川西平原城乡过渡带大气氮沉降特征及影响因素研究

来源 :四川农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:forest_28
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城乡过渡带是人类活动改变大气下垫面状况最剧烈的区域之一。随着城区化的发展,该区域形成了较为有序的人口、产业和土地利用上的圈层结构。然而,大气氮沉降在该圈层结构上的分布特征及影响机制尚不清楚。本研究以川西平原城区-集约化农区-普通农区过渡带为研究区域,基于典型性布置9个采样点,连续两年开展氮沉降定位监测,并利用小波分析、地理信息系统、灰色关联分析和通径分析等技术系统研究了氮湿、干沉降通量的时空变异特征及气象和土地利用的影响机制。主要研究结论如下:(1)基于典型样点连续监测摸清了城乡过渡带大气氮湿干沉降的种类、强度和时空变异特征。大气湿沉降中铵态氮(WNH4+-N)、硝态氮(WNO3--N)和可溶性有机氮(WDON)的年均通量分别为16.07±2.42 kg N hm-2,8.70±1.63 kg N hm-2和9.14±1.857 kg N hm-2 yr-1,干沉降中铵态氮(DNH4+-N)、硝态氮(DNO3--N)和可溶性有机氮(DrON)的年均通量分别为9.24±2.01 kg N hm-2,5.32±1.26 kg N hm-2和5.98±1.25 kg N hm-2 yr-1。湿沉降的季节性变异表现为夏季(6-8月)最高,冬季(12-2月)最低(P<0.05),干沉降正好相反。湿、干沉降空间变异特征基本一致,均表现为:沿城区-集约化农区-普通农区过渡带,NH4+-N年通量呈先增后减的趋势;NO3--N呈逐渐降低的趋势,空间变异显著(P<0.05);有机氮和全氮(WTN)表现为城区和集约化农区显著高于普通农区(P<0.05)。(2)阐明氮总沉降的构成特征,估算农业生态系统的沉降氮输入量。大气氮总沉降的时空变异特征与湿沉降相似,其构成特征表现为湿沉降显著高于干沉降(P<0.05),铵态氮(NH4+-N)显著高于有机氮(ON)和硝态氮(NO3--N)(P<0.05)。研究区农业生态系统的氮沉降输入量巨大,分别为水田、旱地和园地氮肥施用量的17.0%-20.1%,11.7%-21.6%和10.9%-15.1%。因此,在设计作物施肥量时应考虑氮沉降的输入量。(3)基于小波相干分析摸清了气象因素对氮沉降的季节驱动。大气湿、干沉降活性氮组分在不同时间尺度上的周期性波动是降雨量、温度、风速和相对湿度4个气象因素的联合调控的结果。夏季的降雨量是全区WNO3--N和WDON以及城区WNH4+-N月通量影响最大的正向驱动因子;温度是WDON月通量影响次之的正向驱动因子。风速在春夏季分别是集约化农区WNO3--N和WNH4+-N月通量最大的正、反向驱动因子;而在冬春季不仅是城区和普通农区DNH4+-N正向驱动因子,也是城区DNO3--N和DrON的反向驱动因子。相对湿度在冬春季是全区DrON和普通农区DNO3--N月通量的正、反向驱动因子。(4)结合遥感和地理信息系统摸清了土地利用对大气氮沉降的影响。首次发现监测点4km范围内关键土地利用面积与氮沉降关系密切,并用“源”、“汇”土地利用类型解释了中小尺度大气氮沉降的时空变异。在监测点4km范围内,NH4?-N年通量与水田、园地、设施农用地和公路面积呈正相关,与旱地、普通农区道路用地和林草地面积呈负相关。NO3--N和有机氮年通量均与城区和公路面积呈显著正相关(P<0.05),与水田、旱地和村庄面积呈负相关。基于月沉降通量与土地利用的相关性分析结果表明,设施农用地和施肥季的水田氨挥发,秋冬季城区和公路的无机态硝氮(NOx)排放,夏季城区、公路和设施农用地的有机氮排放密切有关;另一方面,肥料施用量较小、且氮排放量较小的农用地、没有硬化的普通农区道路和林草地均可能是氮沉降的汇,应该在城区和乡村规划中积极考虑。(5)基于灰色关联分析和通径分析方法,耦合气象因素和人为因素,筛选识别各氮沉降组分的关键影响因素。用灰色关联分析和通径分析进行氮沉降影响度排序,结果表明气象因子对大气氮湿、干沉降的影响度大于土地因子。其中,降雨和风速分别对湿、干沉降的影响最大。WNH4+-N的关键性影响因子为温度和降雨,WNO3--N和WDON为降雨、温度和公路用地,DNH4+-N为风速、相对湿度、设施农用地和水田,DNO3--N为风速、相对湿度、公路用地,DrON沉降为风速、相对湿度、设施农用地和公路用地。
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