盧俊平,張曉晶,劉廷璽*,張文瑞,劉 禹（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)土木與水利建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

內(nèi)蒙古是中國西北華北重要的沙塵暴源區(qū).大氣沉降不僅影響環(huán)境空氣質(zhì)量,而且對沙源區(qū)水環(huán)境也產(chǎn)生嚴(yán)重影響.大氣沉降不僅是維系初級生產(chǎn)力所需營養(yǎng)物質(zhì)的主要途徑,更是陸地和海洋生態(tài)環(huán)境新增和外在污染物的主要輸入方式,是地球物質(zhì)循環(huán)的重要途徑之一[1].伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人類活動(dòng)過程中化學(xué)氮肥的廣泛使用、化石燃料消耗量的急劇增加,導(dǎo)致全球氮素沉降呈現(xiàn)顯著增加的態(tài)勢[2-4].不斷向陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)沉降的氮磷營養(yǎng)鹽,會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力,對植物生長有一定促進(jìn)作用[5-6],但是當(dāng)大氣沉降攜帶的氮磷物質(zhì)組份濃度和比重過高,會(huì)導(dǎo)致受納水體表層酸堿度值與營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化,從而引起水體酸化、生態(tài)系統(tǒng)多樣性喪失等一系列嚴(yán)重的生態(tài)問題,甚至可能引發(fā)水華等負(fù)面效應(yīng)[7-8].因此,大氣氮磷沉降及其造成的生態(tài)環(huán)境影響問題逐漸引起世界各國學(xué)者、公眾的重點(diǎn)關(guān)注[9-11].

歐美洲等一些較發(fā)達(dá)的國家,較早就開始了對大氣干、濕沉降方面的監(jiān)測研究.1843年,Goulding等[12]率先在英國建成了世界上第一個(gè)大氣氮沉降試驗(yàn)站.1977年,歐洲的大氣氮沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（EMEP）落成.1980年,美國大氣沉降監(jiān)測計(jì)劃（NADP）開始實(shí)施.1990年,加拿大的大氣與降雨監(jiān)測網(wǎng)站（CAPMON）也相繼投入使用,形成了大氣氮沉降觀測研究網(wǎng)絡(luò),主要研究如何應(yīng)用模型模擬不同生態(tài)系統(tǒng)的大氣氮沉降量和沉降負(fù)荷[13-14].全球大氣氮沉降量伴隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,呈現(xiàn)逐年增加的趨勢,受到諸多學(xué)者的關(guān)注和研究.Galloway等[15]研究表明,19世紀(jì)60年代大氣氮沉降量僅為31.6Tg/a,到20世紀(jì)90年代中后期,大氣氮沉降總量達(dá)到了103Tg/a,預(yù)計(jì)到21世紀(jì)50年代全球大氣氮沉降總量將接近195Tg/a.中國作為繼北美、歐洲之后的全球三大氮沉降集中區(qū),對大氣氮沉降的研究始于20世紀(jì)70年代.國內(nèi)魯如坤等[16]最早開啟了大氣氮沉降研究進(jìn)程,國內(nèi)眾多學(xué)者隨后陸續(xù)開始對農(nóng)田[17]、森林[18]、草地[19]等各類生態(tài)環(huán)境的大氣氮磷沉降展開一系列相關(guān)研究工作.近幾年,部分學(xué)者在對湖庫水體富營養(yǎng)化成因進(jìn)行深入調(diào)查后,發(fā)現(xiàn)大氣氮素沉降對水生態(tài)系統(tǒng)惡化發(fā)揮著不可忽視的作用,并相繼展開深入分析.諸如Moline等[20]收集了歐洲和北美42個(gè)不同地區(qū)的非生產(chǎn)性湖泊的化學(xué)數(shù)據(jù)和浮游植物生物量數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)與這些地區(qū)的無機(jī)氮（N）沉降進(jìn)行了比較,表明歐洲和北美大片地區(qū)無機(jī)氮的沉降增加導(dǎo)致湖泊無機(jī)氮濃度升高,且無機(jī)氮濃度的升高導(dǎo)致了浮游植物的富營養(yǎng)化和生物量的增加.Elser等[21]討論了大氣氮沉降驅(qū)動(dòng)下的N:P化學(xué)計(jì)量變化和營養(yǎng)鹽限制.認(rèn)為持續(xù)的氮沉降在磷限制的低磷浮游植物與富磷浮游動(dòng)物消費(fèi)者之間會(huì)產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量失衡,可能導(dǎo)致較高營養(yǎng)水平的產(chǎn)量減少.Xu等[22]評估了長江流域不同反應(yīng)性N（Nr）排放源對總DIN大氣氮沉降的相對貢獻(xiàn).結(jié)果表明在流域范圍內(nèi),與牲畜（11%）、工業(yè)（13%）、發(fā)電廠（9%）、運(yùn)輸（9%）和其他（18%）相比,化肥使用（40%）是主要來源.陳春強(qiáng)等[23]利用WRF-CMAQ模型研究發(fā)現(xiàn),典型沙塵和灰霾過程中,中國近海TIN干沉降通量均值分別為6.77,3.01mgN/（m2·d）,是晴朗天的 6.84,3.04 倍.國內(nèi)外眾多學(xué)者以往的研究重點(diǎn)集中于我國南部海洋、海灣及沿海海域地區(qū),研究熱點(diǎn)為大氣氮磷時(shí)空分異規(guī)律、沉降通量、污染特征、污染貢獻(xiàn)和環(huán)境效應(yīng)等,并取得了顯著進(jìn)展,而對于北方內(nèi)陸水庫（湖泊）大氣氮磷沉降主要污染來源及不同季節(jié)大氣氣團(tuán)運(yùn)移軌跡至今鮮有報(bào)道.尤其對分布于沙源區(qū)的水庫水體受風(fēng)沙等極端氣候作用下,水體水環(huán)境氮磷污染來源研究不足,污染成因認(rèn)識不清.本研究在對沙源區(qū)水庫大氣氮干、濕沉降污染特征及季節(jié)變化特征進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上,旨在通過借助 HYSPLIT4后向軌跡模型,解析研究區(qū)大氣氮沉降的主要污染來源,以期為京蒙沙源區(qū)水庫氮污染防治提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)的布設(shè)

大河口水庫（42°13′19.17″N,116°38′4.00″E）位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟多倫縣境內(nèi)灤河干流.水庫水域面積為 17.26km2,東側(cè)的吐力根河和西側(cè)的灤河是水庫的主要 2條補(bǔ)給河流.水庫水深 2.30～14.10m,水流流速為0.05～0.13m/s.根據(jù)1953～2017年多倫縣氣象站統(tǒng)計(jì)資料,該地區(qū)多年平均年降水量為384.9mm,2017年多倫縣全年降水量 377.7mm,其中6～8月份降水量為 252mm,約占全年降水量的三分之二.年主導(dǎo)風(fēng)向以西南風(fēng)和西風(fēng)為主,多年平均最大風(fēng)速20.3m/s,歷年實(shí)測最大風(fēng)速28m/s（1997年6月10日）,風(fēng)向?yàn)閃NW;全年以WSW方向的風(fēng)平均風(fēng)速最大,為 5.0m/s,揚(yáng)沙和沙塵暴天氣頻繁出現(xiàn),年揚(yáng)沙日數(shù)為 3.7d.水庫周邊范圍內(nèi)分布有大面積的沙地、撂荒地、荒草地、林地、耕地等典型地塊及煤化工企業(yè).大河口水庫受當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骷碍h(huán)境特征影響已經(jīng)呈現(xiàn)出富營養(yǎng)化狀態(tài),前期研究表明大氣氮磷等營養(yǎng)鹽干濕沉降是致使大河口水庫呈現(xiàn)富營養(yǎng)化的主要成因之一[24].

根據(jù)大河口形狀及周邊污染源分布特征,在大河口水庫周邊布設(shè)12個(gè)大氣干、濕沉降監(jiān)測站點(diǎn).每個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)放置 3個(gè)大氣沉降采集器.監(jiān)測站點(diǎn)布置方案見圖1.

圖1 大河口水庫大氣沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Layout scheme of atmospheric deposition monitoring points in the Dahekou Reservoir

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 大氣沉降樣品采集與測試 大氣氮干、濕沉降物采集參照《大氣降水樣品的采集與保存標(biāo)準(zhǔn)》[25]、《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[26]和《環(huán)境空氣降塵的測定（重量法）》[27]進(jìn)行.采集器為自行研制并已申請發(fā)明專利的大氣干濕沉降自動(dòng)采集裝置（內(nèi)徑 150mm 的標(biāo)準(zhǔn)玻璃缸 2個(gè),置于高出地面1.5m處的鐵架中,由自控感應(yīng)裝置控制干、濕沉降玻璃缸蓋自動(dòng)切換）[28].根據(jù)全年各月大氣干、濕沉降監(jiān)測點(diǎn)收集的干、濕沉降重量（或體積）及樣品中TN含量,結(jié)合各站點(diǎn)大氣干、濕沉降采集器個(gè)數(shù)、采集器面積,分別用式（1）和式（2）計(jì)算全年各月大氣TN干、濕沉降通量.

干沉降采集:每月月初干沉降標(biāo)準(zhǔn)玻璃缸處于敞開狀態(tài),降水發(fā)生瞬間采集器通過安裝的雨滴感應(yīng)裝置自動(dòng)將采樣器干沉降玻璃缸用蓋密封,降水結(jié)束后又立即打開.每月最后1d 收集采集器中干沉降玻璃缸中的樣品.

干沉降通量計(jì)算公式如下:

式中:Fd為大氣 TN月干沉降通量,kg/km2;kd為換算系數(shù),無單位,kd=10-3;C為收集液中的TN質(zhì)量濃度,mg/L;V為收集液體積,L;S為采集器面積,0.018m2;kd/S=56.59×10-3m-2;f為采樣時(shí)間系數(shù),d-1,f=t/24;t為樣品收集的時(shí)間.

濕沉降采集:在每次降水開始后,由感應(yīng)器和驅(qū)動(dòng)裝置將濕沉降標(biāo)準(zhǔn)玻璃缸自動(dòng)打開,降水結(jié)束后從采集器中收集降雨或降雪樣品.每月記錄濕沉降采集次數(shù)和降水量.降水量采用翻斗式雨量計(jì)自動(dòng)記錄.

濕沉降通量計(jì)算公式如下:

式中:Fw為大氣TN月濕沉降通量,kg/（km2·month）;kw為單位換算系數(shù),無單位,kw=10-3;Ci為雨或雪水中TN質(zhì)量濃度,mg/L;Vi為采集雨、雪水的體積,L;S為采集器面積,0.018m2;h為月降水量,mm;n為月降水（雪）次數(shù).

大氣干、濕沉降中總氮含量分析參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》中的 A 類方法進(jìn)行,TN測定采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法[29].為保證數(shù)據(jù)的有效性和精確度,TN含量測定做空白樣平行對照檢測,每個(gè)樣品均進(jìn)行 2組平行測試,取 2組均值作為檢測值.檢測值的精密度和準(zhǔn)確度的允許偏差參照標(biāo)準(zhǔn)方法中的水質(zhì)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制指標(biāo).

1.2.2 研究區(qū)周邊土壤采集與檢測 根據(jù)研究區(qū)土地利用類型,將大河口水庫周邊土地劃分為旱地、林地、沙地、草地、采礦用地等典型地塊,每次在典型地塊3個(gè)不同位置距土壤表層以下1cm處采集樣品.取樣頻率為每季度一次.所有樣品均委托中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,選用Isoprime100-EA儀器進(jìn)行上機(jī)檢測 δ15N-TN值.采樣點(diǎn)布設(shè)見表1.

表1 水庫周邊典型地塊采樣點(diǎn)布設(shè)Table 1 Layout of sampling points of typical plots around the reservoir

1.3 氣團(tuán)后向軌跡分析

利用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的氣團(tuán)后向軌跡模型（HYSPLIT-4）和全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（GDAS）氣象數(shù)據(jù),對大河口水庫地區(qū) 2017年 1月～12月不同季節(jié)做 48h后向軌跡分析,分別繪制500m、1000m和1500m高度的后向軌跡,用以反映大氣團(tuán)運(yùn)移軌跡和解析污染物的輸送過程及來源.

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣總氮干、濕沉降通量及變化特征

2.1.1 大氣總氮干、濕沉降通量統(tǒng)計(jì)分析 根據(jù)對大河口水庫周邊布設(shè)的12個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行為期1年的TN干、濕沉降監(jiān)測分析數(shù)據(jù),計(jì)算得到大河口水庫TN沉降通量.統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.

表2 大河口水庫大氣氮干濕沉降通量和總沉降通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Deposition amounts of atmospheric nitrogen in Dahekou reservoir

由表2可見,大河口水庫全年大氣TN干沉降通量變化范圍為 122.44～425.64kg/（km2·month）,平均值為 200.83kg/（km2·month）.濕沉降通量變化范圍1.23～188.89kg/（km2·month）,平均值為66.33kg/（km2·month）.全年各月大氣總氮干、濕沉降通量變異系數(shù)分別為 0.44和 1.00.水庫周邊受年內(nèi)降水分配不均的影響,大氣總氮濕沉降通量與干沉降相比變異特征更為顯著.從沉降類型上分析,大氣總氮沉降主要以干沉降為主,為 2409.9kg/km2,占總沉降通量的 75.17%;濕沉降通量為 796.0kg/km2,占總沉降通量的 24.83%.2017年研究區(qū)沙塵天數(shù) 6d,沙塵暴集中在春季 4月份,月大氣總氮干沉降通量為425.64kg/（km2·month）,分別是春季3月份、5月份風(fēng)沙前后大氣總氮干沉降通量的2.41倍和2.13倍.與我國其他湖、庫大氣總氮干濕沉降通量對比,受北方地區(qū)常年降雨稀少,春秋季節(jié)風(fēng)沙較大的季風(fēng)氣候影響,表現(xiàn)出大河口水庫大氣氮干沉降通量高于北里湖、無錫太湖,濕沉降通量低于北里湖和太湖的特征[30-31]（表 3）.雖然下墊面條件、實(shí)驗(yàn)方法和測定方案存在的差異性對數(shù)據(jù)的可比性會(huì)產(chǎn)生一定影響,但是本研究成果足以表明北方沙源區(qū)的大氣氮干沉降通量相當(dāng)可觀,對大河口水庫水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)不容忽視.見表3.

表3 全國部分湖泊、水庫大氣氮干、濕沉降通量對比Table 3 Comparison of dry and wet atmospheric nitrogen deposition fluxes of some lakes and reservoirs

2.1.2 大氣總氮干、濕沉降通量季節(jié)性變化特征 Galloway等[15]研究表明,就全球范圍來看,大氣氮沉降均值為 5kg/（hm2·a）,目前我國大氣氮素濕沉降通量平均達(dá)到8.85Tg/a[32].大河口水庫大氣總氮沉降通量為 3205.9kg/（km2·a）,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了生態(tài)系統(tǒng)大氣氮沉降飽和度的臨界點(diǎn) 2500kg/（km2·a）[33],約為全國氮沉降平均水平（790kg/（hm2·a））的 4.06倍,證明大河口水庫研究區(qū)已經(jīng)成為高氮沉降區(qū).與國內(nèi)其他地區(qū)湖庫大氣總氮年沉降通量相比（表 4）,大河口水庫總氮年沉降通量高于太湖、滇池、珠江口研究區(qū),低于太湖地區(qū).同時(shí)對比中還發(fā)現(xiàn),太湖與太湖梅梁灣兩個(gè)不同研究區(qū)的大氣總氮年沉降通量分別為 4538kg/（km2·a）和 2652～3300kg/（km2·a）,說明大氣沉降通量存在地區(qū)差異.同一地區(qū) 2017年大河口水庫的大氣總氮沉降通量為 3205.9kg/（km2·a）,是 2014年該研究區(qū)大氣總氮年沉降通量2875.82kg/（km2·a）的1.1倍[24],且濕沉降通量與降水量的關(guān)系為 y=2.2349x-1.928,呈線性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.9613）.這說明大氣氮沉降通量除了與地區(qū)氣候、環(huán)境條件有關(guān)外,還與年份間的環(huán)境、降雨量、采樣點(diǎn)周邊的環(huán)境有密切的關(guān)系[5].與國外其它地區(qū)的大氣氮年沉降通量相比（表 3）,大河口水庫仍處于較高水平,大氣總氮年沉降通量分別是西班牙高山湖泊、加拿大阿爾伯塔窄湖、歐洲北海灣的 3.4,7.6和 3.4倍.由此可見,中國作為全球大氣氮沉降三大集中區(qū),大氣沉降作用對地表水體營養(yǎng)鹽賦存水平、水生態(tài)環(huán)境及水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)應(yīng)引起格外重視.

表4 國內(nèi)外部分湖泊、水庫大氣氮沉降對比Table 4 Comparison of atmospheric nitrogen deposition of some lakes and reservoirs

大氣氮沉降通量在不同月份、不同季節(jié)及不同生態(tài)條件下會(huì)受到來源、降雨、風(fēng)速和風(fēng)向等不同因素的影響.2017年 1月～12月大河口水庫大氣氮干、濕沉降通量隨季節(jié)變化較為顯著（圖2）.

圖2 大河口水庫大氣TN干濕沉降通量Fig.2 Wet and dry deposition flux of atmospheric nitrogen in Dahekou reservoir

由圖2可見,大河口水庫春（3～5月）、夏（6～8月）、秋（9～11月）和冬（12月～翌年2月）四季大氣TN干沉降通量分別為 802.35,532.34,628.67,446.54kg/km2.春、秋季節(jié)的大氣氮干沉降通量明顯高于夏、冬季節(jié),這與研究區(qū)氣候條件與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān).根據(jù)多倫縣氣象站統(tǒng)計(jì)資料,2017年該地區(qū)平均風(fēng)速為 3.3m/s,年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)?WSW 風(fēng),出現(xiàn)頻率為12.8%,觀測期全年以春、秋季節(jié)風(fēng)速最大（如4月平均風(fēng)速為 4.4m/s）、春季最小風(fēng)速為 3.4m/s,最大為6.0m/s,大風(fēng)揚(yáng)沙天數(shù)出現(xiàn)了 6d.大風(fēng)天氣下水庫周邊裸露的耕地、沙地、干鹽湖底泥極易起塵,引起空氣中顆粒物含量驟增,有助于含氮顆粒物的運(yùn)移,增加大氣氮沉降的輸入.此外,大河口水庫地處渾善達(dá)克沙地腹地和農(nóng)牧養(yǎng)殖區(qū)、種植區(qū),被大面積的風(fēng)沙源區(qū)、養(yǎng)殖基地、農(nóng)耕區(qū)包圍,秋季在為農(nóng)田作物追肥及施用農(nóng)藥等人為活動(dòng)的影響下,部分氮肥和農(nóng)藥會(huì)隨著風(fēng)沙攜帶進(jìn)入空氣中,促使大氣氮干沉降通量增加.夏季受降雨量及降雨頻率的增多,空氣中顆粒物含量驟減,干沉降通量為 532.34kg/km2,分別低于春、秋季節(jié)干沉降通量 802.35kg/km2和628.67kg/km2;冬季休耕期大氣總氮干沉降通量降低至 446.54kg/km2,干沉降主要來源于多倫縣城采暖期居民及供熱公司作物秸稈和煤化石燃料燃燒排放的煙塵、粉塵顆粒通過大氣擴(kuò)散遠(yuǎn)距離輸移.從大氣總氮濕沉降各季變化特征分析,水庫春、夏、秋、冬四季大氣 TN濕沉降通量分別為 169.22,478.05,131.46,17.27kg/km2,春、夏季大氣總氮濕沉降通量明顯高于秋、冬季節(jié),約占全年沉降總量的81.32%.與王小治等[40]對太湖地區(qū)的大氣氮沉降進(jìn)行研究得出大氣氮濕沉降輸入以溶解態(tài)氮為主,且存在春夏高于秋冬季節(jié)的變化特征的結(jié)論相吻合.歸因于研究區(qū)降雨量年內(nèi)分配極不均勻,年降水 70%～80%集中在汛期春、夏兩季,多以暴雨形式出現(xiàn),暴雨有利于大氣氮沉降進(jìn)入水體,導(dǎo)致氮沉降量偏大.且受夏季高溫的影響,畜禽糞便中氮素容易揮發(fā),上述原因均會(huì)導(dǎo)致大氣中氨氮升高,進(jìn)而影響大氣中氮素沉降量[41].另據(jù)研究報(bào)道,由雷電作用產(chǎn)生的氮素也是導(dǎo)致濕沉降含氮量偏高的原因之一[42].

2.2 大氣氮沉降穩(wěn)定同位素源解析

2.2.1 典型地塊土壤 δ15N-TN特征值域確定 通過對研究區(qū)周邊風(fēng)沙污染源進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,大河口水庫周邊易起塵的土地類型有旱地、水澆地、沙地、林地、草地、采礦地、脫硫土堆場等.本次大氣氮沉降污染源解析重點(diǎn)在輻射水庫的周邊半徑為 15km范圍內(nèi),選擇 14個(gè)典型地塊進(jìn)行土壤樣品采集和δ15N-TN分析測試.布點(diǎn)方案見圖3.

圖3 大河口水庫周邊典型地塊采樣點(diǎn)布置Fig.3 Layout of sampling points of typical plots around Dahekou reservoir

2017年1～12月,按照春、夏、秋、冬季節(jié),分別對研究區(qū)內(nèi)14個(gè)不同典型地塊進(jìn)行樣本采集,共采集樣本個(gè)數(shù)76個(gè).測定樣品中的δ15N-TN值并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析.詳見表5.

表5 研究區(qū)典型地塊δ15N-TN值統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistic on the value of δ15N-TN in every representative block

研究區(qū)土地利用類型不同,土壤中的δ15N-TN值也各不相同.旱地土壤中δ15N-TN 平均值為6.12‰,最小值 5.29‰,最大值 7.52‰;水澆地中δ15N-TN 最小值為 4.13‰,最大值為 5.27‰,平均值為 4.67‰.水澆地與旱地土地利用類型均為耕地,δ15N-TN 的范圍值卻不盡相同,出現(xiàn)差異性的原因可能為農(nóng)田管理水平不一造成.張煜等[43]研究證實(shí),與不施肥相比,農(nóng)田中施用有機(jī)肥均能增加土壤中δ15N值;沙地中δ15N-TN 值域區(qū)間較小,值域范圍為7.02‰～7.38‰,平均值為 7.22‰;林地中δ15N-TN 值偏低,最小值僅為 0.49‰,最大值為 5.6‰,平均值為3.03‰.草地中δ15N-TN 最小值為 4.69‰,最大值為7.32‰,平均值為 5.84‰.脫硫土因加工工藝等因素δ15N-TN 值域極大,最小值為 28.15‰,最大值為37.12‰,平均值為 36.45‰.

2.2.2 大氣氮沉降穩(wěn)定同位素源解析 由表5可見,不同典型地塊 δ15N-TN 值域范圍交集較為嚴(yán)重,其中以沙地、林地、水澆地交集最為嚴(yán)重.根據(jù)研究區(qū)不同地塊土壤中 δ15N-TN 值域范圍,對研究區(qū)大氣氮干沉降分春、夏、秋、冬季節(jié)進(jìn)行源解析（圖4、表6）.

表6 大氣沉降不同季節(jié)輸入源所占百分比Table 6 The percentage of atmospheric dust input source in different seasons

由圖4和表6可見,不同季節(jié)大氣氮干沉降來源差異性較大.春季的干沉降的主要來源為可識別的沙地,有 40%的樣品來自于沙地;不可識別的混合源（沙地、林地、旱地、水澆地、草地）所占比例為50%,結(jié)合實(shí)際情況,春季受季風(fēng)氣候影響,風(fēng)力較大,旱地、水澆地這一時(shí)期基本處于裸露狀態(tài),且這一時(shí)期農(nóng)業(yè)活動(dòng)逐漸復(fù)蘇,農(nóng)耕過程土壤密實(shí)度下降,呈蓬松狀態(tài),受風(fēng)力作用更容易被帶入大氣中,而草地整體植被覆蓋性要高于其他地塊,因此,結(jié)合研究區(qū)實(shí)際,春季沉降的主要來源為沙地、耕地（旱地、水澆地）.夏季有 71.4%的大氣氮沉降樣品來源于不可分辨的混合源輸入,具體分析夏季研究區(qū)植物覆蓋率達(dá)到全年最高,但受耕地人為活動(dòng)的影響、研究區(qū)降雨量與蒸發(fā)量不對等與耕地這一時(shí)期土壤結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)較其它地塊更容易被帶入大氣中.因此,綜合分析夏季研究區(qū)大氣氮沉降主要來源于位于水庫正北及西北方向,距離水庫周圍約2.57km處的耕地,總面積約 14.58km2.秋季大氣氮干沉降樣品中 45%來源于西南方向距離水庫約 4.9km,面積約為 0.31km2范圍內(nèi)可識別的沙地,10%來源于可識別的旱地,不可分辨的混合源占總樣品數(shù)的 37.5%,秋季大氣沉降主要來源為沙地.冬季大氣沉降中 35%來源于可分辨沙地,不可識別的混合源為 52.5%.冬季研究區(qū)風(fēng)向主要以西北風(fēng)為主,可結(jié)合多倫縣大河口水庫周邊土地利用類型圖,可以看出水庫西北方向主要以草地、沙地為主.因此,綜合氣象、地理等資料,冬季大氣氮沉降主要來源于沙地與草地.

圖4 大氣干沉降樣中δ15N分布Fig.4 Distribution of δ15N in atmospheric dry dust-fall

研究區(qū)春、夏、秋、冬四季干沉降的主要來源略有差異,春、秋、冬季受氣象條件、氣候特征及研究區(qū)地形等一系列因素的影響,干沉降的主要來源為沙地,超過 35%的樣品來源于沙地,另一主要污染源為研究區(qū)周圍的耕地.

2.3 HYSPLIT4后向軌跡模型溯源

HYSPLIT4（后向軌跡模型）是由美國國家海洋大氣研究中心空氣資源實(shí)驗(yàn)室（NOAA）開發(fā)的一款軟件,該模型較挪威大氣研究所開發(fā)的 FLEXPART6.2模型和美國環(huán)境保護(hù)署開發(fā)的CALPUFF5.8模型有更好性能.HYSPLIT4 模式在輸送、擴(kuò)散和沉降過程方面考慮得較為完整,模擬時(shí)間精度最高可精確到小時(shí),在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于分析污染物來源及確定傳輸路徑等,是目前研究區(qū)域大氣污染輸送影響的常用方法之一[44].為了進(jìn)一步追蹤揚(yáng)沙天氣氮降塵的遠(yuǎn)程來源地區(qū),將大河口水庫設(shè)為中心研究點(diǎn)（116°38′4.00″E,42°13′19.17″N）,以2017年1～12月為模擬時(shí)段,以每日00:00（UTC）為后推起始時(shí)間,利用 HYSPLIT 模式模擬氣流移動(dòng)48h的后向軌跡.考慮到邊界層的擴(kuò)散和混合,分別以500m、1000m和1500m高度的后向軌跡來反映大河口水庫研究區(qū)云下氣團(tuán)的來源.模擬結(jié)果按季節(jié)表示,結(jié)果見圖5.

圖5 氣團(tuán)后向軌跡

2017年春季（3～5月）,研究區(qū)發(fā)生了較為嚴(yán)重的揚(yáng)沙天氣,在海拔 500m和 1500m高度條件下模擬48h后向軌跡可見,1500m高空氣團(tuán)從蒙古國入境我國北部,與減弱的黃海高壓之間極易形成東北--西南向的氣流幅合帶.在變性極地大陸氣團(tuán)控制之下,地面增熱迅速,降水稀少,多會(huì)發(fā)生大風(fēng)或沙塵暴天氣.大風(fēng)攜帶著巖石風(fēng)化、土壤、火山噴發(fā)的塵埃等天然源和礦物質(zhì)燃燒、汽車尾氣等人為污染源通過遠(yuǎn)距離的大氣輸移對大河口水庫水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生重要影響.同時(shí),500m低空氣團(tuán)自我國正北方向而來,速度較快,強(qiáng)烈的氣團(tuán)活動(dòng)可以將渾善達(dá)克沙地沙子、農(nóng)區(qū)耕地土壤、牧區(qū)動(dòng)物糞便局地卷入氣團(tuán)中近距離擴(kuò)散至大河口水庫,增加水體中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度.與北方春季氣團(tuán)運(yùn)移軌跡不盡相同,王雪梅等[45]用氣團(tuán)后向追蹤法研究了太湖流域春季的大氣環(huán)流特征,發(fā)現(xiàn)太湖流域春季的成雨氣團(tuán)多數(shù)來源于我國西北地區(qū)和西南方孟加拉灣上空.夏季（6～8月）,由于南方熱帶海洋氣團(tuán)來的晚退的早,研究區(qū)主要受境外蒙古低壓控制,風(fēng)速較小,表現(xiàn)為大氣降塵主要以濕沉降為主,且大氣粉塵及氣溶膠主要源于多倫縣及附近區(qū)域的交通運(yùn)輸、汽車尾氣、建筑施工揚(yáng)塵、工業(yè)生產(chǎn)煙塵以及其他人類活動(dòng)排放的大氣污染物等人為污染源近距離輸送.秋季（9～11月）,正值冷暖氣團(tuán)的交替時(shí)期,東南和西南海洋性季風(fēng)氣團(tuán)和局地蒸發(fā)水汽的影響作用較強(qiáng)烈,無論是 500m低空氣團(tuán)還是1500m高空氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡變化均較大,活動(dòng)較為頻繁,大風(fēng)和風(fēng)沙天氣較多.高濃度的風(fēng)沙塵在長距離傳輸過程中會(huì)與遇到的氣態(tài)或顆粒態(tài)污染物發(fā)生混合、交匯等相互作用,最終以干沉降方式或者經(jīng)雨水淋濾、沖刷作用以濕沉降方式進(jìn)入地表水體或土壤.冬季（12～2月）,蒙古高壓成為研究區(qū)的基本氣壓系統(tǒng),氣團(tuán)由西北向東南方向運(yùn)移,地面和高空均盛行西北風(fēng).12月份多次出現(xiàn)了高濃度降塵,由48小時(shí)后向軌跡可見,處于500m低空氣團(tuán)來源于蒙古國境內(nèi)的蒙古大沙漠,移動(dòng)速度較慢;而 1500m高空氣團(tuán)自塔吉克斯坦北部穿越蒙古國中部、我國內(nèi)蒙古錫林郭勒一帶而來,移動(dòng)速度較快.冬季我國北方及靠近我國北方的蒙古、塔吉克斯坦等國的風(fēng)沙攜帶和夾裹的營養(yǎng)鹽對水庫的貢獻(xiàn)也不容小視.楊龍?jiān)猍34]研究也認(rèn)為,我國西北地區(qū)冬季采暖期間的大氣污染和春季頻繁發(fā)生的沙塵暴也是造成北方沙區(qū)水體春季水環(huán)境變差的因素之一.

3 結(jié)論

3.1 大河口水庫全年大氣總氮總沉降通量為3205.9kg/（km2·a）,約為全國氮沉降平均水平（790kg/（hm2·a））的4.06倍,水庫研究區(qū)已經(jīng)成為高氮沉降區(qū).從沉降類型上看,大河口水庫大氣沉降主要以干沉降為主,占總沉降總量的 75.17%,通量為 2409.9kg/km2;濕沉降占24.83%,通量為796.0kg/km2.與國內(nèi)其它地區(qū)湖庫大氣總氮沉降通量相比大河口水庫總氮沉降通量高于太湖、滇池、珠江口研究區(qū),低于太湖地區(qū).

3.2 大氣總氮干、濕沉降通量隨季節(jié)變化特征較為顯著.2017年春、夏、秋、冬大氣總氮干沉降通量分別為 802.35kg/km2、532.34kg/km2、628.67kg/km2和 446.54kg/km2.春、秋季節(jié)明顯高于夏、冬季節(jié),約占全年大氣干沉降通量總量的 59.38%;濕沉降通量表現(xiàn)為春、夏季明顯高于秋、冬季,約占全年濕沉降總量的 81.32%.這與研究區(qū)年內(nèi)季節(jié)性降水分配不均、春秋季節(jié)風(fēng)沙大、土地開發(fā)利用類型、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān).

3.3 不同季節(jié)大氣總氮干沉降來源差異性較大.春、秋季節(jié)大河口水庫有 40%～45%的干沉降樣品主要來源為可識別的沙地;夏季大氣氮沉降主要來源于耕地,總面積約 14.58km2.冬季大氣氮沉降主要來源于沙地與草地.不同季節(jié)氣團(tuán)運(yùn)移攜帶著巖石風(fēng)化、土壤、火山噴發(fā)的塵埃等天然源和礦物質(zhì)燃燒、汽車尾氣等人為污染以大氣干、濕沉降方式進(jìn)入地表水體,對北方地表水環(huán)境發(fā)生變化起到了至關(guān)重要的影響作用.