全 文 ：中国环境科学 2004,24(3)：345~349 China Environmental Science

大气沉降向林地(小叶栎)输入硫素通量的观测

徐成凯 1,胡正义 1*,蔡祖聪 1,王体健 2,何园球 1,曹志洪 1 (1.中国科学院南京土壤研究所,土壤与农业可持续发
展国家重点实验室,江苏 南京 210008；2.南京大学大气科学系,江苏 南京 210093)

摘要：利用中国科学院红壤生态试验站森林小气候观测站(江西鹰潭)逐时气象梯度参数连续自动观测数据,采用阻力模式计算 SO2、硫酸
盐(SO42-)粒子的干沉降速率(Vd),结合大气 SO2、SO42-粒子浓度现场测定,研究了该地 2年大气硫沉降量.结果表明,2000年大气 SO2和 SO42-
粒子时年 Vd值分别为 0.748cm/s、0.665cm/s;2002年分别为 0.180cm/s、0.221cm/s. 2000和 2002年大气干沉降硫(SO2+SO42-粒子)通量分别
为 104.6kg S/(hm2×a)和 140.6kg S/(hm2×a),SO2干沉降是大气干沉降主要贡献者,占 98.38%和 97.2%;大气沉降硫总量分别为 150kg S/(hm2×a)
和 185kg S/(hm2×a);可见大气干沉降是大气硫沉降主要贡献者,分别占 70%和 76.2%.
关键词：大气硫沉降；干沉降速率；森林；二氧化硫；硫酸盐粒子
中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2004)03-0345-05

Observation studies on the atmospheric sulphur deposited input flux to (Quercus Chenii) forestland. XU Cheng-kai1,
HU Zheng-yi1, CAI Zu-cong1, WANG Ti-jian2, HE Yuan-qiu1, CAO Zhi-hong1 (1.State Key Laboratory of Soil and
Sustainable Agriculture Development, Nanjing Institute of Soil, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；
2.Department of Atmospheric Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China). China Environmental Science,
2004,24(3)：345~349
Abstract：Atmospheric SO2 and SO42- particle dry deposition velocities (Vd) were calculated adopting resistance model
and applying continuously automatic observing data of hourly meteorological grade parameter at forest small
meteorological observation station, Experiment Station of Red Earth Ecology (Yingtan, Jiangxi), Chinese Academy of
Sciences, the atmospheric sulfur deposition amount into the land in two years was studied with combining the field
determination of atmospheric SO2, SO4
2- particle concentrations. The annually average Vd of SO2 and SO4
2- particle was
0.748cm/s and 0.665cm/s in 2000, and 0.180cm/s and 0.221cm/s in 2002 respectively. The deposition flux of sulfur
(SO2+SO4
2- particle) was 104.6kg S/(hm2×a) in 2000 and 2002 respectively, SO2 dry deposition as the main dedicator of the
atmospheric dry deposition occupying 98.38% and 97.2%; and the total amount of the sulphur deposited was 150kg S/(hm2×a)
and 185kg S/(hm2×a) respectively. It is clear that the atmospheric dry deposition is the main indicator of the atmospheric
sulphur deposition, occupying 70% and 76.2% respectively.
Key words：atmospheric sulphur deposition；dry deposition velocity；forest；sulfur dioxide；sulfate particle

大气沉降包括湿沉降和干沉降,是森林生态
系统获得硫素的重要途径之一[1].适量大气硫沉
降能满足树木健康生长的硫营养需求,而过量硫
沉降将导致森林土壤酸化,甚至树木死亡[2-6].据
报道,在过去 35年中,酸沉降导致庐山土壤 pH值
下降了 0.1~1.0个 pH单位[7].因此,定量估计大气
硫沉降通量对合理评价大气沉降对森林生态系
统稳定性具有重要意义.大气干湿沉降向典型森
林系统输入硫素,国外已有研究[3].
在国内已有研究者通过区域模型研究酸雨
排放及控制[8],熊际翎[9]及陈攀江[10]则以 0.5cm/s
或 1cm/s 作为平均沉降速率,进行贵州和四川省
硫沉降和硫平衡估计.通过气象资料计算污染物
干沉降速率(Vd)也已有报道[11-15].
本研究以中国科学院红壤生态试验站森林
微气象站为依托,采用阻力模式计算森林下垫面

收稿日期：2003-09-05
基金项目：973 项目(G1999011805);中科院知识创新工程领域前沿
项目(ISSASIP0205);土壤与农业可持续发展国家重点实验室联合资助
* 责任作者, 研究员, zhYhu@issas.ac.cn
346 中 国 环 境 科 学 24卷
上大气 SO2、SO42-粒子干沉降速率(Vd),并结合大
气 SO2、SO42-粒子浓度观测,来计算大气硫干湿
沉降通量及其动态,并评价干沉降相对贡献率.为
探讨森林系统硫素循环规律和森林土壤酸化机
理提供依据.
1 材料与方法
1.1 实验场地
实验在中国科学院红壤生态试验站森林小
气候分站进行.下垫面为落叶阔叶林(小叶栎 ,
Quercus Chenii),平均高度约 5m.四周较开阔,附
近 5km范围内没有大的污染源,鹰潭市燃煤火电
厂位于观测地以东 10km,贵溪电厂位于观测地
以东 30km.共观测 2年(2000, 2002年).
1.2 气象参数采集
森林小气候观测塔高度为 15m.在 2,3,8,
13.5m高度处分别安装风速、温度等自动传感器,
采集温度、气压和 2.0m处风速数据,用于计算近
地面湍流特征参数 u*、q*和 L.每小时用 DT-500
型智能数据采集器采集数据 1次.
1.3 大气 SO2、SO42-粒子和雨水 SO42-浓度观测
大气 SO2用 TH110B 型大气采样器(武汉天
虹仪表厂)采集,采样速度 0.3~0.8L/min,多孔玻板
吸收瓶收集(吸收液为 0.3%双氧水).每季度采样
5~11d,每天累积采样时间至少 8h.大气中 SO42-粒
子用 TH150A型总悬浮微粒采样器(武汉天虹仪
表厂)采集,超细玻璃纤维滤膜(孔径<0.1mm),每
季度采 2~7次,每次累积采样时间至少 8h,采样速
度 100L/min.滤膜中 SO42-用 0.5mol/L HCl浸提.
用雨水收集桶收集雨水并测定雨水 SO42-浓度,
仪器每小时自动观测降雨量.硫用 ICP-AES 分
析.
1.4 大气 SO2、SO42-粒子干沉降速率
用阻力模式计算干沉降速率[14-18]由于硫素
在大气中主要以 SO2和 SO42-粒子 2种形态存在,
模式将二者分别作不同处理.类似于 SO2等气体
的干沉降速率通常可以表示为 3 种阻力的倒数,
即:Vd=1/(Ra+Rb+Rc);其中 Ra、Rb和 Rc分别代表空
气动力学阻力、片流层阻力和下垫面层阻力.
SO4
2-粒子干沉降类同于 SO2,主要由布朗扩散、
惯性碰撞和重力沉降等因素引起.通常认为粒子
沉积到表面后没有再悬浮,则表面阻力可以忽略.
根据阻力模式硫酸盐粒子干沉降速率可表示
为[13,14,17]:Vd=1/(Ra+Rb+RaRbVg)+Vg; 其中 Vg是粒
子的重力沉降速率.
根据 Monin-Obukhov大气近地层相似理论,
采用气象梯度资料(风速、温度和气压)来计算近
地层特征参数 u*、q*和 L[18].
1.5 数据处理
根据研究地下垫面树木生长状况并参见
Wieringa 研究结果[19,20],本研究下垫面粗糙度长
Z0按 0.5m计.根据 Heinke研究结果[12],SO2沉降
表面阻力 Rc按 100s/cm计.参考高度 2m.大气中
不同粒级颗粒物都有 SO42-分布[21].并发现直径
小于 2mm的细粒子含有大量硫酸盐[22,23].分别计
算了 0.1,2,10mm粒级干沉降速率后,再用 3个粒
径沉降速率平均值表示大气硫酸盐粒子平均干
沉降速率[14,15].气象梯度资料每1h自动采集1次,
据此每 1h计算 1次 Vd.以 24h内 Vd算术平均值
获得 Vd时天均值.由时天 Vd均值的算术平均,获
得日月平均 Vd值和日季平均 Vd值.
2 结果与讨论
2.1 SO2和 SO42-粒子干沉降速率
Vd 反映了干沉积过程清除大气污染物能力
的大小.森林下垫面上 SO2 干沉降速率一般为
0.1~0.7cm/s,而 SO42-粒子干沉降速率一般在
0.13~0.9cm/s之间.本研究结果表明,2002 年非降
雨日(降雨量<10mm/d)大气 SO2和 SO42-粒子干
沉降速率时年均值为 0.665cm/s 和 0.221cm/s;而
2000 年相应值为 0.748cm/s 和 0.180cm/s(表 1).
干沉降速率受气象条件的影响,其瞬时值有较大
变异.但在本研究区内,2002 年和 2000 年大气
SO2和 SO42-粒子干沉降速率时年均值变异不大,
仅为 10%和 22%(表 1).
2.2 大气 SO2、SO42-粒子和雨水中硫浓度
3期 徐成凯等：大气沉降向林地(小叶栎)输入硫素通量的观测 347
2002,2000 年度的大气 SO2 浓度年均值为
0.087mg S/m3和 0.051mg S/m3(表 1).据统计,1994
年江西全省大气 SO2浓度年均值为 0.025mg S/m3
(0.0015mg S/m3~0.30mg S/m3)[24]1994 年度 5~6
月份南昌地区(江西省环境监测站)大气 SO2浓度
年 均 值 为 0.024mg S/m3(0.0074~0.092mg
S/m3)[23].可见本研究结果高于 1994 年江西全省
均值,而低于其最大值.一般认为 SO2沉降受短距
离输送影响,因此,大气 SO2浓度较高可能与观测
地鹰潭电厂和贵溪电厂排放 SO2有关.

表 1 大气 SO2、SO42-粒子干沉降向林地输入硫通量
Table 1 Atmospheric dry deposition flux of SO2, SO4
2- particle into forestland
SO2 SO4
2-
时间
(a)
季节
时间*
(d) Vd(cm/s)
浓度
(mg S/m3)
硫输入
(kg S/hm2)
%** Vd(cm/s)
浓度
(mg S/m3)
沉降量
(kg S/hm2)
硫干沉降总量
(kg S/hm2)
春季 69 0.560 0.086 28.71 96.8 0.174 5.86 0.61 29.32
夏季 74 0.712 0.064 29.13 97.9 0.209 6.13 0.82 29.95
秋季 80 0.684 0.060 28.37 97.3 0.266 4.87 0.91 29.26
冬季 82 0.691 0.103 50.43 96.3 0.228 10.45 1.69 52.11
2002
小计(平均) 305 0.665 0.087 136.64 97.2 0.221 6.16 4.01 140.65
春季 73 0.773 0.031 15.11 98.2 0.171 8.50 0.92 16.03
夏季 72 0.662 0.040 16.47 94.3 0.183 1.58 0.18 16.65
秋季 83 0.765 0.076 41.69 98.9 0.180 1.30 0.17 41.86
冬季 84 0.783 0.052 29.55 99.6 0.186 4.06 0.55 30.10
2000
小计(平均) 312 0.748 0.051 102.81 98.3 0.180 3.02 1.82 104.64
两年平均 119.73 97.4 2.92 122.65
注: * 日降雨量小于 10mm天数; ** SO2干沉降占大气总干沉降硫百分数

大气颗粒物中硫浓度随粒径减小而增加.据
观测,1994年5~6月份南昌地区(江西省环境监测
站)大气粒径为 0.43~1.1, 1.1~4.7, 4.7~11mm硫酸
盐粒子中 SO42--S 浓度分别为 1.57,0.4, 0.2mg
S/m3[24].本研究 2002和 2000年度硫酸盐粒子中
SO4
2--S浓度年均值分别为 6.16mg S/m3和 3.02mg
S/m3,高于上述报道值.这是由于本研究所用滤膜
能够收集粒径>0.1mm 的颗粒物.相对大颗粒物,
小颗粒气溶胶硫浓度更高[21,23].2002 年度大气
SO2和 SO42--S 浓度要高于 2000 年监测结果.然
而,鉴于样本数不多,变异较大,年际间差异有待
进一步探讨.
2000和 2002年雨水中 SO2年均浓度分别为
2.47g S/m3和 2.64g S/m3(表 2),没有明显差别.由
于一年中冬季 SO2浓度最高,冬季雨水硫浓度要
大于其他季节(表 1,表 2).
2.3 大气硫沉降通量
2.3.1 干沉降 由于雨水洗脱作用,雨天大气
SO2 和硫酸盐粒子浓度较小.因此,本研究中雨天
(大于中等强度降雨,日降雨量>10mm)不计干沉
降.根据每个月晴天数,由 SO2(硫酸盐粒子)干沉
降速率时季均值、SO2(硫酸盐粒子)季平均浓度
计算得 SO2(硫酸盐粒子)干沉降通量.

表 2 大气湿沉降向林地输入硫通量
Table 2 Atmospheric wet sulphur deposited into
forestland
降雨 雨水硫浓度(g S/m3) 时间
(a)
季节
(mm) (t/hm2) 平均值 标准差 n
湿沉降硫
(kg S/hm2)
2002 春季 547.2 5472 2.12 0.88 5 11.60
夏季 559.2 5592 1.88 1.05 4 10.51
秋季 326.8 3268 2.51 0.35 4 8.20
冬季 354.0 3540 3.88 0.67 5 13.74
小计/平均 1787.2 17872 2.64 1.11 18 40.05
2000 全年 1816.5 18165 2.47 0.77 10 44.78
两年平均 44.41

由表 1 可见,2002 年定义的非降雨天数为
348 中 国 环 境 科 学 24卷
305,大气干沉降硫为 140.65kg S/(hm2×a),其中
97%来自 SO2干沉降.2000 年非降雨天数为 312,
大气干沉降硫为 104.64kg S/(hm2×a),其中 97.8%
来自 SO2干沉降. 2002 年度大气干沉降硫大于
2000 年度观测值,主要是因为 2002 年度大气
SO2、SO42-粒子中硫浓度高于 2000年度观测值,
并非其沉降速率差异所致(表 1).本研究结果高
于临近地点 1998~1999年度油菜-水稻下垫面观
测结果[77.7kg S/(hm2×a)][15].这种差异主要来自
于 SO2沉降速率的差异.因为农田下垫面 SO2干
沉降速率时年均值 (0.517cm/s)比森林下垫面
(0.665~0.748cm/s)低 28.6%~44.7%[15](表 1).
大气 SO2、SO42-粒子干沉降季节分配与观
测年份有关.2002年冬季SO2干沉降量最大,占该
年 SO2总沉降量 37%,其他季节无显著差异(表 1).
冬季 SO42-粒子干沉降硫最大,占该年 SO42-粒子
干沉降 42%;春季 SO42-粒子干沉降硫最小,占该
年 SO42-粒子干沉降 15%;夏、秋季 SO42-粒子干
沉降硫无差异,占 20%左右(表 1).2000 年度秋季
SO2 干沉降量最大,其次是冬季,分别占该年 SO2
总沉降量 40%和 29%;春季 SO42-粒子干沉降硫
最大,其次是冬季,分别占该年 SO42-粒子干沉降
量50%和30%(表1).冬季大气干沉降硫较大不是
沉降速率差异,而是由于大气SO2和SO42-粒子高
于其他季节(表 1).鉴于大气 SO2、SO42-粒子中硫
浓度变异系数较大,为探明大气硫沉降的时间变
化规律,有必要增加采样密度.
2.3.2 湿沉降 研究地湿沉降硫量为 40~
44kg S/(hm2×a),年际间差异不大.本研究结果与
1997 年临近地区 (余江县 )的观测结果类似
[40kg S/(hm2×a)][25].2002 年度结果显示冬季湿沉
降硫最多,占全年 31%,主要是因为冬季降水硫浓
度最大.
2.3.3 硫沉降总量和干沉降对硫沉降贡献
2000 和 2002 年度大气硫沉降总量分别为
150kg S/(hm2×a)和 185kg S/(hm2×a)(表 3).该结果
与在四川省广元县观测值[158.2kg S/(hm2×a)]
相近[10].
干沉降硫(SO2+SO42-粒子)占大气硫沉降(干
沉降+湿沉降)总量 70%~74%,其中 SO2 沉降占
69%~74%.可见 SO2沉降是大气硫沉降的主要贡
献者,其次是湿沉降.该结果与英国洛桑试验站
1968~1988年的观测值(65.4%~87.5%)相似[26],也
与四川省各县(市)统计值(57%)相当[11].

表 3 大气硫沉降年际间变化
Table 3 Annual variation of atmospheric sulphur
deposited
干沉降(kg S/hm2)
时间
(a) SO2
SO4
2-
粒子 小计
湿沉降
(kg S/hm2)
大气总沉降
(kg S/hm2)
2000 102.82(98.3*) 1.81 104.63(70.0**) 44.78 149.41
2002 136.64(97.2) 4.01 140.65(76.2) 44.05 184.70
平均 119.73(97.6) 2.91 122.64(73.4) 44.41 167.05
注: * SO2干沉降占干沉降硫总量百分数; ** 干沉降硫占大气
硫沉降总量百分数
3 结论
3.1 研究地小叶栎下垫面大气 SO2 和 SO42-粒
子干沉降速率时年均值分别为 0.665~0.748cm/s
和 0.180~0.221cm/s.
3.2 研究地大气沉降硫总量分别为 150,
185kg S/(hm2×a).其中,SO2 干沉降是大气硫沉降
主要贡献者,占 69%~74%;其次是降雨,占 24%~
30%.
3.3 大气硫沉降季节分配与观测年份、硫形态
有关,总的来讲 SO2干沉降秋冬季较高.

参考文献：
[1] Fowler D. Field methods for determining the atmospheric inputs
of major plant nutrients [A]. Harrison A F (ed.). Nutrient cycling
in terrestrial ecosystems [C]. Barking, UK: Elsevier Applied
Science Publisher Ltd., 1989.1-74.
[2] 陈楚莹,张家五,邓仕坚,等.西南酸雨对森林危害的经济损失分
析 [A]. 国家环境保护局. 国家“七五”科技攻关环境保护项
目论文集, 大气污染防治技术研究 [C]. 北京:科学出版社,
1993.761-770.
[3] Mitchell M J, Lindberg S E. Sulfur chemistry, deposition, and
cycling in forests [A]. Dale W, Johnson D W, Lindberg S E (eds.).
Atmospheric deposition and forest nutrient cycling [C]. 1992.73-149.
[4] Turner J, Lambert M J. Sulphur nutrition of forests, Chapter 34
[A]. Shrine D S, Ritchmond C R, Lindberg S E (eds.).
3期 徐成凯等：大气沉降向林地(小叶栎)输入硫素通量的观测 349
Atmospheric Sulfur Deposition: Environmental Impact and
Health Effects [C]. New York, USA: Ann Arbor Science Publishers,
Inc, 1979.321-334.
[5] Cronan C S. Consequences of sulfuric acid inputs to a forest soil
[A]. Shrine D S, Ritchmond C R, Lindberg S E (eds.).
Atmospheric sulfur deposition: environmental impact and health
effects [C]. New York, USA: Ann Arbor Science Publishers, Inc,
1979.335-344.
[6] Abrahamsen G. Impact of atmospheric sulfur deposition on forest
ecosystems [A]. Shrine D S, Ritchmond C R, Lindberg S E (eds.).
Atmospheric sulfur deposition: environmental impact and health
effects [C]. New York, USA: Ann Arbor Science Publishers, Inc,
1979.397-416.
[7] Pan G X. Acidification of soils in Mount Lushan over the last 35
years [J]. Pedosphere, 1992,2(1):179-1982.
[8] Wang T J, Jin L S, Li Z K, et al. A modeling on acid rain and
recommended emission control strategies in China [J].
Atmospheric Environ., 2000,34(12):4467-4477.
[9] 熊际翎,范增华,李大庆,等.贵州省大气硫平衡及来源研究 [A].
中国国家环境保护局编.大气污染防治技术研究 [C]. 北京:科
学出版社,1993.633-639.
[10] 陈攀江,王永明,刘永祺.四川盆地硫沉降及硫平衡 [A]. 中国国
家环境保护局.国家“七五”科技攻关环境保护项目论文集,大
气污染防治技术研究 [C]. 北京:科学出版社,1993.640-645.
[11] Voldner E C, Barrie L A, Sirois A A. Literature review of dry
deposition of oxides of sulphur and nitrogen with emphasis on
long-range transport modelling in north [J]. Atmospheric
Environ., 1986,20(11):2101-2123.
[12] Heinke S K, Silke P. Modification of dry deposition a developing
sea-breeze circulation: a numerical case study [J]. Atmospheric
Environ., 1992,26A(1):51-61.
[13] 王体健,李宗恺.一种污染物的区域干沉降速率分布的计算方
法 [J]. 南京大学学报, 1994,30(4):745-751.
[14] 胡正义,王体健,曹志洪,等.大气干沉降向农田生态系统输入硫
素通量研究 [J]. 土壤学报, 2001,38(3):357-364.
[15] 胡正义,徐成凯,赵言文,等.南方典型地区油-稻轮作下大气硫
沉降动态 [J]. 中国环境科学, 2002,22(1):11-15.
[16] George A S. Particle and gas dry deposition: a review [J].
Atmospheric Environ., 1980,14(9):983-1011.
[17] Hick B B, Baldocch D D, Meyers T P, et al. A preliminary
multiple resistance routine for deriving dry deposition velocities
from measured quantities. [J]. Water, Air and Soil Pollution,
1987,36(1):311-330.
[18] Van Ulden A P, Holtslag A A M. Estimation of atmospheric
boundary layer parameters for diffusion applications [J]. J.
Climate and Applied Meteorology, 1985,24(2):1196-1207.
[19] Wieringa J. A revaluation of the Kansas mast influence on
measurements of stress and cup-anemometer overspeeding [J].
Boundary-layer Meteorol. Soc., 1980,18(1):411-430.
[20] Wieringa J. Representativeness of wind observation at airports [J].
Bull. Amer. Meteor. Soc., 1980,51(2):962-971.
[21] 张小曳,安藏生.中国内陆大气颗粒物的搬运,沉降及反应的气
候变化 [J]. 中国科学(B), 1994,24(11):1206-1215.
[22] 洪钟强,周乐义.气溶胶粒子干沉降速率的测量 [J]. 大气科学,
1987,11(2):138-144.
[23] 沈 济,赵倩雪,杨淑兰,等.南昌地区酸性化学转化过程的研究
[A]. 陈志远,刘志荣.中国酸雨研究 [C]. 北京:中国环境科学
出版社, 1997.172-184.
[24] 石 晶,黄 云,陈宏文,等.江西省酸雨时空分规律及发展趋势
[A]. 陈志远,刘志荣.中国酸雨研究 [C]. 北京: 中国环境科学
出版社,1997.172-184.
[25] Liu C Q, Cao S Q, Xu J X. Effect of sulphur in rainfall, irrigation
water and percocolating water on soil sulphur in Jiangxi Province
[J]. Pedosphere, 2000,10(2):177-182.
[26] McGrath S P, Zhao F J, Withers P J A. Development of sulphur
deficiency in crops and its treatment [M]. Peterborough, UK: The
Fertilizer Society. 1996.1-47.

作者简介：徐成凯(1971-),男,四川威远县人,助理研究员,主要从事
土壤硫素循环与植物硫素营养研究.发表论文 12篇.






国际生物多样性日主题确定 5月22日是国际生物
多样性日,联合国环境规划署与《生物多样性公约》秘书
处将 2004 年国际生物多样性日的主题确定为——“生
物多样性:全人类食物、水和健康的保障”,强调在确保
粮食安全和适当供水方面,以及在保护基于世界生物宝
藏的众多传统药物和现代药品方面,生物多样性非常重
要.
据悉,《生物多样性公约》已有 199 个缔约国,是批
准国家最多的环境公约之一,成为自 1992 年环发大会以
来进展较快的国际环境公约.

摘自《中国环境报》
2004-05-21
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