【摘 要】
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工业革命以来,人类活动极大地改变了自然系统氮循环过程。人为排放的无机氮（NOx和NH3）会以大气氮沉降的方式重新返回地球表面。大气氮沉降增加生态系统无机氮素的输入,提高生态系统生产力。但是,过量的大气氮沉降会对生态系统的复原能力、生物多样性和人类健康产生一系列负面影响。目前,大气氮沉降的定量估算方法主要包括地面监测、大气化学传输模型模拟和遥感估算。评价区域尺度氮沉降对陆地生态系统的影响需要准确估算
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（41425007＆41101315）； 国家自然科学基金项目（41471343）“中国南方地区氮沉降对稻田甲烷排放影响的遥感监测与模拟”； 南京大学研究生跨学科科研创新基金（2016CL07）“基于卫星遥感的高分辨率中国大气硫沉降的模拟和农业硫肥需求研究”； 江苏省地理信息资
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工业革命以来,人类活动极大地改变了自然系统氮循环过程。人为排放的无机氮（NOx和NH3）会以大气氮沉降的方式重新返回地球表面。大气氮沉降增加生态系统无机氮素的输入,提高生态系统生产力。但是,过量的大气氮沉降会对生态系统的复原能力、生物多样性和人类健康产生一系列负面影响。目前,大气氮沉降的定量估算方法主要包括地面监测、大气化学传输模型模拟和遥感估算。评价区域尺度氮沉降对陆地生态系统的影响需要准确估算氮沉降,然而全球尺度氮沉降的监测和估算还存在较强的不确定性,需要进一步研究。本研究基于遥感监测数据估算了全球陆地无机氮沉降。利用OMI传感器监测的NO2柱浓度和IASI传感器监测的NH3柱浓度,耦合大气化学传输模型GEOS-Chem模拟的含氮物质的廓线数据和地面监测数据,建立了区域尺度大气无机氮干、湿沉降的估算模型,进而估算了全球陆地氮干、湿沉降的空间分布格局,并探讨了氮沉降的时间变化趋势及驱动机制。主要研究结论如下:（1）基于多项高斯函数构建了全球NO2和NH3浓度垂直方向上分布模型,将遥感监测的NO2和NH3对流层柱浓度转化到近地表浓度。遥感估算的近地表NO2和NH3浓度与地面监测结果具有较高的一致性,线性回归R2分别为0.75和0.76,RMSE分别为1.23和2.14μgN m-3。近地表NO2浓度大于6μgN m-3的区域主要集中在中国的东部,浓度在2-6 μgN m-3主要集中在中国南部和东北、印度、欧洲西部和美国东部。近地表NH3浓度大于6μgN m-3主要集中在中国的华北平原、巴基斯坦北部和中部和印度的北部。基于廓线拟合的方式将卫星的柱浓度估算到近地表浓度,弥补了化学传输模式基于排放清单模拟结果的空间上的不确定性,并具有较高的空间分辨率。（2）构建了全球陆地无机氮干沉降遥感估算模型,其中无机氮沉降速率利用阻力模型估算。全球陆地上总的氮干沉降范围是0.00-25.00 kg N ha-1,平均值为 1.66 kg N ha-1,其中硝态氮干沉降平均值为 0.29 kg N ha-1（0.00-24.99 kg N ha-1）,氨态氮干沉降平均值为1.37 kgN ha-1（0.00-24.18 kgN ha-1）。全球陆地硝态氮干沉降大于5 kg N ha-1主要集中在中国的东部,沉降在2-4 kg N ha-1主要集中在欧洲西部、美国东部和印度。全球陆地氨态氮干沉降大于8 kg N ha-1的区域主要集中在中国的华北平原、巴基斯坦北部和中部、印度的北部,沉降在4-8 kg N ha-1的区域主要集中在中国东部、南部、东北和西南、印度东北部和东部沿海等。氮干沉降通量的空间格局反映了近地表氮浓度和沉降速率的综合作用的空间格局。（3）构建了基于遥感数据估算全球陆地无机氮湿沉降模型（混合效应模型）,进而估算了全球陆地无机氮湿沉降。遥感估算的硝态氮和氨态氮湿沉降与地面监测的结果线性回归R2分别为0.75和0.77,RMSE分别为1.30 kgN ha-1和1.54 kg N ha-1,表明构建的模型可以比较好的反映湿沉降的时空分布特征。全球陆地硝态氮湿沉降大于10 kg Nha-1主要集中在中国的东部,硝态氮湿沉降在4-10 kgN ha-1主要集中在中国的东南部、印度、东南亚、欧洲西部、美国东部、南美和非洲的生物质燃烧区域。全球陆地氨态氮湿沉降大于8 kgN ha-1的区域主要集中在中国的华北平原、印度的东北、美国东部和中部的农田分布区域,氨态氮湿沉降在4-8 kg Nh-1主要集中在中国东部、南部、东北和西南、印度东北部和东部沿海、欧洲西部、美国东部、南美和南非的生物质燃烧热点区域等。氮湿沉降通量的空间格局反映了无机氮浓度和降雨量综合作用的空间格局。（4）阐明了全球氮沉降的区域分布特征和时间变化趋势特征。总体上包含几个主要热点区域:中国东部、四川重庆、广东、美国东部、欧洲西部和印度东北部。中国地区硝态氮和氨态氮沉降远远高于其他热点区域。中国东部地区总沉降量约是美国东部的2.4倍和欧洲西部的3.4倍。中国东部地区硝态氮沉降自2011年以来显著下降（-0.46 kgN ha-1 y-1,p=0.005）,氨态氮沉降逐年上升（0.43 kgN ha-1 y-1,p=0.003）;在美国东部地区硝态氮沉降在2005-2016年间年变化率为-0.03 kgN ha-1y-1（p=0.010）,减少趋势显著。氨态氮沉降在2008-2016年间年变化率为0.03 kgN ha-1y-1（p=0.226）,但是上升趋势不显著;在欧洲西部,硝态氮沉降在2005-2016年间年变化率为-0.01 kg N ha-1 y-1（p=0.187）,氨态氮沉降在2008-2016年间年变化率为-0.02 kg N ha-1 y-1（p=0.292）,变化趋势均不显著。本研究构建了全球尺度氮干沉降和湿沉降的遥感估算模型,成为大气化学模式模拟和地面监测氮沉降的重要方法补充,也为其他大气成分沉降的估算提供了方法参考;探讨了全球尺度陆地生态系统氮沉降的时空变化格局,研究结果为定量评估氮沉降对生态系统的影响提供了定量依据,也为相关部门制定生态环境保护政策提供了科学依据。
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