环境科学  2014, Vol. 35 Issue (4): 1250-1255   PDF    
引用本文
孙成玲, 谢绍东. 珠江三角洲地区硫和氮沉降临界负荷研究[J]. 环境科学, 2014, 35(4): 1250-1255.
SUN Cheng-ling, XIE Shao-dong. Study on Critical Loads of Sulfur and Nitrogen in the Pearl River Delta[J]. Environmental Science, 2014, 35(4): 1250-1255.
珠江三角洲地区硫和氮沉降临界负荷研究
孙成玲, 谢绍东     
北京大学环境科学与工程学院,北京 100871
收稿日期: 2013-8-10; 修订日期: 2013-10-9.
基金项目： 环境保护公益性行业科研专项（200909003，2011467003）
作者简介：孙成玲(1986~),女,硕士研究生,主要研究方向为区域与城市污染控制,E-mail:schl2011@pku.edu.cn
通讯联系人,E-mail:sdxie@pku.edu.cn
摘要：通过实地采集土壤样品和测量其矿物组成，收集植被和大气沉降等数据，应用稳态质量平衡（SMB）法和ArcGIS，计算得到了珠江三角洲地区硫沉降和氮沉降临界负荷及其超临界负荷.结果表明，珠江三角洲地区当前硫沉降临界负荷呈现东高西低的态势，高值区分布于惠州大部、广州中北部、东莞和中山南部地区，其临界负荷值大于15.0 keq·（hm2·a）-1；低值区包括江门大部、肇庆大部和深圳部分地区，其临界负荷值小于2.0 keq·（hm2·a）-1.氮沉降临界负荷在1.0~2.5 keq·（hm2·a）-1范围，小于1.0 keq·（hm2·a）-1出现在肇庆等地区.当前硫沉降超过临界负荷的区域较少，但大部分区域氮沉降超过了其临界负荷；未来随着大气颗粒物浓度的降低硫沉降临界负荷将下降，将出现大片硫超临界负荷区.因此，当前珠江三角洲地区应加大氮沉降控制的力度，未来在控制大气颗粒物的同时应特别注重硫沉降的协调控制.
关键词： 临界负荷     临界水平     硫沉降     氮沉降     稳态法     酸沉降    
Study on Critical Loads of Sulfur and Nitrogen in the Pearl River Delta
SUN Cheng-ling, XIE Shao-dong     
College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: Supported by the geographical information system (ArcGIS), critical loads and exceedances of critical loads of sulfur and nitrogen in the Pearl River Delta (PRD) were calculated using Steady-state Mass Balance method with current deposition data, vegetation data and soil data obtained by field sampling and laboratory analysis. Results showed that the present critical loads of sulfur were high in the eastern PRD and low in the west. Higher critical loads occurred in most of Huizhou, north-central Guangzhou, Dongguan and south Zhongshan. The critical loads of these regions were mostly larger than 15 keq·(hm2·a)-1. Regions with lower critical loads included most of Jiangmen, most of Zhaoqing and part of Shenzhen with critical loads less than 2 keq·(hm2·a)-1. Critical loads of nitrogen were mainly in the range of 1.0-2.5 keq·(hm2·a)-1 while values lower than 1.0 keq·(hm2·a)-1 were found in Zhaoqing. According to the results of critical load exceedances, in several regions the sulfur deposition exceeded the critical loads whereas in most regions the nitrogen deposition exceeded the critical loads. With the reduction of particulate concentrations in atmosphere in the future, critical loads of sulfur would decrease and sulfur depositions in most regions would exceed their critical loads. Therefore, the control over nitrogen deposition should be strengthened in the present situation and special attention should be paid to the control of sulfur deposition with the reduction of particulate concentrations in the future.
Key words: critical load     critical level     sulfur deposition     nitrogen deposition     Steady-state Mass Balance method     acid deposition    

由于二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等酸性气体的减排，特别是NOx的减排需要很高的投入，因此寻求更加经济有效的控制策略在我国当前的形势下就显得十分重要.欧洲酸沉降控制的成功经验告诉人们，基于临界负荷的削减对策能够在保证生态系统得到充分保护的前提下，极大地降低削减的投入.事实上，临界负荷已经在中国的酸沉降控制中得以应用.其中最重要的应用就是“两控区”的划分[1]，其中临界负荷是划定酸雨控制区的最重要的科学依据之一.未来我国实施SO2和NOx的排放总量控制，临界负荷同样是总量目标确定和分配的必不可少的重要依据，为此有关的决策者已经提出了十分迫切的需求.然而，由于受客观条件的限制，原有的临界负荷计算和区划结果已经不能满足新的要求.原有的临界负荷研究主要针对硫沉降，同时我国酸沉降形势也发生了显著变化，特别是NOx的贡献增加，临界负荷计算中已不能单纯考虑SO2导致的酸化效应，而必须同时考虑NOx导致的酸化和富营养化效应.与硫相比，氮在生态系统中的循环过程以及氮沉降的影响更加复杂，充分认识和定量确定氮沉降的影响是临界负荷计算与区划的基础.珠江三角洲地区是我国当前大气复合型污染的典型代表之一，NOx导致的酸化和富营养化效应比较明显，因此本研究将系统研究该地区硫和氮沉降临界负荷，旨在为该地区复合型大气污染控制目标的制定提供基础数据.

1 基本原理

生态系统的酸沉降临界负荷定义为，不致使生态系统的结构和功能发生长期有害影响的化学变化的酸性化合物的最高沉降； 氮沉降临界负荷定义为，不致使生态系统的任何部分或生态系统的接受体产生富营养化或任何类型的营养元素失去平衡的氮化合物的最高沉降.基于这样的定义，稳态质量平衡法(steady-state mass balance,SMB)给出了计算陆地生态系统硫(S)和氮(N)的临界负荷的数学公式如下[2]：






式中，CLmax(S)、 CLmax(N)、 CLnut(N)和CL(N)分别为硫沉降临界负荷、 酸化氮临界负荷、 营养氮临界负荷和氮沉降临界负荷，单位为keq ·(hm2 ·a)-1； BC*dep为盐基阳离子沉降量BC=Ca2++Mg2++Na2+K+)，上标*表示经海盐修正后的沉降量，由于临界负荷针对的是人为的排放量，因此应减去由海盐输入的沉降量； BCw为土壤矿物风化产生盐基阳离子的速率，Bcu(Bc= Ca2++Mg2++K+)为植物吸收盐基阳离子速率，Ni为氮矿化速率，Nu为植物吸收氮的速率； fde为反硝化率，0≤fde＜1； Nle(acc)表示临界氮淋溶速率； ANCle,crit为临界碱度淋溶速率，下标crit表示临界状态，其计算式如下：


式中，Q为径流量，Kgibb为水铝矿平衡常数，(Bc/Al)crit为临界Bc与Al的比值.上述方程中，等号右侧的参数均为临界状态下的值.

2 数据测量与收集

由式(1)~(5)可见，确定生态系统的硫和氮沉降临界负荷所需的主要参数有土壤盐基阳离子风化速率BCw、 盐基阳离子的沉降速率BCdep、 植被吸收盐基阳离子的速率Bcu，此外还需要水铝矿平衡常数、 反硝化率、 固氮速率、 临界化学值、 临界氮淋溶速率和干沉降因子等，下面将分别介绍这些参数的测量与收集.

2.1 土壤参数

土壤盐基阳离子的风化速率是通过测量土壤矿物组成，再应用PROFILE模型[3,4]计算获得.PROFILE模型是一个稳定状态土壤化学模型，不考虑酸化过程本身而直接计算给定条件下土壤最终的化学状态.模型按照土壤的自然分层把土壤剖面划分成几个部分，对于每一个土壤部分都看成是连续搅拌的箱式反应器，且是化学均质的，所考虑的化学反应包括土壤溶液平衡、 硅酸盐风化、 硝化和阳离子交换反应以及营养阳离子、 NO-3和NH+4的吸收.

在珠江三角洲地区利用网格布点法采集土壤样品，将其划分为0.2°×0.2°的网格，于人为干扰较少、 植被保存较完好的地方采集土壤样品，每个网格选取一个典型土壤类型和天然植被覆盖的点位进行采集，个别网格采集了多个平行样，共布设了58个点.采样点分布情况如图 1所示.

图 1 珠江三角洲地区土壤采样点位分布示意

Fig. 1 Distribution of soil sampling positions in PRD

采集的点位覆盖了珠江三角洲地区自然土壤类型分布较广的花岗岩赤红壤和砂页岩赤红壤，以及植被类型分布较广的阔叶林、 针阔叶混交林、 马尾松针叶林芒箕草坡、 人工桉树林等.根据自然土壤剖面分层采集100 cm以上土层，共得到土壤理化分析样品174个，土壤样品经过预处理，过200目筛，应用多功能X射线粉末衍射仪(XRD)测定得到各种土壤中主要矿物所占的质量分数，将该数据连同植被数据、 降水化学及其他的土壤数据输入PROFILE模型后计算得到珠江三角洲地区土壤化学风化速率，部分典型土壤的矿物组成和盐基阳离子风化速率如表 1所示.

表 1 珠江三角洲地区部分土壤样品采样情况、 土壤矿物含量测试结果和典型风化速率值 1)

Table 1 Sampling attributes,mineral contents and BCw of partial samples in PRD

土壤参数还包括水铝矿常数、 反硝化率和固氮速率.水铝矿常数根据土壤有机质含量估算[1]，反硝化率和土壤平均固氮速率参考经验值或文献值[2, 4].

2.2 植被参数

植被参数主要包括植被对氮和盐基阳离子的吸收速率，按如下公式计算：


式中，Kt和Kb分别是干和枝的净生产力，Xt和Xb为元素在干和枝中的含量.本研究基于珠江三角洲地区不同植被类型的生产力以及优势物种化学元素

组成的资料[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]，计算得到了各类植被的氮和盐基阳离子吸收速率.

生态系统的临界化学值，本研究选取常见的(Bc/Al)crit，主要参考已有研究的经验值[23].

根据植被类型还能够确定允许的氮淋溶速率，计算公式如下：


式中，Q为径流量； [N]acc为允许的氮淋溶浓度[4, 24, 25, 26].另一类重要的植被数据是干沉降因子(fDD)[27, 28, 29].主要植被参数列于表 2.

表 2 珠江三角洲地区主要植被参数

Table 2 Main vegetation parameters of PRD

2.3 沉降参数

沉降参数来自环保部门1998~2006年珠江三角洲地区的酸雨常规监测资料，共包括珠江三角洲地区9个市的23个监测站数据，由于各站的建立有先后，所以提供的数据年份并不一致，最终的计算结果是根据数据年份取平均值.各离子的总沉降量是干沉降量和湿沉降量的总和，可以通过下式计算得到：


式中，Xdep为某离子的总沉降量，[X]为雨水中的离子组分浓度，P为降雨量.

由于珠江三角洲地区为沿海地区，降水中含有的部分离子来自海盐，而临界负荷针对的是人为排放量，应减去由海盐输入的这部分离子，因此需要进行海盐校正，校正系数参考文献[2].

3 珠江三角洲地区硫与氮沉降临界负荷 3.1 当前硫与氮沉降临界负荷与超临界负荷

获取上述基本参数和基于2006年盐基阳离子沉降值，利用地理信息系统软件ArcGIS计算得到珠江三角洲地区当前硫和氮沉降临界负荷并绘制区划图，结果见图 2~5所示.

图 2 珠江三角洲地区最大硫临界负荷和超临界负荷

Fig. 2 Maximum critical load and critical load exceedances of sulfur in PRD

图 2(a)给出了珠江三角洲地区最大硫临界负荷图，由图 2(a)可以看出，CLmax(S)呈现东高西低的趋势，东部高值区临界负荷值基本都大于15.0 keq ·(hm2 ·a)-1，主要覆盖了惠州大部、 广州中北部、 东莞和中山南部地区； 低值区包括江门大部、 肇庆大部和深圳部分地区，其临界负荷值小于2.0 keq ·(hm2 ·a)-1.图中灰色部分表示建筑用地等主要受人类活动影响的区域(下同).分析广州、 惠州和东莞等地，可以发现这些地区的盐基阳离子沉降量较大，具有较强的缓冲作用，因此这些地区具有比较强的硫沉降承受能力.而中山南部地区则主要是由于当地的土壤以人为土为主，如水稻土和潮土，风化速率较高，因此土壤承受酸沉降的能力也较强.而肇庆和江门地区一方面当地的盐基阳离子沉降量较低，另一方面这些地区主要以自然土壤为主，酸沉降承受能力较差.

硫临界负荷图主要用来表示区域内生态系统对硫沉降的承受能力，它不能直接给出生态系统是否受到硫沉降的影响以及受影响的程度大小，这就需要计算超临界负荷，将实际的硫沉降量减去相对应的临界负荷值便得到超临界负荷.图 2(b)便是珠江三角洲硫沉降超临界负荷图.由图 2(b)可以看出，珠江三角洲大部分地区S沉降并没有达到超临界负荷状态，说明珠江三角洲地区受S沉降威胁并不明显.超临界负荷的区域零星分布于江门大部、 肇庆西北部、 深圳东部等地区，超临界负荷值一般都大于2.0 keq ·(hm2 ·a)-1，说明这些地区已经受到S沉降的威胁，应特别注意S沉降的控制.

根据式(3)和(4)式可分别计算得到珠江三角洲地区的CLmax(N)和CLnut(N)，取两者中的较小者得到CL(N)，结果显示大部分情况下CLnut(N)max(N)，所以CL(N)与CLnut(N)基本一致，CL(N)分布情况如图 3(a)所示.从中可以看出，珠江三角洲地区大部分地区能够承受1.0~2.5 keq ·(hm2 ·a)-1的氮沉降.相对高值区零散分布于珠江口周边部分地区、 珠海部分地区和肇庆中部等地区，而在肇庆出现了小于1.0 keq ·(hm2 ·a)-1的低值区.从数值上看，CL(N)远小于CLmax(S)，说明珠江三角洲地区对氮沉降更加敏感.

图 3 珠江三角洲地区氮沉降临界负荷和超临界负荷

Fig. 3 Critical load and critical load exceedances of nitrogen in PRD

珠江三角洲氮沉降超临界负荷图如图 3(b).从中可以看出，珠江三角洲地区大部分氮沉降都超过了其临界负荷，广州、 东莞和惠州大部分地区超临界负荷值甚至达到了4.0 keq ·(hm2 ·a)-1以上.这是由于珠江三角洲地区的CL(N)总体上较低，尽管区域内N沉降的量不是特别大，但仍能对生态系统造成比较明显的破坏，特别是造成富营养化的危害.随着珠江三角洲地区NOx排放量的不断增加[30]，氮沉降对生态系统的影响需要引起格外重视.

对比硫和氮沉降的超临界负荷图可以看出，珠江三角洲地区目前主要以N沉降受到的威胁为主，应加强氮沉降的控制.

3.2 未来大气盐基阳离子沉降削减75%时的临界负荷和超临界负荷

当前珠江三角洲地区环境空气中颗粒物浓度水平较高，大气盐基阳离子沉降BCdep便成为土壤中碱度的重要来源.显然，未来对大气颗粒物浓度的控制将加大力度，这必然会引起BCdep的降低，进而会影响到生态系统的临界负荷值及酸沉降控制效果.对比国外城市大气和国内背景大气BCdep水平可知，若珠江三角洲地区大气颗粒物的浓度水平达到国家环境空气质量标准，则该地区大气BCdep将在现有基础水平上削减75％.

于是，基于现有BCdep削减75%的情景计算得到珠江三角洲地区未来CLmax(S)，见图 4(a).从中可看出，BCdep大幅削减后，硫沉降临界负荷明显下降，约下降了50%.大部分地区临界负荷值小于6.0 keq ·(hm2 ·a)-1，高值区明显缩小，同时临界负荷值小于2.0 keq ·(hm2 ·a)-1的区域明显增多，表明BCdep削减后，生态系统对S沉降的敏感性增加.

图 4 BCdep削减75%时珠江三角洲最大硫临界负荷和超临界负荷

Fig. 4 Critical load and critical load exceedances of sulfur with BCdep reduced by 75% in PRD

相应的超临界负荷如图 4(b)所示.结果显示，珠江三角洲地区超过CLmax(S)的区域明显增多，东北部地区新出现了大片超临界负荷区域，且超临界负荷值大部分都在4.0 keq ·(hm2 ·a)-1以上.这表 明当前硫沉降引起的超临界负荷情况尚不严重，其中很大一部分原因是较高的BCdep起到了一定的中和作用.因此，未来在控制颗粒物的同时应加大硫沉降的控制，尤其是广州、 惠州和东莞等地区.

BCdep削减75%后珠江三角洲地区CL(N)和超临界负荷图见图 5.从中可以看出，与BCdep大幅削减前的氮沉降临界负荷图相比，CL(N)基本没有变化.这是由于珠江三角洲地区的CL(N)主要与CLnut(N)相等，而CLnut(N)只与生态系统对氮的利用情况有关，而与BCdep无关.

图 5 BCdep削减75%时珠江三角洲氮沉降临界负荷和超临界负荷

Fig. 5 Critical load and critical load exceedances of nitrogen with BCdep reduced by 75% in PRD

由上述可见，未来对颗粒物污染的控制将对珠江三角洲地区硫沉降控制提出更严格的要求.

4 结论

(1)珠江三角洲地区当前CLmax(S)呈现东高西低的态势，东部地区惠州、 广州北部和东莞市的CLmax(S)可以达到15.0 keq ·(hm2 ·a)-1，而西部地区的肇庆和江门等地区的CLmax(S)小于2.0 keq ·(hm2 ·a)-1； CL(N) 数值上相对CLmax(S)较小，大部分地区CL(N)小于2.0 keq ·(hm2 ·a)-1，肇庆甚至小于1.0 keq ·(hm2 ·a)-1.

(2)目前珠江三角洲地区只有小部分出现了硫沉降超临界负荷，但大部分地区的氮沉降已远远超过其临界负荷，因此珠江三角洲地区不能仅仅控制硫沉降，而应加大力度控制氮沉降.

(3)珠江三角洲地区未来大气颗粒物沉降削减75%的情景下，未来CLmax(S)将大幅度减小，大部分地区CLmax(S)将小于4.0 keq ·(hm2 ·a)-1，还将出现小于1.0 keq ·(hm2 ·a)-1的区域，因此该地区的大片区域硫沉降将超过其临界负荷； 但氮沉降临界负荷不会发生变化.可见，未来在大幅度削减颗粒物浓度的同时应特别注意该地区硫沉降的控制.

(4)从珠江三角洲地区硫和氮沉降临界负荷及其超临界负荷分布看，目前在控制硫沉降的同时应加强氮沉降控制，未来在控制大气颗粒物的同时应加大硫沉降控制力度.

参考文献
[1] 段雷, 郝吉明, 谢绍东, 等. 用稳态法确定中国土壤的硫沉降和氮沉降临界负荷[J]. 环境科学, 2002, 23 (2): 7-12.
[2] UBA. Manual on methodologies and criteria for modelling and mapping critical loads and levels and air pollution effects, risks and trends[M]. Berlin: Umweltbundesamt, 2004: 121-139.
[3] Warfvinge P, Sverdrup H. Calculating critical loads of acid deposition with PROFILE – a steady-state soil chemistry model[J]. Water Air and Soil Pollution, 1992, 63 (1-2): 119-143.
[4] 谢绍东, 郝吉明, 周中平. 应用稳态酸化模型计算酸沉降临界负荷[J]. 环境科学, 1997, 18 (5): 6-9.
[5] 郝吉明, 齐超龙, 段雷, 等. 用SMB法确定中国土壤的营养氮沉降临界负荷[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2003, 43 (6): 849-853.
[6] 杨昆, 管东生. 珠江三角洲森林的生物量和生产力研究[J]. 生态环境, 2006, 15 (1): 84-88.
[7] 冯宗炜, 王效科, 吴刚. 中国森林生态系统的生物量和生产力[M]. 北京: 科学出版社, 1999.
[8] 彭少麟, 任海. 南亚热带森林生态系统的能量生态研究[M]. 北京: 气象出版社, 1998.
[9] 张琼, 洪伟, 吴承祯, 等. 不同枝树人工林生物量与生产力的比较分析[J]. 福建林学院学报, 2006, 26 (3): 218-223.
[10] 彭友贵, 陈桂珠, 武鹏飞, 等. 人工生境条件下几种红树植物的净初级生产力比较研究[J]. 应用生态学报, 2005, 16 (8): 1383-1388.
[11] 钟晓青, 黄玉源, 张宏达, 等. 大亚湾红树林群落结构及初级生产力数量参数研究[J]. 林业科学, 1999, 35 (2): 29-33.
[12] 廖国藩, 贾幼陵, 苏大学, 等. 中国草地资源[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 1996.
[13] 侯学煜. 中国植被地理及优势植物化学成分[M]. 北京: 科学出版社, 1982.
[14] 莫江明, 张德强, 黄忠良, 等. 鼎湖山南亚热带常绿阔叶林植物营养元素含量分配格局研究[J]. 热带亚热带植物学报, 2000, 8 (3): 198-206.
[15] 莫江明, Brown S, 孔国辉, 等. 鼎湖山马尾松林营养元素的分布和生物循环特征[J]. 生态学报, 1999, 19 (5): 635-635.
[16] 冯宗炜, 陈楚莹, 王开平, 等. 亚热带杉木纯林生态系统中营养元素的积累, 分配和循环的研究[J]. 植物生态学与地植物学丛刊, 1985, 9 (4): 245-256.
[17] 林德喜, 刘开汉, 罗水发. 尾叶桉营养元素动态和循环分析[J]. 应用与环境生物学报, 2002, 8 (2): 148-153.
[18] 宋建阳, 张汝国, 赵丽荷. 珠江口红树群落钙的累积和循环研究[J]. 热带地理, 2002, 22 (2): 171-175.
[19] 张汝国, 宋建阳. 珠江口红树林氮磷的累积和循环研究[J]. 广州师院学报(自然科学版), 1996, (1): 60-67.
[20] 张汝国, 宋建阳. 珠江口红树群落钠的累积和循环研究[J]. 广州师院学报(自然科学版), 1998, 19 (9): 10-14.
[21] 李振基, 林鹏. 闽南毛竹林几种元素的累积和分配[J]. 应用生态学报, 1995, 6 (9): 13.
[22] 林益明, 杨志伟, 林业, 等. 武夷山常绿林研究[M]. 厦门: 厦门大学出版社, 2001.
[23] 李燕燕. 马尾松-阔叶树混交林生物量及矿质养分的研究[D]. 福州: 福建农林大学, 2005.
[24] 段雷. 中国酸沉降临界负荷区划研究[D]. 北京: 清华大学, 2000.
[25] Rosen K, Gundersen P, Tegnhammar L, et al. Nitrogen enrichment of nordic forest ecosystems the concept of critical loads[J]. AMBIO, 1992, 21 (5): 364-368.
[26] Reynolds B, Wilson E J, Emmett B A. Evaluating critical loads of nutrient nitrogen and acidity for terrestrial systems using ecosystem-scale experiments (nitrex)[J]. Forest Ecology and Management, 1998, 101 (1-3): 81-94.
[27] Hall J, Bull K, Bradley I. Status of UK critical loads and exceedances: Part 1. critical loads and critical loads maps[R]. UK: Centre for Ecology and Hydrology (CEH), 1998.166.
[28] 刘菊秀, 温达志, 周国逸. 广东鹤山酸雨地区针叶林与阔叶林降水化学特征[J]. 中国环境科学, 2000, 20 (3): 198-202.
[29] 刘菊秀, 张德强, 周国逸, 等. 鼎湖山酸沉降背景下主要森林类型水化学特征初步研究[J]. 应用生态学报, 2003, 14 (8): 1223-1228.
[30] 陈勇. 珠江三角洲城市森林群落对降水及土壤侵蚀的影响的研究[D]. 儋州: 华南热带农业大学, 2004.
[31] 伍世丰. 珠三角酸雨污染特征及其影响因素初步分析[D]. 广州: 暨南大学, 2011.