PDF《离子交换树脂法在天童森林内外氮素 湿沉降观测中的应用》

第6期2015年1 1月 华东师范大学学报( 自然科学版) J o u r n a l o fE a s tC h i n aN o r m a lU n i v e r s i t y( N a t u r a lS c i e n c e ) N o .

6 N o v .

2 0

1 5 文章编号:

1 0

0 0

5 6

4 1 (

2 0

1 5 )

0 6

0 1

1 7

0 9 离子交换树脂法在天童森林内外氮素 湿沉降观测中的应用 李丹丹1,

2 , 苏渝钦1,

2 , 周陶冶1,

3 , 郑泽梅1,

2 , 王希华1,

2 ( 1.华东师范大学 生态与环境科学学院, 上海

2 0

0 2

4 1;

2. 华东师范大学 浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站, 上海

2 0

0 2

4 1;

3.华东师范大学 生态与环境科学学院 上海市城市化生态过程与恢复重点实验室,上海

2 0

0 2

4 1 ) 摘要:为了解天童地区森林内外氮素湿沉降的组分分配及其季节动态特征, 基于离子交换树脂 法对其森林内外氮素湿沉降量进行了为期2年(

2 0

1 1年3月至2

0 1 3年2月) 的观测. 研究发现: (

1 ) 天童森林内外硝态氮沉降月总量分别在0.

2 2~3.

7 3k g ・N / ( h m

2 ・月) 和0.

1 3~2.

8 5k g・ N / ( h m

2 ・月) 之间波动, 均呈现出秋冬季较高、 夏季较低的季节动态特征;

森林内外铵态氮沉降 月总量在0.

1 7~1.

3 5k g ・N / ( h m

2 ・月) 和0.

2 1~1.

4 4k g ・N / ( h m

2 ・月) 之间波动, 春季沉降 量略低于其他季节;

(

2 ) 天童森林内外氮素湿沉降量的季节动态受到研究区域所属季风气候、 夏 季台风和农事活动的综合影响;

(

3 ) 森林内外硝态氮与铵态氮沉降量比例的年平均值均为0. 9, 表明化石燃料燃烧与农事活动对本地区氮素湿沉降的影响相当;

( 4) 天童森林内外氮素湿沉降 年总量分别为1 8.

8 6k g ・N / ( h m

2 ・年)和1 7.

5 1k g・N / ( h m

2 ・年) ,氮素湿沉降年总量符合 中国东部森林氮沉降量由北向南逐渐增加的趋势. 关键词:氮沉降;

离子交换树脂法;

天童;

森林 中图分类号:X

5 1

7 文献标识码:A :10.

3 9

6 9 / j . i s s n .

1 0

0 0

5 6

4 1.

2 0

1 5.

0 6.

0 1

5 收稿日期:

2 0

1 4

1 0 基金项目: 国家青年基金(

3 1

0 0

0 2

3 1 ) 第一作者: 李丹丹, 女, 硕士研究生, 研究方向为植被生态学. E m a i l : l i d a n d a n

5 4

1 2 0@1

6 3. c o m. 通信作者: 郑泽梅, 女, 副研究员, 硕士生导师, 研究方向森林碳氮循环与全球变 化. E m a i l : z m z h e n g@ d e s . e c n u . e d u . c n . 镒 镒椽嶙樽 状 镒 糇遄 镒 樽 状 嶙镒 LID a n d a n 1,

2 , S U Y u q i n 1,

2 , Z HOU T a o y e 1,

3 , Z HE NGZ e m e i 1,

2 , WANGX i h u a 1,

2 ( 1. 犁 状 状镒遄炖 遄, 樽彳 状, 犁嶙200241, 樽;

2. 嶙镒畿 镒 镒蠢 镒 , 樽彳 状, 犁嶙200241, 樽;

3. 犁嶙 嶙 状 铼镒, 犁 状抛镒遄炖遄, 樽彳 状, 犁嶙200241, 樽) :Thef l u x e so fw e tn i t r o g e nd e p o s i t i o ni n s i d ea n do u t s i d eT i a n t o n gf o r e s tw e r eo b 华东师范大学学报( 自然科学版)

2 0

1 5年servedf o r2y e a r s( f r o m M a r c h2

0 1 1t oF e b r u a r y2

0 1

3 ) , b a s i n go nI o n e x c h a n g er e s i nm e t h o d , t oe x a m i n e t h e c o m p o s i t i o na n d t h e s e a s o n a l d y n a m i c so fw e t n i t r o g e nd e p o s i t i o n i nT i a n t o n g f o r e s t . T h er e s u l t ss h o w e dt h a t :(

1 ) T h em o n t h l yf l u x e so fn i t r a t en i t r o g e n i n s i d ea n do u t s i d e f o r e s tw e r e0.

2 2~3.

7 3k g・N / ( h m

2 ・m o n t h) a n d0.

1 3~2.

8 5k g・N / ( h m

2 ・m o n t h) , r e s p e c t i v e l y , w h i c hb o t hh a dh i g h e r f l u x e s i na u t u m na n dw i n t e r ,w h i l e l o w e r f l u x e s i ns u mm e r .T h e m o n t h l y f l u x e so f a m m o n i u mn i t r o g e n i n s i d e a n do u t s i d e f o r e s tw e r e

0 .

1 7 ~

1 .

3 5k g ・N / ( h m

2 ・m o n t h ) a n d0.

2 1~1.

4 4k g ・N / ( h m

2 ・m o n t h) , r e s p e c t i v e l y .T h em o n t h l yf l u x e so fa mm o n i u mn i t r o g e nw e r e l o w e r i ns p r i n gt h a ni no t h e rs e a s o n s .( 2) T h en i t r a t en i t r o g e nd e p o s i t i o nf l u x e sw e r e l o w e r t h a na mm o n i u mn i t r o g e nd e p o s i t i o nf l u x e s i ns p r i n ga n ds u mm e r ,w h i l eh i g h e r i na u t u m n a n dw i n t e r .M o r e o v e r , t h ea v e r a g er a t i oo fn i t r a t en i t r o g e nt oa mm o n i u m n i t r o g e n w a s0. 9, w h a t e v e r i n s i d ea n do u t s i d ef o r e s t .( 3)T h ew e tn i t r o g e nd e p o s i t i o nf l u x e sw e r eh i g h e ri na u t u m na n dw i n t e r i n s i d ea n do u t s i d e f o r e s t , r e s p e c t i v e l y , r e s u l t e df r o mt h e i n f l u e n c e so fm o n s o o n c l i m a t e , t y p h o o n s i ns u mm e ra n dt h ef a r m i n ga c t i v i t i e s i nT i a n t o n gr e g i o n . ( 4)T h ea n n u a lw e t n i t r o g e n d e p o s i t i o nf l u x e si n s i d e a n d o u t s i d ef o r e s t w e r e

1 8.

8 6 k g・ N / ( h m

2 ・ a)a n d

1 7.

5 1k g ・N / ( h m

2 ・a ) , r e s p e c t i v e l y . :nitrogend e p o s i t i o n ;

i o n e x c h a n g er e s i nm e t h o d ;

T i a n t o n g ;

f o r e s t

0 引言目前, 化石燃料燃烧和农田施肥量增加等人类活动的加剧使得大气氮沉降量明显增加 并趋于全球化[ 1] . 大气化学传输模型模拟结果表明, 包括中国在内的东南亚地区已成为继北 美和欧洲之后的第三大氮沉降集中区[

2 ] . 长江三角洲作为中国东部最大和最重要的经济区, 经济的高速发展使该地区成为了全国氮素湿沉降最高的地区之一[

3 4] , 并且随着社会经济的 进一步发展, 该地区的氮素湿沉降量还会持续升高[ 5] . 作为长江三角洲地区地带性植被的常 绿阔叶林是我国最复杂、 生产力最高、 生物多样性最丰富的植被类型之一, 对该地区的环境 保护和维持区域碳平衡具有重要作用[

6 ] . 加大我国常绿阔叶林地区森林内外氮素湿沉降( 穿 透雨的氮素沉降和大气降水中的氮素沉降) 的监测力度, 摸清氮素湿沉降在森林内外的分配 格局, 将有助于了解长江三角洲地区的生态环境现状, 对该地区生态环境的可持续发展管理 具有重要的指导价值. 传统的森林内外氮素湿沉降观测多采用降水采集法进行[

7

9 ] . 该方法采用雨量器收集林内 外降水, 虽然费用低, 样点布置灵活, 但是需要人工频繁采样, 耗时费力[

1 0 ] . 目前国内多采用降 水降尘自动采集仪进行氮素湿沉降观测[

1 1

1 2 ] . 该方法自动采集降水能节省人力, 但采集装置放 置于林内时, 凋落物常堵塞接雨装置, 易造成机械故障, 由此产生的对降水事件响应的不稳定 性会增加观测结果的不确定性. 此外, 如果无法及时测定采集的降水样品, 会引起样品中反应 性无机氮含量和组分发生变化, 从而增加观测结果的误差[

1 3 ] . 采用离子交换树脂法进行氮素 湿沉降观测时, 离子交换树脂的交换官能团能吸附降水中的阳离子( NH+

4 ) 和阴离子( N O

3 、 N O

2 ) , 并将之分别固定在树脂上带异电荷的官能团上, 增强它们的稳定性, 极大地减少了对样 品的储存要求[

1 3 ] ;

同时, 该方法测定氮素湿沉降量无需考虑降水量, 观测装置简单并可多点布 置, 能弥补降水降尘自动收集仪仅为观测单点沉降量的不足. 离子交换树脂法在国外氮素湿沉 降的观测中已得到广泛应用[

1 4

1 6 ] , 近些年在我国也逐步得到推广[

1 7

1 8 ] .

8 1

1 第6期 李丹丹, 等: 离子交换树脂法在天童森林内外氮素湿沉降观测中的应用 宁波天童地区是我国典型常绿阔叶林的重要集中区, 本研究基于离子交换树脂法对天 童森林内外氮素湿沉降量进行了为期两年的观测(

2 0

1 1年3月至2

0 1 3年2月) , 分析了森 林内外氮素湿沉降的组分分配特征和季节变化规律, 以期为研究常绿阔叶林的氮循环过程 及其对氮沉降响应的研究奠定基础.

1 材料与方法 1.

1 研究区域 研究地点位于浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站站区内( 北纬2

9 °

4 8 ′ , 东经1

2 1 °

4 7 ′ , 海拔1

6 0m) . 研究区域隶属浙闽山地常绿阔叶林生态区( VA 1) 东部, 气候属中 亚热带湿润季风气候. 年平均气温1

6 .

2 ° C, 最热月平均气温2

8 .

1 ° C, 最冷月平均气温4 .

2 ° C. 年 降水量13

7 4.

7 mm, 多集 中于夏季 ( 6―8 月) , 占全 年 降水量 的35% ~4 0%, 冬季(12― 2月) 冷而干燥, 仅占全年降水量的1 0%~1 5%( 见图1 ) . 1.

2 不同品牌树脂交换率和浸提回收率的比较 因本研究中2

0 1 1年3月至1 1月使用了科密欧7

1 7和7

3 2离子交换树脂,

2 0

1 1年1 2月 起使用国药集团生产的7

1 7和7

3 2离子交换树脂. 考虑到离子树脂的交换率和浸提回收率 会影响观测结果的稳定性和精度[

1 9] , 为了保证观测数据的一致性, 采用室内模拟降水比较 了两种品牌树脂对氮素离子( NH+

4 和NO

3 ) 的交换率和浸提回收率. 分别配置4个浓度( 0.

5、

1、 2和5m g / L) 的NH+

4 和NO

3 的标准溶液并进行混合, 同时 设置对照处理( 去离子水) . 用滴定管的阀门控制模拟降水, 分别将不同浓度的溶液5 0m L, 滴入装有同一品牌阴、 阳离子交换树脂各1 0g的PVC管内, P V C 管下放置烧杯接滤过液. 每个浓度设3个重复. 通过测定滤过液中 NH+

4 和NO

3 的浓度, 确定离子交换树脂的交换 率, 并根据下式计算: =1- a-b ()s*1

0 0%. (

1 ) 式中, 惚硎纠胱咏换皇髦慕换宦( %) , s为标准溶液中 NH+

4 或NO

3 的浓度( m g / L) , a为滤过液中 NH+

4 或NO

3 的浓度( m g / L) , b 是对照处理滤过液中 NH+

4 或NO

3 的浓 度( m g / L) . 模拟降水完成后, 往PVC管内加入1m o l / LK C l浸提液3 0m L, 将离子交换树脂转移 至塑料瓶中, 在摇床上振荡6 0m i n后过滤, 测定该滤过液中 NH+

4 和NO 3的浓度. 共重复上 述浸提步骤3次. 根据下式计算浸提回收率: 抛=∑状=1 ( 米- 状0) s- a +b *1

0 0%. (

2 ) 式中, 抛舯硎咀 次浸提后离子交换树脂吸附的 NH+

4 或NO

3 的回收率( %) , 米牒米

0 分别 表示第状次浸提时, 标液混合溶液和对照处理的滤过液中 NH+

4 或NO

3 浓度( m g / L) , s、 a、 b 的意义同公式(

1 ) . 滤过液和浸提液中 NH+

4 和NO

3 的浓度均采用流动注射分析仪 ( S KA L A R,N e t h e r l a n d s ;

A L L I AN C E, F r a n c e ) 测定得到. 1.

3 森林内外氮素湿沉降观测 森林内外氮素湿沉降分别选在观测站的气象观测场和附近的木荷林内进行. 在气象观 测场和木荷林内分别随机选择5处放置观测装置, 装置构造同盛文萍等[

1 3 ] . 每月更换一次

9 1

1 华东师范大学学报( 自然科学版)

2 0

1 5年 装有阴阳离子树脂各5g的PVC管. 用1m o l / L 的KCl溶液5 0m L 对取回的树脂进行浸 提, 在摇床上振荡6 0m i n后过滤, ........