中国农田活性氮(NH3、NO、N2O)排放及大气氮沉降特征研究

摘要

自哈伯法实现人工合成氨(NH3)以来，施氮(N)引起的农田土壤活性氮(Reactive nitrogen，Nr)排放急剧增加。我国作为传统农业大国，N肥的生产量和消费量均位居世界第一位。长期以来较高的N肥投入势必导致农田生态系统大气Nr排放和N沉降的加剧，并通过二次污染造成空气质量的下降。Nr作为一种资源同时又是一种污染物，已经对我国的社会、经济发展以及气候变化产生了巨大的影响。目前，我国对于施N引起的农田土壤Nr(NH3、NO和N2O)排放已经进行了大量的田间试验，且已在全国农田生态系统建立了大气N沉降的监测网络，积累了宝贵的文献数据。但是，我国关于区域尺度上农田Nr排放及大气N沉降特征的研究还鲜见报道，此外缺乏N沉降的长期定位监测。
　　因此，本研究通过构建农田土壤Nr排放与大气N湿/混合沉降相关参数的大样本数据库，系统的定量了我国农田土壤Nr背景排放系数和直接排放系数，并基于直接排放N源估算了农田土壤Nr排放量;同时，明确了农田生态系统大气N湿/混合沉降的年际变化规律及组分特征，估算了由于农田土壤Nr排放引起的大气N湿/混合沉降量。此外，在我国N沉降热点区域(河北平原）进行了系统的长期(2006.1-2017.3)定位监测，评估河北平原大气N干、湿/混合沉降特征，并对PM2.5污染现状及污染特征进行分析;最后，本研究对硝化抑制剂双氰胺(Dicyandiamide，DCD)在农田土壤Nr减排效果方面进行分析和验证，评价DCD对农田土壤Nr减排效应。通过以上研究，本文旨在为明确中国农田Nr排放及大气N沉降特征研究提供科学理论依据。主要研究结果如下:
　　1.农田土壤NH3背景排放系数在0-12.1kg N·hm-2·a-1之间，平均为3.30kg N·hm-2·a-1;主要农田类型水田、大田和菜田的背景排放系数分别为3.23kg N·hm-2·a-1、4.16kg N·hm-2·a-1和4.44kg N·hm-2·a-1。建立施N量与NH3挥发量相关方程，得出农田NH3直接排放系数为6.69％，水田、大田和菜田的NH3直接排放系数分别为6.08％、7.14％和5.16％。通过不同农田类型NH3直接排放系数与直接排放N源数据，本研究估算出2015年我国农田NH3排放总量为244万t，其中水田、大田和菜田的NH3排放量分别为53.4万t、163万t和27.7万t。
　　2.农田土壤NO背景排放系数在0-2.36kg N·hm-2·a-1之间，平均为0.32kg N·hm-2·a-1;主要农田类型水田、大田和菜田的背景排放系数分别为0.03kg N·hm-2·a-1、0.47kgN·hm-2·a-1和0.24kgN hm-2·a-1。土壤pH、土壤含水率(WFPS)以及土壤无机氮(TIN)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量对NO背景排放系数有较大影响，其中pH、NH4+-N与NO背景排放系数呈二项式负相关，WFPS、TIN和NO3--N与NO背景排放系数呈二项式正相关。农田NO直接排放系数为0.56％，其中水田、大田和菜田的NO直接排放系数分别为0.01％、0.36％和0.89％。2015年我国农田NO排放总量为13.1万t，其中水田、大田和菜田的NO排放量分别为0.09万t、8.22万t和4.77万t。
　　3.农田中旱地、水田的土壤N2O背景排放系数分别在0-13.1kg N·hm-2·a-1和0-7.30kg N·hm-2·a-1之间，平均为0.88kg N·hm-2a-1和0.69kg N·hm-2·a-1;不同农田类型、种植体系和轮作体系下土壤N2O背景排放系数差异较大，单季稻、双季稻、小麦、玉米、菜田、果园、水旱轮作、旱旱轮作的N2O背景排放系数分别为0.59kg N·hm-2·a-1、0.26kg N·hm-2·a-1、0.71kg N·hm-2·a-1、0.51kg N·hm-2·a-1、1.04kg N·hm-2·a-1、0.91kg N·hm-2·a-1、2.31kg N·hm-2·a-1和1.24kg N·hm-2·a-1。旱地、水田的N2O直接排放系数分别为0.97％和0.65％，其中单季稻、双季稻、小麦、玉米、菜田、果园、水旱轮作、旱旱轮作的N2O直接排放系数分别为0.70％、0.27％、0.51％、0.60％、1.18％、0.89％、0.83％和1.20％。2015年我国农田N2O排放总量为38.5万t，其中水田、大田、菜田和果园的N2O排放量分别为5.71万t、22.1万t、6.33万t和4.36万t。
　　4.农田生态系统大气N湿/混合沉降TIN、NH4+-N、NO3--N浓度及沉降量均不断增加，其中TIN浓度与沉降量自1980-1985年的2.20mg N·L-1和15.4kg N·hm-2·a-1增加到2011-2015年的3.05mg N·L-1和20.5kg N·hm-2·a-1，且均在2006-2010年处于最高水平，分别达到4.95mg N·L-1和27.9kg N·hm-2·a-1。农田生态系统大气N湿/混合沉降中NH4+-N主要受农田Nr排放的影响，通过对TIN组分浓度的分析得出，农田生态系统大气N湿/混合沉降以NH4+-N为主，其NH4+-N/NO3--N呈先上升后下降趋势;整体来看，1980-2015年间NH4+-N/NO3--N在1.36-4.77之间，其中2000年以前持续增加，然后逐年降低。基于农田Nr排放量及挥发N与沉降N的关系，估算出2015年由于农田Nr排放引起的大气N湿/混合沉降量约272万t。
　　5.河北平原农田生态系统大气N沉降总量（2011年）为58.6kg N·hm-2·a-1，其中干沉降为32.3kg N·hm-2·a-1，湿/混合沉降为26.2kg N·hm-2·a-1。6年监测数据表明，大气N湿/混合沉降以TIN为主，占湿/混合沉降总量的75％以上;NH4+-N是TIN的主要组成部分，占TIN总量的56.6-69.7％，平均达64.4％。干沉降中气态N和颗粒态N沉降量分别为22.1kg N·hm-2·a-1和10.2kgN·hm-2·a-1，其中气态NH3和颗粒态pNH4+分别为10.1kg N·hm-2·a-1和6.47kg N·hn-2·a-1，占干沉降总量的31.3％和20.0％。河北平原城郊生态系统，大气N沉降总量（2015-2017年）为37.1kg N·hm-2·a-1，其中干沉降为21.1kg N·hm-2·a-1，湿/混合沉降为16.0kg N·hm-2·a-1。大气N湿/混合沉降以NH4+-N为主，占TIN总量的59.4％;干沉降以NH3为主，占82.2％。监测期间（2015-2016年）PM2.5质量浓度为171.4μg·m-3·a-1，其中水溶性离子占PM2.5质量浓度的29.4％。对9种水溶性离子(F-、Cl-、NO3-、SO42-、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+)浓度的研究表明，NO3-、SO42-和NH4+浓度最高，分别为19.0μg·m-3·a-1、14.1μg·m-3·a-1和10.1μg·m-3·a-1，占总水溶性离子浓度的85.7％。
　　6.Meta分析表明，DCD对农田土壤NH3挥发和N2O排放的增减率分别在-66.8-40.3％和-59.5-4.3％之间，平均降低了11.3％的NH3挥发和29.9％的N2O排放。田间试验表明，DCD可显著降低土壤NH3和N2O的排放，在施N量为600kg N·hm-2·a-1和300kg N·hm-2·a-1时，分别降低了33.3％和88.2％的NH3挥发及53.8％和86.5％的N2O排放。
　　综上所述，我国农田土壤因施N引起的Nr(NH3、NO和N2O)排放量较高，其中NH3排放量最高，N2O和NO次之。硝化抑制剂双氰胺(DCD)对农田土壤NH3挥发和N2O排放具有一定的抑制作用。农田生态系统大气N湿/混合沉降量不断增加，其中TIN沉降量以NH4+-N为主，但2000年后NH4+-N/NO3--N有下降趋势。河北平原农田、城郊生态系统大气N沉降均以干沉降为主，其中NH3是干沉降主要组成部分;湿/混合沉降以TIN为主，NH4+-N是其主要组成部分。河北平原PM2.5质量浓度较高，且水溶性离子主要为NO3-、SO42-和NH4+。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 农田活性氮排放

1．2．2 农田大气氮沉降

1．2．3 活性氮排放对大气氮沉降的影响

2．1 研究思路

2．2 研究内容

2．3 技术路线

第三章 农田NH3排放系数和排放量估算

3．1 材料与方法

3．1．1 基础数据

3．1．2 数据库构建及分类

3．1．3 计算方法

3．2 结果与分析

3．2．1 农田NH3背景排放特征

3．2．2 不同农田类型NH3背景排放分析

3．2．3 施氮对农田NH3直接排放系数的影响

3．2．4 不同农田类型NH3直接排放系数分析

3．2．5 农田NH3排放量估算

3．3 小结

第四章 农田NO排放系数和排放量估算

4．1 材料与方法

4．1．1 基础数据

4．1．2 数据库构建及分类

4．1．3 计算方法

4．2 结果与分析

4．2．1 农田NO背景排放特征

4．2．2 农田NO背景排放影响因素分析

4．2．3 不同农田类型NO背景排放分析

4．2．4 施氮对农田NO直接排放系数的影响

4．2．5 不同农田类型NO直接排放系数分析

4．2．6 农田NO排放量估算

4．3 小结

第五章 农田N2O排放系数和排放量估算

5．1 材料与方法

5．1．1 基础数据

5．1．2 数据库构建及分类

5．1．3 计算方法

5．2 结果与分析

5．2．1 农田N2O背景排放特征

5．2．2 农田N2O背景排放系数

5．2．3 农田N2O直接排放系数

5．2．4 不同种植体系N2O排放系数

5．2．5 农田N2O排放量估算

5．3 小结

第六章 农田大气氮湿/混合沉降特征

6．1 材料与方法

6．1．1 基础数据

6．1．2 数据库构建及分类

6．2．2 NO3--N浓度时间变化

6．2．3 TIN浓度时间变化

6．2．4 TIN组分浓度的时间变化

6．2．5 大气N湿/混合沉降量的时间变化

6．2．6 大气N湿/混合沉降量估算

6．3 小结

第七章 河北平原大气氮干、湿/混合沉降及PM2．5污染特征

7．1 材料与方法

7．1．1 监测区概况

7．1．2 沉降样品的收集与分析

7．2 结果与分析

7．2．1 农田生态系统大气N沉降

7．2．2 城郊生态系统大气N沉降及PM2．5污染特征

7．3 小结

第八章 DCD对农田活性氮减排效应分析

8．1 材料与方法

8．1．1 基础数据

8．2．2 DCD对农田N2O排放的影响

8．2．3 DCD对农田Nr排放的影响

8．3 小结

第九章 综合讨论

9．1 农田土壤活性氮背景排放系数及直接排放系数研究

9．2 大气氮干、湿/混合沉降特征研究

9．3 大气PM2．5污染特征研究

9．4 典型事件对空气质量影响的启示

第十章 结论

参考文献

在读期间发表的学术论文

作者简历

致谢