环境科学学报
ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE
1999年 第19卷 第6期 Vol.19 No.6 1999



柳州地区各种红壤土种的酸沉降临界负荷研究*
谢绍东　郝吉明　周中平
摘要　应用简单质量平衡法(SMB)、多层模型PROFILE和基于植物响应标准计算柳州红壤各土种的酸沉降临界负荷，并建立了系统完整地收集、测量与估算模型所需参数的方法.结果表明，柳州红壤各土种的硫沉降临界负荷为0.50—1.80keq.hm-2.a-1，为保护95%的土壤不受酸沉降危害，柳州土壤的潜在酸度、酸度和硫沉降临界负荷分别为1.8keq.hm-2.a-1、1.9keq.hm-2.a-1和0.70keq.hm-2.a-1.
关键词　酸沉降；临界负荷；红壤；酸化模型.
Assessment of critical load for acid deposition to all kinds of red earth in Liuzhou area,China
XIE Shaodong (Center of Environmental Sciences,Peking University,Beijing 100871)
HAO Jiming ZHOU Zhongping (Department of Environmental Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084)
Abstract　The critical loads of acid deposition for all kinds of red earth in Liuzhou area of China were calculated by the simple mass balance method (SMB) and multilayer model (PROFILE).Based on the criteria of plant response,a complete and systematic approach was established to collect,measure and estimate the parameters required by the model.The results shows that the critical loads of sulfur deposition for various kinds of red earth in this area were within the range of 0.50—1.80keq.hm-2.a-1，and the 5 th percentile critical loads of acidity,potential acidity,sulfur deposition and nitrogen deposition for red earth are 1.8keq.hm-2.a-1,1.9keq.hm-2.a-1,0.70keq.hm-2.a-1 and 1.5keq.hm-2.a-1,respectively.
Keywords　critical load,acid deposition,red earth,acidification model.
　　本研究以柳州为典型地区，应用稳定状态质量平衡法估算了柳州地区各种红壤的酸沉降临界负荷.
1　确定临界负荷的基本步骤
　　临界负荷总是根据生态系统的指示生物有机体和它们蕴涵的化学界限来估算，其基本步骤是：(1)选择污染物，(2)选择合适的敏感性受体(陆地生态系统、地表水和地下水)，(3)确定指示生物有机体，(4)确定临界化学值，(5)建立计算方法，(6)测量和收集数据，(7)计算临界负荷值.根据国家“七五”和“八五”的研究结果，选择马尾松作为敏感性受体的指示生物有机体，以碱度、pH、铝浓度、NO-3浓度和BC/Al比率等作为描述生态系统状态的化学指标，并以它们作为计算临界负荷的标准.
2　稳定状态质量平衡法
　　稳定状态质量平衡法，包括简单质量平衡模型(SMB)［1,2］和多层模型，其计算临界负荷的基本原理是基于土壤中长期产生碱度和长期输入酸度间的静态质量平衡，对于任意一个森林生态系统其质量平衡为：
ANCW+ANCEX=ACD+ACU+ANCL+ACN　　　　　　　　　　　　(1)
　　式中ANCL为土壤系统淋溶液中的碱度，ANCW为风化供给的净碱度(假设等于Ca+Mg+K+Na的净释放速率BCW,即ANCW=BCW)、ANCEX为盐基阳离子交换供给的净碱度，ACD为大气酸沉降输入的净酸度,ACU为植物吸收盐基阳离子产生的酸度，ACN为植物吸收氮产生的酸度.
　　SMB法依据式(1)得到计算潜在酸度、酸度和硫沉降临界负荷的公式为：
CL(Acpot)=ANCW-BCU+NU+NIm(crit)-ANCL(crit)　　　　　　　　　(2)
CL(Ac)=ANCW-ANCL(crit)　　　　　　　　　　　　　(3)
CL(S)=BC*Dt+ANCW-BCU-(NO3,L)+ANCL)(crit)　　　　　　　　　　(4)
式(2)—(4)中：CL(Acpot)、CL(Ac)和CL(S)分别表示潜在酸度、酸度和硫沉降临界负荷，ANCW为由风化产生的碱度，BCU为植物吸收盐基阳离子的净吸收速率，NIm(crit)为土壤的临界固氮速率，NU为植物吸收氮的净吸收速率，ANCL为淋溶碱度，NO3,L为淋溶硝酸盐，BC*Dt为非海盐盐基阳离子的总沉降，这些物理量的单位均为keq.hm-2.a-1.需要指出的是［2］，无论是潜在酸度临界负荷，还是酸度临界负荷，均是指系统可以接受输入的净酸度，亦即活性酸度；对于大气沉降而言，是指硫、硝酸盐和铵沉降产生的酸度的和减去非海盐盐基阳离子沉降.
　　ANCL根据碱度的定义和不使选择的指示生物有机体发生危害的临界化学值计算［1］.对于森林土壤，当基于植物响应标准(BC/Al)crit计算临界负荷时，ANCL为：
　　　　　　　　　(5)
式中：Q为径流量(m3.hm-2.a-1),KGibb为水铝矿溶解平衡常数(mol.m-3)-2，(BCCa,Mg,K/Al)crit为作为临界化学值应用的摩尔比率，xBC为风化成为Ca+Mg+K的分数，通常取0.7[1]，BCD为Ca+Mg+K沉降速率.BCL,min=Q.min,是淋溶液中必须淋溶出的最小盐基阳离子量，相当于植物不能吸收的残留盐基阳离子浓度引起的淋溶，以及植物在吸收中存在的迟钝导致盐基阳离子离开系统而引起的淋溶.[BC]min一般为10—20μeq.L-1，本研究取15μeq.L-1.
　　此外，本文还应用多层模型PROFILE［3,4］进行了计算.PROFILE对于每一土壤层反复使用静态质量平衡，计算临界负荷的基本原理与SMB类似，在此不再赘述.计算时可通过不断改变模拟的酸沉降来运行模型到某沉降产生的化学指标不超过确定的临界值(如BC/Al摩尔比率≥1[1])时为止，还可由模型输出的结果直接计算.
3　数据收集与测量
3.1　需要确定的基本参数
　　稳定状态质量平衡法计算酸沉降临界负荷需要输入的参数包括：(1)沉降参数：SO2--4、NO-3、NH+4和BC的沉降；(2)水文参数：年降雨量、雨水渗透与深度的关系、径流和土壤湿饱和度；(3)土壤性质：风化速率、水铝矿常数、土壤质地、土壤矿物组成、土壤溶液中CO2分压、土壤密度和土壤硝化速率；(4)植物参数：植物吸收盐基阳离子和吸收氮的速率.这些参数有些可从文献中查找或通过估算获取，有些可通过实验或现场测量得到.
3.2　数据收集与估算
　　本研究收集的数据来源于：柳州地区土壤背景值；柳州第二次土壤普查资料；柳州地貌、水文、植被、气候资料；柳州环境质量报告书；土壤图、地质图、地形图、水系图等.矿物的总表面积可以由粒径分布、或土壤中砂、淤泥和粘土含量的分级估计［3,4］.
　　关于大气沉降参数，本研究以柳州在“八五”期间监测的干湿沉降数据为基础，结合我国“七五”期间在西南、华南对针叶林地区监测的林内降水化学数据，用统计的方法得到计算阴离子总沉降的经验公式［5］，据此估算沉降参数.
3.3　数据测量
　　土壤属性和植物特性的一些参数，除部分可收集外，大部分是通过实验和现场测量获得.实验所需土壤样品的采集是根据土壤类型布点，并以森林植物所存在的位置为采样点位；植物样品的采集也是根据植物种类采集植物不同部位的样品.
　　在实验室通过进行土壤的铝溶出试验，以及现场测量土壤溶液中的铝离子浓度和pH，可得到水铝矿溶解平衡常数.结果表明，柳州红壤的lgKGibb为：有机层6.5—7.0，0—10cm土壤层7.0—8.0，10—20cm土壤层8.0—8.5、20—30cm土壤层8.5—9.0，30—50cm土壤层9.0—9.5.地表水中lgKGibb为8.7.
　　土壤矿物含量是用X射线粉末衍射分析测定，由于所有大于50μm的矿物颗粒溶解速率太慢，以至于对风化速率没有显著影响，因此本研究仅测量土壤粘土和淤泥部分的矿物含量.但是常规的XRD方法的灵敏度比较低，所以首先必须对矿物进行必要的分离富集［6］，提高各组分的相对含量，以满足XRD分析的要求.获得土壤矿物含量和质地后，便可用PROFILE模型计算土壤盐基阳离子的风化速率.
　　盐基阳离子和氮的生物量吸收，本研究首先通过实验测量植物干、枝和叶中N、Ca、Mg、K和Na的含量；然后假设植物的产量是干和枝的和，分别计算干和枝吸收N和盐基阳离子的年平均吸收速率，即以生物量的年增长速率乘以树木不同部分中元素的含量来计算元素的年平均吸收量.
4　结果与讨论
　　按土壤的自然分层采集剖面土样，用我国农业部门和土壤学科规定的标准方法测定柳州地区各种红壤的物理化学性质.计算时仅考虑土壤0.5m深度以上的性质，因为这部分是森林树根分布的主要区域.表1列出了用PROFILE计算红泥土化学性质时需要的部分输入数据.表2列出了本研究获得的计算临界负荷需要的输入参数值.
　　由湿沉降得到柳州地区1995年各阴阳离子的总沉降量为：硫酸盐5.33keq.hm-2.a-1、硝酸盐1.21keq.hm-2.a-1、铵2.3keq.hm-2.a-1、氯化物0.56keq.hm-2.a-1、盐基阳离子4.76keq.hm-2.a-1.柳州地区的降雨量为1.5m.a-1、径流量Q为7000m3.hm-2.a-1,年平均土壤温度为20.5℃.
表1　用PROFILE模型计算红泥土化学性质时需要输入的数据
Table 1 Input data for calculating the soil chemistry of red silt earth with PROFILE model

参数土壤层矿物占土体的百分比，%
12341234
土壤层厚度，m0.050.10.20.3钾长石4.04.03.03.5
含水量，m3.m-30.340.320.340.33斜长石6.06.07.06.0
土壤容重，kg.m-31200115012001170角闪石2.51.51.51.5
表面积，106m2.m-37.67.71.08.5钛铁矿2.51.51.01.0
CO2分压，大气分压的倍数351015高岭石17.025.022.020.0
入流与降雨量的质量比，%100908070水铝矿2.51.01.51.0
渗透与降雨量的质量比，%90807060针铁矿4.04.55.05.0
N吸收与总吸收的质量比，%20303020云母0.10.10.10.1
Ca+Mg+K吸收与总吸收*的质量比，%20303020石英61.557.059.063.0
溶解有机碳，mg.L-120403020　
lgK**Gibb7.08.08.59.5　

　　* 柳州地区植物对盐基阳离子和氮的吸收速率估算为0.4—2.0keq.hm-2.a-1和0.3—1.0keq.hm-2.a-1
　　** KGibb的单位为kmol/m3
表2　计算柳州各种土壤类型临界负荷的输入数据(keq.hm-2.a-1)
Table 2 Input dta for calculating the critical loads of all kinds of soil in Liuzhou

土壤类型ANCWBCUNU土壤类型ANCWBCUNU
红土红壤2.651.900.91中度侵蚀红壤1.630.820.75
红泥土2.190.990.91棕泥土10.20.960.88
沙质红泥土0.990.700.46中层酸性紫色土0.560.600.54
红壤铁子土2.150.970.89潮沙土0.270.420.38
薄层砂页岩红壤1.120.930.85潮沙泥土0.480.580.54
厚层砂页岩红壤1.380.940.86红土赤红壤0.980.750.69
红壤土2.490.990.90沙泥黄壤0.550.500.36
红沙土0.350.360.33

　　必须指出的是，稳定状态质量平衡法计算临界负荷的方程是在生态系统处于稳定状态时于临界状态条件下得到的，因此严格地讲方程所需输入参数值都必须是系统在临界状态时的性质.因此，BCD应是临界酸沉降时的盐基阳离子沉降.考虑到削减酸性物质的同时，盐基阳离子沉降也会减少(特别是采取了各种除尘措施)，而且临界负荷是生态系统的固有属性.因此，BCD应该是人们希望达到的某空气质量下的沉降.于是，本研究考虑到柳州空气的质量、除尘控制的现状和我国城市环境质量标准估算出BCD为0.5keq.hm-2.a-1.
　　获得上述数据后，以BC/Al摩尔比率≥1为临界化学值，应用SMB和PROFILE模型计算了柳州地区各种红壤土种的潜在酸度、酸度和硫沉降临界负荷，其结果见表3.表3结果与用动态法［2］得到的结果较为一致.具有最大硫沉降临界负荷值的是棕泥土，为10g.m-2.a-1,红土赤红壤和沙泥黄壤的硫沉降临界负荷值较为接近，其值为1.6g.m-2.a-1.而沙质红泥土、红沙土、潮沙土和潮沙泥土的酸沉降临界负荷较低，这主要是它们的质地较粗所致.
表3　用PROFILE和SMB模型计算的各种土壤的临界负荷(keq.hm-2.a-1)
Table 3 Critical loads for all kinds of soil calculated by PROFILE and SMB model (keq.ha-1.yr-1)

土壤
名称PROFILESMB法
CL(Ac)CL(Acpot)CL(S)　CL(Ac)CL(Acpot)CL(S)
红土红壤2.662.571.805.195.133.99
红泥土2.642.511.654.194.143.00
沙质红泥土1.721.660.822.021.801.12
红壤铁子土2.472.371.534.154.102.98
薄层砂页岩红壤2.041.891.11.891.840.76
厚层砂页岩红壤2.162.091.302.462.421.33
红壤土2.252.321.504.854.803.49
红沙土1.481.590.791.171.170.62
中度侵蚀土壤1.941.920.602.642.611.62
棕泥土6.217.196.421.2721.2220.11
中层酸性紫色土1.141.190.601.191.160.39
潮沙土1.01.130.520.860.860.24
潮沙泥土0.981.070.561.021.000.23
红土赤红壤1.671.61.011.91.860.94
沙泥黄壤1.461.61.001.551.550.95

　　比较用SMB和PROFILE模型计算的结果，发现两方法得到的结果有一定差异，这主要是因为SMB法仅考虑系统边界的性质，而PROFILE模型研究的是土壤各层的性质，在计算临界负荷时必须保持土壤各层中BC/Al摩尔比率≥1，而SMB模型只须保持土壤50cm深度处BC/Al摩尔比率≥1.然而，对于接受酸沉降低的土壤，用两方法计算的结果基本接近，而确定一个地区的酸沉降临界负荷往往是以酸沉降临界负荷低值为依据，因此可以认为用这两种方法计算得到的结果较为吻合，其结果可信，可用于计算我国生态系统的酸沉降临界负荷.
　　获得上述各种土壤的临界负荷后，可绘制出各种土壤的面积累积与临界负荷的累积分布曲线.由此曲线可确定出为了保护柳州地区95%的土壤面积不受酸沉降危害，柳州红壤的潜在酸度和酸度临界负荷分别为1.8和1.9keq.hm-2.a-1、硫沉降临界负荷为0.70keq.hm-2.a-1，即1.1g.m-2.a-1.
* 国家自然科学基金资助项目(编号：59678016)
作者单位:谢绍东：北京大学环境科学中心，北京　100871
郝吉明　周中平：清华大学环境科学与工程系，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京　100084
参考文献
1　Sverdrup H et al.Calculating critical loads for acidity with the simple mass balance method.Water Air and Soil Pollution,1994,72:143
2　谢绍东等.稳态法确定酸沉降临界负荷的基本理论探讨.环境科学，1997,18(4):5—9
3 Warfringe P et al.Calculating critical loads of acid deposition with PROFILE-A steady-state soil chemistry model.Water,Air,and Soil Pollution,1992,63:119
4 Sverdrup H et al.Critical loads and steady-state chemistry for streams in the state of maryland.Environmental Pollution,1992,77:195
5 谢绍东.酸沉降临界负荷研究［学位论文］.北京：清华大学.1996
6 林国珍等.中国若干地区森林土壤对酸雨缓冲能力的探讨.生态学报，1988，18(3)：226—232
7　谢绍东等.柳州地区酸沉降临界负荷的确定.环境科学，1996，17(5)：1—5
1998-04-21收到原稿
1999-01-11收到修改稿
