2013年中國典型生態系統大氣氮、磷、酸沉降數據集

2013年中國典型生態系統大氣氮、磷、酸沉降數據集
作者：朱劍興　王秋鳳　於海麗　張瓊予　何念鵬
2018年12月28日

本作品收錄於《中國科學數據》

朱劍興, 王秋鳳, 於海麗, 等. 2013年中國典型生態系統大氣氮、磷、酸沉降數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019, 4(1). (2018-07-30). DOI: 10.11922/csdata.2018.0030.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：大氣沉降是污染物質從大氣圈去除最有效的過程之一，也是營養物質(如氮、磷、鹼基離子)和有害重金屬進入生態系統的重要途徑。伴隨降雨事件的濕沉降是大氣沉降的重要途徑，穩定的網絡化觀測是揭示大氣濕沉降組分、時空格局及其影響因素最為直接有效的方法之一，可以為大氣沉降的生態環境效應評估提供實時的數據支撐。2013年，研究人員基於中國生態系統研究網絡和相關的兄弟台站，組建了中國典型生態系統大氣濕沉降觀測網絡（China Wet Deposition Observation Network，ChinaWD）。截至2018年，已經在54個觀測站點連續多年開展了相關的大氣濕沉降觀測工作，形成遍布全國且幾乎覆蓋了中國主要生態系統類型的大氣濕沉降監測體系。ChinaWD網絡的觀測重點在於郊區或偏遠地區的自然生態系統和農業生態系統等，具有系統全面的濕沉降觀測指標體系，包括了大氣氮、磷、酸、鹼基陽離子及重金屬。ChinaWD的建立極大地填補了中國自然生態系統濕沉降監測的空白，為我國生態文明建設提供科學的指導。本文以ChinaWD網絡2013年41個典型生態系統的大氣氮、磷、酸濕沉降通量為例，介紹該網絡的運行狀況、指標體系以及數據服務等相關信息，希望通過提供一個相對系統的指標體系，為關注生態環境健康的社會工作者和科研工作者提供全國自然生態系統相關信息的基礎數據和參考值。

關鍵詞：濕沉降；氮；磷；酸；生態系統；網絡；ChinaWD

Abstract & Keywords

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

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2013年中國典型生態系統大氣氮、磷、酸沉降數據集
數據作者	朱劍興、王秋鳳、於海麗、張瓊予、何念鵬
數據通信作者	何念鵬（henp@igsnrr.ac.cn） 王秋鳳（qfwang@igsnrr.ac.cn）
數據時間範圍	2013年
地理區域	全國41個生態系統觀測台站，包括了阿克蘇、哀牢山、安塞站、北京站、草原站、常熟站、大興安嶺、當雄站、鼎湖山、東靈山、洞庭湖、多倫站、鄂爾多斯、封丘站、阜康站、貢嘎山1600 m、貢嘎山3000 m、海北站、海倫站、鶴山站、呼中站、環江站、會同氣象、會同蘇溪口、拉薩站、臨澤站、欒城站、茂縣站、奈曼旗、千煙洲、三江站、沙坡頭、神農架、瀋陽站、桃源站、西雙版納、鹽亭站、 鷹潭站、禹城站、長白山、長武站。
數據量	20 KB
數據格式	*.xlsx
數據服務系統網址	http://www.cnern.org.cn/data/meta?id=40576 ； http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/638
基金項目	國家重點研發計劃（2016YFA0600104），中國科學院戰略性先導科技專項（XDA19020302），中國科學院科技服務網絡STS計劃（KFJ-SW-STS-169）。
數據庫（集）組成	本數據集包括了2個部分：1）台站代碼－名稱索引信息，站點地理坐標；2）氮（銨態氮、硝態氮、溶解性總氮、總氮）、溶解性總磷、硫酸根沉降通量、pH的年數據。

Dataset Profile

Title	Atmospheric nitrogen, phosphorus, and acid deposition in Chinese terrestrial ecosystems (2013)
Data corresponding authors	He Nianpeng (henp@igsnrr.ac.cn), Wang Qiufeng (qfwang@igsnrr.ac.cn)
Data authors	Zhu Jianxing, Wang Qiufeng, Yu Haili, Zhang Qiongyu, He Nianpeng
Time period	2013
Geographical scope	41 observation sites; Aksu (AKA), Ailao Mountains (ALF), Ansai (ASA), Beijing (BJU), Inner Mongolia Grassland (NMG), Changshu (CSA), GreaterKhingan (DAF), Dangxiong (DXA), Dinghu Mountain (DHF), Dongling Mountain (BJF), Dongting Lake (DTM), Duolun (DLG), Erdos (ERF), Fengqiu (FQA), Fukang (FKD), Gongga Mountain 1600 m (GGF1), Gongga Mountain 3000 m (GGF2), Haibei (HBG), Hailun (HLA), Heshan (HSF), Huzhong (HZF), Huanjiang (HJK), Huitong 1(HTF1), Huitong 2 (HTF2), Lhasa (LSA), Linze (LZA), Luancheng (LCA), Miaoxian (MXF), NaimanCounty (NMD), Qianyanzhou (QYA), Sanjiang (SJM), Shapotou (SPD), Shennongjia (SNF), Shenyang (SYA), Taoyuan (TYA), Xishuanbanna (BNF), Yanting (YGA), Yingtan (YTA), Yucheng (YCA), Changbai Mountains (CBF), and Changwu (CWA).
Data volume	20 KB
Data format	*.xlsx
Data service system	<http://www.cnern.org.cn/data/meta?id=40576>; <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/638>
Sources of funding	National Key Research and Development Program of China (2016YFA0600104), Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19020302), and Science and Technology Service Network Initiative of the Chinese Academy of Sciences (KFJ-SW-STS-169).
Dataset composition	This dataset includes: 1) site information, such as site name, abbreviation, and geographical coordinates; 2) pH value and deposition fluxes of nitrogen (ammonium, nitrate, total dissolved nitrogen, and total nitrogen), phosphorus, and sulfate.

引 言

大氣中的物質通過降水（雪）而落到地面的過程，稱為濕沉降，是氣體和顆粒物最有效的大氣淨化機制^[1]。受到人類活動排放源的影響，大氣濕沉降中往往包括多種組分，如氮、磷、硫酸根、重金屬、揮發性有機物。並且某一地區人類活動強度的大小往往也影響了該地區某一特定組分的沉降通量^[2][3]。大氣濕沉降已成為陸地生態系統可利用性營養元素（如氮和磷）一種重要的輸入方式，也是污染物質（如硫和重金屬）進入自然生態系統和人類居住環境的重要途徑。因此，建立包含多指標的觀測體系，且覆蓋城市、自然和農業生態系統全方位的大氣濕沉降觀測網絡顯得尤為必要。

我國早期的大氣降水化學研究多是集中於大城市，對於郊區或是偏遠地區的自然生態系統則關注很少。例如，1992年我國成立的國家酸沉降監測網，其主要關注目標是降水的pH值和電導率；隨後的含氮污染物監測網重點關注的是以氮氧化物及二氧化氮濃度為指標的城市大氣環境質量監測，其大多數觀測點都設置在城市，且主要分布在我國的東部發達地區，西部偏遠地區的觀測站點較少^[4]。此外，這些監測網除了觀測地區存在不足，其觀測指標也較為單一（以硫酸根和pH或者氮沉降為主）^[5]。隨着我國經濟發展和產業技術水平的不斷發展，舊的環境問題得到改善，新的環境問題卻也日益凸顯，單一的觀測指標並不能滿足新時期生態文明建設的需要，系統全面的觀測體系亟須得到應用與推廣。然而，迄今為止，國內將大氣氮、磷、酸等沉降作為整體的研究報道還非常罕見，一定程度上阻礙了人們對大氣沉降及其生態環境效應的整體認識。

2013年，何念鵬研究小組以中國科學院生態系統研究網絡（CERN）^[6]的全國各台站為依託，首次建立了中國區域典型陸地生態系統大氣濕沉降觀測網絡（China Wet Deposition Observation Network, ChinaWD），在國內首次形成了系統性的大氣氮、磷、酸、鹼基陽離子及重金屬的濕沉降監測體系和觀測網絡^{[7][8][9][2][3]}。此外，我們還將在未來繼續拓展揮發性有機物、同位素等方面的觀測。截至2018年，該網絡已經穩定運行6年，觀測站點也從初期的41個站點發展到了目前的54個典型生態系統站點，涵蓋了森林、草地、農田、荒漠、湖泊、喀斯特、濕地以及城市等生態系統類型（圖1）。ChinaWD網絡的建立填補了中國自然生態系統、郊區及偏遠地區大氣濕沉降觀測的空白。本文重點匯集和整理了ChinaWD網絡2013年41個典型生態系統的大氣氮、磷、酸濕沉降通量，並且介紹ChinaWD網絡的運行狀況、指標體系以及數據服務等相關信息，希望能夠為相關環境保護政策的制定和實施提供數字支撐。

圖片

圖1 中國典型生態系統大氣濕沉降觀測網絡（ChinaWD）註：圖中站點是2018年的54個站點；審圖號：GS（2018）4935號。

1 數據採集和處理方法

1.1 樣品採集與室內分析流程

目前ChinaWD的觀測指標涵蓋了大氣氮、磷、酸、鹼基陽離子及重金屬等數十個參數，下一步還將拓展到揮發性有機物和同位素等。為了滿足多指標測試的需要，在採樣時儘量保證了樣品是原始水樣，即採樣時不加入任何的抑制劑或是酸化處理，室內分析時再根據特定參數指標的測試需要進行特定的樣品處理。

ChinaWD網絡形成了觀測站點負責樣品採集、綜合中心集中測試的分工，同時也建立了規範化的指標體系和操作流程。具體的收集測試方法如下：收集裝置（雨量桶，只在降水時收集）置於離地面1.5 m以上，每月收集雨水3–5次，然後等體積混合雨水得到當月的雨水樣品。將得到的雨水樣品裝入聚乙烯塑料瓶，保存在−20℃以下。站點收集的每月樣品分成A和B兩份郵寄到綜合中心，測試時以A樣品為主，B樣品作為備用樣品，以防樣品丟失或是損壞。

室內分析的樣品前處理時將A樣品分成兩份，一份樣品為原水樣，即不經過處理，另一份樣品則經0.45 μm濾膜過濾，除去懸浮顆粒物，留下溶解態的水樣。未過濾的樣品先用美國卡爾斯巴德Myron L公司生產的pH計（Ultrameter-2 pH meter，Myron L. Company，Carlsbad，CA，USA）測試水質的基礎指標，如pH、氧化還原電位、懸浮顆粒物；接着採用鹼性過硫酸鉀和過硫酸鉀分別消解未過濾水樣，然後用法國愛利安斯儀器公司生產的連續流動分析儀（FUTURA，Alliance Instruments，France）測量總氮和總磷（包括顆粒態磷和溶解性磷。顆粒態磷指的是被顆粒物吸附的磷，經過硫酸鉀消解未過濾的水樣，可以測定水樣中的總磷；另外，測定過濾後的水樣可以得到溶解性總磷。總磷和溶解性總磷的差值即為顆粒態磷）。過濾的樣品直接採用連續流動分析儀測定銨態氮、硝態氮以及溶解性總氮。同時使用美國鉑金埃爾默公司生產的電感耦合等離子體光譜儀（ICP-OES，Optima 5300DV，PerkinElmer，America）測量溶解性總磷、硫酸根、鹼基離子以及重金屬等微量元素。中國陸地生態系統大氣濕沉降觀測網絡的具體室內分析流程見圖2。

圖片

圖2 中國陸地生態系統大氣濕觀測網絡的操作流程和指標體系註：Cond表示電導率，DOC表示溶解性有機碳。

1.2 計算過程

我們測試時得到的是濕沉降中組分的濃度值，需要將其計算成沉降通量，計算方法如下：

圖片 (1)

式中：D表示各組分的濕沉降通量（如氮、磷、硫），單位為kg ha-1；Ci 表示降水中各組分的平均濃度，單位為mg L-1；Pi 表示每次的降水量，單位為mm；100表示單位換算係數。每個月沉降量的累積量就是濕沉降組分的年沉降通量。

2 數據樣本描述

本數據集包括台站代碼－名稱索引信息、以及濕沉降組分的年沉降通量值。具體的內容及各字段涵義如表1。

表1 本數據集內容及字段涵義

字段名稱	數據類型	是否必填	量綱	說明
台站名稱	字符型	是	無	台站名稱，如阿克蘇
台站代碼	字符型	是	無	統一由3位字母組成；末位字母表示生態類型；A：農田站；F：森林站；G：草地站；D：荒漠站；M：濕地站；如AKA；表示阿克蘇農田站。
年份	整數型	是	無	觀測年份
經度	整數型	是	無	觀測站點的經度
緯度	整數型	是	無	觀測站點的緯度
pH	浮點型	否	無	pH值
NH4+ –N	浮點型	否	kg N ha–1yr–1	濕沉降中銨態氮的年沉降通量
NO3– –N	浮點型	否	kg N ha–1yr–1	濕沉降中硝態氮的年沉降通量
DTN	浮點型	否	kg N ha–1yr–1	濕沉降中溶解性總氮的年沉降通量
TN	浮點型	否	kg N ha–1yr–1	濕沉降中總氮的年沉降通量
DTP	浮點型	否	kg P ha–1yr–1	濕沉降中溶解性總磷的年沉降通量
DTS	浮點型	否	kg S ha–1yr–1	濕沉降中硫酸根的年沉降通量

3 數據質量控制和評估

ChinaWD觀測網絡具有嚴格的質量保證與質量控制規範，觀測數據從前期的樣品採集、室內的樣品測試操作規程到後期的數據採集、錄入到入庫共享，須經過台站－綜合中心質控體系和流程檢驗。

台站採樣時主要依靠經驗豐富的固定監測人員完成，採用統一定製的樣品編號標記，並及時冷凍樣品保證樣品質量，以防變質。室內分析時，所用的儀器均有標準的操作規程，使用標準的母液和空白樣品進行測試和校正。樣品測試時使用的方法均是常用的國家標準方法，以氮為例，採用的是分光光度法（GB 11894-89）。這些常用的方法也被其他的一些大型觀測網絡所採用，例如東亞酸沉降網（Acid Deposition Monitoring Network in East Asia，EANET）、歐洲監測和評價計劃（the European Monitoring and Evaluation Programme，EMEP）、美國潔淨空氣狀況和趨勢網絡（Clean Air Status and Trends Network，CASTNET）等。

此外，數據整理時，我們採用拉依達（PauTa）準則進行異常值剔除。根據正態分布理論，觀測值的殘差小於等於3倍標準差的概率約為99.7%，因此，當觀測值的誤差大於3倍標準差時，該值為異常值的可能性較大，予以剔除，以保證數據的可靠性。當遇到某個月的降水樣品缺失且該月有降水時（＞5 mm），採用該站點月的年平均值進行插補，以保證數據的連續性和可比性。

4 數據價值

ChinaWD觀測網絡是一個系統性的濕沉降觀測網絡，其監測數據有助於彌補我國在陸地生態系統大氣濕沉降監測方面的空白，形成覆蓋大氣氮、磷、酸、鹼基陽離子及重金屬等多指標的觀測體系。基於多年連續的網絡觀測數據構建的基礎數據平台，可以作為我國自然生態系統污染物監測的背景參考，為相關環境保護政策的制定和實施提供數據支撐，為我們「保護青山綠水」的生態文明建設提供指導。此外，我們也希望ChinaWD的觀測數據也能夠為關心我國生態環境質量健康的團體組織和工作者提供數據源。

5 數據使用方法和建議

本數據集由CERN綜合研究中心提供數據共享資源。用戶可打開數據資源服務網站（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]，或與本文的通信作者聯繫。

致 謝

我們感謝CERN各台站和相關的兄弟台站對ChinaWD觀測網絡建立的支持和幫助，感謝台站監測人員在樣品採集和配送時付出的辛勤和努力。

參考文獻

1. FOWLER D, COYLE M, SKIBA U, et al. The global nitrogen cycle in the twenty-first century[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B-Biological Sciences, 2013, 368: 20130164.
2. ^ ^{2.0 2.1} ZHU J X, WANG Q F, YU H L, et al. Heavy metal deposition through rainfall in Chinese natural terrestrial ecosystems: Evidences from national-scale network monitoring[J]. Chemosphere, 2016, 164: 128-133.
3. ^ ^{3.0 3.1 3.2} ZHU J X, HE N P, WANG Q F, et al. The composition, spatial patterns, and influencing factors of atmospheric wet nitrogen deposition in Chinese terrestrial ecosystems[J]. Science of The Total Environment, 2015, 511: 777-785.
4. LIU X J, ZHANG Y, HAN W X, et al. Enhanced nitrogen deposition over China[J]. Nature, 2013, 494: 459-462.
5. XU W, LUO X S, PAN Y P, et al. Quantifying atmospheric nitrogen deposition through a nationwide monitoring network across China[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2015, 15: 12345-12360.
6. ^ ^{6.0 6.1} FU B J, LI S G, YU X B, et al. Chinese ecosystem research network: Progress and perspectives[J]. Ecological Complexity, 2010, 7: 225-233.
7. HE N P, ZHU J X, WANG Q F. Uncertainty and perspectives in studies of atmospheric nitrogen deposition in China: A response to Liu et al. (2015)[J]. Science of the Total Environment, 2015, 520: 302-304.
8. YU H L, HE N P, WANG Q F, et al. Wet acid deposition in Chinese natural and agricultural ecosystems: Evidence from national-scale monitoring[J]. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2016, 121: 10995-11005.
9. ZHU J X, WANG Q F, HE N P, et al. Imbalanced atmospheric nitrogen and phosphorus depositions in China: Implications for nutrient limitation[J]. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences, 2016, 121: 1605-1616.

數據引用格式

朱劍興, 王秋鳳, 於海麗, 等. 2013年中國典型生態系統大氣氮、磷、酸沉降數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-07-30). DOI: 10.11922/sciencedb.638.