挪威西南部Bjerkreim河子流域内气源性氮的滞留

1993～1995年间,挪威西南部Bjerkreim河的19个子流域(685km^2)的氮的输入和输出得到了广泛的研究。河流干流出口处的氮通量为8.1～10.7(平均值:9.8)kg/hm^2·a。据估计,其中大约有60%是来自大气。森林集水区、石南灌丛荒地集水区和山地集水区的平均氮通量分别为2.3～4.2、4.2～5.0和6.3～8.7kg/hm^2·a。上述三种地区的总氮平均滞留指数(以[1-(N_(out)/N_(in)]表示)分别为:0.75～0.90、0.65～0.70和0.55～0.70。Bjerkreim流域(尤其是其山地区域)较高水平氮流失的可能原因为;①薄层土壤、稀疏植被和短暂生长季节导致的较低的氮吸收能力;②水利事件造成的氮流失,和③氮之外的其它因子,如磷,对植物生长所造成的限制。在无林土地和山地占主导地位的挪威南部,NO_3^-的流失是普遍现象,这导致了酸化问题日趋严重,同时也改变了水环境的营养平衡。

氮对挪威西南Bjerkreim河水酸度的作用

1980年以来,挪威南部酸化地区硫酸盐沉降已减少了40%,惟氮沉降却保持恒定。目前氮的湿沉降约为硫的2倍,因此,氮对地表水和土壤酸化的重要性增加了。在挪威西南Bjerkreim流域,氮成为重要的酸化因素。在该流域上游,要使径流水中酸度不超标,硫和氮沉降必须有实质性的减少。自从《1994硫议定书》实施以后,氮成了超标的主要部分,因而氮沉降的实质性减少实属必要。在大多数敏感的子流域中,硫和氮沉降比减少硫沉降能更有效地进一步抑制地表水的酸化。该流域河水和湖水中磷的浓度极低,通常低于检出限度(1μg/L),其部分原因是当地的地质情况与山地和高原地形占主导地位(56%)。陡峭的地形和浅薄的土壤造成雨后湍急的水流。流域的这些特征不仅造成了其酸化的敏感性,而且造成了其对大气输入的氮的保留能力。大量的氮沉降、大量的降水、土壤和地表水中磷含量低,这些因素的综合效应意味着径流中NO_3的高浓度可能反映了该流域无林部分土壤中磷的限制作用。

挪威南部两流域氮、硫和氯元素的大气沉降

挪威南部大气中污染物的沉降量较高,已超过敏感生态系统酸沉降的临界负荷。关于硫元素沉降的影响人们了解得相对比较清楚,但对有关氮氧化物与氮还原物的影响与归宿知之甚少。为研究挪威南部的氮循环,跨学科研究项目"氮——从山地到峡湾"于1991年启动。本项目旨在了解氮平衡与氮沉降在挪威南部两个不同流域造成的影响。主要工作内容为对大气输入进行定量化,并与径流输入及其他迁移数据进行比较。通过1993～1995年间大气与化学沉降监测数据以及区域研究监测结果对大气输入进行计算。在Bjerkreim流域,由于地形的影响,在研究区域内44个支流流域之间降水量的变化很大。氮元素的年沉降量在1400～2300mgN/m^2·a之间,最大值出现在降水量最大的山区。硫和氯的大气沉降也做了类似的观测、确定,以比较输入与径流数据,这也作为计算超过临界负荷量的一个依据。硫和氯元素年沉降量分别为900～1500mg S/m^2·a、12000～21000mg Cl^-/m^2·a。Auli流域的降水量则变化极少,其12条支流流域(估算了它们的输入数据)的氮、硫与氯元素沉降量变化不大。估计氮的年平均沉降量为1100～1250mg N/m^2·a,硫与氯元素的年沉降量分别在730～830mg S/m^2·a、1780～2200mg Cl^-/m^2·a之间。较高的降水发生率与该元素在大气中相对较低的含量导致干沉降所占比例较小,约为10%。

挪威两种不同营养化流域的氮滞留

应用质量平衡方法,经过三年时间,我们对挪威Eikeren流域的中等营养/富营养化水体和Bjerkreim流域的贫营养化水体中的氮滞留状况作了评价。研究表明,这些不同营养化湖泊每年的氮滞留情况是富营养化湖(20%～30%)高于贫营养化湖(<5%)。与他人的研究相反的是,氮滞留似乎与水滞留时间无关。这些发现说明,氮滞留与生物作用过程有关而与沉积作用无关。大多数氮/磷比值高的湖泊,仅有一部分氮是由于生物作用导致氮滞留。因此,我们认为,挪威湖泊中的氮滞留受磷制约,即如果氮/磷比值接近于水生植物生长需要的量时,不可能出现高的氮滞留。

流域内的氮循环研究——从山地到峡湾

人类活动对全球氮循环的作用对一些生态系统过程有严重影响。为解决部分此类问题,设立了一个大规模多学科项目,以集中研究各种来源氮的过程和效果问题。此项研究选择了两个大流域作为研究区域:挪威西南部以石南荒地为主体的Bjerkreim地区(693km^2)和东部以森林及农地为主体的Auli流域(366km^2)。这两个集水区中水文流动在氮循环和吸收动力学中都充当着主要角色。在Bjerkreim地区,大气负荷是主要氮源,而Auli流域则是农业活动占据完全优势。1992～1995年,整个水道的氮收支用15个监测站每两周收集一次的样品测算,汛期频率更高些,分析对象为主要离子、氮化合物、氮化合物、磷及有机碳。两流域都选取了代表性支流,以便对氮收支和氮过程进行更详细的分析。Bjerkreim流域所选支流包括两个石南荒地小区、两个森林小区(天然林区和人造林区)及一个农业小区。Auli流域选取了两个森林小区和两个农业小区。这两个很不相同的流域分别代表了挪威西南部和东南部的主要土地类型。在本篇导论性文章中,我们说明本项目的科学理论基础、项目结构及两流域的主要性质,以便为后面描述结果和主要结论的诸文章提供背景资料。