杜金辉，孙娟，杜廷芹，慕金波

（山东省环境保护科学研究设计院，山东济南250013）

青岛市土壤酸沉降临界负荷估算

杜金辉，孙娟，杜廷芹，慕金波*

（山东省环境保护科学研究设计院，山东济南250013）

在GIS支持下，应用简单质量平衡法对青岛市土壤硫和氮沉降临界负荷进行了估算。结果表明：青岛市土壤硫沉降临界负荷低值区主要位于东南、西南和北部的植被覆盖区域。植被盐基吸收速率较高、降水盐基阳离子总量和土壤风化速率较低以及土壤偏酸性是造成土壤硫沉降临界负荷偏低的原因。耕地区域氮沉降临界负荷较高，植被覆盖区则较低。较低的植被对氮的吸收速率、土壤临界氮淋溶以及反硝化率是导致氮沉降临界负荷数值偏低的原因。

简单质量平衡法；硫沉降；氮沉降；主要土壤类型；临界负荷

青岛市酸雨在北方地区具有典型的代表性，以燃煤为主的能源结构每年向大气中排放大量的酸雨前体物质，海洋性湿润气候为酸雨的产生提供了温床，偏酸性的土壤在一定程度上降低了大气颗粒物的酸缓冲能力。除2011年无酸雨样品检出外，2005—2012年青岛市其他年份均有酸雨样品检出[1]。目前对于青岛市酸沉降的研究尚未见有关土壤酸沉降临界负荷的报道，因此，选取青岛市开展土壤酸沉降临界负荷的实证估算，从而为青岛市大气污染防治及土壤生态环境保护提供依据。研究时段选取2005—2010年。

1 酸沉降临界负荷估算方法

1.1 酸沉降临界负荷估算模型

根据目前各种估算酸沉降临界负荷方法的特点[2，3]，选用应用较多的简单质量平衡法[4-6]进行土壤酸沉降临界负荷的计算，计算公式如下：

式中，CLMax（S）为土壤硫沉降临界负荷；CLMax（N）为土壤酸化氮临界负荷；CLnut（N）为土壤营养氮临界负荷，BCd为经海盐校正的盐基阳离子总沉降量；BCw为土壤风化速率；BCu为盐基阳离子净吸收；Nu为植被对氮的吸收速率；fde为反硝化率；Ni为土壤氮矿化速率；Nle(crit)为临界氮淋溶速率；ALKle(crit)为临界淋溶碱度。式中使用的单位为keq/（km2·a）。

在地理信息系统（GIS）支持下，制作式（1）中计算所需的栅格图层，利用栅格计算器实现青岛市酸沉降临界负荷的估算。

1.2 酸沉降临界负荷估算模型参数的确定方法

收集研究区不同来源的数据，通过格式转换、投影变换、裁切、单位变换等步骤对数据进行预处理，生成计算所需的ArcGIS栅格，大小为1 km×1 km，UTM坐标系。酸沉降临界负荷估算所需栅格及生成方法见表1。

表1 青岛市酸沉降临界负荷估算所需栅格及制作方法

1.3 酸沉降临界负荷的确定方法

临界负荷计算所用标准不同，其结果差异较大。以植物响应标准计算出的临界负荷较其他标准计算的临界负荷值大，而用pH为标准计算的临界负荷比其他标准计算的结果要低。根据文献对于土壤硫沉降临界负荷的确定，pH标准适合国外情况，而国内对于临界负荷的确定一般不采用[16]。因此，硫沉降临界负荷选用碱度、铝浓度和土壤稳定性标准三者计算结果的最小值，即采用临界铝浓度标准的计算值。

氮沉降临界负荷取酸化氮临界负荷和营养氮临界负荷较小者。

2 结果与分析

2.1 土壤酸沉降临界负荷空间分布特征

只对土壤区域进行计算，城镇建设用地、水体和湿地区域进行掩膜处理，不参与土壤酸沉降临界负荷的计算，即空间分布图中的空白区域。

2.1.1 土壤硫沉降临界负荷空间分布特征

青岛市土壤硫沉降临界负荷空间分布见图1。

由图可知，青岛市土壤硫沉降临界负荷低值区主要位于东南部、西南部和北部区域，与植被的分布相一致。青岛市植被多分布于东南部的崂山附近、西南部以及北部的大泽山附近，以崂山和大泽山附近区域较为集中。植被对盐基吸收速率较高，其中以落叶阔叶林数值最大，为16.2× 10-3keq/（km2·a）。较高的植被盐基吸收速率是造成植被覆盖区域土壤硫沉降临界负荷较低的原因之一。根据青岛市酸雨监测资料统计结果，2005—2010年经海盐校正后的降水盐基阳离子总量分别为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。可见，2006年和2009年盐基阳离子总量相对其他年份较低，且这两个年份的土壤硫沉降临界负荷较其他年份较低。

图1 2005—2010年青岛市土壤硫沉降临界负荷分布

2.1.2 土壤氮沉降临界负荷空间分布特征

青岛市土壤氮沉降临界负荷空间分布见图2。

由图可知，耕地区土壤氮沉降临界负荷较高，植被覆盖区则较低。对于耕地，作物从土壤中吸收的元素通量与人为活动对土壤的输入通量可看作是一个动态的平衡，可认为耕地对盐基阳离子和氮的净吸收速率近似为0。但耕地区临界氮淋溶速率却很高，从而使得营养氮负荷较高。耕地在青岛市所有土地利用类型中所占面积比例最大为70.30%，这也说明了青岛市大部分区域土壤氮沉降临界负荷较高的原因。植被对氮的吸收速率较低是导致植被覆盖区氮沉降临界负荷数值较低的原因，其中以落叶阔叶林氮沉降临界负荷最低。

2.2 主要土壤类型酸沉降临界负荷

表1 2005—2010年青岛市主要土壤类型硫和氮沉降临界负荷平均值

以占土壤总面积比例大于1%的土壤作为主要土壤类型。经统计，青岛市共有17种主要土壤类型，占土壤总面积的95%。主要土壤类型为砂姜黑土、棕壤、潮土和粗骨土。根据酸沉降临界负荷计算结果，利用ArcGIS按照主要土壤类型进行统计，得到2005—2010年青岛市主要土壤类型酸沉降临界负荷。

2.2.1 主要土壤类型硫沉降临界负荷

2005—2010年青岛市主要土壤类型硫沉降临界负荷平均值见表1。由表可知，青岛市各土壤类型硫临界负荷年度变化不明显，平均值在7 691.52～9 298.06 kg/（km2·a）之间，以酸性粗骨土最小、深砂姜层砂姜黑土最大。东南部和北部植被区的主要土壤类型均为酸性粗骨土和麻砂棕壤性土，还有一些酸性石质土。酸性粗骨土的pH值多在5.5～7.0之间，林下的酸性粗骨土较耕地的pH值要低。麻砂棕壤性土为酸性岩类棕壤性土，pH值约为6.3。土壤呈现酸性与该区域的土壤硫沉降临界负荷较低相一致。麻砂棕壤性土和酸性粗骨土的风化速率分别为0.7×10-3keq/（km2·a）和0.2×10-3keq/（km2·a），风化速率均较低。可见，土壤显酸性和土壤风化速率较低也是导致植被覆盖区土壤硫沉降负荷偏低的原因之一。

2.2.2 主要土壤类型氮沉降临界负荷

2005—2010年青岛市主要土壤类型氮沉降临界负荷平均值见表1。由表可知，青岛市各土壤类型氮临界负荷年度变化不明显，平均值在4 130.13～13 099.63 kg/（km2·a）之间，以面积较大的砂姜黑土类最高，棕壤类次之，酸性粗骨土类最低。耕地区的土壤类型主要为砂姜黑土，其土壤临界氮淋溶较高，氮沉降临界负荷较高。植被区的土壤类型主要为酸性粗骨土和麻砂棕壤性土，土壤临界氮淋溶以及反硝化率均较低，氮沉降临界负荷较低。土壤氮沉降临界负荷的分布与反硝化率的分布也比较吻合，反硝化率高的区域，其土壤氮沉降临界负荷也较高。可见，土壤临界氮淋溶以及反硝化率都较低是导致土壤氮沉降临界负荷数值偏低的原因。

3 结论

应用简单质量平衡法对青岛市土壤硫和氮沉降临界负荷进行了估算。青岛市土壤硫和氮沉降临界负荷具有以下特征：

（1）青岛市土壤硫沉降临界负荷低值区主要位于东南部、西南部和北部区域，与植被的分布相一致。植被盐基吸收速率较高、降水盐基阳离子总量和土壤风化速率较低及土壤偏酸性是造成土壤硫沉降临界负荷偏低的原因。

（2）青岛市大部分区域土壤氮沉降临界负荷较高。耕地区土壤氮沉降临界负荷较高，植被覆盖区则较低，以落叶阔叶林氮沉降临界负荷最低。较低的植被对氮的吸收速率、土壤临界氮淋溶以及反硝化率是导致氮沉降临界负荷数值偏低的原因。

[1]山东省环境保护厅.2012年山东省环境状况公报[EB/OL].（2013-06-1）[2013-9-25].http：//xxgk.sdein.gov.cn/xxgkml/hjzkgb/.

[2]郝吉明，谢绍东，段雷，等.酸沉降临界负荷及其应用[M].北京：清华大学出版社，2001：32-355.

[3]周立峰.大气氮沉降对白溪水库饮用水源水质影响研究[D].宁波：宁波大学，2012：26-28.

[4]SVERDRUP H，DE VRIES W.Calculating critical loads for acidity with the simple mass balance method[J].Water，Air，and Soil Pollution，1994，72（1-4）：143-162.

[5]SPRANGER T，LORENZ U，GREGOR H D.Manual on methodologies and criteria for modelling and mapping critical loads& levels and air pollution effects，risks and trends[M/OL].Berlin：Federal Environment Agency，2004.

[6]MONGEON A，AHERNE J，WATMOUGH S A.Steady-state critical loads of acidity for forest soils in the Georgia Basin，British Columbia[J].Journal of Limnology，2010，69（1S）：193-200.

[7]山东省土壤肥料工作站.山东土壤[M].北京：中国农业出版社，1994：64-323.

[8]山东省土壤肥料工作站.山东土种志[M].北京：中国农业出版社，1993：18-681.

[9]冉有华，李新，卢玲.四种常用的全球1 km土地覆盖数据中国区域的精度评价[J].冰川冻土，2009，31（3）：490-500.

[10]济南市水利局.济南市地表水水功能区划[EB/OL].（2013-08-09）[2013-10-10].http：//www.jnwater.gov.cn/show.php?contentid=7446.

[11]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.

[12]段雷，黄永梅，郝吉明，等.中国植被对氮和盐基阳离子吸收速率及其在土壤酸化中的作用[J].环境科学，2002，23（3）：68-74.

[13]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.

[14]谢绍东，郝吉明，周中平.稳态法确定酸沉降临界负荷的基本理论探讨[J].环境科学，1997，18（4）：5-9.

[15]REINDS G J，POSCH M，DE VRIES W，et al.Critical loads of sulphur and nitrogen for terrestrial ecosystems in Europe and Northern Asia using different soil chemical criteria[J].Water，Air，and Soil Pollution，2008，193（1）：269-287.

[16]谢绍东，郝吉明，周中平.应用简单质量平衡法计算酸沉降临界负荷的研究[J].环境科学，1997，18（6）：5-8.

（编辑：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

山东省科技发展计划项目《山东省土壤环境容量及酸沉降临界负荷研究》（2006GG3206002）

杜金辉（1979-），男，山东兰陵人，毕业于山东大学环境工程专业，硕士，工程师，主要从事环境管理与规划的研究工作。

*通讯作者：慕金波（1964-），男，山东荣成人，毕业于华东工学院环境系统工程专业，博士，研究员，主要从事环境系统工程的研究工作。