太湖流域酸沉降导致的碱基离子流失特征及模拟研究

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太湖流域是我国酸沉降较严重的区域之一,酸沉降对流域碱基离子流失产生了显著影响。通过室内模拟酸溶液浸提试验,研究了流域内代表性碳酸盐岩及其风化产物和流域分布广泛的沙壤土在不同pH模拟酸溶液作用下碱基离子的释放特征。同时,利用MAGIC模型和模拟试验提供参数量化描述了酸沉降对太湖流域碱基离子流失的影响,并结合流域酸沉降和湖泊水化学长期监测数据,确定了酸沉降与土壤和地表水中主要离子变化趋势的联系。结果表明:(1)碳酸盐岩中碱基离子释放量与酸溶液pH值以及岩石粒径均呈显著负相关(P<0.01)。此外,在相同pH酸溶液作用时,石灰岩与白云岩中各碱基离子的释放特征有明显区别,即石灰岩中Ca2+释放量显著高于白云岩,而K+、Na+和Mg2+释放量显著低于白云岩,这是由岩石本身离子总量决定的。(2)碳酸盐岩风化产物与沙壤土中碱基离子对酸溶液的敏感性为Ca2+>Mg2+>K+。其释放量不仅与酸溶液pH有关,还取决于土壤本身离子总量。此外,石灰岩中Ca2+含量显著高于白云岩,但在相同pH酸溶液作用时,石灰岩风化产物中Ca2+的释放量显著低于白云岩风化产物,分析认为,流域内长期酸沉降淋溶和成土母质环境的差异性导致石灰岩风化产物中交换态Ca2+含量降低,从而影响到Ca2+的释放量。(3)太湖流域不同介质对模拟酸溶液的缓冲能力存在显著差异,即碳酸盐岩>白云岩风化产物>石灰岩风化产物>沙壤土。分析认为,大量的碳酸盐与质子迅速发生的中和作用是碳酸盐岩及其风化产物具有较强缓冲能力的关键因素。此外,根据目前流域降雨平均pH值,计算出pH=4.5酸溶液作用下碳酸盐岩淋出液中(Ca2++Mg2+)与HCO3-的当量比值在1~2之间,这与当前太湖水体中(Ca2++Mg2+)与HCO3-的当量比值(>1)关系一致,说明酸沉降参与的碳酸盐岩加速溶蚀仍是导致太湖水体中碱基离子变化的主要因素。(4)1985-2019年期间观测到的湖水水体中各离子浓度呈显著上升趋势,而MAGIC模型的计算结果与这个上升趋势有较好的一致性,湖水中Ca2+、Mg2+和K+的模拟结果与实测值相对吻合。对于模拟受点源污染影响较大的Na+、Cl-和SO42-时考虑了在模型中加入污/废水排放校正的内容。模型预测不同污染物排放情景下太湖未来水化学性质变化趋势的结果显示未来大气沉降中SO42-和碱基离子含量变化会影响到湖泊中主要离子的浓度变化:如果依据国家减排政策使流域内以2005年观察到的降雨中碱基离子含量下降趋势持续,湖水的Ca2+、pH值和ANC以及土壤的盐基饱和度(BS)都会受到影响,它可能会干扰酸性污染物排放减少的预期恢复率;尽管从2005年硫排放量开始下降,但模拟湖水中Ca2+和ANC等并没有像预测的下降结果发展,这是由于人为因素加速的风化作用极大地改变了太湖流域的自然过程和平衡,区域大气中氮沉降的升高以及氮肥的施用对潜在的局部土壤酸化速度的增加贡献加强,导致大量Ca2+进入湖泊。而预测结果表明,尽管未来30年(即2050年)太湖流域基本不会出现明显的酸化问题,但酸化作用对太湖流域水化学和生态系统的可能影响仍需要重视。
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