中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1999年 第2期 No.2 1999



生态系统的酸沉降临界负荷及其研究进展
陶福禄　冯宗炜
　　摘要：生态系统的酸沉降临界负荷是制订合理高效氮、硫排放削减方案的关键,因此受到了科学家和政治家的广泛关注.本文综述了当前国内外有关生态系统酸沉降临界负荷的研究进展及研究中的一些关键问题,最后提出当前研究中存在的问题及对未来研究的展望.
　　关键词：酸沉降；临界负荷；进展
　　中图分类号：X517　　文献标识码：A　　文章编号：1000-6923(1999)02-0123-04
Study progress on critical load of acid deposition for ecosystem.
TAO Fu-lu　FENG Zong-wei
(Department of System Ecology, Research Center for Eco-Environmental Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China). China Environmental Science. 1999,19(2)：123~126
Abstract：Critical load of acid deposition for ecosystem is crucial to make an effective scheme to abate nitrogen and sulfur emission, and consequently is widely concerned by scientists and politicians. In the paper, the studies on critical load of acid deposition for ecosystem around the world are reviewed and some suggestions are proposed for the future studies in China.
Key words：acid deposition；critical load；progress
　　生态系统的酸沉降临界负荷,或简称酸沉降临界负荷,是在不导致对生态系统的结构和功能产生长期有害影响的化学变化时,生态系统所能承受的最大酸性沉降量[1].根据某地区的氮、硫沉降临界负荷图,与当地实际沉降量相比较,可制订该地区的氮、硫沉降超标图,为政府决策部门制订合理高效的排放量削减方案, 提出酸化控制对策提供了科学依据.
1 临界负荷的求算方法
　　临界负荷可由直接法和间接法求得. 直接法依据大气沉降和敏感因素之间的响应关系,通过相关分析或实验求得；间接法根据生态系统中离子浓度或离子比率的临界值(临界化学组成值)与生态系统现状之间的剂量反应关系,由酸化模型间接求得.临界化学组成值的大小与生态系统内部的生物有关,在确定临界负荷时,首先要选择生态系统内有代表性的生物作为指示生物,以其对化学组成的忍耐限值确定临界化学组成值,然后再由酸化模型确定临界负荷.目前的研究几乎都采用间接法.在估算酸沉降临界负
　　荷时常用的酸化模型有:稳态水化学模型如Hen-riksen模型[2],稳定状态模型如SMB、PROFILE[3]等,动态模型如ILWAS[4]、MAGIC[5]等.
2 酸沉降临界负荷的研究现状
　　北欧国家由于深受酸化和富营养化的影响,对酸沉降临界负荷和目标沉降量的研究有特别兴趣.70年代,加拿大与美国关于削减排放量的谈判中,用目标沉降量确定沉降量需减少的程度.80年代初,北欧国家对临界负荷的研究逐渐展开,为防止酸化和富营养化,研究了在陆地和水生生态系统中氮、硫化合物的阈值,同时提出了许多求算临界负荷的方法,从基于测量的经验方法到复杂的理论方法.80年代后期至今,欧洲和北美国家对酸沉降临界负荷的研究和应用更加深入,已被科学家和政策制定者作为控制污染物排放的根据和评价酸沉降的一种方法. 1990年在荷兰成立了大气有害气体影响协调中心,1991年由协调中心编制了第一幅整个欧洲的酸沉降临界负荷图,其主要依据是土壤和地表水对酸沉降的敏感性.此后,北欧国家森林土壤的酸沉降临界负荷图[6]、表面水的酸沉降临界负荷图[7] 以及森林生态系统的氮沉降临界负荷图都被编制出来.继欧洲和北美之后, 亚洲东北部成为世界第三大酸雨区 ,酸沉降的临界负荷得到了应有的重视,并开展了这方面的工作.我国“七五”期间在西南地区的研究中,有人曾选MAGIC模型用于土壤,确定了贵州地区和四川盆地紫色土地区表层土壤的酸沉降临界负荷[8].“八五”期间,国家科技攻关课题组也应用MAGIC 模型,求算出我国东部7省生态系统的酸沉降临界负荷*.在RAINS-ASIA 模型中,也曾采用稳态质量平衡(SMB)模型计算了我国的硫沉降临界负荷.还有人分别采用MAGIC和PROF-ILE模型确定了柳州地区的酸沉降临界负荷[9,10]. 
　　到目前为止,对陆地生态系统,大尺度临界负荷的计算及制图多是依据SMB模型,对地表水多依据稳态水化学模型.动态模型由于参数多,资料难得,大多用在局部地区的研究中.所编制的临界负荷图或超标图的尺度和分辨率多种多样,但分辨率的大小对敏感区域或超标面积的影响并不很大[11].
3 对临界负荷研究的几点思考
3.1 由于生态系统的环境条件各不相同,酸化模型的侧重点也多种多样,所以选择适合研究地区特点的模型是至关重要的,特别是对深于根区的土壤,模型的选择很大程度上决定着临界负荷的估算.例如矿化土壤的酸负荷可以根据基岩补充被酸沉降淋洗的盐基离子的能力来确定,但这种相对简单的方法却不能用于泥炭地,因为这些有机土壤依靠大气沉降供应盐基离子.作为酸沉降的受体,泥炭地不是简单地作为离子交换体,一系列复杂的反应如分解、硫酸盐减少、氮酸盐的吸收和有机酸的产生等控制着与酸输入有关的反应.有研究同时采用多种模型进行计算和比较,结果发现,简单质量平衡模型不能正确地解释碳酸盐系统中发生的过程,对风化速率估计也不充分,因此计算出的临界负荷显著高于PROFILE模型的计算值.在降雨充沛、低风化的森林土区,用简单质量平衡模型和PROFILE两模型计算的临界负荷是一致的,因为氢离子和铝离子的淋洗很大程度影响着模型的结果[12].对动态模型的比较发现,在相同的条件下,用MAGIC、SAFE和SMART三个模型对表层土壤的临界负荷进行评价时得出相同的结果；对深层土壤,多层模型如SAFE计算的临界负荷较单层模型如MAGIC和SMART小[13],对富含钙质的森林土壤区进行临界负荷估算应使用多层模型.MAGIC模型将SO42-的吸附作为重要的土壤过程来考虑,相对而言较其它模型更适合我国南方硫酸型酸雨以及以红壤和黄壤为主的特点.
3.2 对同一生态系统,使用同一酸化模型,但采用不同的临界化学值,计算的临界负荷的平均值和临界负荷的分布都会有很大的差别[14]. 因此,对特定条件下的生态系统,根据实际情况选择适宜的临界化学值是很重要的.临界化学值应依据指示生物对不同生态系统中化学状态的反应情况而分别确定.如Harald Sverdrup对不同的生态系统采用不同的标准,编制了瑞典森林土壤对酸和氮的临界负荷图[15].一般而言,对陆地生态系统,应采用对生物生长、土壤稳定性和地下水水质无副影响的化学值作为临界化学值,例如对森林表层土壤(0～50cm)常选用BC/Al为1；对表面水、河流和湖泊,以鱼作为指示生物,选择对鱼种群不产生伤害的酸中和容量(ANC)作为临界化学值(以ANClimit 表示),ANClimit在不同的地区也各不相同,如在挪威对淡水鱼,选用ANClimit= 20μ eq/L；在加拿大对净水湖选用pH 6.0(相对应ANClimit=20～40μeq/L)作为临界化学值；近来还有研究将ANClimit视为酸沉降线性函数,酸沉降为零时可假设ANClimit=0,随酸沉降增加而增大.
3.3 输入模型的资料和参数的准确性和代表性对临界负荷的计算同样是至关重要的.增加样点的数量只能增加空间分辨率,但是不能降低由输入参数的误差所带来的影响,因此重要的是减少输入参数的误差,而不是样点的总数量和运行模型的次数.大多输入资料要求对有代表性点位的土壤、水等样品立即测定或在野外实际点位现场测定.一些沉降资料,特别是氮沉降和盐基离子的沉降,由于它们混入生态系统元素的内部循环中,而且关于它们在大气中的来源和传输知识缺乏,监测方法和资料的可靠性有待于继续提高.
3.4 岩石矿物的风化速率不易得到,但又是很重要的参数.岩石风化,特别是化学风化,能补充由酸沉降淋洗的盐基离子,从而可以中和沉降到土壤中的酸.岩石风化速率很大程度上决定着土壤的中和能力,从而决定着土壤的化学状态,因此是评价酸沉降敏感性的重要因子.风化速率由土壤的地理、化学、物理特性和条件决定.土壤矿物和土壤溶液之间的一些化学反应影响风化速率.对硅化矿物而言,影响风化速率的反应有:土壤矿物与氢离子的反应、与水的反应、与二氧化碳的反应、与有机酸的反应等,所有这些反应会因反应释放的铝离子和盐基离子而减慢,风化速率是这些同时发生反应的速率之和.对大多数类型的岩石来说,其风化速率难以直接测定,而是根据岩石的化学成分和矿物种类作出定性的判断.目前在许多临界负荷的计算中,风化速率依据经验的资料和文献估算或通过土壤中总离子含量和土壤颗粒大小分布,用PROFILE模型求得,也有通过土壤中钙和镁的总含量与有效温度之和求得.这些方法在不同的地区应用准确性也不同.
4 当前存在的问题与展望
　　临界负荷的计算、临界负荷图和临界负荷超标图的制作是一项十分复杂的工作,需要许多参数和资料,难免出现较多的问题.
4.1 当前酸化模型存在的问题.稳态土壤模型,如SMB、PROFILE等对铝的行为描述不够,模型依据三水铝石平衡模型进行计算,但该模型没有依据任何机制.三水铝石系数对临界负荷的计算有很大影响,但其估计也存在很大的问题.而且土壤中的化学过程达到平衡需要很长时间,所以稳态模型不能很好地模拟土壤中的实际情况.稳态水化学模型仅考虑了硫沉降所产生的酸,没有考虑氮的酸化效应.按氮溶液假说,长期高的氮沉降可显著地加快表面水的酸化,所以氮滞留过程的数量估计方法应该得到重视.动态模型也存在不少的问题,例如MAGIC模型有其局限性,首先在一个区域内输入参数的平均值在空间和时间上是否有足够的代表性；其次,该模型没有考虑详细的水文过程,而这些过程在短时间的尺度上可能是重要的；另外该模型未考虑硫的氧化还原反应,对硫酸盐吸附以及铝和有机酸的影响的考虑不尽完善,例如它没有考虑氮的硝化和反硝化作用及硫的氧化还原作用对酸化的影响；虽然它比较详细地考虑了土壤中Al3+与无机络合剂的作用,但没有考虑其与有机络合剂的作用.
4.2 模型输入资料存在许多不确定性.在用稳态质量平衡模型或其它模型计算区域临界负荷及其超标量时,点位参数和沉降等输入资料的测定都可能引起误差.引起沉降资料不确定的因素有:在不同景观上的沉降有自然变化,例如森林的结构和阻留能力、曝露于大气污染的浓度和时间以及点位的空气动力特征都在变化；森林边缘区的沉降量远比森林内部沉降量大等.但目前还没有关于这方面系统的研究,还没有沉降过程及其与这些因子之间的关系；此外当前多采用的以森林穿透雨来估算酸性干沉降的方法大大低估了氮化合物的沉降.
4.3 当把临界负荷的区域分布同削减战略联系起来时,应同时考虑所有的酸化物质.因为硫和氮的临界负荷都依赖于流域的特性和氮与硫的比率,它们往往是互相影响、互相作用的,所以每次仅考虑一种物质会导致偏差.
4.4 在当前计算临界负荷的方法中,对生物因素考虑得太少.影响生态系统的酸沉降临界负荷的生物因素主要包括:枯枝落叶的累积、硝化作用、生物降解作用、吸收作用和根系的呼吸作用等.由于对这些过程进行参数描述和归纳比较困难,因此除了如ILWAS等少数模型外,目前存在的大多酸化模型中没有包括或只包括少部分生物过程.
4.5 利用土壤酸化模型求算的临界负荷未考虑酸沉降对植物的直接影响,因而不能全面地反映酸沉降对生态系统(包括生物和土壤)的影响.
4.6 在中国应用酸化模型时,应对模型参数进行充分的验证.发展于欧洲和北美的酸化模型是依据森林土壤溶液和地表水中存在的化学平衡建立的,主要考虑了发生在溶液中的化学过程,模型主要适应于森林土壤、自然土壤和地表水.我国酸雨区主要分布在我国的南部,该地区的生态系统有其自身的特点:该区大部分属于亚热带季风气候区；该区的地带性土壤是红壤、赤红壤和黄棕壤,它们的特性与欧洲和北美国家广泛分布的灰化土不同；该区的人口密度大,开发历史悠久,在长期的人类活动影响下,自然土改变成耕作土壤,其特性也发生了不同程度的变化；由于煤炭在能量消费中的主导地位,该地区降水中SO42-和NO3-浓度雨量加权均值之比是4:1～15:1,属典型的硫酸型酸雨；另外降水中NH4+的浓度也较高.总之,中国酸雨区的气候、土壤、植被以及降水的化学组成都与欧洲和北美的不同,针对森林和地表水的酸化模型不一定适合我国.根据研究地区的实际情况,综合考虑生态系统的特点,对模型或其参数进行矫正,来计算我国生态系统酸沉降的临界负荷效果会更好
.* “八五”国家科技攻关课题(85-916-01)“中国酸沉降及生态环境影响的研究”(课题总报告),196～209
基金项目：“九五”国家科技攻关项目(96-911-05-03)
作者单位：陶福禄　冯宗炜（中国科学院生态环境研究中心系统生态开放室,北京100080）
作者简介：陶福禄(1970-),男,河南洛阳人,中国科学院生态环境研究中心博士研究生,主要从事污染生态、森林生态和GIS等方面的研究工作.发表论文6篇.
收稿日期：1998-04-20
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