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干湿沉降是活性氮“生物-地球-化学”循环的重要环节,也是清除大气活性氮的主要机制,分为气态氮沉降、颗粒态氮沉降和湿沉降(雨、雪、雾、雹等)。随着国民经济的快速发展,大气活性氮浓度持续增大,成分变化多样,氮沉降引发的负面生态效应逐渐突显。三峡库区生态环境脆弱,涵盖大城市、大农村、大水库等独特的地形和气候特征,区域氮沉降浓度、负荷、规律及其影响受到公众的广泛关注。定量研究大气氮沉降的空间分布、来源及其沉降负荷是评估其生态环境效应的关键,是探寻区域河流、农田、森林、消落带等重要生态系统环境演变的重要科学基础之一。本文以“中科院重庆绿色智能技术研究院大气综合观测万州站”为核心观测点,沿三峡库区小江流域建立郊区、农区、湿地保护区共6个站点,利用干湿沉降采样设备,于2016年1月～2017年12月同步采集了大气降水样品847个;利用多功能空气污染物采样仪,在万州站点采集了 PM2.5、HNO3、NH3和NO2共计480个干沉降样品,分析了干湿沉降样品中主要活性氮及无机化学组分。在此基础上,归纳了区域活性氮的时空分布特征、解析了其主要来源并估算了活性氮干湿沉降负荷。本研究获得了以下主要结果:(1)区域湿沉降中NO3--N、NH4+-N、TIN、TON和TN的平均浓度分别为0.47±0.39 mg L-1、1.07±0.88 mg L-1、1.52±1.20 mg L-1、0.28±0.76 mg L-1 和 1.80±1.50 mgL-1,与国内外典型城区、海湾和流域相比,处于较低水平。湿沉降中各氮素浓度季节变化趋势为冬季最高,春秋次之,夏季最低,降雨量和源强对湿沉降氮浓度影响显著,其中源强为主导因素。TIN浓度空间变化呈现城区>郊区>农区>湿地保护区;TON浓度则呈现城区和典型农区较大,郊区次之,湿地保护区最低,这与站点周边排放源强密切相关。(2)各功能区活性氮来源具有较大差异,城区和郊区站点的无机氮多由工业源、生物质燃烧源贡献,而农区多为生物质燃烧源和地壳源贡献。TON的来源则比较复杂,城区多来源于一次氮源转化的二次活性氮;郊区则是工业、农业、养殖业和生物质燃烧等排放共同所致;农区多来源于周边人畜粪肥。对于湿地自然保护区,TIN和TON来源基本一致,混合了工业源、生物质燃烧源。Siar同位素模型定量源解析结果表明:区域NO3--N主要来源有燃煤、交通、生物质燃烧和土壤源,分别贡献26%、27%、25%和22%;NH4+-N的来源贡献大小为生物质燃烧(47%)>交通源(19%)>燃煤(16%)>猪粪(7%)>人粪(6%)>化肥(5%)。(3)万州干沉降中 NH4+-N、NO3--N、NH3-N、HNO3-N 和 NO2-N 的年均浓度分别为 2.87±3.24 μg Nm-3、0.92±0.99 μg Nm-3、11.92±4.88 μg Nm-3、0.25±0.12μgNm-3、11.73±4.88μigNm-3。各活性氮浓度比大部分典型城区、农区低,属于较低水平。区域活性氮浓度季节变化显著,且它们之间化学转化关系明显。除季节性排放强度外,气温、风速和相对湿度也是影响活性氮浓度特征和化学转化关系的重要因素。还原性活性氮扮演着减轻区域酸沉降的重要角色。(4)万州NH4+-N来源贡献大小顺序为农业活动(55.4%)>汽油燃烧(24.2%)>燃煤(14.2%)>柴油燃烧(5.7%)>粉尘(0.3%)>生物质燃烧(0.1%)。NO3--N的来源解析出4个因子,其来源贡献大小顺序为生物质燃烧(50.6%)>汽油燃烧(24.6%)>柴油燃烧(17.5%)>农业活动(7.3%)。农业源、交通源、生物质燃烧和燃煤为万州活性氮的主要来源。通过观测站点风速风向条件浓度概率函数的定性分析表明,万州龙都工业园区为颗粒态活性氮(NH4+-N和NO3--N)的潜在源;长江南岸农业源为NH3的主要潜在源;神华电厂、宜化、索特盐化等化工厂为NO2和HNO3的潜在源;区域活性氮有少量来自四川盆地中心区域。(5)区域氮沉降通量大小顺序为WZ(城区)>DD(农区)>QK(湿地保护区)>GY(郊区)>RH(郊区)>HB(农区),其沉降通量分别为28.89 kgNha-1 yr-1、23.19 kgN ha-1 yr-1、21.05 kgN ha-1 yr-1、19.58 kgN ha-1 yr-1、19.24 kg N ha-1 yr-1和17.56 kg N ha-1 yr-1,区域平均为21.59 kg N ha-1 yr-1。小江流域氮沉降通量为20.12 kg N ha-1 yr1,氮沉降直接输入小江水体的量占小江流域总氮输入量的2.95%。区域各种氮形态沉降大小顺序为WetNH4+(43%)>DryNHx(19%)>WetNO3-(15%)>DryNOy(12%)>WetTON(11%)。其中,湿沉降占比为 69%,干沉降占比31%;还原态氮占无机态氮沉降的70%,氧化态氮沉降约占无机态氮沉降的30%。控制NH3排放是降低区域氮沉降的有效手段。(6)三峡库区沉降通量库尾>库首>腹地,变化范围为19.24 kg N ha-1 yr-1～74.88 kgN ha-1 yr-1,平均为 38.84±20.46 kgN ha-1 yr-1。三峡库区腹地和库首氮沉降通量超过水域生态系统临界负荷;库尾地区超过森林生态系统临界负荷;涪陵、长寿附近区域氮沉降已经超过农田生态系统临界负荷。三峡库区水域和森林生态系统面临着大气氮沉降的威胁,局部农田生态系统也遭受危害。通过大气沉降直接进入三峡水库的氮量为4210.26吨,占库区氮总输入量的2.7%,与小江流域的大气沉降输入百分比(2.95%)接近。本文的创新点在于:(1)首次在三峡库区腹地和典型流域开展大气氮素干湿沉降联网观测和系统研究,获得了对三峡库区大气氮沉降浓度水平、来源、通量负荷较为系统的科学认知;(2)本文结合特征化学组分统计法、同位素模型、正定矩阵因子分析(PMF)模型、后向轨迹模型和条件概率函数等多种方法定性识别和定量解析了区域氮沉降来源,研究方法可为大气沉降相关研究提供理论支持,所得数据成果可为三峡库区大气氮排放控制提供科学依据;(3)本研究根据万州站点气象数据和土地利用类型,对万州城区气态和颗粒态氮素的沉降速率进行了量化分析,为进一步开展区域氮沉降研究提供了可靠参数。