全 文 ：红壤典型地区大气硫输入的干沉降通量研究 3
—以江西红壤站为例
王体健 3 3 　李宗恺　(南京大学大气科学系 ,南京 210093)
胡正义　曹志洪　(中国科学院南京土壤研究所土壤圈物质循环开放研究实验室 ,南京 210008)
【摘要】　在江西 (鹰潭)红壤典型地区农田下垫面上进行大气 SO2 、硫酸盐 (SO2 -4 ) 的浓度采样 ,利用阻力模式计
算 SO2 和 SO2 -4 的干沉降速度 ,估算大气 S 输入农田生态系统的干沉降通量. 结果表明 ,农田下垫面上 SO2 和
SO2 -4 干沉降速度的平均值分别是 0143、0123cm·s - 1 . 干沉降速度具有明显的日变化特征 ,一般白天大于夜间 ,
午后出现最大值. 大气 S输入农田生态系统的半年干沉降通量为 617g·m - 2 .
关键词 　红壤 　二氧化硫 　硫酸盐 　干沉降速度 　干沉降通量
文章编号 　1001 - 9332 (2001) 06 - 0923 - 04 　中图分类号 　X142 　文献标识码 　A
Dry deposition flux of air sulphur at a typical red soil area —with Jiangxi Red Soil Station as example. WAN G Ti2
jian ,L I Zongkai ( Depart ment of A t mospheric Science , N anjing U niversity , N anjing 210093) , HU Zhengyi ,CAO Zhi2
hong ( N anjing Institute of Soil Science , Chinese Academy of Sciences , N anjing 210008) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,
2001 ,12 (6) :923～926.
The concentrations of SO2 and SO2 -4 in air were observed on farmland at Yingtan ,the typical red soil area of Jiangxi
Province. Based on data provided by the automatic meteorological station of China Ecosystem Research Network ,the
dry deposition velocity of SO2 and SO2 -4 was calculated using a resistance model ,and the dry deposition flux of sulphur
from the atmosphere to the farmland ecosystem was estimated. The results showed that the average dry deposition ve2
locity (Vd)of SO2 and SO2 -4 was 0143 and 0123cm·s- 1 ,respectively. The Vd of SO2 and SO2 -4 in the daytime was sig2
nificantly higher than that at night ,and the highest velocity occurred in the afternoon. The total annual dry2deposition
flux of sulphur inputted to farmland ecosystems was 1314g ·m - 2 .
Key words 　Red soil , SO2 , SO2 -4 , Dry deposition velocity , Dry deposition flux.
　　3 国家自然科学基金 (49771051) 、中国科学院士壤圈物质循环开放
室和红壤生态站资助项目.
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 08 - 27 收稿 ,1999 - 11 - 16 接受.
1 　引 　　言
大气和农田生态系统之间 S 元素交换的重要途径
之一是含 S 化合物的干沉降 ,其中含 S 化合物主要是
气态 SO2 和 S 酸盐粒子 SO2 -4 . 上述物质由大气向地
面迁移且与降水无关的过程构成了干沉降 ,其通量对
土壤2植物系统 S 的循环有重要影响. 在不同地区大气
S 沉降输入农田生态系统的通量具有不同的特点 ,对
系统物质循环将产生不同程度的影响. 因此 ,研究大气
干沉降的时空变化特征具有重要的理论意义和实用价
值. 统计资料表明 ,大气干沉降向农田生态系统输入 S
的通量为 2～50kg·hm - 2 ,一般占农田生态系统从大
气获得 S 总量的 25 %～75 %[1 ,4 ,10 ] . 由于干沉降过程
的复杂性 ,其通量通常难以精确测定 ,目前多采用模型
计算. 国内外关于 SO2 、SO2 -4 等物质的干沉降速度的
理论计算已相对比较成熟[2 ,3 ,6 ,11 ] ,关于 S 沉降时空分
布的模拟研究也有一些[5 ,13 ] ,而从植物营养角度研究
大气 S 沉降对农田生态系统的影响则不多见.
本文试图采用观测和模型相结合的办法研究大气
S 在农田生态系统的干沉降通量 ,主要内容包括 3 个
方面 ,一是在江西红壤地区采用定位观测方法测量大
气中 SO2 、SO2 -4 含量 ,二是采用阻力模型计算 SO2 、
SO2 -4 的干沉降速度 ,三是估算大气 S 输入农田生态
系统的干沉降通量 ,评价大气干沉降输入对 S 循环的
影响.
2 　研究地区与研究方法
211 　自然概况
以中国科学院红壤生态试验站农田小气候分站 (江西鹰
潭)为研究地. 下垫面为油菜 ,四周较开阔 ,附近 5km 范围内没
有大的污染源 ,但位于试验地上风方向以西 10km 的鹰潭市有
燃煤火电厂存在. 观测时间为 1998 年 11 月至 1999 年 4 月.
212 　研究方法
21211 　气象观测 　实验场地中竖有一小气候观测塔 ,塔高
515m ,在离地 510、315、210 和 110m 处分别安装有风速、温度、
应 用 生 态 学 报 　2001 年 12 月 　第 12 卷 　第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Dec. 2001 ,12 (6)∶923～926
气压等自动记录传感器. 用 VF ≠2 型磁悬浮微风传感器测定
风速 ,用 HTF ≠2 型电动通风干湿表温湿传感器测定温度. 用
ZGIV 型振筒气压传感器测定气压. 数据采集器采用的是 DT ≠
500 型智能数据采集器 ,每 60min 采集 1 次数据.
21212 　浓度观测 　利用武汉天虹智能仪表厂生产的 TH110B
型大气采样器进行 SO2 气体采样. 大气 SO2 用多孔玻板吸收瓶
采集 (吸收液为 p H = 415 ,浓度为 013 %的双氧水) ,每月采样 3
～7d ,每天采样 3～8 次 ,每次采样 1～2h ,流量取为 013～018L
·min - 1 ,吸收液和浸提液中硫用 ICP ≠AED 分析. 用 TH150A
型总悬浮微粒采样器进行 TSP 采样 ,流量取为 100L·min - 1 ,大
气中硫酸盐 (SO2 -4 )粒子浓度用超细玻璃纤维滤膜 (孔径不大于
011μm)采集 ,滤膜中 SO2 -4 用 015mol·L - 1 HCl 浸提 ,同样用
ICP ≠AED 进行分析. 这样可以得到大气中 SO2 、SO2 -4 的质量
浓度.
21213 　模型 　由于大气干沉降通量通常难以精确测量 ,所以
利用观测资料和数学模型进行计算 ,具体方法如下.
1)干沉降速度 (Vd) 　影响干沉积的因素很多 ,主要包括 3
个方面 ,即大气状况、沉积表面的性质和污染物本身的特性. 对
于粒子 ,其干沉积还与布朗扩散、惯性碰撞、重力沉降等因素有
关.为了考虑主要因素对干沉积的贡献 ,本文采用阻力模式计
算干沉积速度. 气体和粒子的干沉积速度通常可以表示成 :
V d =
1
Ra + Rb + Rc + Ra RbV g
+ V g (1)
式中 Ra 、Rb、Rc 分别代表空气动力学阻力、片流层阻力和接受
表面层阻力 , V g 是粒子的重力沉降速度 ,可由 Stokes 公式计算
得到. 通常认为气体没有重力沉降 ,即 V g = 0 ;粒子沉积到表面
后没有再悬浮 ,则表面阻力可以忽略 ,即 Rc = 0.
Ra 是由湍流运动引起的污染物由大气输送至近地面附近
时受到的阻力. 根据近地层中污染物的质量输送和热量输送类
似的假定 , Ra 可表示为 :
Ra =
ln ( Zr/ Z0) - Ψc
ku 3 (2)
这里 , Zr 是计算 V d 时选择的参考高度 , u 3 是摩擦速度 ,
Vonkarman 常数 k 取 014 , Z0 表示下垫面的粗糙度长 ,由局地
地形特征经验地获得 ,与质量通量有关的稳定度修正参数 Ψc
取为 :
Ψc =
ln (1 + Y2) 2
- 5 Z/ L
　　
( Z/ L < 0)
( Z/ L > 0)
(3)
其中 , Y = (1 - 16 Z/ L )
1
4 , L 是 Monin2obukhov 长度.
Rb 是污染物向地表沉积时经过近地面片流层所受的阻
力 ,理论上 Rb 是 Z0 和 u 3 的函数. 对于气体 :
Rb =
ln ( Z0/ Zc)
ku 3 (4)
式中 , Zc 是与污染物输送有关的粗糙度长. 通常 Zc 很难测定 ,
所以一般对 Rb 进行参数化.
Hicks[3 ]基于一系列的实验研究 ,将气体在植被层中沉积
时的 Rb 和 Schmidt 数 Sc (空气动粘系数γa = 115 ×10 - 5 m2·s - 1
与气体分子扩散率 Dg 之比)联系起来 ,
Rb =
2
ku 3 Sc 23 (5)
上式已被广泛应用 ,并推广至其它类型的下垫面.
对于 SO2 -4 粒子 , Rb 采用 Wesely[14 ]的研究结果 :
Rb =
1
01002 u 3
1
01002 u 3 1 + - 300L 2/ 3 　　( L ≥0)( L < 0) (6)
当大气处于非常不稳定时 ( Zi / L < - 70) ,强烈的对流运动
导致近地层大的阵风度 ,使粒子沉积速度增大. 这时在 Rb 中引
入混合层高度 Zi 的影响 ,即 :
Rb =
1
01002 u 3 1 + - 013 Zi / L 2/ 3 (7)
Rc 与污染物和接受表面之间的相互作用有关 ,一般通过
间接测量的手段获得. Walcek[12 ] 、Wesely[15 ] 和 Walmsley[13 ] 给
出了 SO2 在各种不同条件下沉积时的表面阻力 ,考虑了地表状
况、季节、日照和表面潮湿程度的影响. 本文参照他们的工作给
出了 SO2 沉积时的表面阻力.
研究表明大气中不同粒级颗粒物都有 SO2 -4 分布[4 ] ,并发
现直径小于 2μm 的细粒子含有大量硫酸盐[5 ] . 本研究分别计
算了 011、2 和 10μm 粒级干沉降速率. 用 3 个粒径硫酸盐粒子
干沉降速率平均值表示大气硫酸盐粒子平均干沉降速率.
计算各种沉积阻力时需要用到边界层湍流特征参数 u 3 、
θ3 和 L 等 ,本文利用自动气象站观测资料来计算 ,采用能量平
衡法求取. 从地表能量收支平衡方程出发 ,有 :
R = Hg + He + Hs (8)
其中 R 为净辐射通量 , Hg 、He、Hs 分别为代表感热通量、潜热
通量、土壤热通量.
Hg = - ρCpu 3θ3 (9)
式中 ,ρ= 11293kg·m - 3 , Cp = 1005J·kg - 1·K- 1 .
由 (8) 、(9)式得到 :
θ3 = R - He - Hs
- ρCpu 3 (10)
根据 Holtslag[4 ] 、Van Ulden[10 ] 、Steven[8 ] 、李兴生[7 ] 的研
究 ,分别对 R 、He、He3 项进行参数化 ,通过 (10)式计算θ3 .
2)干沉降通量 　干沉降通量 F( Z) 可以表示为 :
F( Z) = V d1 ( Z) ×C1 ( Z) + V d2 ( Z) ×C2 ( Z) (11)
其中 , C1 、C2 是 SO2 、SO2 -4 的 S 含量 ; V d1 、V d2 为 SO2 、SO2 -4
的干沉降速度.
3 　结果与分析
311 　干沉降速度
根据上述阻力模型和小气候自动气象站提供的气
象资料分别出计算江西红壤地区农田下垫面 SO2 和
SO2 -4 干沉降速度每小时的值 ,经统计求出每天相同时
刻的平均值、日均值和月均值 ,结果如图 1～2 和表 1.
图 1 表明 , SO2 和 SO2 -4 的干沉降速度呈现明显
的日变化特征 ,表现为白天干沉降速度明显大于夜间 ,
429 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷
　图 2 　干沉降速度季节变化曲线
Fig. 2 Seasonal variation in dry deposition velocity.
表 1 　农田下垫面 SO2 和 SO2 -4 干沉降速度
Table 1 Dry deposition velocity of SO2 and SO2 -4 into farmland( cm·s - 1)
日期 Date SO2 SO2 -4
1998. 11 0154 0118
1998112 0143 0120
1999101 0137 0122
1999102 0135 0124
1999103 0144 0127
1999104 0145 0124
平均 Average 0143 0123
并且在午后出现最大值. 这主要是因为白天大气状态
多处于不稳定状态 ,湍流活动强 ,湍流层阻力小 ,导致
较大的沉降速度 ,而夜间则多处于稳定状态 ,情况相
反. SO2 在 13∶00 左右出现最大值 ,SO2 -4 在 11∶00 出
现最大值. SO2 的干沉降速度大于 SO2 -4 ,两者之间白
天差异小 ,夜间差异大.
图 2 表明 ,对于 SO2 而言 ,春季 Vd 大于冬季 ,表
现出一定的季节变化 ,其原因在于表面阻力在不同季
节有差别 ; SO2 -4 的干沉降无表面阻力 ,故其 Vd 变化
相对平缓 ,季节变化不太明显.
从半年的平均结果来看 ,农田下垫面二氧化硫平
均干沉降速度是 0143cm·s - 1 ,硫酸盐是 0123cm·s - 1 ,
该结果与国内研究结果[2 ,5 ]处于同一量级.
312 　浓度
SO2 和硫酸盐浓度测量结果见表 2. 由表 2 可见 ,
SO2 平均浓度 01095mg·m - 3 ,表明当地 SO2 污染还是
处于比较严重的水平. 众所周知 ,华中地区是全国著名
的酸雨重灾区 ,但其本地区 SO2 排放不大 ,周边地区
SO2 排放和当地的地形、气象条件对该地区酸雨的形
成有较大的影响. 因此 ,试验地较高的 SO2 浓度应该
是局地排放和远距离输送的综合结果. 冬季 SO2 浓度
较高 ,2 月份以后降雨逐渐增多 ,由于雨水的冲刷作
用 ,大气中 SO2 浓度较低. SO2 -4 平均浓度为 11175μg·
m
- 3
,大大小于 SO2 浓度 ,说明观测地区颗粒物污染并
不十分严重.
表 2 　农田下垫面 SO2 和 SO2 -4 浓度测量结果
Table 2 Concentration of SO2 and SO2 -4 observed on farmland
日期 Date SO2 (mg·m - 3) SO2 -4 (μg·m - 3)
1998111 01060 11175
1998112 01163 6178
1999101 01155 30143
1999102 01065 7197
1999103 01053 7138
1999104 01072 6119
平均 Average 01095 11175
313 　干沉降通量
利用 (11)式可以计算大气 S 的干沉降通量 ,结果
见表 3. 可见 ,大气 S 干沉降以 SO2 为主 ,一般超过干
湿总沉降的 90 % ,而 SO2 -4 对干沉降的贡献很小 ,主要
是由于 SO2 -4 的低浓度和低干沉降速度. S 的总沉降
中干沉降的比例占 6519 %～9319 % ,由于观测期间 6
个月的总降水量只有700mm ,占全年降水量的1/ 3左
表 3 　农田下垫面 SO2 和硫酸盐干沉降及湿沉降月通量
Table 3 Monthly dry and wet deposition flux of SO2 and SO2 -4 into farmland( g·m - 2)
日期
Date
SO2 干沉降
SO2 dry deposition
SO2 -4 干沉降
SO2 +4 dry deposition
S 干沉降
S dry deposition
S 湿沉降
S wet deposition
S 总沉降
S total deposition
1998111 01839 (9318 %) 01055 01894 (9214 %) 01073 01967
1998112 11877 (9811 %) 01036 11913 (9319 %) 01123 21036
1999101 11536 (8916 %) 01179 11715 (8918 %) 01194 11909
1999102 01550 (9213 %) 01046 01596 (9311 %) 01044 01640
1999103 01625 (8712 %) 01092 01717 (6519 %) 01370 11087
1999104 01840 (9516 %) 01039 01879 (7616 %) 01268 11147
总量 Total 61267 (9313 %) 01447 61714 (8612 %) 11072 71786
5296 期 　　　　　　　　　王体健等 :红壤典型地区大气硫输入的干沉降通量研究 —以江西红壤站为例 　　　　　　　　　
右 ,故湿沉降比例较小. 大气 S 输入农田生态系统的半
年干沉降通量大约是 617g·m - 2 ,占总沉降通量的
8612 %.
4 　结 　　语
在江西红壤地区 (鹰潭) 农田下垫面上进行 SO2 、
硫酸盐 (SO2 -4 )定位观测 ,利用等离子发射光谱 ( ICP ≠
AED)方法分析其浓度 ,根据中国生态系统研究网络自
动气象站提供的气象资料 ,利用阻力模式计算 SO2 和
SO2 -4 干沉降速度 ,进一步估算大气 S 输入农田生态
系统的干沉降通量. 研究结果表明 ,农田下垫面 SO2
干沉降平均速度是 0143cm·s - 1 , SO2 -4 是 0123cm·
s - 1 . SO2 和 SO2 -4 干沉降速度的日变化表现为白天明
显大于夜间 ,午后出现最大值. 在观测的半年期间内 ,
大气 S 输入农田生态系统的干湿沉降通量大约是
718g·m - 2 ,其中干沉降占 8612 %. 由于观测时间只有
半年 ,且这半年中降水偏少 ,所以干沉降比例较高. 根
据前人的研究 ,从全年的时间尺度来看 ,干湿沉降比例
大体相当[9 ] ,因此有必要进行全年的观测 ,作更加深
入细致的研究.
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作者简介 　王体健 ,男 ,1968 年生 ,博士 ,副教授 ,主要从事酸沉
降、大气和土壤相互作用等方面的研究工作 ,发表论文 20 余
篇. E2mail :Wangtj @ 263. net .
629 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷