我国南方典型森林生态系统汞的输入输出与迁移

发布时间：2017-09-24 23:10

  本文关键词：我国南方典型森林生态系统汞的输入输出与迁移

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【摘要】：汞是一种全球传输性的痕量重金属污染物,具有高毒性和生物富集性。森林是陆地最大的生态系统,其在汞的全球循环中具有重要地位。我国是世界上人为源汞排放最大的国家,了解我国森林在全球汞循环中的作用以及对我国汞污染现状的反应,对正确评估自然源对大气汞的贡献,以及我国人为源汞排放对全球汞污染的影响,具有十分重要的意义。本研究旨在定量描述我国南方森林生态系统汞的输入输出与迁移,分析影响汞迁移转化的关键因素。利用动态通量箱法对千烟洲森林生态站的马尾松针叶和土壤分别与大气之间的汞交换通量进行了四个季节的野外观测,并结合现场控制实验与实验室控制实验,对两类汞交换过程及机理进行了分析。结果表明,马尾松针叶是大气汞的排放源,净排放量为10.9μg·m-2·yr-1。土壤水中的汞能进入树木体内,并通过蒸腾作用到达叶面,进而被光致还原再释放进入大气。蒸腾作用向针叶传输的汞通量为19.9μg·m-2·yr-1,约占大气汞总沉降量的44%。大气沉降到针叶表面的汞有四分之一会在叶表被直接还原返还回大气。土壤全年共向大气排放汞18.6μg·m-2·yr-1,夏季排放高而冬季低。森林土壤中汞的吸脱附是影响土壤与空气汞交换的最主要过程,温度和汞浓度梯度是影响汞交换的关键因素。新沉降的汞(Hg2+和Hg0)大多能被快速稳定地保留在土壤中,但沉降的汞也会缓慢地还原释放。利用微气象学方法对千烟洲生态站和会同生态站森林林冠上方的汞通量进行了一年以上的连续观测,并对两个生态站的大气汞沉降和土壤水汞输出进行了长期动态调查。结果表明,千烟洲站和会同站林冠上方汞通量的全年均值分别为40.2μg·m-2·yr-1和17.9μg·m-2·yr-1。高温及较低的空气汞浓度导致夏季两个生态站的汞排放量达到最高。冬季的低温以及春季植物生长对汞的吸收使得这两个季节汞排放量较低。同时考虑到大气汞沉降的输入,千烟洲站森林全年总体上接近于汞平衡,全年汞通量为-0.92μg·m-2·yr-1;会同站森林全年总体上表现为汞汇,全年汞通量为-7.88μg·m-2·yr-1。会同地区虽然土壤汞含量较高,但受附近万山汞矿区较高自然源排放的影响,较高的空气汞浓度抑制了森林的汞排放,加强了森林的汞汇作用。千烟洲站和会同站森林向大气排放零价汞为森林主要的汞输出方式,分别占大气汞沉降的89%和47%。而两个生态站森林随地表水流出的汞通量仅约占大气总沉降的8%。总体而言,我国南方森林对水体汞的贡献远小于对大气汞的贡献。
【关键词】：汞 自然源 亚热带森林 叶面-空气交换 土壤-空气交换
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S718.55
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 引言9-20
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-18
• 1.2.1 土壤/空气界面汞交换11-13
• 1.2.2 叶面/空气界面汞交换13-15
• 1.2.3 森林林冠上方气态单质汞通量15-18
• 1.3 研究目的与意义18
• 1.4 研究内容和技术路线18-20
• 第2章 叶面/空气界面的汞交换过程20-38
• 2.1 实验方法20-25
• 2.1.1 观测区概况20-21
• 2.1.2 动态通量箱系统与叶面/空气汞交换监测21-22
• 2.1.3 针叶和凋落物样品的采集与汞含量分析以及针叶叶面积测量22-24
• 2.1.4 控制实验24
• 2.1.5 质量保证与质量控制24-25
• 2.2 叶面/空气界面汞交换特征与影响因素25-31
• 2.2.1 空气中的汞浓度与环境因子25-26
• 2.2.2 当年生叶片与空气之间的季节汞交换特征26-27
• 2.2.3 往年生叶片与大气之间的季节汞交换特征27-28
• 2.2.4 叶面/空气汞交换的影响因素28-31
• 2.3 现场控制实验与针叶汞释放来源分析31-32
• 2.4 针叶汞交换通量与质量平衡32-36
• 2.5 小结36-38
• 第3章 土壤/空气界面的汞交换过程38-60
• 3.1 实验方法38-43
• 3.1.1 土壤/空气汞交换的现场监测38-40
• 3.1.2 土壤样品的采集与土壤汞含量的测量40
• 3.1.3 土壤/空气汞交换的实验室控制实验40-42
• 3.1.4 质量保证与质量控制42-43
• 3.2 土壤/空气界面汞交换的野外观测43-53
• 3.2.1 土壤汞浓度以及野外观测期间空气汞浓度与环境因子43-44
• 3.2.2 土壤与大气之间的季节汞交换特征和通量44-46
• 3.2.3 空气汞浓度对土壤/空气汞交换的影响46-49
• 3.2.4 环境因素及汞沉降增加对土壤汞释放的影响49-53
• 3.3 土壤/空气界面汞交换的实验室控制实验53-58
• 3.3.1 光照辐射与温度对土壤汞释放的影响53-55
• 3.3.2 土壤各层对汞沉降（Hg~(2+)与Hg~0）的作用55-58
• 3.4 小结58-60
• 第4章 森林林冠上方气态元素汞通量监测60-91
• 4.1 实验方法60-65
• 4.1.1 观测区概况60-61
• 4.1.2 林冠上方空气汞浓度垂直梯度观测61-62
• 4.1.3 林冠上方温度与风速垂直梯度以及其他气象因素的观测62-63
• 4.1.4 林冠上方气态元素汞通量计算方法63-64
• 4.1.5 质量保证与质量控制64-65
• 4.2 监测数据的筛选与覆盖率65-66
• 4.3 森林林冠上方气态元素汞通量的月变化与季节变化66-69
• 4.4 森林林冠上方气态元素汞通量日变化特征69-77
• 4.4.1 千烟洲站69-74
• 4.4.2 会同站74-77
• 4.5 森林林冠上方气态元素汞通量的昼夜变化77-85
• 4.5.1 千烟洲站77-81
• 4.5.2 会同站81-85
• 4.6 森林林冠上方各季节气态元素汞通量小时均值变化85-88
• 4.6.1 千烟洲站85-87
• 4.6.2 会同站87-88
• 4.7 森林林冠上方气态元素汞通量的影响因素88-90
• 4.8 小结90-91
• 第5章 森林中汞输入输出与迁移的质量平衡91-109
• 5.1 实验方法91-93
• 5.1.1 采样区的设置与样品的采集91-92
• 5.1.2 样品分析92
• 5.1.3 质量保证与质量控制92-93
• 5.2 降水、穿透水、土壤水、地表水与地下水中的汞含量93-96
• 5.2.1 千烟洲站93-95
• 5.2.2 会同站95-96
• 5.3 枯落物和植物叶片中的汞浓度96-100
• 5.3.1 千烟洲站96-98
• 5.3.2 会同站98-100
• 5.4 森林各季节的汞质量平衡100-104
• 5.4.1 千烟洲站100-104
• 5.4.2 会同站104
• 5.5 森林全年的汞质量平衡104-107
• 5.5.1 千烟洲站104-106
• 5.5.2 会同站106-107
• 5.6 小结107-109
• 第6章 结论和建议109-111
• 6.1 结论109-110
• 6.2 建议110-111
• 参考文献111-121
• 致谢121-122
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果122-123

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本文编号：913989