【摘要】：區(qū)域、大陸和全球范圍內(nèi),與生物多樣性喪失、水資源短缺、氣候變化和氮循環(huán)加速有關的全球性問題,越來越影響和制約著人類社會的可持續(xù)發(fā)展。在過去的100多年間,化肥的施用明顯增加了糧食產(chǎn)量,同時也嚴重破壞了生態(tài)平衡。氮肥的施用容易引起溫室效應和地下水硝酸鹽污染。包氣帶是硝酸鹽進入地下水的必經(jīng)通道,是重要的硝酸鹽儲存介質(zhì),因此研究硝酸鹽在包氣帶的運移和存儲具有重要意義,尤其是預測硝酸鹽峰值到達潛水位的時間可以為政策調(diào)整提供有力依據(jù)。本文通過改進硝酸鹽炸彈(NTB)模型和已發(fā)表的數(shù)據(jù)集,包括20世紀土壤硝酸鹽淋溶、包氣帶厚度、地下水補給和孔隙度,量化了全球不同區(qū)域包氣帶中硝酸鹽峰值到達潛水位的時間和硝酸鹽儲量。為了判斷土壤硝酸鹽淋溶峰值在20世紀是否從土壤底部進入包氣帶,基于全球環(huán)境綜合評估模型(IMAGE)的模擬結果,獲得了1900-2000年全球土壤氮循環(huán)的增加和減少量。N增加途徑包括N肥施用,動物糞便排放、生物固氮和大氣N沉降,各項在1900-2000年均顯著增長,是造成自然界氮剩余增加的主要因素。N減少途徑包括氮在反硝化作用和淋溶過程中的損失、氮隨農(nóng)作物收割以及放牧過程中草地的移出和NH_3揮發(fā),反硝化作用是硝酸鹽被還原的主要過程,是N的主要減少途徑。氮淋溶損失相對于反硝化作用則隨著氣候和土壤條件的變化而變化。中東和北美地區(qū)的淋溶率較低,分別占總輸入的4.8%和6.1%。氣候潮濕的地區(qū)淋溶率較高,如南亞和歐洲分別占總輸入的17.9%和18.5%。北美氮利用率為58.8%,南美洲為48.2%,中東和非洲均高于60%。南亞地區(qū)的氮利用率則為36.5%,明顯低于其他地區(qū)。較高的氮肥輸入量和較低的氮利用率,會增加向地下水中淋溶的硝酸鹽。不同國家土壤硝酸鹽淋溶量在20世紀增長明顯,尤以美國、西歐、印度和中國最為顯著。到了2000年,美國的淋溶量保持穩(wěn)定,西歐相對1980年出現(xiàn)明顯下降,而中國和印度繼續(xù)保持上升的趨勢。在全球248個國家和地區(qū)中有56個國家和地區(qū)硝酸鹽淋溶峰值還沒有進入包氣帶。其中發(fā)達國家占17.9%,發(fā)展中國家占82.1%。全球巖性區(qū)中,基性火山巖和酸性深成巖的淋溶總量仍然呈現(xiàn)上升趨勢,峰值還沒有進入包氣帶。未固結沉積物、硅質(zhì)碎屑沉積巖、混合沉積巖、碳酸鹽沉積巖和蒸發(fā)巖中的硝酸鹽淋溶峰值已經(jīng)進入包氣帶。全球37個主要含水層區(qū)中,30個含水層中淋溶峰值已經(jīng)進入包氣帶。為了模擬已經(jīng)進入包氣帶的硝酸鹽峰值將在何時到達潛水位,在硝酸鹽炸彈(NTB)模型中引入阻滯因子代表巖層滲透性、孔徑大小、擴散、分散、吸附等影響因素。以公開發(fā)表的英國白堊紀碳酸鹽巖含水層中未被硝酸鹽峰值影響的區(qū)域為61%為參考,通過蒙特卡洛模擬確定全球范圍最佳阻滯因子值。對于已經(jīng)進入包氣帶的硝酸鹽淋溶峰值,基于改進的NTB模型,模擬了全球包氣帶硝酸鹽的運移速度、峰值到達潛水位的時間以及儲量。引入阻滯因子后的運移速度比原NTB模型計算的速度更接近實測值,提高了包氣帶中硝酸鹽淋溶運移速度和時間模擬的準確性。全球范圍內(nèi)運移速度較快的地區(qū)主要位于加拿大東部地區(qū)、南美洲北部、非洲中部、挪威以及英國北部地區(qū)。分別以國家、巖性、主要大型含水層以及含水層類型為單位,計算了不同區(qū)域包氣帶硝酸鹽峰值到達潛水位的時間。硝酸鹽峰值到達潛水位的時間不等,且差距較大,距2019年最長可達815年。包氣帶硝酸鹽儲量最大的地區(qū)是北美、中國和歐洲,這些地區(qū)有較厚的包氣帶和長期廣泛的農(nóng)業(yè)活動。在這些地區(qū),硝酸鹽在包氣帶的長時間運移可能會推遲農(nóng)業(yè)措施的改變對地下水質(zhì)量的影響。以典型緯度帶和國家為例,分析了土壤硝酸鹽淋溶及其在包氣帶中運移時間的相關關系及影響因素。在影響土壤硝酸鹽淋溶的眾多因素中,人為因素的影響程度大于自然因素。尤其以氮復合肥的施用量影響程度最大。通過氮肥的施用提高單位面積的糧食產(chǎn)量是氮肥輸入的主要驅動因素,過多的氮肥施用以及較低的利用率是硝酸鹽淋溶增加的主要原因。其次為人口、城市化率和耕地面積占比。城市化率高的國家有更少的勞動力投入到農(nóng)業(yè)活動中,可以通過其他方式獲得經(jīng)濟收入,農(nóng)業(yè)活動的經(jīng)濟壓力會相對較小。中國和印度通過農(nóng)業(yè)活動獲得經(jīng)濟收入的人口數(shù)明顯高于其他國家,從而導致從農(nóng)業(yè)活動中獲得經(jīng)濟收入的壓力增大。通過N肥的施用提高單位面積的糧食產(chǎn)量是N肥輸入的主要驅動因素,從而增加了土壤硝酸鹽淋溶量。美國、中國和印度的耕地面積明顯高于其他國家。但是中國耕地面積比例低于美國、法國和印度,這與我國西部地區(qū)不適宜耕種有關,我國土壤硝酸鹽淋溶的高值區(qū)域都集中在耕地面積較大,且人口密集的東部地區(qū)。美國、印度和中國隨著淋溶量的增加,耕地面積變化不明顯。而巴西和其余的發(fā)達國家隨著耕地面積的增加,淋溶量也沒有發(fā)生明顯變化。再次證明了中國和印度地區(qū)較高的土壤硝酸鹽淋溶是由于過高的N肥輸入和較低的N利用率引起的。當硝酸鹽峰值進入到包氣帶之后,其運移時間主要受地下水補給、包氣帶厚度和孔隙度的影響。地下水補給對運移時間影響程度最大,包氣帶厚度和孔隙度對運移時間的影響程度相對較小。本文研究表明,包氣帶是全球范圍內(nèi)重要的硝酸鹽運移通道和儲藏區(qū),硝酸鹽峰值在包氣帶中的運移時間決定了其將在什么時候開始影響地下水質(zhì)。硝酸鹽在歷史農(nóng)業(yè)發(fā)展較廣的地區(qū)具有顯著的儲藏量。在這些地區(qū)中,有的地區(qū)硝酸鹽峰值在20世紀并未進入包氣帶。即使在峰值已經(jīng)進入的地區(qū),由于包氣帶的延遲作用,其到達潛水位并開始影響地下水質(zhì)至少需要幾十年之久。所以決策者在規(guī)劃減輕污染措施時,應考慮包氣帶中硝酸鹽峰值的運移時間和硝酸鹽儲量。
【圖文】：

圖 1.1 土壤、包氣帶和飽和帶分層示意圖氣帶中硝酸鹽的分布和運移對環(huán)境監(jiān)測起著重要作用。隨量使用，通過包氣帶向地下水中輸入的硝酸鹽明顯增加。作用，，為提高地下水環(huán)境制定的相關政策與地下水質(zhì)改善異。若硝酸鹽峰值仍在包氣帶中運移，沒有到達潛水位，一時間由于硝酸鹽峰值進入飽和帶而繼續(xù)惡化。論文探討布和運移過程，分析不同因素對包氣帶中硝酸鹽運移時值模型方法，模擬包氣帶中硝酸鹽峰值到達潛水位的時間鹽峰值是否已經(jīng)到達潛水位進而開始影響地下水質(zhì)，幫助業(yè)活動是否已經(jīng)或將在什么時候開始影響地下水質(zhì)。目的及意義

150°E120°E90°E60°E30°E0°30°W60°W90°W120°W150°W2000年對流層NO2含量(kg/ha) 0-0.5 0.5-1.5 1.5-3.0 3.0-6.0 ＞6.0圖 2.1 2000 年全球對流層 NO2濃度本文使用的對流層 NO2柱濃度數(shù)據(jù)由德國不萊梅大學環(huán)境物理研究所供（圖 2.1）。該數(shù)據(jù)的幾何分辨率為 60×30km2，通過以下三個步驟獲得，利用差分吸收光譜法，基于 425-450nm 波段 NO2吸收信號計算出整個的 NO2斜柱濃度；然后根據(jù)全球大氣化學模型 SLIMCAT 模型計算出平O2斜柱濃度，與總斜柱濃度之差即為對流層斜柱濃度；最后利用大氣輻射型 SCIATRAN 得到大氣質(zhì)量因子（AMF)，并根據(jù) AMF 將對流層斜柱濃為垂直柱濃度[123]。2.1.2 土壤氮轉化土壤中氮循環(huán)要素包括增加量和減少量兩部分。增加量包括氮肥施用、
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X523


本文編號：2667319