杜金輝，孫娟，杜廷芹，慕金波

（山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南250013）

青島市土壤酸沉降臨界負(fù)荷估算

杜金輝，孫娟，杜廷芹，慕金波*

（山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南250013）

在GIS支持下，應(yīng)用簡(jiǎn)單質(zhì)量平衡法對(duì)青島市土壤硫和氮沉降臨界負(fù)荷進(jìn)行了估算。結(jié)果表明：青島市土壤硫沉降臨界負(fù)荷低值區(qū)主要位于東南、西南和北部的植被覆蓋區(qū)域。植被鹽基吸收速率較高、降水鹽基陽(yáng)離子總量和土壤風(fēng)化速率較低以及土壤偏酸性是造成土壤硫沉降臨界負(fù)荷偏低的原因。耕地區(qū)域氮沉降臨界負(fù)荷較高，植被覆蓋區(qū)則較低。較低的植被對(duì)氮的吸收速率、土壤臨界氮淋溶以及反硝化率是導(dǎo)致氮沉降臨界負(fù)荷數(shù)值偏低的原因。

簡(jiǎn)單質(zhì)量平衡法；硫沉降；氮沉降；主要土壤類型；臨界負(fù)荷

青島市酸雨在北方地區(qū)具有典型的代表性，以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)每年向大氣中排放大量的酸雨前體物質(zhì)，海洋性濕潤(rùn)氣候?yàn)樗嵊甑漠a(chǎn)生提供了溫床，偏酸性的土壤在一定程度上降低了大氣顆粒物的酸緩沖能力。除2011年無(wú)酸雨樣品檢出外，2005—2012年青島市其他年份均有酸雨樣品檢出[1]。目前對(duì)于青島市酸沉降的研究尚未見(jiàn)有關(guān)土壤酸沉降臨界負(fù)荷的報(bào)道，因此，選取青島市開(kāi)展土壤酸沉降臨界負(fù)荷的實(shí)證估算，從而為青島市大氣污染防治及土壤生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。研究時(shí)段選取2005—2010年。

1 酸沉降臨界負(fù)荷估算方法

1.1 酸沉降臨界負(fù)荷估算模型

根據(jù)目前各種估算酸沉降臨界負(fù)荷方法的特點(diǎn)[2，3]，選用應(yīng)用較多的簡(jiǎn)單質(zhì)量平衡法[4-6]進(jìn)行土壤酸沉降臨界負(fù)荷的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中，CLMax（S）為土壤硫沉降臨界負(fù)荷；CLMax（N）為土壤酸化氮臨界負(fù)荷；CLnut（N）為土壤營(yíng)養(yǎng)氮臨界負(fù)荷，BCd為經(jīng)海鹽校正的鹽基陽(yáng)離子總沉降量；BCw為土壤風(fēng)化速率；BCu為鹽基陽(yáng)離子凈吸收；Nu為植被對(duì)氮的吸收速率；fde為反硝化率；Ni為土壤氮礦化速率；Nle(crit)為臨界氮淋溶速率；ALKle(crit)為臨界淋溶堿度。式中使用的單位為keq/（km2·a）。

在地理信息系統(tǒng)（GIS）支持下，制作式（1）中計(jì)算所需的柵格圖層，利用柵格計(jì)算器實(shí)現(xiàn)青島市酸沉降臨界負(fù)荷的估算。

1.2 酸沉降臨界負(fù)荷估算模型參數(shù)的確定方法

收集研究區(qū)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、投影變換、裁切、單位變換等步驟對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成計(jì)算所需的ArcGIS柵格，大小為1 km×1 km，UTM坐標(biāo)系。酸沉降臨界負(fù)荷估算所需柵格及生成方法見(jiàn)表1。

表1 青島市酸沉降臨界負(fù)荷估算所需柵格及制作方法

1.3 酸沉降臨界負(fù)荷的確定方法

臨界負(fù)荷計(jì)算所用標(biāo)準(zhǔn)不同，其結(jié)果差異較大。以植物響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的臨界負(fù)荷較其他標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的臨界負(fù)荷值大，而用pH為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的臨界負(fù)荷比其他標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的結(jié)果要低。根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)于土壤硫沉降臨界負(fù)荷的確定，pH標(biāo)準(zhǔn)適合國(guó)外情況，而國(guó)內(nèi)對(duì)于臨界負(fù)荷的確定一般不采用[16]。因此，硫沉降臨界負(fù)荷選用堿度、鋁濃度和土壤穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)三者計(jì)算結(jié)果的最小值，即采用臨界鋁濃度標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算值。

氮沉降臨界負(fù)荷取酸化氮臨界負(fù)荷和營(yíng)養(yǎng)氮臨界負(fù)荷較小者。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸沉降臨界負(fù)荷空間分布特征

只對(duì)土壤區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，城鎮(zhèn)建設(shè)用地、水體和濕地區(qū)域進(jìn)行掩膜處理，不參與土壤酸沉降臨界負(fù)荷的計(jì)算，即空間分布圖中的空白區(qū)域。

2.1.1 土壤硫沉降臨界負(fù)荷空間分布特征

青島市土壤硫沉降臨界負(fù)荷空間分布見(jiàn)圖1。

由圖可知，青島市土壤硫沉降臨界負(fù)荷低值區(qū)主要位于東南部、西南部和北部區(qū)域，與植被的分布相一致。青島市植被多分布于東南部的嶗山附近、西南部以及北部的大澤山附近，以嶗山和大澤山附近區(qū)域較為集中。植被對(duì)鹽基吸收速率較高，其中以落葉闊葉林?jǐn)?shù)值最大，為16.2× 10-3keq/（km2·a）。較高的植被鹽基吸收速率是造成植被覆蓋區(qū)域土壤硫沉降臨界負(fù)荷較低的原因之一。根據(jù)青島市酸雨監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2005—2010年經(jīng)海鹽校正后的降水鹽基陽(yáng)離子總量分別為232.24 meq/m3、134.00 meq/m3、168.41 meq/m3、239.54 meq/m3、104.24 meq/m3和255.82 meq/m3。可見(jiàn)，2006年和2009年鹽基陽(yáng)離子總量相對(duì)其他年份較低，且這兩個(gè)年份的土壤硫沉降臨界負(fù)荷較其他年份較低。

圖1 2005—2010年青島市土壤硫沉降臨界負(fù)荷分布

2.1.2 土壤氮沉降臨界負(fù)荷空間分布特征

青島市土壤氮沉降臨界負(fù)荷空間分布見(jiàn)圖2。

由圖可知，耕地區(qū)土壤氮沉降臨界負(fù)荷較高，植被覆蓋區(qū)則較低。對(duì)于耕地，作物從土壤中吸收的元素通量與人為活動(dòng)對(duì)土壤的輸入通量可看作是一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，可認(rèn)為耕地對(duì)鹽基陽(yáng)離子和氮的凈吸收速率近似為0。但耕地區(qū)臨界氮淋溶速率卻很高，從而使得營(yíng)養(yǎng)氮負(fù)荷較高。耕地在青島市所有土地利用類型中所占面積比例最大為70.30%，這也說(shuō)明了青島市大部分區(qū)域土壤氮沉降臨界負(fù)荷較高的原因。植被對(duì)氮的吸收速率較低是導(dǎo)致植被覆蓋區(qū)氮沉降臨界負(fù)荷數(shù)值較低的原因，其中以落葉闊葉林氮沉降臨界負(fù)荷最低。

2.2 主要土壤類型酸沉降臨界負(fù)荷

表1 2005—2010年青島市主要土壤類型硫和氮沉降臨界負(fù)荷平均值

以占土壤總面積比例大于1%的土壤作為主要土壤類型。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，青島市共有17種主要土壤類型，占土壤總面積的95%。主要土壤類型為砂姜黑土、棕壤、潮土和粗骨土。根據(jù)酸沉降臨界負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，利用ArcGIS按照主要土壤類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到2005—2010年青島市主要土壤類型酸沉降臨界負(fù)荷。

2.2.1 主要土壤類型硫沉降臨界負(fù)荷

2005—2010年青島市主要土壤類型硫沉降臨界負(fù)荷平均值見(jiàn)表1。由表可知，青島市各土壤類型硫臨界負(fù)荷年度變化不明顯，平均值在7 691.52～9 298.06 kg/（km2·a）之間，以酸性粗骨土最小、深砂姜層砂姜黑土最大。東南部和北部植被區(qū)的主要土壤類型均為酸性粗骨土和麻砂棕壤性土，還有一些酸性石質(zhì)土。酸性粗骨土的pH值多在5.5～7.0之間，林下的酸性粗骨土較耕地的pH值要低。麻砂棕壤性土為酸性巖類棕壤性土，pH值約為6.3。土壤呈現(xiàn)酸性與該區(qū)域的土壤硫沉降臨界負(fù)荷較低相一致。麻砂棕壤性土和酸性粗骨土的風(fēng)化速率分別為0.7×10-3keq/（km2·a）和0.2×10-3keq/（km2·a），風(fēng)化速率均較低?？梢?jiàn)，土壤顯酸性和土壤風(fēng)化速率較低也是導(dǎo)致植被覆蓋區(qū)土壤硫沉降負(fù)荷偏低的原因之一。

2.2.2 主要土壤類型氮沉降臨界負(fù)荷

2005—2010年青島市主要土壤類型氮沉降臨界負(fù)荷平均值見(jiàn)表1。由表可知，青島市各土壤類型氮臨界負(fù)荷年度變化不明顯，平均值在4 130.13～13 099.63 kg/（km2·a）之間，以面積較大的砂姜黑土類最高，棕壤類次之，酸性粗骨土類最低。耕地區(qū)的土壤類型主要為砂姜黑土，其土壤臨界氮淋溶較高，氮沉降臨界負(fù)荷較高。植被區(qū)的土壤類型主要為酸性粗骨土和麻砂棕壤性土，土壤臨界氮淋溶以及反硝化率均較低，氮沉降臨界負(fù)荷較低。土壤氮沉降臨界負(fù)荷的分布與反硝化率的分布也比較吻合，反硝化率高的區(qū)域，其土壤氮沉降臨界負(fù)荷也較高?？梢?jiàn)，土壤臨界氮淋溶以及反硝化率都較低是導(dǎo)致土壤氮沉降臨界負(fù)荷數(shù)值偏低的原因。

3 結(jié)論

應(yīng)用簡(jiǎn)單質(zhì)量平衡法對(duì)青島市土壤硫和氮沉降臨界負(fù)荷進(jìn)行了估算。青島市土壤硫和氮沉降臨界負(fù)荷具有以下特征：

（1）青島市土壤硫沉降臨界負(fù)荷低值區(qū)主要位于東南部、西南部和北部區(qū)域，與植被的分布相一致。植被鹽基吸收速率較高、降水鹽基陽(yáng)離子總量和土壤風(fēng)化速率較低及土壤偏酸性是造成土壤硫沉降臨界負(fù)荷偏低的原因。

（2）青島市大部分區(qū)域土壤氮沉降臨界負(fù)荷較高。耕地區(qū)土壤氮沉降臨界負(fù)荷較高，植被覆蓋區(qū)則較低，以落葉闊葉林氮沉降臨界負(fù)荷最低。較低的植被對(duì)氮的吸收速率、土壤臨界氮淋溶以及反硝化率是導(dǎo)致氮沉降臨界負(fù)荷數(shù)值偏低的原因。

[1]山東省環(huán)境保護(hù)廳.2012年山東省環(huán)境狀況公報(bào)[EB/OL].（2013-06-1）[2013-9-25].http：//xxgk.sdein.gov.cn/xxgkml/hjzkgb/.

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（編輯：周利海）

Critical Loads of Acid Deposition on Soils in Qingdao City

Du Jinhui,Sun Juan,Du Tingqin,Mu Jinbo*
（Shandong Provincial Scientific Research and Design Institute of Environmental Protection,Jinan Shandong 250013,China）

With the support of the Geographic Information System(GIS),the critical loads of the sulfur and nitrogen deposition on soils in Qingdao City were estimated used the simple mass balance method.Results demonstrated that the lower critical loads of the sulfur deposition on soils are mainly distributed in the areas covered with vegetation in the southeast,southwest and north of Qingdao City.The higher base cations uptake rate of vegetation,the lower total base cations in precipitation,the lower soil weathering rate and acid soils caused the lower critical loads of the sulfur deposition on soils.The critical loads of the nitrogen deposition on soils are higher in cultivated land areas and lower in areas covered with vegetation.The lower critical loads of the nitrogen deposition on soils are ascribed to the lower nitrogen uptake rate of vegetation,the lower critical nitrogen leaching as well as the lower denitrification fraction in soils.

simple mass balance method；sulfur deposition；nitrogen deposition；main soils；critical loads

X825

A

1008-813X（2015）01-0004-05

10.13358 /j.issn.1008-813x.2015.01.02

2014-09-20

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目《山東省土壤環(huán)境容量及酸沉降臨界負(fù)荷研究》（2006GG3206002）

杜金輝（1979-），男，山東蘭陵人，畢業(yè)于山東大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事環(huán)境管理與規(guī)劃的研究工作。

*通訊作者：慕金波（1964-），男，山東榮成人，畢業(yè)于華東工學(xué)院環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)，博士，研究員，主要從事環(huán)境系統(tǒng)工程的研究工作。