高い

Mar 07, 2023

Scientific Data volume 10、記事番号: 339 (2023) この記事を引用

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臨界荷重の概念は、酸性析出物制御のための重要な科学的ガイドラインです。これは、ヨーロッパの排出削減目標を決定するための重要な科学的根拠であるだけでなく、中国の大気汚染対策、特に 2 つの管理ゾーンの指定にも使用されました。現在、ヨーロッパ、アメリカ、東アジア (主に中国) では硫黄と窒素の臨界負荷を依然として超えており、さらなる排出削減の要求を満たすために継続的に更新する必要があります。中国の臨界負荷は 2000 年代に計算され、マッピングされましたが、方法論とデータの制限により十分に正確ではありません。ここでは、土壌、植生、大気塩基陽イオンの沈着に関する高解像度の基礎データと、重要なパラメータに関する最新の知識に基づいた、中国の最新の高品質臨界荷重を紹介します。 GAINS-China に含まれる予定の私たちのデータは、中国における窒素と硫黄の削減による生態学的利点を地域または国家規模で評価し、将来の緩和戦略を開発するために使用できます。

酸性析出は、（主に）窒素析出と硫黄析出から構成され、1960 年代以来、ヨーロッパ、北米、東アジアで最も深刻な環境問題の 1 つでした 1,2。インドやブラジルなどの一部の発展途上国では依然として重要な環境問題であり、増加傾向を示しています3。環境中に堆積した窒素と硫黄は、陸域および水域の生態系の酸性化と富栄養化を引き起こす可能性があります4。魚の死滅や森林の衰退につながる酸性雨の報告が数多く報告されています5、6、7。最小限のコストで酸性雨による環境への影響を効果的に制御するために、長期的に土壌や地表水に損傷を与えない酸性雨の最大量として定義される臨界負荷の概念が提案されました8。臨界負荷は生態系の性質 (土壌や植生など) によって決まり、酸性雨に対する生態系の耐性を反映します。臨界負荷は、主要な科学的指針としても、世界中で窒素と硫黄の削減に使用されてきました9、10、11。ヨーロッパでは、これらは第 2 硫黄議定書および「多汚染物質、多影響」議定書の交渉において、排出削減目標の科学的根拠として使用されました12。米国も臨界負荷を真剣に受け止めており、臨界負荷の開発、協力、データ共有を促進するために大気堆積臨界負荷科学委員会（CLAD）を設立している13。国立公園局 (https://www.nps.gov/subjects/air/critical-loads.htm) などのいくつかの連邦機関は、生態系保全の実践に重大な負荷を加えています。現在、欧州と米国では、SO2 と NOX の削減により酸性雨が徐々に減少しているが、国境地帯では依然として臨界負荷を超えている（例えば、富栄養化の臨界負荷の超過は、欧州の生態系面積の 58% で発生している） 202014; 2025 年の米国における臨界荷重超過の総面積は 480 万 km2) になると予測されています。したがって、欧州 (www.icpmapping.org) と米国 (http://nadp.slh.wisc.edu) は、さらなる排出削減の利点を評価するために重要な負荷を継続的に更新しています。

1970 年代後半以来、酸性雨は東アジアで最も懸念される環境問題の 1 つになりました。そして、中国南部は東アジアの酸性雨のホットスポットです1。中国の酸性雨の影響を受ける面積はかつて国土面積の 30% を超え16、中国における最も湿った硫黄の湿性沈着量はヨーロッパや北米よりも著しく多かった1,17,18。酸性雨の状態を科学的に評価し、排出削減を導くために、Duan らは、彼らは最初に中国の臨界負荷をマッピングし9、それから 2 つの管理ゾーン (酸性雨規制ゾーンと二酸化硫黄汚染管理ゾーン) の指定に使用されました 19,20,21。近年、中国は主に微小粒子状物質（PM2.5）対策のために窒素と硫黄の排出削減に多大な努力を払っており、その副次的な効果として酸性雨も大幅に軽減されているようだ16。ただし、Duan らの結果に基づいて、Zhao らは次のように述べています。らは、硫黄の臨界負荷超過は 2015 年でも 2.5 Mt に留まり、窒素の臨界負荷超過は 1.1 Mt であることを発見しました22。さらに、粒子状物質の削減は酸性雨に対する生態系の耐性を低下させ、アンモニアの削減も酸性雨の制御に不確実性をもたらします23。したがって、中国で利用可能な臨界荷重データ (Duan et al.9) は、現在中国での酸性雨の影響を正確に評価するニーズを満たすことができません。さらに重要なのは、Duan らの臨界荷重は 20 年以上前にマッピングされたため、精度と分解能は基本的なデータと手法によって制限されていました。たとえば、局所的なパラメーターを使用せずに、土壌の種類に基づいて脱窒率と土壌風化率を計算しました。植生摂取量は植生タイプに応じて大まかに決定されました。一般に、現在の臨界負荷データは空間分解能や精度が低く、堆積物や植生などの環境要因の変化により生態系の最新の状況を記述することができなくなっています。

中国における酸性雨の状態評価の需要に応えるために、我々は、定常状態物質収支（SMB）モデル24,25に基づいて、最大値を含む土壌の高解像度（1 km × 1 km）臨界荷重データセットを開発した。硫黄の臨界負荷 (CLmax (S))、窒素の臨界負荷の最小値 (CLmin (N)) と最大値 (CLmax (N))、および栄養窒素の臨界負荷 (CLnut (N))。私たちの結果では、高解像度の地理、植生、気象データと文献からの最新の知識を使用して、主要なパラメーターを更新および改良しました。データ計算方法を図 1 に示します。私たちのデータセットは、中国の地域規模から国家規模までの酸性雨の生態学的影響の評価に使用できます。

中国における重要な負荷をマッピングする方法。 Bc は塩基カチオン (K + Ca + Mg) です。 Kgibb はギブサイト定数で、H+ と Al3+ のバランスを表します。 (Bc/Al)crit は土壌水中の Bc と Al の臨界モル比を表します。つまり、crit は流出水中の臨界窒素浸出量です。 fde は正味投入窒素の脱窒率です。詳細については、「メソッド」を参照してください。

私たちの計算方法は、質量と電荷の保存の原則に基づいた臨界荷重のモデリングとマッピングに関するヨーロッパのマニュアルを参照しています26。 SMB モデルは定常状態モデル、つまり考慮されるすべての入力と出力は時間の経過とともに安定している 24 ため、イオン交換などの有限のリザーバーは含まれていないことに注意する必要があります。

硫黄の最大臨界荷重 CLmax (S) (図 2a) は次のように計算されました。

ここで、Bc は塩基性カチオンの合計 (つまり、K + Mg + Ca) です。下付き文字のdepは堆積を表し、wは土壌の風化を表し、uは植物による純摂取を表し、leは浸出を表します。植物は Na を吸収しないため、Na は Bc に含まれません。 ANCle, crit は、酸中和能力 (ANC) の浸出の許容限界であり、次の式で求められます。

ここで、Q は流出水、[H] ([Al]) は流出水中の H+ (Al3+) の等価濃度です。さらなる計算は「臨界化学基準」で紹介されます。

中国における硫黄と窒素の臨界負荷。マップ内の白い色は、限界荷重を定義できない耕地または植生のないエリアを表します。 (a) 硫黄の最大臨界負荷。 (b) 窒素の最小臨界負荷。 (c) 窒素の最大臨界負荷。 (d) 栄養窒素の臨界負荷。

窒素は硫黄よりも複雑な生物地球化学サイクルを経ます。窒素の堆積が多すぎない限り、堆積した窒素はすべて植生に吸収されるか固定化されるため、環境への影響はないと考えられます。したがって、窒素の最小臨界負荷 CLmin (N) (図 2b) は次のように定義されます。

ここで、Nu と Ni は、それぞれ植物が吸収する正味の窒素と長期の窒素固定量です。

窒素の堆積が CLmin (N) を超えると、過剰な窒素の一部は脱窒され、残りは浸出して酸性化を引き起こします。したがって、窒素の最大臨界負荷 CLmax (N) (図 2c) は次のように定義されます。

ここで、fde は脱窒率です。

過剰な窒素も富栄養化を引き起こす可能性があります。この観点から、栄養窒素の臨界負荷 CLnut (N) (図 2d) を次のように定義できます。

ここで、Nle、crit は窒素浸出の許容限界です。

利用可能な臨界荷重のパラメーターは主に土壌と植生の種類によって決定されますが、土壌と植生の特性 (土壌の質感、土壌水分、植生の生産性など) は空間内で大きく異なり、多くの要因に関連しています。したがって、精度の向上が急務である。代わりに、最新の高解像度デジタルマップ (図 1) を使用し、最新の知識を組み合わせて土壌の風化、脱窒、窒素固定化などの重要なパラメーターを決定しました。これにより、重要なデータの精度と解像度が大幅に向上しました。負荷がかかります。以下では、主要なパラメータの決定について詳しく説明します。

土壌の風化速度は、鉱物組成、物理的特性（質感など）、環境要因（温度など）に基づいて決定されます（図3）。まず、PROFILE モデル 27 を使用して、各土壌タイプの標準条件 (温度 = 8 °C、密度 = 1.2 g/cm3、比表面積 = 1.1 × 106 m2/m3) でのベースライン風化速度を計算しました。典型的な土壌タイプの鉱物組成データは Duan9 によって編集されました。中国の土壌タイプの 1 km × 1 km マップは、資源環境科学データセンター (https://www.resdc.cn) から取得されました。中国の一部の土壌、特に乾燥地帯には炭酸カルシウム（CaCO3）が含まれていますが、含有量が0.5%未満の場合は長期の酸性雨により枯渇する可能性があるため計算から除外しました。 CaCO3 含有量が 0.5% より高い場合、風化率は CaCO3 含有量 (%) に 0.82 keq/ha/yr を乗じて計算されました。土壌の CaCO3 含有量は世界土壌調和データベース (HWSD)28 から取得しました。

中国の土壌風化率（土壌水分、SSA、土壌温度で補正）。

標準条件は、PROFILE のデフォルト条件であり、鉱物組成の違いのみを考慮して風化速度を計算するように設計されています。次に、風化速度を土壌水分、比表面積 (SSA)、土壌温度で補正しました。

ここで、Bcw0 はベースライン風化速度、Csw は土壌水分の補正係数、A は温度補正用の定数 (推奨として 3600 K)、T は土壌温度です。土壌温度データは国立チベット高原データセンターからのものでした29,30。 Csw の範囲は 0.7 (土壌水分 < しおれ水分) から 1.3 (土壌水分 > 保水力) であり、中程度の水分の地域での Csw を決定するために線形補間が使用されました。土壌水分データは国立地球システム科学データセンターからのものでした31。式の数値 1.1、1.2、および 281 (5) は SSA 1.1 × 106 m2/m3、かさ密度 1.2 × 103 kg/m3、地温 281 K であり、標準条件での値です。

式の SSA (5) は次のように推定されました。

ここで、Xsand、Xsilt、Xclay、および S は、土壌中の砂、シルト、粘土、および砂利の割合を意味します。 ρsoil は土壌のかさ密度です。 fclay は補正係数です 32:

土壌のかさ密度と質感 (砂、シルト、粘土、および砂利の含有量) データは HWSD28 から取得しました。

植物による正味の摂取とは、生態系からの窒素と塩基性カチオンの正味の除去を意味します（図4）。科学的な森林伐採と放牧管理が採用されていると仮定して、樹木の幹、低木の枝、草原の地上部に含まれる窒素を生態系から除去された窒素として扱いました。窒素または塩基カチオンの正味の取り込みは次のように計算されました。

ここで、NPP は純一次生産性を指し、pi は対象となる植物部分 (木の幹など) のバイオマスの割合、CN (CBc) は植物の窒素 (塩基性カチオン) 含有量です。 2000 年から 2010 年までの世界生産効率モデルによってモデル化された年次 NPP データは資源環境科学データセンターからのものであり、長期的な NPP を表すために平均化されました。バイオマスの割合と元素含有量のデータは Duan らによって収集され 33、国立雪氷圏砂漠データセンターの中国の植生地図にリンクされています 34。

中国における植生による塩基性カチオンと窒素の純成長摂取量。地図内の白い色は、植生や耕作地がなく、純摂取量がゼロであることを意味します。 (a)、塩基性カチオンの取り込み。 (b)、窒素の取り込み。 2 つの図では、酸性析出のリスクを示すために反対の配色が使用されていることに注目してください。

窒素固定化とは、土壌中で無機窒素が安定な有機窒素に変換されることを指します（図5）。長期の正味の窒素固定化は、土壌窒素含有量を土壌年齢で割ることによって推定されました26。土壌は、測定値と土壌の種類に応じて、スケルトール原始土壌、フェラリソル、その他の 3 つのカテゴリーに分類され、その年代はそれぞれ 1500 年、130000 年、5000 年に設定されました35。土壌窒素含有量は国立チベット高原データセンターからのものでした36,37。

中国の土壌における窒素固定化。

中国の主要な森林タイプの脱窒に関する観察データに基づいて脱窒率 fde を使用しました 38,39 (表 1)。他の地域の fde は土壌排水状態に応じて決定され、過度に排水された土壌の 0 から非常に排水が不十分な土壌の 0.8 までの範囲でした。土壌排水データは HWSD28 から取得しました。粗大土壌の fde が過大評価されるのを防ぐため、SSA<2 × 106 m2/m3 の場合は fde = 0.1 と設定します。結果は観察結果と一致しました 38,39。

塩基性カチオンの沈着（図 6）は、Duan らによって開発された多層動的オイラーモデルを使用してシミュレートされました。40 モデルの入力には、Bc 排出インベントリと気象データが含まれます。降水量データセットは全球降水気候プロジェクト 41 から得られ、その他の気象データはヨーロッパ中期天気予報センター 42 から得られました。 Bc 排出インベントリは次のように計算されました。

ここで、PM は粒子状物質の排出量、ω は粒子状物質中の Bc の質量分率、i、j、k はそれぞれ州、部門、Bc 種を表します。 PM 排出量は Xia ら 43 を参照し、Bc 種の割合は我々の以前の研究から得たものです 44。

2015 年の中国における塩基カチオンの堆積。

植物をアルミニウムの損傷から守るために、生態系タイプごとに塩基性カチオンとアルミニウムの比率 (Bc/Al) の制限を設定します。式のクリティカル ANCle (2) は次のように与えられます。

ここで、Kgibb はギブサイト平衡定数であり、H+ と Al3+ の間のバランスを表します。 (Bc/Al)crit は、アルミニウムに対する臨界塩基カチオンのモル比です。 Kgibb は土壌有機物含有量に従って決定されました (表 2)。土壌有機物含有量は国立チベット高原データセンターから取得しました36,37。中国の 1 km × 1 km の流出データはゾーン流出マップ 45 から変換されました。各生態系タイプの (Bc/Al)crit は Duan9 およびマニュアル 26 から取得されました。

Nle、式の crit。 (4) は窒素の臨界浸出を意味し、富栄養化から生態系を保護するために定義されます。なるほど、各生態系タイプのクリティカルは Duan9 とマニュアル 26 から取得されました。

データは国立チベット高原データセンター46で無料で利用でき、温室効果ガスと大気汚染の相互作用と相乗効果モデル (https://gains.iiasa.ac.at/models/) に含まれる予定です。データセットは 4 つの TIF ファイルと 1 つの「readme」ファイルで構成されます。 TIF ファイルは、中国の臨界荷重 (CLmax (S)、CLmin (N)、CLmax (N)、および CLnut (N)) を示します。「readme」ファイルには、重要な負荷の単位と追加情報が説明されています。

SMB モデルは世界中で広く使用されており、最新の研究を参照してモデルのパラメータを調整しました。ただし、臨界負荷は生態系の長期的な属性であり、実験によって検証するのは困難です。したがって、現時点では入力データの品質管理が出力の信頼性を確保する主なアプローチとなります。

私たちが使用した高解像度マップ (例: 土壌組織、土壌有機物) は、査読済みデータまたは権威あるデータリポジトリからのデータ (例: 土壌タイプ、植生タイプ) であり、高品質です。他のデータ (植物の生理学的データ、重要な化学的基準など) については、文献やマニュアルから入手したものであり、これらも信頼できると考えられます。

fde は非常に複雑で、森林タイプ以外の多くの要因に関連していますが、fde を計算するために広く受け入れられているモデルはまだありません。さまざまな森林タイプの文献から fde に関する観察結果を要約しました。これは、一般的に使用されている経験的関係と比較して、中国の実際の状況をよりよく表すことができます。

土壌年齢は文献に基づいて土壌の種類によって決定されました。臨界負荷に対する窒素固定化の寄与は無視できるため、土壌年齢の大まかな推定は大きな誤差を引き起こすことはありません。以前の研究9では、入手可能な土壌年齢データが非常に限られていたため、すべての土壌タイプに対して均一な土壌年齢が使用されました。

土壌の鉱物組成は十分に研究されておらず断片的であるため、主な不確実性は土壌の風化速度の推定から生じます。しかし、同じ土壌タイプの風化速度は、同様の土壌形成プロセスにより比較的近いため、現在使用している方法は許容可能です47。一般に、この研究は、既存の条件下での中国の臨界負荷の高品質な推定を提供します。

すべての計算は ESRI ArcGIS 10.5 で行われ、他のコンピューターコードは使用されませんでした。

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私たちは、国家重点研究開発プログラム (2019YFC0214800) および中国国家自然科学財団 (42277204) からの支援に感謝します。

清華大学環境学部、環境シミュレーションおよび汚染制御の国家重点実験室、北京、100084、中国

Xiaodong Ge、Lei Duan、Jiming Hao

210023 中国、江蘇省南京、汚染制御および資源再利用の国家重点実験室および南京大学環境学部

チェン・ユー＆ユー・ジャオ

国家環境保護重点研究室、大気汚染複合体の発生源と制御、清華大学、北京、100084、中国

レイ・ドゥアン & ジミン・ハオ

International Institute for Applied System Analysis (IIASA)、Schlossplatz 1、2361、ラクセンブルク、オーストリア

マクシミリアン・ポッシュ

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L. Duan、JM Hao、XD Ge が研究を主導し、原稿を起草しました。 XD Ge と Q. Yu がデータを収集しました。 XD Ge は重要な負荷のモデリングを実行しました。 Y. Zhao は塩基カチオンの堆積モデリングを実行しました。 Q. Yu、Y. Zhao、M. Posch は臨界荷重モデリングと原稿に関して重要なアドバイスをくれました。

レイ・ドゥアンへの手紙。

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転載と許可

Ge、X.、Yu、Q.、Duan、L. 他。中国における硫黄と窒素の臨界負荷の高解像度マップ。 Sci Data 10、339 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41597-023-02178-z

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受信日: 2023 年 1 月 26 日

受理日: 2023 年 4 月 24 日

発行日: 2023 年 5 月 31 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-023-02178-z

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