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湖南省城市与森林的大气湿沉降化学及其作用机理

蒋益民  
【摘要】:进入20世纪90年代以后,中国的酸雨问题愈演愈烈,而地处中南的湖南则更是受到酸雨污染的严重影响。本文对酸雨污染研究的历史、现状、研究领域和危害等方面进行了简要的阐述。位于中国中南部的湖南省,其城市大气污染更为严重,本文结合湖南省的自然和社会状况,对湖南省大气环境的污染现状、成因进行了分析;对其主要致酸前体物SO_2的浓度、排放量的地理分布进行了解析,并且对今后湖南省SO_2的排放量和变化规律进行了预测和分析;对湖南省城市大气湿沉降化学及降水pH值的时空特征分布规律进行了论述和研究;以长沙市为例对城市大气污染和酸雨污染进行了研究,对长沙市的主要大气污染物[SO_2,NO_X(NO_2),TSP]的变化规律、时空分布及大气降水中典型离子在长沙市3个监测站点的分布和对当地酸雨形成的作用等方面进行了分析,并且建立模型对今后10年长沙市的大气降水酸度进行了预测。研究结果表明:湖南省的降水为典型的硫酸型降水;湖南省SO_2排放强度较大的地区主要分布在湘中和湘西南的工业区,如果不采取及时有效的治理措施,湖南省今后10年的SO_2排放量将会持续增加;湖南省城市大气湿沉降化学主要成分以SO_4~(2-),NO_3~-,Ca~(2+),NH_4~+为主,它们占到降水总离子量的60%以上;低降水pH值的分布和湖南省的四大水系(湘江、资江、沅江和澧水)的分布相吻合,表明沿水系分布的工业区和生活区排放的大气污染物是造成湖南省部分地区大气环境污染严重的主要原因,这些污染物对当地酸雨和大气污染均有较大影响;对长沙市降水pH值的预测结果显示,其降水在今后10年如果不采取及时有效的措施,降水酸度还有可能进一步酸化。 本文以2001年1月~2002年6月韶山大气降水和森林降水的监测数据为基础,以湖南韶山为研究点,研究了酸性降水中南地区森林冠层和土壤的影响。此研究对韶山的大气降水和森林二维林冠层穿透水的化学成份的分布特征、在酸雨作用下各离子的净沉降及森林地表接收的总酸沉降的变化、森林各个季节的大气干沉降、树冠层总滤出量、盐基离子滤出量以及树冠层对H~+和NH_4~+的摄入量进行了估算和分析。结果表明,大气降水与森林降水的阴离子均以SO_4~(2-)为主,其浓度分别占到相应的总阴离子的52.87%和48.92%;阳离子以Ca~(2+)为主,其浓度分别占到总阳离子的37.62%和42.81%。森林穿透水中的离子浓度明显增加,增加倍数最高达9.7倍。采用主成份分析方法对大气降水和森林穿透水中的化学组分进行了分析,分析结果表明,大气降水中的两个主要成份占到总方差的92.76%,森林穿透水中的三个主要成份占到总方差的96.70%。来源于树冠层叶中营养离子的洗脱与大气中含钙颗粒物质的Ca~(2+)的净沉降在Canopy层和Sub-canopy层都为 湖南省城市与森林的大气湿沉降化学及其作用机理 ll:,Mg2+除了在生长季节外,其冠层仍有较明显的滤出现象;K+在Can叩y层树 冠的大量的滤出与sub一canopy层的摄入形成明显对比。5042一,No3一,cI一在秋冬两 季树冠层均有较强的洗脱现象。总酸沉降结果表明,盐基离子中caZ+在春夏两季 沉降量最大,Mg2+的沉降则以秋冬两季的量最高,K十的最大沉降量出现在秋季。 大气干沉降成分中以ca2+为主,ca2+的一个主要来源是含钙土壤气溶胶颗粒。树 冠层盐基离子总滤出量中ea,+最高,达到180.98 meq/m,·a,Mg,+最低,为61.48 meq/m,·a,K+居中,为54.1 3 meq/m,·a。ea,+的大量滤出表明它是树冠层缓冲降水 酸度主要介质,同时也表明酸雨对韶山森林的潜在危害,也是本研究中发现与北 美和欧洲等地的研究结论所不同的现象。盐基离子的滤出量以冬*春*夏一秋依 次递减。树冠层季节摄入NH4十的量在100一1 50 meq/mZ,而对H+的摄入量则在 50一340 meq/mZ。对土壤改良的研究结果表明,腐殖酸对土壤中Pb和cd的形态 分布受腐殖酸的影响比较大,腐殖酸的添加有望降低土壤中Pb和Cd的生物活性 成分的含量,Cu和Zn受腐殖酸的影响比较小,形态分布变化并无规律性。 最后,基于对湖南省酸雨污染的特征和污染物的变化特性等方面的分析和论 述,本文提出了解决湖南省酸雨污染的参考性措施:以区域总量控制作为防治酸 雨的原则性对策,逐步改善能源结构,研制开发并推广成本较低的脱硫技术和设 备,加强环境管理和对环保设施的管理等等。本文的研究对于湖南省城市大气污 染和酸雨污染的控制方面具有一定的参考意义。对地处湖南省境内的韶山森林是 典型的亚热带森林,同样也受到酸雨污染的作用,本文对韶山森林的研究,其方 法和结论对同处于亚热气候带的森林的研究有着借鉴和参考的价值,同时还可以 为提高森林生命力,加强森林管理提供必要的依据。 关键词:城市大气污染;502;酸沉降;森林;土壤改良;湖南省


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