三峡库区酸沉降特征及其对森林土壤的影响

发布时间：2017-12-07 22:28

  本文关键词：三峡库区酸沉降特征及其对森林土壤的影响

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【摘要】：近年来,酸沉降已经成为全球面临的重要环境问题之一,对全球生态系统造成极大威胁,不仅使得土壤酸化、土壤结构破坏、水体酸化、水质变差、森林衰亡、农作物减产以及腐蚀建筑物等,还会对人类生活造成极大影响,更危及人类生存和发展。目前,继欧洲和美国以后,我国已经成为世界上第三大酸雨区,而且主要集中于我国中部和西南地区。因此,本研究以三峡库区作为主要研究区域,采用野外试验、室内分析和模型模拟等方法研究库区内导致酸沉降的主要酸沉降前体物(SO2和NO2)现状和区域来源、大气酸沉降特征、库区酸临界负荷和超临界负荷情况、酸沉降对森林土壤的影响以及未来酸雨情况,具体研究结果如下：(1)三峡库区在经历了30年迅速的城市化和工业化进程后,酸沉降前体物SO2和NO2年均浓度分别在0.034-0.039 mg·m-3和0.026-0.031 mg·m-3之间。基于国标,三峡库区一类区SO2年平均排放浓度仅有巫溪近几年排放浓度达标；NO2年均排放浓度大部分区县均已达到标准。应用Hysplit4气流轨迹模型对库区2013年气流轨迹模拟得到两条轨迹线,1号轨迹线起源于库区境内,出现频率达到77%,；2号轨迹线起源于库区外南部,出现频率为23%。说明外来源污染物对库区污染物量影响较小。(2)2007-2013年三峡库区年均降水量在968.53-1254.12mm之间,四季降水分明。降水年均pH值在4.26-4.79之间,始终低于5.6,属于酸性降水。根据降水污染程度,库区降水在轻度污染和中度污染之间。应用主成分分析法(PCA)对库区大气降水离子成分进行正交旋转后得出2个主成分；而应用源解析模型(PMF)分析模型进行源解析得出4个因子,因子1：Na+和Cl-,主要是海洋源污染物高空远距离输送所致；因子2:NH4+和SO42-,主要属于煤炭燃烧、农业源；因子3：Ca2+和Mg2+,主要代表了地壳或风吹尘源；因子4:NO3-,代表化石燃料燃烧源。PCA和PMF两种方法由于解析原理或假设不同,导致源解析结果存在一定差异性,表现出各自在应用上的优势和局限性。(3)应用简单质量平衡法(SMB)评估三峡库区酸临界负荷,该值在0-10.3keq·ha-1·yr-1之间,5.0 keq·ha-1·yr-1以上酸临界负荷主要分布在三峡库区上游和下游部分地区；营养氮临界负荷值在0-3.5 keq·ha-1·yr-1之间,低于硫临界负荷。酸临界负荷超过量在0-2.1 keq·ha-1·yr-1之间,已达整个库区近4.8%的面积；营养氮临界负荷超过量在0-0.3 keq·ha-1·yr-1之间,已占整个库区29.0%的面积,应重点保护临界负荷被超过区域,防止酸沉降对森林生态系统造成更大危害。对三峡库区酸临界负荷模型所需各参数敏感性分析发现,最重要的影响参数是净氮固定速率(Nu)和盐基阳离子与铝离子的比值(Bc:Al),二者对酸临界负荷评估影响分别占到了37.0%和33.3%；其次为氮沉降量(Bcdep),占到了17.9%,而其它参数对临界负荷评估影响较小,特别是水铝矿平衡常数(kgibb)、径流量(Q)和时间(t)。(4)大气降水经过针阔混交林和阔叶林冠层后水化学性质发生明显变化,pH值分别下降0.88和0.71个pH当量。阔叶林树干茎流中Ca2+淋溶量和淋溶系数分别达到4.606 mg·L-1和2.360,明显高于针阔混交林。降水经土壤层后针阔混交林壤中流pH值升至7.55,而常绿阔叶林壤中流pH值降至6.59。针阔混交林和阔叶林表层土壤pH值从2010年到2012年呈减少趋势。两种林分土壤pH随着H+加入量的增加呈“L”型逐渐降低。土壤酸缓冲曲线在H+加入量达到0.03mol/kg时发生转折。土壤pH3.0时针阔混交林和阔叶林土壤酸缓冲容量均较小；土壤pH3.0时两种林分的土壤酸缓冲容量急剧上升,是pH3.0时的2.8-4.2倍。针阔混交林和阔叶林土壤酸害容量基本呈现出从土壤A层到C层先减少后增加的趋势。根据土壤酸害容量划分等级,两种林分土壤均属于易受害土壤,土壤对酸沉降相对较敏感。(5)应用Matlab R2014b构建酸沉降预测网络NAR神经网络并进行多次训练,完成建模任务,可以通过延时对时间序列数据进行仿真与预测。三峡库区预测2014年、2015年和2016年降水量分别达到1599.4mm、1422.6mm和1766.1mm,普遍高于2007-2013年实测降水量；降水pH分别为4.77、5.23和5.21,属于弱酸雨；相较于2013年,2014-2016年预测各离子含量均有所升高,预测降水中主要阴离子仍以SO42-和NO3-为主,主要阳离子以NH4+和Ca2+为主,根据[SO42-]/[NO3-]可知,2014-2016年库区酸雨仍属于燃煤型酸雨。
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S714

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本文编号：1264047