2013年中国典型生态系统大气氮、磷、酸沉降数据集 中华文库

摘要：大气沉降是污染物质从大气圈去除最有效的过程之一，也是营养物质(如氮、磷、碱基离子)和有害重金属进入生态系统的重要途径。伴随降雨事件的湿沉降是大气沉降的重要途径，稳定的网络化观测是揭示大气湿沉降组分、时空格局及其影响因素最为直接有效的方法之一，可以为大气沉降的生态环境效应评估提供实时的数据支撑。2013年，研究人员基于中国生态系统研究网络和相关的兄弟台站，组建了中国典型生态系统大气湿沉降观测网络（China Wet Deposition Observation Network，ChinaWD）。截至2018年，已经在54个观测站点连续多年开展了相关的大气湿沉降观测工作，形成遍布全国且几乎覆盖了中国主要生态系统类型的大气湿沉降监测体系。ChinaWD网络的观测重点在于郊区或偏远地区的自然生态系统和农业生态系统等，具有系统全面的湿沉降观测指标体系，包括了大气氮、磷、酸、碱基阳离子及重金属。ChinaWD的建立极大地填补了中国自然生态系统湿沉降监测的空白，为我国生态文明建设提供科学的指导。本文以ChinaWD网络2013年41个典型生态系统的大气氮、磷、酸湿沉降通量为例，介绍该网络的运行状况、指标体系以及数据服务等相关信息，希望通过提供一个相对系统的指标体系，为关注生态环境健康的社会工作者和科研工作者提供全国自然生态系统相关信息的基础数据和参考值。

关键词：湿沉降；氮；磷；酸；生态系统；网络；ChinaWD

Abstract: Atmospheric deposition is commonly considered as the most effective approach to removing various pollutants from the atmosphere. It is also one of the main sources of nutrient and heavy metal input into natural terrestrial ecosystems. A systematic observation network of atmospheric wet deposition is helpful to quantify the deposition flux and explore the spatial-temporal pattern and influencing factors of wet deposition, which provides background references for ecological assessment. Long-term in situ observation is one of the three basic tasks of the Chinese Ecosystem Research Network (CERN). In 2013, China Wet Deposition Observation Network (ChinaWD) was established based on CERN. ChinaWD has 54 observation sites now, whose scope covers the main ecosystem types of China. It focuses on China’s natural and agricultural ecosystems and has adopted a systematic observation index system, including nitrogen, phosphorus, acid, base cation and heavy metal deposition. This dataset contains wet nitrogen (N), phosphorus (P), and acid deposition from 41 sites across China in 2013. The dataset is helpful for the design of nutrient addition experiments and model simulation.

Keywords: wet deposition; nitrogen; phosphorus; acid; terrestrial ecosystems; network; ChinaWD

大气中的物质通过降水（雪）而落到地面的过程，称为湿沉降，是气体和颗粒物最有效的大气净化机制^[1]。受到人类活动排放源的影响，大气湿沉降中往往包括多种组分，如氮、磷、硫酸根、重金属、挥发性有机物。并且某一地区人类活动强度的大小往往也影响了该地区某一特定组分的沉降通量^[2][3]。大气湿沉降已成为陆地生态系统可利用性营养元素（如氮和磷）一种重要的输入方式，也是污染物质（如硫和重金属）进入自然生态系统和人类居住环境的重要途径。因此，建立包含多指标的观测体系，且覆盖城市、自然和农业生态系统全方位的大气湿沉降观测网络显得尤为必要。

我国早期的大气降水化学研究多是集中于大城市，对于郊区或是偏远地区的自然生态系统则关注很少。例如，1992年我国成立的国家酸沉降监测网，其主要关注目标是降水的pH值和电导率；随后的含氮污染物监测网重点关注的是以氮氧化物及二氧化氮浓度为指标的城市大气环境质量监测，其大多数观测点都设置在城市，且主要分布在我国的东部发达地区，西部偏远地区的观测站点较少^[4]。此外，这些监测网除了观测地区存在不足，其观测指标也较为单一（以硫酸根和pH或者氮沉降为主）^[5]。随着我国经济发展和产业技术水平的不断发展，旧的环境问题得到改善，新的环境问题却也日益凸显，单一的观测指标并不能满足新时期生态文明建设的需要，系统全面的观测体系亟须得到应用与推广。然而，迄今为止，国内将大气氮、磷、酸等沉降作为整体的研究报道还非常罕见，一定程度上阻碍了人们对大气沉降及其生态环境效应的整体认识。

2013年，何念鹏研究小组以中国科学院生态系统研究网络（CERN）^[6]的全国各台站为依托，首次建立了中国区域典型陆地生态系统大气湿沉降观测网络（China Wet Deposition Observation Network, ChinaWD），在国内首次形成了系统性的大气氮、磷、酸、碱基阳离子及重金属的湿沉降监测体系和观测网络^{[7][8][9][2][3]}。此外，我们还将在未来继续拓展挥发性有机物、同位素等方面的观测。截至2018年，该网络已经稳定运行6年，观测站点也从初期的41个站点发展到了目前的54个典型生态系统站点，涵盖了森林、草地、农田、荒漠、湖泊、喀斯特、湿地以及城市等生态系统类型（图1）。ChinaWD网络的建立填补了中国自然生态系统、郊区及偏远地区大气湿沉降观测的空白。本文重点汇集和整理了ChinaWD网络2013年41个典型生态系统的大气氮、磷、酸湿沉降通量，并且介绍ChinaWD网络的运行状况、指标体系以及数据服务等相关信息，希望能够为相关环境保护政策的制定和实施提供数字支撑。

图1 中国典型生态系统大气湿沉降观测网络（ChinaWD）注：图中站点是2018年的54个站点；审图号：GS（2018）4935号。

1.1 样品采集与室内分析流程

目前ChinaWD的观测指标涵盖了大气氮、磷、酸、碱基阳离子及重金属等数十个参数，下一步还将拓展到挥发性有机物和同位素等。为了满足多指标测试的需要，在采样时尽量保证了样品是原始水样，即采样时不加入任何的抑制剂或是酸化处理，室内分析时再根据特定参数指标的测试需要进行特定的样品处理。

ChinaWD网络形成了观测站点负责样品采集、综合中心集中测试的分工，同时也建立了规范化的指标体系和操作流程。具体的收集测试方法如下：收集装置（雨量桶，只在降水时收集）置于离地面1.5 m以上，每月收集雨水3–5次，然后等体积混合雨水得到当月的雨水样品。将得到的雨水样品装入聚乙烯塑料瓶，保存在−20℃以下。站点收集的每月样品分成A和B两份邮寄到综合中心，测试时以A样品为主，B样品作为备用样品，以防样品丢失或是损坏。

室内分析的样品前处理时将A样品分成两份，一份样品为原水样，即不经过处理，另一份样品则经0.45 μm滤膜过滤，除去悬浮颗粒物，留下溶解态的水样。未过滤的样品先用美国卡尔斯巴德Myron L公司生产的pH计（Ultrameter-2 pH meter，Myron L. Company，Carlsbad，CA，USA）测试水质的基础指标，如pH、氧化还原电位、悬浮颗粒物；接着采用碱性过硫酸钾和过硫酸钾分别消解未过滤水样，然后用法国爱利安斯仪器公司生产的连续流动分析仪（FUTURA，Alliance Instruments，France）测量总氮和总磷（包括颗粒态磷和溶解性磷。颗粒态磷指的是被颗粒物吸附的磷，经过硫酸钾消解未过滤的水样，可以测定水样中的总磷；另外，测定过滤后的水样可以得到溶解性总磷。总磷和溶解性总磷的差值即为颗粒态磷）。过滤的样品直接采用连续流动分析仪测定铵态氮、硝态氮以及溶解性总氮。同时使用美国铂金埃尔默公司生产的电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES，Optima 5300DV，PerkinElmer，America）测量溶解性总磷、硫酸根、碱基离子以及重金属等微量元素。中国陆地生态系统大气湿沉降观测网络的具体室内分析流程见图2。

图2 中国陆地生态系统大气湿观测网络的操作流程和指标体系注：Cond表示电导率，DOC表示溶解性有机碳。

1.2 计算过程

我们测试时得到的是湿沉降中组分的浓度值，需要将其计算成沉降通量，计算方法如下：

(1)

式中：D表示各组分的湿沉降通量（如氮、磷、硫），单位为kg ha-1；Ci 表示降水中各组分的平均浓度，单位为mg L-1；Pi 表示每次的降水量，单位为mm；100表示单位换算系数。每个月沉降量的累积量就是湿沉降组分的年沉降通量。

本数据集包括台站代码－名称索引信息、以及湿沉降组分的年沉降通量值。具体的内容及各字段涵义如表1。

表1 本数据集内容及字段涵义

ChinaWD观测网络具有严格的质量保证与质量控制规范，观测数据从前期的样品采集、室内的样品测试操作规程到后期的数据采集、录入到入库共享，须经过台站－综合中心质控体系和流程检验。

台站采样时主要依靠经验丰富的固定监测人员完成，采用统一定制的样品编号标记，并及时冷冻样品保证样品质量，以防变质。室内分析时，所用的仪器均有标准的操作规程，使用标准的母液和空白样品进行测试和校正。样品测试时使用的方法均是常用的国家标准方法，以氮为例，采用的是分光光度法（GB 11894-89）。这些常用的方法也被其他的一些大型观测网络所采用，例如东亚酸沉降网（Acid Deposition Monitoring Network in East Asia，EANET）、欧洲监测和评价计划（the European Monitoring and Evaluation Programme，EMEP）、美国洁净空气状况和趋势网络（Clean Air Status and Trends Network，CASTNET）等。

此外，数据整理时，我们采用拉依达（PauTa）准则进行异常值剔除。根据正态分布理论，观测值的残差小于等于3倍标准差的概率约为99.7%，因此，当观测值的误差大于3倍标准差时，该值为异常值的可能性较大，予以剔除，以保证数据的可靠性。当遇到某个月的降水样品缺失且该月有降水时（＞5 mm），采用该站点月的年平均值进行插补，以保证数据的连续性和可比性。

ChinaWD观测网络是一个系统性的湿沉降观测网络，其监测数据有助于弥补我国在陆地生态系统大气湿沉降监测方面的空白，形成覆盖大气氮、磷、酸、碱基阳离子及重金属等多指标的观测体系。基于多年连续的网络观测数据构建的基础数据平台，可以作为我国自然生态系统污染物监测的背景参考，为相关环境保护政策的制定和实施提供数据支撑，为我们“保护青山绿水”的生态文明建设提供指导。此外，我们也希望ChinaWD的观测数据也能够为关心我国生态环境质量健康的团体组织和工作者提供数据源。

本数据集由CERN综合研究中心提供数据共享资源。用户可打开数据资源服务网站（http://www.cnern.org.cn），登录系统后，在首页点击“数据论文数据”图表或在“数据资源”栏目选择“数据论文数据”中的“碳氮水通量观测专题”，进入相应的数据浏览、下载页面。也可登录Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/638）访问数据集信息。读者如需进一步了解本数据集观测数据的研究方法或研究结论，可参考本论文相关的参考文献^[6][3]，或与本文的通信作者联系。

我们感谢CERN各台站和相关的兄弟台站对ChinaWD观测网络建立的支持和帮助，感谢台站监测人员在样品采集和配送时付出的辛勤和努力。

朱剑兴, 王秋凤, 于海丽, 等. 2013年中国典型生态系统大气氮、磷、酸沉降数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-07-30). DOI: 10.11922/sciencedb.638.