应用VSD动态酸化模型确定区域酸沉降控制目标研究

赵和春,谢绍东 (北京大学环境科学与工程学院,环境模拟与污染控制重点实验室,北京 100871)

应用VSD动态酸化模型确定区域酸沉降控制目标研究

赵和春,谢绍东*(北京大学环境科学与工程学院,环境模拟与污染控制重点实验室,北京 100871)

为了控制区域酸沉降污染,需要制定科学的区域大气酸沉降控制目标.本研究建立了应用VSD动态模型的多点位模拟和累积频率分布曲线统计方法,通过模拟各酸沉降情景下某一目标年区域内土壤理化特性的变化确定其酸沉降控制目标.将此方法应用于广州-东莞-惠州地区,在现场测量区域内25点位土壤特征的基础上,应用VSD模型模拟各点位土壤特征对酸沉降的响应,再将模拟结果绘制成累积频率分布曲线,据此确定该区域酸沉降控制目标.结果表明,单独控制S沉降时,若使得该区域生态保护率达到80%,则短期和长期S沉降的控制目标分别为7.68～12g/(m2⋅a)和10.24～16g/(m2⋅a);若生态保护率为95%,短期和长期S沉降控制目标分别为5.12～8g/(m2⋅a)和7.68～12g/(m2⋅a).同时控制 S和 BC沉降时,若生态保护率为 80%,当 BC沉降为 6.4～12.8g/(m2⋅a)时,短期和长期 S的控制目标分别为 2.56～4g/(m2⋅a)和5.12～8g/(m2⋅a);当BC沉降为4.8～9.6g/(m2⋅a)时,S的控制目标为2.56～4g/(m2⋅a).若生态保护率为95%,当BC沉降为6.4～12.8g/(m2⋅a)时,短期和长期S的控制目标分别为0.64～1g/(m2⋅a)和5.12～8g/(m2⋅a);当BC沉降为4.8～9.6g/(m2⋅a)时,短期和长期S的控制目标分别为0.64～1g/(m2⋅a)和2.56～4g/(m2⋅a);当BC沉降量降至2～4g/(m2⋅a),则80%和95%生态保护率下的S控制目标均为0.64～1g/(m2⋅a).

酸沉降；区域控制目标；VSD；累积频率分布

酸沉降仍是目前的主要环境问题,对土壤、森林、湖泊、动植物和建筑等产生不同程度的影响[1].近年来,动态模型广泛应用于模拟酸沉降对生态系统的影响.1990年起欧洲影响合作中心(CCE)每2年应用动态模型模拟欧洲地区不同生态系统的恢复过程,为欧洲酸沉降控制提供科学依据[2-6].中国在 20世纪末就有学者应用动态模型研究西南和东南部分省份的酸沉降,分析其酸化状态和趋势[7-10],但这些研究多局限于单个站点或单个生态系统的模拟,应用范围较小,对于区域酸沉降控制意义不大.因此,需要开发应用动态模型确定区域酸沉降控制目标的方法.本研究应用简单动态模型(VSD)联合模拟区域内多个点位,并应用累积频率分布(CFD)的方法统计模拟结果,以确定区域酸沉降控制目标.将此方法应用于酸沉降严重的广州-东莞-惠州地区,基于该地区25个点位的土壤采样和现场调查,应用VSD模型模拟不同酸沉降控制情景下区域内各点位土壤性质的变化,进而确定区域酸沉降控制目标.

1 研究方法

1.1 VSD模型的基本原理

VSD模型是一个单层酸沉降动态模型,结构简单,输入参数相对较少[13].模型包括土壤中主要物理化学过程,如土壤矿物的化学风化、土壤阳离子交换、水铝矿溶解、土壤有机酸溶解、植被吸收和氮固定等.由电荷平衡、化学平衡和质量平衡关系式构成,忽略SO42-的吸附以及Al的络合反应形态,假设N完全硝化等.通过输入模拟点位的土壤、植被、沉降等基本参数可得到土壤主要理化性质.其主要平衡关系如下[11].

1.1.1 电荷平衡 VSD模型中的电荷平衡方程如下式:

式中: BC=Ca+Mg+K;Org表示有机酸.由于假设完全硝化,因此[NH4+]=0

1.1.2 化学平衡 VSD模型的化学平衡主要包括水铝矿溶解平衡、HCO3－的解离平衡、有机酸溶解平衡以及阳离子交换平衡.它们的平衡关系式如下:

水铝矿平衡:式中: KAlox为解离常数;α为 pH-pAl关系斜率(α≤3).

HCO3

-解离平衡:

式中: K1为一级解离常数;KH为亨利常数;PCO2为土壤中二氧化碳分压(101325 Pa).

有机酸溶解平衡:

式中: DOC为土壤中溶解的有机碳浓度(molC/m3);m 为有机碳中活性组分的浓度(mol/molC);Korg为解离常数,可由(5)式计算得到:

阳离子交换平衡主要由以下2个方程决定:

Gaines-Thomas方程:

Gapon方程:

式中: EX为离子X在土壤交换基上的平衡浓度; KAlBC和KHBC为Al-H以及H-BC交换反应的交换系数.

1.1.3 质量平衡 VSD模型中各离子的质量平衡方程如下式:

式中: Xtot为单位面积土壤中 X离子的总浓度, eq/m2; Xin为X离子的年总输入量, eq/(m2·a),包括大气沉降和植被利用等;Q为径流量, m/a.

式中,

式中: θ为土壤含水率, m3/m3; z为土壤层厚度, m.

式中: EBC为 BC在土壤交换基上的平衡浓度;ρ为土壤容重,g/cm3;CEC 为离子交换容量, meq/kg.

1.2 累积频率分布曲线的建立与酸沉降控制目标的确定

首先将研究区域划分成一定大小的网格,在每个网格内选取具有代表性的点位,如代表性土壤或生态系统类型,随后将这些点位的基本参数输入VSD模型,以模拟不同酸沉降情景下和不同目标年时土壤主要理化性质的变化.假设区域内有n个模拟点位,动态模型模拟得到某一目标年下 n个点位的土壤某理化性质为 x1,x2,……, xn,x1＜x2＜……＜xn,于是某一点位理化性质 xk的累积频率Pk(0＜Pk＜1)定义为x1～xn中小于xk的x所占的比例,由此就可得到各点位的累积频率P1,P2,……,Pn,以累积频率P为x轴、理化性质x为 y轴作图,就可得到各点位的该理化性质在某一目标年下的累积频率分布曲线,如图1所示.

图1 累积频率分布曲线Fig.1 Cumulative Frequency distribution curve

从图1累积频率分布曲线可看出,在土壤理化性质达到某阈值时模拟点位所占的比例,假设该理化性质阈值为xk,即当x＜xk时土壤即处于酸化状态,xk对应的累积频率为 Pk%,也就是说有Pk%模拟点位的土壤的理化性质在阈值以下,即此时区域内有 Pk%的土壤将受到酸沉降的危害.因此,基于累积频率分布曲线就可获得某目标年内区域内土壤理化性质的恢复情况,进而根据设定的不同生态保护率确定区域酸沉降控制目标.

1.3 研究区域及输入参数的确定

选取的研究区域为广州-东莞-惠州一带,如图2所示.该区域为珠三角地区S沉降量最大的地区,区域内S沉降量多在12.8g/(m2⋅a)以上,部分地区可达到 20g/(m2⋅a).该区域盐基阳离子沉降量也很高,多在 8g/(m2⋅a)以上,个别地区可达到16g/(m2⋅a)以上.区域内植被主要为阔叶林、针阔林、马尾松和灌木等;土壤主要为自然酸性土壤,对酸沉降比较敏感.VSD模型的主要输入参数如表1所示,包括土壤、植被、沉降等基本参数,如土壤矿物风化速率,植被对N和BC的吸收速率,主要离子的沉降速率及其他基本参数等.

图2 研究区域及模拟点位分布Fig.2 The simulation region and sites, Guangzhou-Dongguan-Huizhou

表1 VSD动态模型的输入参数Table 1 Input parameters of VSD model

将研究区域划分成 0.2°×0.2°的网格,应用网格布点法采集土壤样品,共采集25个点75个土壤样品,用 X射线衍射法(XRD)测定土壤矿物组成.土壤风化速率应用PROFILE模型计算,其他土壤理化特性数据来自文献调研和土壤普查[12-14],表2列出了部分点位的土壤风化速率和理化参数.

表2 区域内主要自然土壤土壤参数(部分点位)Table 2 The soil parameters at part of sites in the region

本研究收集了区域内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[15-16],在此基础上根据公式(11)计算得到区域内主要植被的氮和盐基阳离子吸收速率,并根据已有研究结果总结出主要植被类型的干沉降因子[17-18],主要植被类型的相关参数见表3.

表3 区域内主要植被氮和盐基阳离子吸收速率和干沉降因子Table 3 The uptake rates and dry deposition factor of major vegetables in the region

式中: Kt和Kb分别是干和枝的净生产力; Xt和Xb分别为元素在干和枝中的含量.

各离子的总沉降量是干沉降量和湿沉降量的总和,应用式(12)计算得到:

式中: Xdep为某离子的总沉降量, kmol/(hm2⋅a);[X]为雨水中的组分浓度,mol/L;P为年降雨量,m/a; fDD为干沉降因子.雨水中各离子的浓度和降雨量来自区域内环境监测部门监测获得的酸雨常规监测资料,见表4.

通过计算得到研究区域内当前 S沉降量为12.8～20g/(m2⋅a),BC沉降量为 8～16g/(m2⋅a).对于模拟点位各离子的历史沉降数据,根据文献[19]假设主要离子的历史变化趋势与 S沉降变化趋势一致;未来沉降情景以 2010年为基准年和2020年为目标年,设定两种控制情景:(1)单独控制S沉降,设定不控制S沉降和基准年上分别削减 20%、40%、60%、80%S沉降几种情景;(2)同时控制S和BC沉降,设定在基准年上分别削减20%、40%和 75%BC沉降时,分别同时削减20%、40%、60%、80%S和95%的S沉降.

表4 广州-东莞-惠州主要离子湿沉降量年均值[kmol/(hm2⋅a)]Table 4 Average value of deposition of main ions in the Guangzhou-Dongguan-Huizhou[kmol/(hm2⋅a)]

2 结果与讨论

2.1 模型校验

以位于广州从化流溪河地区的一个点位说明,其土壤为花岗岩赤红壤,植被为阔叶林,是区域内代表性的土壤和植被类型.模型校验以1900年为起点,认为该年份时尚未有人为污染的影响,现状年为2002年,应用VSD模型中的模型校验功能反复计算,主要的基本参数均来自于该地区已有研究实测值[20],通过不断调整模型参数(表 5),计算出 2002年该地区土壤化学性质,结果列于表 6.比较表 6中模拟值与实测值可看出,模拟结果与当地实测值基本吻合,说明可应用 VSD模型和这些校验后的参数模拟该区域内未来不同酸沉降下土壤理化性质的变化.

表5 广州花岗岩赤红壤VSD模型校验参数Table 5 The calibration parameters of VSD model of red granite soil in Guangzhou

表6 广州花岗岩赤红壤土壤水性质模拟与实测对比(mmol/m3)Table 6 The simulation and measurement soil solution parameters of red granite soil in Guangzhou(mmol/m3)

2.2 区域酸沉降控制目标的确定

应用VSD动态模型模拟区域内25个点位的土壤理化特性,在(1)单独控制S沉降和(2)同时控制S和BC沉降情景下模拟1900～2100年间研究区域内土壤盐基饱和度(BS)的变化,再统计得到目标年下土壤 BS的累积频率分布图,据此确定区域酸沉降控制目标.

2.2.1 单独控制S沉降 单独控制S沉降时,得到模拟区域内2020年和2100年不同S沉降控制目标下土壤BS的累积频率分布曲线,见图3.

通常以BS＜0.2作为土壤理化性质恶化的标志.由图3可看出,2020年如维持当前沉降量不变,将有接近50%的点的BS＜0.2,即区域内50%的土壤会受到酸沉降威胁;当削减20%S时,该比例将降到约35%;当削减比例提高到40%、60%和80%时,区域内将分别有20%、15%和5%土壤会受到酸沉降威胁.由图3还可见,2100年维持当前沉降量不变时BS＜0.2的点仍接近50%;当削减20%、40%、60%和80%的S沉降时,BS＜0.2所占的比例分别下降到 20%、5%、0%和 0%.由此可见,削减S沉降对土壤性质的恢复效果比较明显,且随时间增长效果逐渐显现,说明土壤理化性质的恢复是一个长期的响应过程.若要使得区域内80%以上的土壤不受到酸沉降的影响,短期内 S沉降的削减比例需达到40%,长期需达到20%,结合当前区域的S沉降量,在此生态保护率下该区域短期和长期的 S沉降量需控制为 7.68～12g/(m2⋅a)和 10.24～16g/(m2⋅a),该沉降量则可作为该区域内80%生态保护率下的S沉降目标负荷.若生态保护率提高到 95%,短期内需要削减80%的S沉降,长期需要达到40%,相应的S沉降量需要控制到5.12～8g/(m2⋅a)和7.68～12g/(m2⋅a),该沉降量便可作为该区域内 95%生态保护率下的S沉降目标负荷.该模拟结果与目前该区域的S沉降的临界负荷的研究结果基本一致[21].

图3 单独控制S沉降时,2020年和2100年土壤BS累积频率分布曲线Fig.3 The BS CFD curve in2020 and 2100 when S deposition is reduced alone

2.2.2 同时控制S和BC沉降 同时控制S和BC沉降时,应用VSD模型模拟得到图4和图5所示模拟区域在2020年和2100年不同S和BC控制方案下土壤 BS的累积频率分布图.模拟了在削减20%、40%以及75%BC沉降的同时削减S沉降的各种情景,由于难以获得模拟区域BC的背景浓度数据,只好依据目前已有研究近似处理

[21-22],亦即当BC削减75%时可近似认为是其背景的浓度水平.

图4 同时控制S和BC沉降时,2020年模拟区域内土壤BS累积频率分布对比Fig.4 The BS CFD of the soil in the region in 2020 when S and BC deposition is reduced simultaneously

由图4和图5可看出,BC的削减可以明显减弱削减酸性污染物的效果.特别是当BC的削减比例大于或等于S的削减比例时,模拟区域内几乎所有点位的土壤BS均小于0.2,即整个区域面临酸化的危险,说明该区域土壤本身的酸沉降承受能力较差,主要碱度来源于大气BC的沉降.

图5 同时控制S和BC沉降时,2100年模拟区域内土壤BS累积频率分布对比Fig.5 The BS CFD of the soil in the region in 2100 whenS and BC deposition is reduced simultaneously

由图4和图5的累积频率分布曲线可得到各种S和BC协同控制比例下模拟点位中BS＜0.2的比例,进而得到不同生态保护率下酸沉降控制目标,结果见表7.

由表7可看出,随着BC沉降量逐渐降低,相应S沉降控制目标也愈加严格.特别是当BC沉降量削减 75%时,相应 S沉降控制目标将降至1g/(m2⋅a)以下.因此,当区域内协同控制 S和 BC时,需根据保护率合理选取酸沉降控制目标,以达到最优控制效果.

3 结论

3.1 应用 VSD动态模型联合模拟多点位生态系统理化特性,并应用累积频率分布曲线的方法统计其模拟结果,可确定区域尺度酸沉降控制目标.通过计算各模拟点位在各酸沉降情景下某一目标年时土壤理化性质的累积频率,并绘制累积频率曲线,可得到当该理化性质达到某一阈值时区域内点位所占的比例,进而确定区域尺度的酸沉降控制目标.

3.2 将上述方法应用于广州-东莞-惠州地区,模拟计算区域内 25个点位.模拟结果表明,在单独削减S沉降时,随着S沉降削减比例的增加区域内土壤的恢复情况变好.当生态保护率为 80%时,该区域短期和长期的S沉降量的控制目标分别为7.68～12g/(m2⋅a)和10.24～16g/(m2⋅a).若生态保护率提高到95%,相应的S沉降量的控制目标分别为5.12～8g/(m2⋅a)和7.68～12g/(m2⋅a).以上沉降控制目标可以作为该区域内80%和 95%生态保护率下的S沉降目标负荷.

3.3 控制S沉降的同时控制大气BC沉降,会比较明显的降低削减S的效果.当BC的削减比例大于或等于S沉降削减比例时,几乎整个区域内均面临酸沉降危害,说明区域内土壤本身承受酸沉降的能力较低,大气 BC沉降是区域内重要的碱度源.当BC沉降为6.4～12.8g/(m2⋅a)时,80%生态保护率下短期和长期 S的控制目标为2.56～4g/(m2⋅a)和5.12～8g/(m2⋅a),95%生态保护率下短期和长期S的控制目标为0.64～1g/(m2.a)和5.12～8g/(m2⋅a);当 BC沉降为 4.8～9.6g/(m2⋅a)时, 80%生态保护率下 S的控制目标为 2.56～4g/ (m2⋅a), 95%生态保护率短期和长期 S的控制目标为0.64～1g/(m2⋅a)和2.56～4g/(m2⋅a).而当BC沉降量降至2～4g/(m2⋅a),则80%和95%生态保护率 下的S控制目标均为0.64～1g/(m2⋅a).

表7 广州-东莞-惠州区域不同生态保护率下和不同盐基阳离子沉降下硫沉降控制目标Table 7 The acid deposition control target under different ecosystem protection rate and deposition rate of BC in Guangzhou-Donguan-Huizhou

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Determining regional control targets of acid deposition using VSD model.

ZHAO He-chun, XIE Shao-dong*(State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：411～418

Setting scientific acid deposition control targets was necessary to control regional acid deposition pollution. A method to set such control targets by analyzing soil acidity at selected sites under different acid deposition scenarios in the target years, combining the VSD model and cumulative frequency distribution analysis, was proposed in this study. This method was applied to the Guangzhou-Dongguan-Huizhou region. The soil acidity in 25 sites was measured and simulated by using VSD model under different acid deposition scenario, and the results were described by using cumulative frequency distribution curve. The S deposition target under different scenarios was given in the results. If S deposition was controlled solely, the short-term and long-term S deposition control targets should be 7.68～12g/(m2⋅a) and 10.24～16g/(m2⋅a), respectively, to guarantee that 80% of the ecosystem was protected, and the short-term and long-term S deposition control targets should be 5.12～8g/(m2⋅a) and 7.68～12g/(m2⋅a) respectively, to guarantee that 95% of the ecosystem was protected. If S and BC deposition were controlled simultaneously, when BC deposition was 6.4～12.8g/(m2⋅a), the short-term and long-term S deposition control targets should be 2.56～4g/(m2⋅a) and 5.12～8g/(m2⋅a), respectively, when BC deposition was 4.8～9.6g/(m2⋅a), the S deposition control target should be 2.56～4g/(m2⋅a), to guarantee that 80% of the ecosystem was protected; when BC deposition was 6.4～12.8g/(m2⋅a), the short-term and long-term S deposition control targets should be 0.64～1g/(m2⋅a) and 5.12～8g/(m2⋅a), when BC deposition was 4.8～9.6g/(m2⋅a), the short-term and long-term S deposition control targets should be 0.64～1g/(m2⋅a) and 2.56～4g/(m2⋅a), to guarantee that 95% of the ecosystem was protected. When BC deposition was reduced to 2～4g/(m2⋅a), S deposition should be controlled to 0.64～1g/(m2⋅a) to make sure that 80% and 95% of ecosystem was protected. Restoration measures should be taken at the same time.

acid deposition；regional control target；VSD；cumulative frequency distribution

X517

A

1000-6923(2012)03-0411-08

2011-04-27

国家“863”项目(2006AA06A306)

* 责任作者, 教授, sdxie@pku.edu.cn

赵和春(1985-),男,辽宁沈阳人,北京大学环境科学与工程学院硕士研究生,主要从事酸沉降控制研究等方面的研究.发表论文1篇.