典型森林小流域酸沉降与土壤相互作用的地球化学过程研究 ——现场观测和实验模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 郭景恒 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2004-06-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 汤鸿霄 ; 张晓山 ; Rolf D. Vogt |
| 关键词 | 酸沉降 森林小流域 地球化学过程 干沉降 降水 穿透水 盐基离 子 酸性土壤 阳离子交换量 盐基饱和度 铝饱和度 土壤铝库 铝形态 铝 活化 饱和度指数 溶解有机碳（DOC） Acid deposition Forest catchment Geochemical processes Dry deposition Precipitation Throughfall Base cations Acid soil CEC Base saturation Aluminum saturation Aluminum pools Aluminum species Aluminum mobilization Saturation index (SI) Dissolved organic carbon（DOC） |
| 其他题名 | Geochemical processes related with interactions between acid depostion and soil in typical forested catchments ——Field and experimental study |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | 自上世纪80 年代中期我国开始重视酸沉降（酸雨是酸沉降中湿沉降的一部分）问题以来，在酸沉降研究方面取得了很大的进展，对我国酸沉降的控制起到了积极的推动作用。随着我国经济的快速发展，酸性物质排放量增加，我国酸沉降有发展和蔓延的趋势；西南酸雨区森林小流域出现酸化迹象。据国家环保局调查显示，我国每年由酸沉降引起的经济损失达1100 亿元。因此，全面认识我国大气酸沉降的特征、深入研究我国典型陆地生态系统对酸沉降的响应机制和承载能力、从而经济合理地控制酸沉降已经成为摆在政府和环境科学家面前的紧迫任务之一。 本文依托于IMPACTS (Integrated Monitoring Program on Acidification of Chinese Terrestrial Systems)项目的常规观测，结合必要的模拟试验，分析了西南和华南典型森林小流域的大气沉降特征、土壤化学特征；研究了土壤中铝的形态分布和活化机制、土壤中硫（S）和氮（N）的循环、土壤盐基离子的淋溶等地球化学过程；并在土壤水和地表水中溶解有机碳（DOC）的分布规律、盐基离子事件性沉降对地表水的影响等方面进行了初步的探讨。通过深入的分析和研究，取得了一系列的成果。 各小流域大气沉降观测结果的分析表明： SO42-依然是降水中的主导阴离子，NO3 -浓度相对较低；Ca2+和/或NH4+是降水中的主要阳离子。由于干沉降、植被叶 面的蒸发浓缩和降水对植被叶片淋洗，降水通过森林冠层和地表植被时离子强度 有明显的增加；相对于降水，穿透水中K+、Mg2+、Ca2+、有机酸比例的增加和NH4+、NO3-、H+比例的减小。 IMPACTS 流域的土壤多为由砂岩、页岩和花岗岩(流溪河流域)发育而来的强酸性甚至是极强酸性土壤。绝大多数土壤pH(H2O)低于5，pH(BaCl2)一般在4 以下；有相当部分的土壤盐基饱和度小于20%。土壤中原生矿物以石英为主，并含有少量斜长石和钾长石。 在土壤酸化过程中强有机结合铝（Alp）逐渐减小，而可交换铝（Alex）和弱有机结合铝（Alcu）有明显的增加。研究中发现了Alex 和Alcu 在土壤酸化过程中的相关关系，类似现象在国内还未见报道。溶解铝形态的分布受到多种因素的影响：随着pH 的上升，羟基结合铝（HBA）增加，硫酸根结合铝（SBA）和Al3+减少；温度的降低能够提高HBA 和SBA，但降低Al3+ 的比例；F-是很强的配位体，几乎全部的F-都能与铝结合形成FBA；有机配合铝（Alo）在表层土壤水中最高，并且随土壤深度而减小。 研究发现各小流域土壤水中Al3+相对于不定型三水铝石都是不饱和的，并且饱和度指数随土壤水和土壤pH 的增加而增加。本文首次报道了硫沉降高的地区（铁山坪流域）斜矾石土壤铝活化模式的适用性，并用土壤中硫酸根和可交换铝的共同吸附过程附予以解释。论文还提出可交换铝(Alex)代替原有土壤有机配合物铝（SOM-Al）模式中的Alp 或Alcu，以反映土壤酸度对铝活化的影响，并且得到了现场观测和实验室试验的验证，这在国内外还未见报道。 小流域土壤吸附态硫酸根多在0.5-4.5 mmol/kg 之间，并且受土壤pH、土壤铝饱和度和土壤有机质的影响。土壤pH 越低越有利于硫酸根的吸附；吸附态硫酸根随铝饱和度的增加而增加，尤其是当铝的饱和度高于60%时。由于土壤对硫酸根的吸附过程，土壤水中的硫酸根在沿土壤剖面迁移的过程中浓度逐渐减小，但其依然是绝大多数土壤水和地表汇集水中最主要的阴离子。 小流域土壤总氮含量多数在4%以下，C/N 比值多在10-20 之间，在某些土壤中可达30。绝大多数层位中硝酸根都占土壤水总氮的50%以上，是主导的氮形态。由于土壤有含氮有机物的分解和生物的吸收和硝化作用，铵在表层土壤水中的含量和比例最高，但随土壤深度降低。除流溪河和鹿冲关流域外，地表水中铵的比例一般不足5%。流域中表层土壤水中有机氮的含量最高，并且沿着土壤深度降低。但由于地表径流的影响，地表汇集水中有机氮的含量和比例相对于深层土壤水都有明显增加。 调查和研究发现：小流域土壤水和地表汇集水中主要阳离子都是盐基离子。除铁山坪流域部分底层土壤水外，绝大多数土壤水中Ali/(Ca+Mg)摩尔小于1.0。5 个流域中Ali/(Ca+Mg)摩尔比值的大小顺序依次为：TSP> LXH> LCG> CJT> LGS。论文首次提出运用土壤盐基饱和度(BS)解释土壤水中Ali/(Ca+Mg)摩尔比值的变化。穿透水、土壤水和地表汇集水中溶解有机碳（mg C/L）与溶液紫外吸光度（254nm）之间的转化系数为30.2，即，DOC=30.2*Ads.(254 nm)。由于降水对叶片有机物的淋洗，穿透水中有机碳的浓度一般在5.0 mg C/L 左右，有机阴离子约在50μeq./L左右。由于有机物分解产表层土壤水中有机阴离子可以达到270μeq./L，并且随土壤深度而降低。溶解有机碳在不同流域的差别于溶液pH 有关，溶液pH 越高溶解有机碳越多。另外，随着土壤深度的增加Alo/DOC 比值逐渐增加。 论文首次在国内通过实验证明了降水中盐基离子的事件性增加对土壤水和地表水造成事件性影响。实验结果表明降水中盐基离子的事件性增加能够加速酸性土壤中酸性离子的释放。尽管它能在短期内提高土壤的盐基饱和度，但可能对水生生物造成致命的影响。 |
| 学科主题 | 环境化学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-08-18 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/645]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郭景恒. 典型森林小流域酸沉降与土壤相互作用的地球化学过程研究 ——现场观测和实验模拟[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2004. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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