（环境工程专业论文）酸沉降作用下韶山森林生态系统盐基离子及氮的变化特征研究.pdf

硕士学位论文 摘要 进入2 0 世纪9 0 年代以后，中国的酸雨问题愈演愈烈，而地处中南的湖南则 更是受到酸雨污染的严重影响。本文对韶山亚热带常绿阔叶林4 个采样区进行了 酸雨的监测，以监测数据为依据，分析研究了以下内容：( 1 ) 林内穿透水中主要 离子的淋溶规律；( 2 ) 以韶山蔡家塘的监测数据为依据，对韶山森林在酸沉降作 用下n 的截留特征进行了研究：( 3 ) 以韶山蔡家塘的监测数据为依据，对韶山森 林在酸沉降作用下n 的输入、输出的月均通量进行了研究；( 4 ) 以长沙市 2 0 0 0 。2 0 0 1 年的三个酸雨监测站点的每周的采样数据为基础，采用因子分析法先 后对原始数据和筛选数据进行分析，再采用多元回归法分析以上两种数据，来评 价降水中各种溶解组分对自由h + 的累积贡献。研究结果表明：( 1 ) 大气降水经过 森林冠层后p h 值明显升高，韶山亚热带常绿阔叶林对s 0 42 。、n 0 3 、m g “、n h 4 + 离子具有吸收作用，特别是n h 4 + 和n 0 3 - 离子。s 0 4 。、c a “和m 9 2 + 离子的冠层 淋溶百分率随降雨量的增加有明显减少的趋势。c a “、k + 和c l 。随着p h 的增加， 其冠层淋溶百分率呈增加趋势。韶山地区在常年酸沉降作用下，森林冠层对酸性 离子s 0 4 、n 0 3 。的吸收作用最强。根据1 8 个月离子浓度平均值来计算，韶山地 区森林冠层离子的淋溶序列为：k + c a “ c 1 。 m g “ s 0 4 2 。 n 0 3 一 n h 4 + n a + 。( 2 ) 2 0 0 1 年n 输入通量为5 3 8 0k 州h a ，主要以n h 4 + 形式( 占总输入的6 4 ) 输入该森林生态系统；2 0 0 1 年n 输出通量为3 5 6k g n h a ，主要以n o l 3 - 形式( 占 总输出的6 4 ) 输出该森林生态系统。韶山森林年净滞留量达到5 0 2 4k g n 。月 均输出通量极大值出现在降雨量较多的5 、6 和7 月，其n 输出通量占全年n 输 出总通量的7 2 ，表明大量的降水是造成n 流失的主要原因。( 3 ) 2 0 0 1 年n 的输 入通量为5 3 8 0 k g n h a ，输出通量为3 5 6 k g n h a ，截留通量为5 0 2 4k g n h a ， 主要以n h 4 + 的形式输入，主要以n o 3 - n 形式输出。7 月份是韶山森林生态系统 n 流失最严重的时期( n 0 3 - n 的截留通量为一0 3 3k g n h a 1 ) ，这为韶山森林管理 在时间上提供了理论依据。( 4 ) 长沙市近1 0 年来的降水年均p h 值都在5 0 以下， 为强酸性降水。【s 0 4 2 和【c a ” 的年均浓度变化较大，而 n 0 3 】和 n h 4 + 】的年均浓 度变化则不太明显。大气降水阴阳离子基本平衡， c a 2 + 】的浓度对降水离子的平 衡有较大的影响。工业生产和人类活动成为长沙市降水污染物的主要来源，其次 是地面土壤颗粒污染源。本文的研究对于湖南省城市大气污染和酸雨污染的控制 方面具有一定的参考意义。 关键词：酸雨；淋溶：n 输入、输出；n 截留通量；土壤评价 酸沉降作用下韶山森林生态系统盐基离子及氮的变化特征研究 a b s t r a c t a c i dr a i n p r o b l e mb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u si n c h i n as i n c e1 9 9 0 s ， e s p e c i a l l y i nh u n a np r o v i n c es i t u a t e di nc e n t r a l - s o u t hc h i n a t h i sa r t i c l eh a v e s t u d i e do nt h ef o l l o w i n gs u b j e c t ：( 1 ) t h el e a c h i n gl a wo fm a j o ri o n si nf o r e s t e da c i d p r e c i p i t a t i o ni nas u b t r o p i c a lf o r e s tw a se x a m i n e db a s e do nt h ee x p e r i m e n ti n4f i e l d s s a m p l i n gs i t e s i ns h a o s h a nf o r e s tf r o mj a n u a r y2 0 0 1t oj u n e2 0 0 2 ( 2 ) t h e i n p u t o u t p u tf l u x e so fn i t r o g e ni ns h a o s h a nf o r e s te c o s y s t e mu n d e ra c i dd e p o s i t i o n w e r ee x a m i n e di nc a i j i a t a n gs t a t i o ni ns h a o s h a nf o r e s td u r i n gt h ey e a ro f2 0 0 1 ( 3 ) t h en e tr e t e n t i o no fn i t r o g e ni ns h a o s h a nf o r e s t e c o s y s t e mw e r ee x a m i n e di n c a i j i a t a n gs t a t i o ni ns h a o s h a nf o r e s td u r i n gt h ey e a ro f2 0 0 1 ( 4 ) t a k ec h a n g s h ac i t y f o re x a m p l e ，t h ea t m o s p h e r i cp o l l u t i o na n da c i dr a i np o l l u t i o na r ea l s or e s e a r c h e d t h et i m ea n ds p a t i a lv a r i a t i o nl a wo fm a i na i rp o l l u t a n t ss u c ha ss 0 2 ，n o x ( n 0 2 ) ，t s p , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e p r e s e n t a t i v ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fr a i n w a t e ra r e a n a l y z e da n dd i s c u s s e db a s e do nt h et h r e em o n i t o r i n gs t a t i o n si nc h a n g s h ai n t h e p e r i o do f2 0 0 0 - 2 0 0 1 a n dt h ei n f l u e n c eo fa i rp o l l u t a n t so nt h ef o r m a t i o no fa c i dr a i n i sa n a l y z e d r e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) t h ep hv a l u eo b v i o u s l yi n c r e a s e da n dt h ei o n i cu p t a k e e v i d e n c e sw e r ep r o v e db ys 0 4 2 。，n 0 3 。，m g “a n dn h 4 + ，e s p e c i a l l yf o rn h 4 + a n dn 0 3 一， w h e nr a i nw a t e rp a s s i n gt h r o u g ht h ec a n o p i e s t h ed i s s o l v e dp e r c e n t a g eo fs 0 4 。， c a 2 + a n dm g “h a dt h et e n d e n c yt or e d u c ew i t hi n c r e a s eo ft h er a i n f a l l d i s s o l v e d p e r c e n t a g eo fc a “，k + a n dc i s h o w e dat e n d e n c yt oi n c r e a s ea l o n gw i t hi n c r e a s eo f p h s h a o s h a nf o r e s tc a n o p i e sh a st h es t r o n g e s te f f e c t so nt h eu p t a k eo fs 0 4 。、n 0 3 u n d e ra c i dr a i n i o n i cl e a c h i n go r d e ri ns h a o s h a nf o r e s tb a s e do nt h ea v e r a g ei o n i c c o n c e n t r a t i o n so f1 8m o n t h sm o n i t o r i n gw a s ：k + c a 2 + c 1 m 9 2 + s 0 4 2 - n 0 3 + n h 4 + n a + ( 2 ) n - i n p u tf l u xw a s5 3 8 0k g n 。h a i n2 0 0 1 a n dt h ef l u xo fn h 4 + a c c o u n t e df o r6 4 o ft o t a ln i n p u tf l u x t h en o u t p u tf l u xw a s3 5 6k g n h a i n2 0 0 1 a n dt h ef l u xo fn 0 3 a c c o u n t e df o r6 4 o ft o t a ln o u t p u t ，w h i c h s u g g e s t e dan e t r e t e n t i o no f5 0 2 4k g nh a i ns h a o s h a nf o r e s t t h ef l u x i nm a y ，j u n ea n dj u l y a c c o u n t e df o r7 2 o ft h et o t a la n n u a ln o u t p u t ，a n dm o s to ft h e me x p o r t e do u t s h a o s h a nf o r e s te c o s y s t e ma sn 0 3 一，i n d i c a t i n gt h a tt h el a r g ea m o u n to fp r e c i p i t a t i o n w a st h em a i nc a u s ef o rt h el o s so fni ns h a o s h a h ( 3 ) n i n p u tf l u xw a s5 3 8 0k g n 。h a 。 i n2 0 0 1 ，a n dt h en o u t p u tf l u xw a s3 5 6k g n h a i n2 0 0 1 ，a n dt h en r e t e n t i o nf l u x 硕士学 ：| ) = 论文 w a s5 0 2 4k g n h a i n2 0 0 1 ，m a i n l ye n t e rt h es y s t e ma sn h 4 + a n dl e a c h i n gf r o mt h e s y s t e ma sn 0 3 。t h en e tr e t e n t i o nf l u x o fn i t r o g e ni nj u l yw a s 一0 3 3k g n h a ， i n d i c a t i n gt h a tt h i sp e r i o dw a sv e r yi m p o r t a n tt ot h em a n a g e m e n to fs h a o s h a nf o r e s t ( 4 ) t h ea n n u a lm e a np hv a l u ef o rt h el a s td e c a d eb e l l o w e d5 0 ，i n d i c a t i n gt h es e v e r e a c i dr a i np o l l u t i o ni nc h a n g s h ac i t y t h ea n n u a lm e a nc o n c e n t r a i t o no fs 0 4 2 a n dc a 2 + v a r i e ds i g n i c c a n t l y ，w h e r e a sn 0 3 。a n dn h 4 + v a r i e di n s i g n i f i c a n t l y i o n i cb a l a n c eo f b u l kp r e c i p i t a t i o nm a i n t a i n e dg e n e r a l l yh a l a n c e d i n d u s t r i a la n da n t h r o p o g e n i c a c i t i v i e sa r et h em a j o rp o l l u t a n ts o u r c e sf o rt h ea i rp o l l u t i o ni nc h a n g s h ac i t y ， f o l l o w e db yt h es o i ld u s t t h er e s e a r c hi ss i g n i f i c a t i v ea n di n s t r u c t i v ei ns o m ee x t e n t t op r e v e n ta n dc o n t r o la c i dr a i np o l l u t i o na n di t sd a m a g e st ot h ef o r e s te c o s y s t e m si n h u n a np r o v i n c e t h er e s e a r c hi ss i g n i f i c a t i v ea n di n s t l u c t i v ei ns o m ee x t e n tt op r e v e n t a n dc o n t r 0 1a c i dr a i np o l l u t i o no fh u n a np r o v i n c e k e yw o r d s ：a c i dr a i n ；l e a c h i n g ；i n p u t o u t p u tf l u x e s o fn i t r o g e n ；t h en e t r e t e n t i o no fn i t r o g e n ；s o i la s s e s s m e n t l l j 酸沉降作用下韶山森林生态系统盐基离子及氮的变化特征研究 插图索引 图1 1 研究地地理位置图- 2 图1 2 研究地区域位置图4 图1 3 研究地监测布点图6 图14 含氮化合物的地球化学循环示意图1 7 图1 5 排放大气污染物及其影响2 8 图1 6 大气降水自动采集器- 3 3 图1 7 森林冠层穿透水收集器- 3 3 图1 8 亚冠层穿透水样品收集器- 3 3 图1 9 样品采集器结构示意幽3 3 图2 1大气降水和森林穿透水的p h 值变化图3 8 图2 2 大气降水和地表穿透水的p h 值变化图3 8 图2 3 地表穿透水和森林穿透水的p h 值变化图3 9 图2 4 韶山地区s 0 4 2 离子的化学淋溶- 4 0 图2 5韶山地区n 0 3 离子的化学淋溶4 0 图2 6 韶山地区c a “离子的化学淋溶4 0 图2 7 韶山地区m g “离子的化学淋溶4 1 图2 8 韶山地区n h 一+ 离子的化学淋溶4 1 图2 9 韶山地区n a + 离子的化学淋溶4 1 图2 1 0 韶山地区k ? 离子的化学淋溶4 2 图2 1 1 韶山地区c l 。离子的化学淋溶4 2 图3 1 研究地( 韶山，蔡家塘) 位置，采样点布置示意图- 4 5 图3 2 氮在森林生态系统的动态流程4 7 图33n h 4 + - n 的输入、输出通量月份比较图- 一5 5 图3 4n 0 3 1 - n 的输入、输出通量月份比较图5 0 图3 5n h 4 + 一n + n 0 3 - n 的输入、输出通量月份比较圈- 5 0 图4 1 研究地( 韶山，蔡家塘) 位置，采样点布置示意图5 5 图4 2 韶山森林生态系统无机n 截留通量月份比较图6 0 图51长沙市区环境空气质量监测点位图- 6 7 图52 长沙市能源结构示意图7 9 硕士学位论文 附表索弓 表1 1 蔡家塘小流域里土壤溶液收集器安装位置5 表2 1 韶山森林主要离子季均浓度( m g l 。1 ) 3 6 表2 2 降雨p h 值对韶山森林冠层淋溶的影响4 3 表2 3 韶山试验林分的冠层淋溶序列4 3 表3 1 韶山林冠穿透水中n 素的输入通量- 4 8 表3 2 韶山地表径流水中n 素输出通量- 5 3 表4 1 韶山森林生态系统中n h 4 + n 的截留通量5 8 表4 2 韶山森林生态系统中n 0 3 - n 的截留通量5 9 表4 3 湖南韶山林内降水离子平衡比较6 2 表5 12 0 0 0 2 0 0 1 年湖南大学站点降水离子正交旋转后的因子分析结果6 9 表5 2 市环境崎测站点降水离子正交旋转后的因子分析结果( 2 0 0 0 2 0 0 i 年1 7 0 表5 3 马坡岭站点降水离子止交旋转后的因子分析结果( 2 0 0 0 一- 2 0 0 1 年1 7 1 表5 4 逐步回归法对长沙市各站点降水f h + 1 浓度分析结果- 7 2 表5 5 长沙市区3 个站点大气降水化学成分未筛选数据和筛选后数据的因子分析一7 3 表5 61 9 9 6 2 0 0 1 年长沙市酸性降水p h 值7 6 表57 简化公式求解g m ( i ，1 ) 模型览表- 一7 6 表5 8 长沙市的酸性降水p h 预测与实测值的比较一7 7 表5 9 长沙市未来降水口h 值预测值一7 7 表5 1 0 长沙市霞点源企、i k 消耗情况统计表一7 9 表5 1 12 0 0 0 2 0 0 2 年长沙市度工业能源消费量一7 9 表5 1 2 长沙市重点工业污染源废气排放情况统计表8 0 表5 1 31 9 9 6 2 0 0 2 年度长沙市工业污染源废气捧放情况统计表8 0 表5 1 4 长沙市路运机动车情况统计表8 1 v 硕士学位论文 1 1 研究地概况 第1 章绪论 1 1 1 湖南省自然环境概况 湖南西起东经1 0 8 。4 7 ( 新晃侗族自治县的韭菜塘) ，东至东经1 1 41 5 。( 浏阳 县的高车岭) ；南起北纬2 4 。3 9 ( 江华瑶族自治县的姑婆山) ，北至北纬3 0 0 8 ( 石 门县的壶瓶山) 。属中亚热带常绿阔叶林地带，年平均气温在1 6 1 8 。c 。1 月平均 气温在4 7 ，7 月平均气温2 6 3 0 * ( 2 ，无霜期2 7 0 3 1 0 天，年平均降水量1 2 0 0 - 1 7 0 0 毫米，是全国多雨省份之一。但季节雨量分配不均，春末夏初有暴雨，造成洪涝 灾害，夏秋降雨较少，常出现干旱。 湖南地质构造复杂，区域地球化学条件良好，给外生矿床和内生矿床的生成 提供了必要的地质条件。湖南有“有色金属之乡”和“非金属之乡”之称，矿藏丰富， 矿种齐全，质量优良。到1 9 8 8 年末，在全国已发现的1 4 0 多个矿种中，湖南找到 1 3 4 种，已探明储量的有8 3 种，成为全国矿种较多的省份之一。锑、钨、铋、雄 黄、海泡石、重晶石、独居石的储量居全国第一位。锰、钒、铼、芒硝、砷、高 岭石居全国第二位。 湖南毗邻六省一市，北以滨湖平原与湖北接壤，南枕南岭与广东、广西为邻， 东以幂阜、武功诸山系界江西，西以云贵高原东缘连贵, k 1 1 省境，西北则以武陵山 脉为界，连川东、渝东和鄂西。湖南的地貌轮廓是东、南、西三面山地围绕，中 部岗丘起伏，北部平原湖泊，呈现为向北东敞口的马蹄形贫地：西部地势高亢， 有雪峰一一武陵山脉，海拔1 5 0 0 米左右，至湘鄂交界处石门县境内的壶瓶山，海 拔2 0 9 9 米，是全省最高点；到湘中大部分骤降为5 0 0 2 0 0 米的丘陵盆地；往东 至湘赣边境，有幂阜一一罗霄山脉，海拔1 0 0 0 米以上，酃县境内的斗笠顶，海拔 2 0 5 2 米，是全省第二高峰；南部五岭山脉逶迤，海拔1 0 0 0 米以上，湘桂边境都 庞岭的韭菜岭，海拔2 0 0 9 米；往东北逐级降低，至滨湖平原，大部分地面海拔 5 0 米以下，临湘县的谷花洲，海拔仅2 3 米，是全省地面最低点。由于东、南、 西部地势高而北部低，洞庭湖为全省凹性的低洼中心。 湖南境内有全国第二大淡水湖一一洞庭湖，素有“八百里洞庭”之称，有湘、 资、沅、澧四水和长度在5 公里以上的大小河川5 3 4 1 条，总长度8 6 0 7 1 公里。这 些大小河川，除湘南的一部分属珠江水系，湘东一部分属赣江水系外，其余均经 四水注入洞庭湖于岳阳城陵矾注入长江，形成一个非常完整的向心状水系。全省 有水域面积2 0 3 0 6 4 万亩，可供养殖的面积5 2 0 万亩，已放养面积4 3 6 8 7 万亩， 全省水能蕴藏量有1 5 3 2 万千瓦，占全国的2 3 ，为南方九省之冠。全省可开发 酸沉降作用下韶山森林生态系统盐基离子及氮的变化特征研究 的水力资源为1 0 8 4 万千瓦，占蕴藏量的7 0 7 。地下水资源也很丰富，蕴藏量为 4 4 5 0 4 亿立方米。此外还发现热水点1 6 5 处，其中4 0 6 0 。c 的中温热3 5 处， 8 0 。1 0 0 的高温水2 处。 湖南全省面积达2 1 1 8 万平方公里( 合3 1 7 7 4 3 5 万亩) ，占全国面积的2 2 ， 居第十一位。按地形分，山地1 6 2 7 0 8 0 万亩，占总面积的5 1 2 ：盆地4 4 1 1 7 3 万亩，占1 3 9 ；平原4 1 6 7 9 万亩，占1 3 1 ；丘陵4 8 9 3 2 8 万亩，占1 5 4 ； 水面2 0 3 0 6 4 万亩，占6 4 。总面积中有耕地4 9 4 3 9 1 万亩，宜林牧荒山5 0 2 6 7 5 万亩。 1 1 2 研究地位置 图1 1研究地地理位置图 f i g 1 1g e o g r a p h i c a ll o c a t i o nc h a r t o ft h es t u d ys i t e 韶山位于湖南省的中部，2 7 。8 7 n ，1 1 2 。9 1 e ，海拔2 9 2 m 。气候属于亚热带 气候，年平均降雨量1 2 0 0 + 1 7 0 0 m m ，且主要集中在夏季。年平均气温1 6 8 。树 种主要有松、杉、竹及其它杂木，研究地植被保护完好。研究地土壤类型属于黄 壤、黄棕壤等敏感性土壤。 1 1 3 研究地概况 韶山总面积2 1 0 3 8 平方公里，占湖南省面积的o 1 ，位于湖南省湘潭市西 北部，南面西面与湘乡交界，东北与宁乡接壤，东面与湘潭县为邻。其地理坐标 为东经1 1 2 。2 4 一1 1 2 。3 8 ，北纬2 7 。5 1 一2 7 。5 9 。与长沙、株洲、湘潭、湘乡、宁 乡的距离分别为1 1 4 、8 8 、4 8 、2 7 、4 7 公里。属于近城型风景区，名为长沙 2 硕士学位论文 韶山旅游区，居湖南1 0 大风景区之首。特别是近些年周边相继建成了宁乡花明楼 刘少奇纪念馆、湘潭乌石彭德怀纪念馆，由此构成了韶山花明楼乌石“红 色金三角”，伟人故里旅游区。韶山距花明楼、乌石分别为3 7 、5 0 公里，都不到 1 小时车程。 韶山属于湘中低山丘陵区。气候适宜，雨量充沛，空气清新。一年四季都适 宜旅游，尤以春秋为佳。 韶山地处亚热带湿润气候区，四季分明，冬冷夏热，夏热期长，严寒期短。 年平均气温1 6 7 ，较四周县市略低，年极端最高气温为3 9 5 ( 1 9 6 3 年9 月1 日) 。一月份平均气温为4 4 ，持续5 天或5 天以上的严寒期7 8 的年份出现在 该月。7 月最热，月平均气温2 8 9 。c 。韶山年平均降水1 3 5 8 毫米，最多年份达到 1 7 1 9 9 毫米。雨季在4 月1 5 目前后开始，7 月1 0 日前后结束，春夏多雨，秋冬 干燥。韶山日照偏多，年日照达1 7 1 7 小时，年平均日照百分率为3 9 ，分布趋 势与气温变化基本一致，即1 月一3 月日照较少；4 月开始，春暖花开，艳阳普照， 7 月太阳最强，从头顶直泻而下，青山绿树被晒得油光闪亮。9 月后，有一段秋雨 绵绵天气，但更有秋高气爽的赏菊踏月登高季节。冬天因为山的屏障，显得暖和， 一当瑞雪初降，玉树琼花，煞是好看。 韶山河流不多，属于湘江水系，均经涟水入湘江，5 公里以上的小河有9 条， 全长1 0 3 公里，其中以发源于韶山山脉的韶河最大。韶河原名云湖河，曾经是九 曲十八弯，由滴水洞清泉冽出，渐涌渐大，穿山过涧，跳跃跌宕，又有诸溪加入， 且从地底阴河汇集蕊珠，水势剧增，便可行舟了。 韶山的土壤除河谷平原呈肥沃的褐色外，多为红壤，遍及丘岗山麓，此外也 有紫色砂页岩、石灰岩发育而成的紫色土、石灰土。与土壤最接近的是植物，来 到韶山，但风一片绿海，松涛阵阵，竹影摇曳，樟树婆娑，杜鹃火红，梧桐伟岸。 境内自然植被属亚热带常绿阔叶林，区系组成为壳斗科、樟、冬青科、山茶科、 蔷薇科、芸香科等，共6 5 科2 8 0 多种，山林之胜，前人咏为“峰高青碍目，树远 翠迷天”。 1 9 4 9 年，韶山森林覆盖率达4 0 ，后降至1 9 ，近年又上升至4 3 7 。1 9 8 2 年调查，共有乔木、灌木2 5 科2 3 0 种，其中乔木1 7 6 种，灌木藤类5 4 种，乡土 树种1 8 0 种，引进树种5 0 种；有草场1 3 万余亩。 韶山1 9 4 9 年前后尚有华南虎约1 0 多头，豹多头，1 9 5 7 年后虎渐绝迹，1 9 6 3 年后豹无踪影。野猪、獾、狐狸、麂、花面狸、山羊等在林问潜行，娃娃鱼、龟、 鳖、雀、喜鹊、画眉、鹰等共同构成水底与天空的奇观。 省道1 8 2 3 线和湘宁公路过境，在韶山竹鸡段、叉路口交汇。1 8 2 3 线联通1 0 7 、 3 2 0 、3 1 9 国道，东往湘潭市、株洲市；东北达长沙市；南去衡阳下两广；西北往 宁乡县、益阳市、常德市、张家界，入黔川鄂；西南经湘乡市，往娄底、邵阳。 酸沉降作用下韶山森林生态系统盐基离子及氮的变化特征研究 韶山市位于湘、湘、宁三县问几条国道线交叉的三角地带，上瑞( 上海至瑞丽) 高速公路在韶山过境，交通便利。韶山市内现有公路1 8 0 公里。 图1 2研究地区域位置图 f i g 1 2r e g i n a ll o c a t i o nc h a r to ft h es t u d ys i t e 1 1 4 监测及试验 1 1 4 1 监测布点 蔡家塘小流域总共有1 0 个大样池，4 个加强观测样地和3 个土壤水观测样地。 每一个加强观测样地需由以下几部分组成： 4 个穿透水收集器 1 个土壤水观测点 3 个地表植被穿透水收集器 埋在森林土壤下的过滤式土壤溶液收集器 安装在不同深度的3 - 5 个陶杯式土壤溶液收集器 4 个土壤温度传感器 4 个土壤强力计 4 个凋落物收集器 1 2 个用于氮矿化研究的p v c 管( 长1 5 厘料、直径7 厘米) ，即氮矿化管( 在 2 0 0 1 年以后才开始) 在将加强监测点外有3 个额外的土壤水观测样地。土壤水观测样地只配备有 价目地表植被穿透水收集器，3 5 个陶杯式土壤溶液收集器。从表1 1 中可以看 出不同土壤溶液收集器的分布。 图1 2 为蔡家塘小流域地图。字母标记的为4 个加强观测样地和3 个土壤水 观测样地，而数字标记的为l o 个大样地。地图中的红圈标明了工作组1 ，即大气 d 硕士学位论文 工作组的气象站和大气化学仪器所安装的位置。 表1 1 蔡家塘小流域里土壤溶液收集器安装位置 t h el o c a t i o no ft h el y s i m e t e r si nt h ec a t c h m e n t 1 1 4 2 气象监测 气象测量包括风速、风向、温度、相对湿度等。( 1 ) 最常用的测温方法是利用 铂电阻随温度变化的原理。通常使用p t l 0 0 温度计，适用于空气和土壤的长期监 测。( 2 ) 测量相对湿度一般使用的被动式湿度计有两类，即毛发湿度计和湿敏电容。 精确度应控制在3 以内。其耗电量都比较低，且一般与p t l 0 0 温度探头一起使 用。( 3 ) 用风向标和风速仪测量水平方向的风向和风速。通常使用螺旋桨翼片或风 杯来测量风速。 1 1 4 3 采样设备 酸沉降作用下韶山森林生态系统盐基离子及氮的变化特征研究 图1 3 研究地监测布点图 f i g 1 3 m o n i t o rs p o t so ft h es t u d ys i t e ( 1 ) 全沉降采样器 全沉降采样器是- - 4 中由挪威大气研究所( n i l u ) 肯0 造的专门用于同时采集干 湿沉降混和样品的设备。采样器由雨水收集器、钢圈、2 5 l 瓶子、盖子、滤网、 o 型圈、篮子和支架组成。收集器部分是由高密度聚氯乙烯制成，而支架则由不 锈钢制成。 ( 2 ) 湿沉降采样器 硕士学位论文 湿沉降采样器是一种由瑞典斯德哥尔摩大学气象科学系制造的专门用于采集 湿沉降样品的设备。采样器由降水收集器( 容量为5 l 的瓶子) 、自动感应盖和漏斗 组成。采样器盖子会在传感器感应到有水时自动打开。雨停后采样器会通过内置 加热装置烘干传感器；这样感应盖就会自动关闭。采样器可由太阳能作为能源。 感应器应经常用蘸有酒精的棉纸清洁。 ( 3 ) 冲击式采样器( n i l u e k ) e k 型冲击式采样器用滤膜组收集空气中的气溶胶和气体。采样头里装有气 溶胶过滤器，还安有一个或多个浸透膜，这是该设备的部件之一。采样器在两个 通道安有采样头，由控制器、泵、干空气流量计和流量控制器组成。泵按照事先 预置时间通过滤膜抽取空气。 ( 4 ) p m 2 5 p m l 0 颗粒物采样器( n i l u e k ) 颗粒物采样时先用一个冲击器切割大于1 嘶m 的颗粒物，然后用第一层滤膜 吸收掉2 5 1 0 # m 的大颗粒物，即只让小于2 5 m 的颗粒物能通过这个滤膜而被 第二层滤膜吸收。这种采样器用于加强观测。建议每年选择一个月做加强观测， 并需每日监测，如需要可延长时间。要切割大于1 吮m 的颗粒物，前提是必须保 证流量为1 0 l m i n ，也就是每天1 4 4 m 3 。 ( 5 ) 穿透水收集器 挪威林业研究所设计的地表植被穿透水收集器和林冠穿透水收集器。原设计 为2 l 的聚乙烯塑料瓶、一个漏斗r d = 1 1 5 c m ) 、一个带有尼龙过滤网的接口、一个 固定样瓶的装置。地表植被穿透水收集器的漏斗口距地表1 0 c m ，它们被放置在 p v c 管( d = 1 2 c m ) 。将3 个地表植被穿透水收集器放置在加强样地以及土壤溶液水 样收集点的地表植被下。林冠穿透水收集器漏斗口距地面l m ，在每个加强样地 内系统地安置4 个林冠穿透水收集器。 ( 6 ) - t - 壤水收集器 现有两种不同原理的土壤水收集器：过滤式土壤溶液收集器和陶杯式土壤水 收集器。两者区别在于是否在使用过程中抽真空( 即小于0 5 p s i g ) 。 过滤式土壤水收集器为挪威奥斯陆大学制造的由3 0 c m 3 0 c m 大小的塑料 盘、尼龙网和有机玻璃管组成。过滤式土壤水收集器通过管子连接到一个5 l 的 聚丙烯容器，将土壤水导入此容器中。容器上的刻度用于测量已收集到溶液的体 积。 陶杯式土壤水收集器是将一根特氟隆( t e f l o n ) 管插入一个p v c 瓶。特氟隆管 将士壤溶液导进一个放置在土壤表面的瓶子中，瓶子需在使用前抽真空( 约为 0 5 p s i g ) 。 ( 7 ) 枯落物收集器 枯落物收集器是放置在林冠穿透水收集器旁边的一种采集枯枝落叶的采样装 置。枯落物收集器制作简单，制作方法基于挪威林业研究所的设计。改进后的枯 落物收集器是一个0 4 5 m 0 4 5 m 的钢圈，然后安上一个褐色或绿色针织物制作 的收集袋。枯落物收集器顶端距离地面l m ，并固定在木桩上。考虑到每次取样 时要更换收集袋，必须准备另外一套收集袋。 酸沉降作用下韶山森林生态系统盐基离子及氮的变化特征研究 1 1 4 4 实时监测设备及采样设备 ( 1 ) 连续二氧化氮采样器( n i l us s 2 0 0 0 型) 连续二氧化氮采样器装备了8 个采样管，流速为0 5 l m i n ( 大约每2 4 h 为 o 7 m 3 ) 。空气流量计安装在电磁阀和泵之间，用于测定穿过采样管空气的流速。 但) 土壤温度感应器 由g e o n o r 出品的热电偶是带有延长电路的热敏电阻。感应器用于测量土 壤温度。用手持数字温度计读取土壤温度( g e o n o rc 9 0 0 3 ) 。感应器通常安装在与 土壤溶液收集器相同深度的土层内，温度单位用摄氏度。 ( 3 ) 土壤湿度计 土壤湿度计( w a t e r m a r k ) 由e i j k e l k a m p 出品。土壤湿度计( e i j k e l k a m p1 4 2 7 0 5 ) 安装在未受干扰的土壤中，靠近土壤温度计。土壤凭借土壤水势能可留住水使其 不流失，土壤湿度计就是用来测量土壤水势能大小。 f41 水坝及水流量计 水坝建于小流域溪流的出口。水坝用于测量水的流量，在小流域计算时须先 确定它。坝由一个v 型堰、一个流量计( l i m i g r a p h ) 及放置流量计的小房子组成。 1 1 4 5 国际标准的酸沉降监测的综合分析 采集到的样品需经过样品处理、化学分析和结果计算3 个步骤。 ( 1 1 气象学数据 气象是对生态系统影响最大的，研究风向、风速、温度、相对湿度等气象变 量的量级和变化，是为区分人为干扰和自然现象。 f 2 1 大气化学 冲击式采样器( n i l u e k ) 、p m 2 5 p m l 0 颗粒物采样器r ( n i l u e k ) 等仪器采集 的样品用于大气化学分析。通过测量空气中各种气体和悬浮物的量，评估空气长 距离输送而输入到生态系统中的大气污染物。各种气体和悬浮物可直接落在树冠 上，直接影响树木生长；也可通过影响土壤和地表水，间接影响树木生长。 i c p 综合监测s 0 2 推荐的方法是碱性浸泡滤网法，再用离子色谱分析。对于 那些二氧化硫年平均浓度高于1 0 9 m 3 的观测点，使用溶液吸收法的效果会更理 想。 在i c p 综合监测点监测硫酸盐的推荐方法是碱性浸泡滤膜法采样，然后用离 子色谱分析。 监测二氧化氮的方法是化学发光法测量二氧化氮的原理是通过- a n 热催化转 换器使二氧化氮还原为一氧化氮，然后计算( n o + n 0 2 ) 和n o 的浓度差( 未经转化 器的信号1 。 i c p 综合监测推荐监测大气气溶胶和气态硝酸中硝酸盐( n 0 3 ( 颗粒1 + h n 0 3 ( 气态) ) 总量的推荐方法是多层滤膜吸收法，再用离子色谱进行分析。 测定臭氧使用紫外吸收法。 二氧化碳的监测使用g a m 气体分析方法。 硕士学位论文 另有一种简单测定s 0 2 、n 0 2 、n h 3 和0 3 的方法是被动采样。采样器里面装 有浸透过的滤膜。实践证明此方法在没有电力供应的监测点应用具有其独特的优 越性。 ( 3 ) 降水化学和穿透水化学 湿沉降采样器采集的样品用于监测降水化学，穿透水采样器采集的样品用于 监测穿透水化学。监测降水化学目的是测量输入到i c p 综合监测点内的降水量和 其中的离子f 湿沉降1 。监测穿透水监测项目的主要目标是监测森林树冠或植被下 土壤中总沉积物的输入量。降水和穿透水( t f l 的监测内容相似，并且在长距离跨 界空气污染协定框架下，与其他u n e c e 的工作相比较。污染物随降水沉降到生 态系统中，降水被认为是影响环境中自然过程的主要因素。分析时要特别注意化 合物和营养物的酸化。通过气象、大气化学、穿透水和径流等监测项目的相关信 息，就可以推断出某些化合物在整个监测点或者部分监测点的总沉降。 降水化学必须分析的参数：硫酸盐、硝酸盐、铵、氯化物、钠、钾、钙、镁、 碱度( p h 值1 。为了保证数据的质量，还推荐测定电导率。 推荐分析主要离子的方法是离子色谱法，也可使用其他的方法，如原子吸收 分光光度法测定n a 、k 、c a 、m g ，分光光度法测定铵。 推荐测量p h 值、强酸或弱酸的方法是电位测定法。可选的测量强酸或弱酸 的方法是库仑滴定法。 推荐测量电导率的方法是电导法。 ( 4 ) 土壤化学和土壤水化学 氮矿化管用于采集土壤样品，土壤温度感应器和土壤温度计测量的土壤温度 和土壤潜势也是用于分析土壤化学的主要参数。土壤溶液收集器采集样品用于分 析土壤水化学。渗过土壤的呈酸性水溶解和侵蚀岩石，它们释放出阳离子提供给 微生物和植物根系所需吸收的养份，然后渗入更深的土层和地下水，并最终流到 河流和湖泊中。土壤水与上层土壤中的化学和生物过程密切结合，并且对酸化和 氮的污染很敏感。因此，土壤水监测项目对于理解小流域尺度上地下水文化学和 生物的微生物影响非常重要。 氮矿化管管子里土壤要用锋利的小刀按照f + h 、a + a b 、b 1 层( 如果可行) 分 为3 部分，然后测量和记录其长度。把土壤样品在k c l 萃取之前应保存在零下 1 8 。c 。将1 0 9 有机质土层土壤和4 0 9 矿质土层土壤放入1 0 0 m l 的烧瓶中，然后添 加5 0 m l m o l 的k c l 。然后轻轻的摇动烧瓶3 0 r a i n ( 每分钟1 0 0 次) 。将悬浮物滤掉f 滤 纸类型为b l a u b a n d ，1 2 5 m m ，s c h l e i c h e r s c h u l l ，g e r m a n y ) 。分析之前把滤出液保 存在4 下，要尽快分析。用比色法分析n 0 3 - 和n h 4 + 的浓度。 对土壤水收集器采集样品要优先进行非金属检测：p h 、n 化合物、d o c 等。 加入酸后使金属元素从储存瓶壁析出。 ( 5 ) 径流水监测 v 型堰和流量计是测量径流水的必要仪器。径流是小流域溶质的主要输出方 式。通过测量径流和分析径流水浓度，可计算元素流失总量。 9 酸沉降作用下韶山森林生态系统盐基离子及氮的变化特征研究 确定小流域流量非常重要，最好方法是建一个坝，然后在上面安装自动的水 流量计。至少应当记录每日径流量，在高流量、融雪期、大雨、风暴期间，应加 大流量测量的频率。在采集水样的时候，也应多进行流量测量。径流水采样应在 上游距离坝一段距离处进行。 必分析参数除个别外，都与其他i c p 水监测项目相同，并主要与酸度