（环境工程专业论文）酸沉降影响下韶山森林硫与氮的动态过程及临界负荷研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本论文选取位于湖南境内的韶山森林作为研究对象，对酸沉降影响下韶山森 林生态系统硫和氮的动态过程以及酸沉降临界负荷进行了研究。研究表明：( 1 ) 韶山森林各元素离子浓度与输入的水量呈负相关关系。这是由于少雨期的大气干 沉降物质的积累而导致浓度升高，多雨期降水的稀释和清洗作用则造成离子浓度 降低。( 2 ) 韶山地区降水的s 0 4 2 n g 3 之比为2 6 6 1 5 5 3 ，可见韶山降水属于燃煤 型降水。但是n o 。的制酸作用也不小，这与韶山是旅游景点有关，每年有超过l o o 万人次的游客，加重了汽车尾气的排放量，从而也导致了降水中n 0 3 浓度的加重。 ( 3 ) 从森林生态系统的物质平衡来看，s 0 4 2 。的输入量小于输出量，而n 0 3 。的输出 量小于输入量。说明s 元素被降水协同进入土壤中进行水分循环，虽受到植被层、 土壤层的阻隔和截面的过滤、吸附作用，但仍有部分元素随水流出。而n c l ，经冠 层、土壤和地被物的层层作用，大部分被吸附、滞留在土壤中，致使输出量明显 小于输入量。( 4 ) 通过对降水的影响源情况进行分析，得出农业生物源对韶【大气 降水影响最大，其次是陆地源，再次是海洋源，而工业污染源影响最小。( 5 ) 韶山 森林冠层三个空间层次中p h 值与s 0 4 。、n 0 3 - 以及c a 2 十的回归分析和数学模拟结 果表明，降水中s 0 4 玉与p h 值的相关性大于n 0 3 。，说明了韶山森林降水s 0 4 2 。 的致酸性强于n 0 3 。s 0 4 2 - 与p h 值的相互关系最显著，说明了h + 与s 0 4 2 - 的来源 一致，主要来源于工业污染。( 6 ) 应用m a g i c 和s m a r t 结合模型，模拟了在一 定酸沉降量下，生态系统化学状态随时间的变化趋势，计算出韶山硫沉降临界负 荷为1 7 6 k e q h m - 2 a 一。 关键词：酸沉降；韶山；硫i 氮；临界负荷 酸沉降影响下韶山森林硫和氨的动态过程及临界负荷研究 a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h ed y n a m i cp r o c e s so fsa n dna r ea n a l y z e da n dt h ec r i t i c a ll o a di s i n v e s t i g a t e du n d e ra c i dd e p o s i t i o nb a s i n go nt h em o n i t o r i n gd a t ad u r i n g2 0 0 1a n d 2 0 0 2i ns h a o s h a nf o r e s t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei o nc o n c e n t r a t i o n so fa l l e l e m e n t sw e r e n e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t hr a i nw a t e r ，w h i c hw a sd u et ot h e a c c u m u l a t i o no ft h ed r yd e p o s i t i o nd u r i n gt h er e l a t i v e l yl o n gd r yp e r i o di nw i n t e ra n d t h ed i l u t i o no fi o nc o n c e n t r a t i o n st h er a i n f a l lw a sp l e n t i f u li ns u m m e r t h er a t i o so f s 0 4 。n 0 3 r a n g ef r o m2 6 6t o1 5 5 3 s 0 4 。i st h ep r e d o m i n a n ta n i o ni nb u l k p r e c i p i t a t i o ni ns h a o s h a nf o r e s t h o w e v e r ，t h ei m p a c to fn o x i sa l s oi m p o r t a n tt ot h e f o r m a t i o no fa c i dr a i ni us h a o s h a nf o r e s t a sw ek n o w , s h a o s h a ni sas h o w p l a c ea n d i sw i t hm o r et h a n1m i l l i o nt o u r i s t sc o m eh e r ef o rs i g h t s e e i n ge v e r yy e a ra n dt h e e m i s s i o no fv e h i c l et a i lg a sa g g r a v a t et h ep o l l u t i o no f n 0 3 t h ei n p u to fs 0 4 2 i sl e s st h a nt h eo u t p u tb u tt h ei n p u to fn 0 3 i sm o r et h a nt h e o u t p u to fn 0 3 。b yr e a s o no fs o m eo fse l e m e n ti st a k e na w a ya n dne l e m e n ti s r e m a i n e di ns o i l i nl i q u i dc y c l i n g a l s ow ea n a l y z e dt h ei n f l u e n c i n gs o u r c eo ft h e b u l kp r e c i p i t a t i o na n dc o n c l u d e dt h a ta g r i c u l t u r es o u r c eh a v et h eb i g g e s ti m p a c to n t h eb u l kp r e c i p i t a t i o n ，e a r t hs o u r c et ot h en e x t ，a g a i ns e as o u r c e ，t h el a s t i n d u s t r y s o u r c e t h er e g r e s s i o na n a l y s e so fp ha n ds 0 4 厶，n 0 3 。a sw e l la sc a 2 + s h o wt h a tt h e c o r r e l a t i o no fs 0 4 2 。a n dp hi sm o r es i g n i f i c a n tt h a nt h a to fo t h e ri o n si n d i c a t i n gt h a t t h eo r i g i n so fh + a n ds 0 4 2 。a r ei d e n t i c a la n db o t ho ft h e mc o m ef r o mi n d u s t r y s o u r c e s c o m b i n i n gt h ea c i dd e p o s i t i o nd y n a m i cm o d e lm a g i cm o d e la n ds m a r t m o d e lf o rc r i t i c a l l o a d ，w es i m u l a t ea n dw o r ko u tt h a tt h esd e p o s i t i o nc r i t i c a l1 0 a di s 1 7 6 k e q h m - 2 , a k e yw o r d s ：a c i dd e p o s i t i o n ；s h a o s h a n ；s u l f u r ；n i t r o g e n ；c r i t i c a ll o a d i i 墼堡矍翼堕三塑当查苎塞竺堡竺塑童苎彗墨些量垒童垩塞 陶1l 目1 2 图1 3 图i4 图15 图2 1 图22 图23 图2 4 图25 图26 图27 图28 幽29 图21 0 圈2 1 l 图31 图3 + 2 图3 3 图34 图3 5 图3 6 圈41 图42 图51 图52 图5 3 图54 幽61 图62 图6 3 阁64 插图索弓 各种溶液的酸碱度与酸雨比较 1 人气污染物排放及其影响 4 酸雨对森林生态系统影响过程框图1 1 硫的地球化学循环2 0 氮的地球化学循环 2 3 韶山森林冠层实地分布图2 7 韶山森林生态系统二维冠层结构2 7 研究地位置及采样点布置示意图 2 8 大气沉降采集器 3 0 湿沉降采集器3 1 样品采集器结构示意圈 3 1 森林冠层穿透水收集器3 2 业冠层穿透水样品收集器3 2 v 型堰实地图 3 3 过滤式土壤水收集器 3 3 陶杯式土壤水收集器3 3 韶l i j 大气降水离子浓度变化3 8 韶山森林穿透水离子变化图4 0 韶山大气降水阴阳离子组成4 1 韶山穿透水阴阳离子组成4 1 中国部分城市大气降水化学成分比较图 4 2 中国部分城市森林穿透水化学成分比较图4 3 韶山空间三个层次的p h 值和各离子平均浓度4 6 树冠层内部缓冲h + 离子的作用和酸度转移示意图4 9 韶山森林降水的输入( a ) 、输出( b ) 月均值变化5 2 2 0 0 1 年韶d 森林p h 时空分布圈 5 3 2 0 0 1 年韶山森林s 0 4 2 离子浓度时空分布图5 3 n 0 3 离子浓度时空分布图5 4 酸沉降量与生态系统受到影响的关系5 8 硫沉降历史变化曲线6 2 酸中和容量在不同s 沉降方案下的变化趋势 6 3 硫沉降量削减率和地表水稳态a n c 值之间的剂量一响应关系 6 4 v 【 附表索弓 表3 i2 0 0 l 一2 0 0 2 年韶山大气降水离子浓度表 表3 2 韶l 森林穿透水离了浓度表 表4 1 韶jj 林内降水化学特征 表4 2p h 值与s 0 42 。、n o3 。以及c a ”的回归分析 表4 3 韶山大气降水与黄山大气降水值的比较 表5l2 0 0 1 年韶山森林p h 值数据 表5 22 0 0 1 年韶山森林s 0 4 2 - 离子浓度数据 表532 0 0 1 年韶山森林n 0 3 离子浓度数据 表6l 模型所考虑的过程及过程描述 表6 2 确定森林生态系统中临界负荷应用的化学指标的临界界限 表63 模型所涉及的反应 表64s m a r t 和m a g i c 结台模型输入参数和数据 表65 模型模拟值和实测值的比较 v i i 3 8 3 9 4 5 4 7 4 9 5 3 5 4 5 4 5 9 6 1 6 1 6 3 6 3 1 1 酸雨概况 第1 章绪论 酸雨现象己成为世人关注的重大环境问题之一。近年来，随着各国经济的发 展，矿物燃料消费量和机动车保有量的不断增加，排入大气中的硫氧化物、氮氧 化物及其二次污染物日渐增多，这些污染物在大气中经各种化学、物理反应最终 形成酸雨，在全球范围内无遏止的蔓延，对自然环境造成极大危害。酸雨已使一 些地区土壤酸化，肥力下降，森林衰退，农作物减产，河湖酸度异常及鱼类死亡， 城市建筑物和文物古迹被腐蚀侵害，人体健康甚至生命安全受到了威胁，严重危 及世界生态环境，影响经济发展，威胁人类的生存，成为人类所面临的一个重大 环境问题，引起了国际社会的强烈关注和科学家们的着重研究。 1 1 1 酸雨的概念 天然降水的酸度是由融入其中的酸、碱性物质的相对含量所决定的，通常以 降水的p h 值来表示。在只考虑大气中c 0 2 与纯水中h c 0 3 平衡的条件下，雨水具 有p h 5 6 左右的微酸性，当硫氧化物、氮氧化物等酸性污染物进入雨水中时，降水 的p h 值会进步降低，因此一般把酸雨的判别基准取为p h 5 6 ，把p h ( 5 6 的降水 称为人类活动酸雨。图1 1 为各种溶液的酸碱度与酸雨的比较。 图1 1 各种溶液的酸碱度与酸雨比较 然而，即使在未受人类活动影响的天然条件下，除了二氧化碳，空气中还有 其他的酸性和碱性物质，不同地区空气中酸碱物质有多有少，降水p h 值也可能高 于或低于5 6 ，因此酸雨的定义也是有争议的。莫天麟等认为川，若同时考虑到大 气中痕量气体( s 0 2 、h 2 s 、n h 3 、h c i 、h n 0 2 、h n 0 3 等) 和土壤中的碳酸钙后， 酸雨的判别基准值范围可以取在p h 4 0 至p h 5 4 之间，建议取为p h 4 7 。张光华等认 为 2 1 ，世界上不同地区降水酸度是不一样的，它取决于地面的自然条件，主要可 能是土壤的性质。因此不分地理区域，一律把p h ( 5 6 的降雨作为人为污染形成的 酸沉降影响下韶山森林硫和氮的动态过程及临界负荷研究 酸雨，显然是不合适的，应当针对该地区具体条件来确定降水的本底值。 酸雨是通常的叫法，科学上称作酸沉降，包括湿沉降，如酸雨、酸雪、酸雾、 酸雹和干沉降，如二氧化硫、氮氧化物、氯化合物等气体酸性物，但现在大多数 情况下把干、湿沉降统称为酸雨f 3 。为了便于同以前的研究结果对比，本文中酸 雨取p h ( 5 6 作为判别基准值，含义等同于酸沉降。 1 1 2 酸雨的发现历史 至少在3 0 0 年以前，欧洲就率先认识到大气污染的严重危害，但直到1 9 世纪 6 0 年代英国化学家r a s m i t h 才开始了现代的科学调查1 4 j 。1 8 7 2 年在其空气和 降雨，化学气候学的开端一书中，首先使用“酸雨”这个专有名词，并指出降 水的化学性质受燃煤和有机物分解因素的影响，同时指出酸雨对植物和建筑物是 有害的，但是该书未受到应有的重视。2 0 世纪5 0 年代。美国生态学家e o l u m 通过对土壤酸化，酸雨对湖泊的影响进行研究，指出降水酸性是由于燃料排放的 酸性物质造成的。5 0 年代初瑞典、挪威的渔业减产，到了1 9 5 9 年挪威人才揭示 出是酸雨所致。6 0 年代瑞典土壤学家s o d e n 发现在从事地表水的研究中发现： 酸沉降在欧洲是一个大尺度的区域性现象；降水和地表水越来越酸；含硫、含氮 化合物在欧洲可以传输1 0 0 2 0 0 0k m ；主要离子和酸性的沉降具有明显的季节性 趋势，含硫和氮化物的酸性降水在欧洲跨国界地迁移、沉降，并有不断发展的趋 势。1 9 7 2 年瑞典政府向联合国人类会议提交了跨国界的大气污染：大气和降水 中的硫对环境的影响的报告，由此酸雨现象在欧洲引起了公众广泛的关注 5 1 。 1 9 7 2 年以后，欧、美、加各国围绕酸雨形成，生态影响及跨国输送问题，投巨资 进行调查研究。首先在加拿大的安大略和新斯科舍省，人们发现越来越多的湖泊 由于酸化而引起鱼类种群的不断下降【6 8 1 。安大略省的萨德伯里地区在2 0 世纪7 0 年代被认为是世界上最大的s 0 2 污染源，年s 0 2 排放量达2 6 0 万吨，几乎占整个 加拿大年排放量的一半。因此在这一地区记录的降水平均p h 值为4 5 ，极端最低 值为3 2 【乳i l 】。1 9 7 4 年，c o g b i l l 和l i k e n s 对美国2 0 世纪五六十年代降水化学的 监测结果进行了1 次全面的分析【l 刖，结果表明，1 9 5 5 1 9 5 6 年间，酸雨普遍出现 在美国东部地区，高酸度的降水( p h k + n a + ，而 缓冲能力弱的土壤排列为a i ” c a ” k + m g ” n a + 。 盐基离子释放量与酸雨的p h 有极大关系。康敏捷等 j0 3 对台湾莲花池森林土 壤的管柱淋溶实验表明，在p h = 2 6 的模拟酸雨处理下，所有阳离子的释放量都比 p h 为3 ，6 及4 6 的酸雨处理所造成的阳离子释放量大，并且释放量较慢达到稳定， 而p h 3 6 及4 6 处理所造成的阳离子释放情形差异并不大。实验发现，酸雨p h 愈低， 盐基释放量愈大，但各离子淋失量不同，二价离子基本多于一价酸沉降条件下森 林生态系统离子变化特征与机制研究离子。w o o d 等的土壤淋洗实验也表明u 0 4 ， 镁的淋失量随雨水酸度的增加而增加，但钾的淋失量直到p h 降低至3 0 以下才有所 增加。h a n s o n 等从位于北美重要工业中心下风向的1 4 个点( p h 介于4 0 4 6 ) 采集土 样进行分析，结果表明土壤中钙、锰的浓度梯度与降水的p h 梯度一致，但钾却只 有最靠近工业中心的三个点的浓度比其它点低，说明当降水p h 降至定值时，钾 的浓度才开始增大。e r v i o 1 0 5 】根据2 3 年田问状态下芬兰土壤的实验结果，认为钙、 镁、钾等元素的淋溶只是在p h 3 5 的模拟酸雨作用下才会加速，而p h 4 5 的模拟酸 阿在几十年内不可能使耕地p h 值发生明显变化。王代长 1 0 6 等在江西表土旌用k c i 肥料后进行模拟酸雨的士柱淋溶实验，结果表p j p r 2 5 处理下表土施用的钾肥几乎 完全淋失，而p h 4 5 处理淋失量只有5 0 。 1 2 5 2 铝、硅的活化 土壤中除交换性盐基的缓冲作用外，还包括a l ( 0 h ) 3 的水解缓冲作用和矿物的 风化缓冲作用，这两种缓冲作用必然伴随着a l 、s i 的活化、释放与淋溶。一般情 况下，a l ”的释放主要来自a i ( o h ) 3 的水解，反应如下：a l ( o i t ) 3 十3 h + 一a 1 ” 十3 h 2 0 这一反应，另外三水铝石和含铝矿物的溶解也释放出一定数量的a l ，反应 如下： m a l m s i 。0 d + h + m + + a 1 ”+ h 4 s i 0 4 + 次生矿物 王连峰等研究表明酸沉降影响下庐山森林生态系统中土壤溶解铝的含量因林型和 根系活动影响而异，且表现出季节性动态变化，秋冬季偏高而春夏季偏低【1 07 1 。 刘厚田f 49 】等对重庆南山土壤的研究表明，当p h 4 5 时，释放量很小，而戎秋涛 1 0 8 1 研究表明铝的溶出在p h 4 0 左右有个阂 值，这可能是与实验所用的土壤不同有关，庞叔薇【1 。9 】的研究证明了土壤本身的 特性对铝的溶t f i 有很大的作用。俞元春t n o l ；l i 开究发现就绝对量来看，江西红壤、 福建红壤的淋出液中铝含量最高；由海相沉积物发育的广东砖红壤溶出量较小：由 玄武岩发育的广东砖红壤铝溶出量最小。廖柏寒【1 l l l 等对中国南方5 个森林土壤研 究结果表明表明，土壤铝