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ACP:青藏高原活性氮湿沉降研究取得进展
2015-10-22

活性氮是指大气圈和生物圈中具有生物活性、光化学活性或辐射活性的含氮化合物。自20世纪中叶以来,工业固氮、化石燃料燃烧和固氮植物种植等人类活动产生的活性氮急剧增加,继而导致大气活性氮沉降呈持续上升趋势。至21世纪初,亚洲已成为继欧洲和北美之后的第三大氮沉降集中区。活性氮沉降增加改变了碳、氮、磷等元素的生物地球化学循环,对陆地和水生生态系统的结构与功能等造成了显著影响。为了准确评估生态系统的活性氮输入量,欧洲、美国、加拿大、澳大利亚和日本等许多国家和地区建立了完善的氮沉降观测网。在中国,一些区域性氮沉降观测也已相继展开,如:京津冀地区、中国东部南北样带森林和中国南部亚热带森林等。而在中国西部,尤其是地域广袤的青藏高原,氮沉降观测仍十分匮乏,这导致中国氮沉降的定量评估产生了很大的不确定性。另外,冰芯和湖芯记录揭示青藏高原活性氮沉降数十年来呈持续增加趋势,且多梯度氮施肥试验表明青藏高原高寒生态系统对活性氮沉降增加非常敏感。因此,基于野外观测量化研究青藏高原氮沉降对于准确刻画青藏高原乃至中国氮沉降特征及高寒生态系统氮沉降增加的生态效应具有重要意义。

近日,中国科学院高寒生态学与生物多样性重点实验室、青藏高原研究所旭日副研究员课题小组依托青藏高原观测研究平台的5个野外台站(图1)开展氮湿沉降原位观测,系统研究了青藏高原无机活性氮湿沉降特征:沉降量、季节动态和来源等。研究发现,在藏东南站、纳木错站、珠峰站、阿里站和慕士塔格站,NH4+-N湿沉降量分别为:0.63、0.68、0.92、0.36和1.25 kg N ha−1 yr−1,NO3-N湿沉降量分别为:0.28、0.24、0.03、0.08和0.30 kg N ha−1 yr−1,总无机氮湿沉降量分别为:0.91、0.92、0.94、0.44和1.55 kg N ha−1 yr−1。这5个台站无机氮湿沉降均以NH4+-N湿沉降为主,且主要发生于夏季(图2)。富集因子分析和主成分分析结果表明,青藏高原无机氮湿沉降主要源于人为活动导致的活性氮排放。后迹轨向分析结果揭示,慕士塔格站无机氮湿沉降主要由西风带传输,源于中亚和中东地区;其他4个台站无机氮湿沉降则主要由印度季风传输,源自南亚地区(图3)。结合本研究和文献记录的无机氮湿沉降观测结果,估计青藏高原平均NH4+-N、NO3-N和总无机氮湿沉降量分别为:1.06、0.51和1.58 kg N ha−1 yr−1。与此相比,以往基于少量观测数据的插值分析和基于多种大气化学传输模型的模拟分析皆高估了青藏高原的无机氮湿沉降量。本研究为准确刻画青藏高原区域活性氮沉降特征提供了关键的数据支撑,并为高寒生态系统对活性氮沉降增加的响应与反馈等研究提供了重要的背景依据。

本研究成果已发表于《Atmospheric Chemistry and Physics》,刘永稳博士为第一作者,旭日副研究员为通讯作者。论文链接:http://dx.doi.org/10.5194/acp-15-11683-2015

特别感谢中国科学院藏东南高山环境综合观测研究站、中国科学院纳木错圈层相互作用综合观测研究站、中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站、阿里荒漠环境综合观测研究站和慕士塔格西风带环境综合观测研究站在样品采集和气象数据获取等方面提供的帮助。本研究由中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”(XDA05050404-3-2、XDA05020402)和国家自然科学基金(40605032、40975096、41175128)资助。

图1青藏高原无机氮湿沉降观测点分布图。红色点是本研究观测点,黑色是文献记录观测点。

图2青藏高原5个台站无机氮湿沉降季节动态图。

 

图3青藏高原5个台站无机氮湿沉降采样期间500米高度气团7天后向轨迹图。黑色线是湿沉降采样日气团后向轨迹(每天4次:00:00、06:00、12:00、18:00 UTC)。红色线是气团后向轨迹聚类分析结果。

 

 

图3青藏高原5个台站无机氮湿沉降采样期间500米高度气团7天后向轨迹图。黑色线是湿沉降采样日气团后向轨迹(每天4次:00:00、06:00、12:00、18:00 UTC)。红色线是气团后向轨迹聚类分析结果。