DTN、硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）浓度最大值均出现在小雨中，在暴雨中最小，其原因是暴雨稀释了流域水体中各形态氮的浓度，也与当地施肥周期有关。
　　2.氮输出负荷的高值集中在雨季，降雨越多，氮输出量越高，3~6月TN输出负荷占全年的92.79%，全年流域内氮素输出量受雨季控制。流失的氮素形态中，NO3--N占DTN输出负荷的54.84%，DTN主要以硝态氮的形式流失；PN（颗粒态氮）流失量占TN输出负荷的54.98%，PN是TN输出的主要形式。
　　流域内大气氮湿沉降对河流氮素贡献量为385.2~511.1 kg，约占氮肥贡献率的4.3%~5.7%，2014年3~6月的6场降雨的氮素贡献量最低为3.06~4.06 kg（小雨），最高为30.62~40.63 kg（暴雨）。说明次降雨事件对流域氮素流失贡献很大，降雨强度越高，贡献率越大。
　　3.2014年冬季湿沉降的主要物质是氮和硫，N、S、C和P的沉降通量分别为4.31、14.57、2.03和0.19 kg?hm-2。冬季林下穿透雨中，各林种间营养组分增幅比例存在差异，森林林冠对DOC、TP、DTN和NH4+-N存在明显的离释作用，对TN、SO42-有一定的吸收作用，阔叶类的林下穿透雨中各浓度的增加幅度比针叶类明显。其中，阔叶林（木荷）对TP和DOC的离释作用最强，沉降通量增幅分别为10.6倍和5.3倍；马尾松对SO42-和NO3-的吸收作用最显著，吸收率分别达到28.38%和10.83%，对酸雨有一定的缓冲作用。
　　4.δ15N值的变化范围为+11.022‰~+20.648‰，δ18O值的变化范围为+17.622‰~+13.239‰，研究区属于农田生态系统，硝酸盐的主要来源是化学肥料、生活污水和动物粪便。河流下游水体污染源受人为活动干扰，存在较明显的反硝化作用。
　　5.研究区夏季溶解氧最低，低于5 mg?L-1，属于III类水质；春、秋和冬季溶解氧均高于7.5 mg?L-1，达到I类水质标准。2014年降雨和非降雨条件下整条河流的pH值均超过7，2015年香溪河下游pH的平均值为6.77，说明大气降雨和人为活动对河流的影响较大，应当引起重视。流域水体中TN浓度均超过河流富营养化阈值（1.5 mg?L-1），根据地表水环境质量标准（GB3838-2002）中总氮与氨氮浓度值划分，研究区水质范围为III类到IV类之间。尽管千烟洲试验区还没有出现富营养化，但也要注意大气氮沉降对农田生态系统养分输入的贡献。

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