核电厂热交换器壳程流场数值模拟

文献阅读报告前言氮沉降(nitrogendeposition)是指由于自然或人为的原因改变了氮素循环，排放到大气的大量含氮化合物经过物理和化学的变化而重新进入生态系统的过程。氮沉降包括干沉降和湿沉降两种，干沉降通常是指含氮化合物覆于植物或土壤表面，其成分主要是气态氮(NO，N2O,NH3等)或含氮颗粒[1]。氮素，太阳系中丰度居第5的元素，是蛋白质、核酸、叶绿素及其他关键有机分子的基本组成元素以三重键结合的氮气(N2)约占空气总体积的78%，但如此大的氮库，多数生物却不能直接利用，在北半球森林生态系统的森林、农田生态系统等大多缺乏氮素。但是，随着随着矿物燃料燃烧、化学氮肥的生产和使用以及畜牧业的迅猛发展等人类活动向大气中排放的活性氮化合物激增,大气氮素沉降也呈迅猛增加的趋势，已经扩展到全球范围内，预计到2050年人为活性氮年排放量将达到2.0×108t[2]，所以研究氮沉降对植物、生态系统的影响意义重大。1国内外研究进展关于氮沉降的研究，最早在20世纪50年代从欧洲和北美洲的温带发达地区开始，如今欧洲和美国发展了有规模的网络监测系统如美国的国家大气沉降计划(NADP)清洁空气状况与趋势网(CASTNET)和欧洲的氮沉降监测网络NITREX、EXMAN和EMEP等［3，4-5］，Galloway等[3]基于Dentener等7的研究，绘制了2000年全球大气氮沉降的空间分布图(图1)，可以从图中看出，氮沉降在各大洲都有分布，主要在亚洲（中国、印度）、欧洲、北美洲，氮沉降量分别以各大洲的发达或发展中国家为中心呈环状向外递减。有研究表明，目前我国人口相对密集和农业集约化程度更高的中东部地区（尤其是华北平原），其氮素沉降量已高于北美任何地区，与西欧20世纪80年代氮沉降高峰时的数量相当。我国对氮沉降的研究起步较晚，主要侧重于两方面，一是对植物、森林生态系统的氮沉降研究，吕超群等从植物生产力、生态系统的碳蓄积能力、土壤氮循环、氮沉降与其他温室气体协助等方面对氮沉降对陆地生态系统的影响做了研究[6]。杨金艳等从森林生理响应、森林的群落对氮饱和的反应[7]。方华等认为氮沉降通过影响森林地被物组成和凋落物化学成分，间接影响凋落物分解，此外，氮沉降对凋落物分解的直接影响表现为促进、无影响和抑制3种效果。李德军等认为在一定范围内，氮沉降有利于植物生长，超过一定范围后，则对植物生长不利[8]。陈立新等通过室内模拟不同氮形态沉降实验研究不同氮形态沉降对温带不同森林类型土壤氮矿化速率。二是对水体的影响，这一方面主要是针对湖泊、海域发生水华、赤潮现象，通过氮沉降进行研究，在崇明岛附近收集31个大气湿沉降样本，采用分光光度法测定溶解性，结果表明大气湿沉降中营养盐月平均浓度变化较大营养盐湿沉降通量具有明显的季节性。图12010年全球氮沉降量分布2氮沉降对植物的影响2.1对光合作用的影响氮是限制植物光合作用的重要元素，国外有很多研究表明植物叶片含氮量与植物光合速率有很强的相关性。在一定程度范围内，氮沉降引起的叶片含氮量的增加，会导致植物光合速率的增加，但是过量的氮含量亦会限制植物的光合作用速率，因为通过改变叶片中与光合作用有关的酶的浓度和活性，氮在一定程度时，会增加酶和叶绿素的活性，超过一定范围，导致植物体内的营养失衡，从而抑制了光合作用速度。此外，不同的光合色素对氮沉降的响应也不同。如经过氨处理的欧洲赤松(PinussylvestrisL.)叶片中叶绿素A的含量增加,而叶绿素B和类胡萝卜素的含量却没发生变化[8]。2.2对生产力的影响对于氮沉降是否会影响植物生产力，至今还存在着争议，有学者认为，爱生长受氮限制时，随着氮含量的增加，会导致生产力的上升，在输入的氮过量时，在温带森林植物中对生长起着阻碍的作用，但是在热带森林中，氮过量对植物生长不起作用[8]。还有一些学者认为，在半干旱的地区需要考虑水分的影响，如果在水分充足条件下,氮输入能促进生态系统的生产力;如果水分不足,生产力不会随氮的增加而改变,而在氮比较丰富的热带地区,生产力还有可能降低。此外，有研究表明不同植物种类对氮沉降的响应是不同的[9]。2.3对营养状况的影响氮沉降引起的氮含量的增加，导致叶片氮素含量增加，促进了植物蛋白的合成，提高食物的质量，会引起昆虫或其他食植性生物的啃食，这影响到植物群落组成结构。另外，氮输入增加带来的植物群落变化通过食物链改变陆地的营养结构。氮输入增加对不同营养级的影响存在明显差异,长期施氮引起的植物群落变化减小了植食性昆虫的物种丰富度同时提高其个体多度植物、植食性昆虫和腐食性昆虫的多样性变化反过来会降低肉食性昆虫的物种丰富度和拟寄生物的个体数目[6]。2.4对植物形态的影响在欧洲地区，过量的氮沉降会引起植物的叶片变色或是损伤，在氮沉降严重的区域，森林树叶叶片发黄的厉害，可能与其他因素也有关系，但是氮过量也是一方面因素[6]。氮沉降对植物根生长还存在着争议，在水分充足的情况下，氮限制了根的生长，现有的研究表明，氮沉降会使根部生物量生产减少，及根系在土层中的分布变浅[8]。2.5对抗性的影响氮沉降对植物抵抗冷、冻害胁迫的能力的影响研究目前还不够深入,大部分的研究集中在少数几种针叶树种对氨或者铵的响应。一些模拟实验表明氮沉降会改变植物的生物物候学特性,表现在发芽期提早及生长期延长，从而使植物遭受冷、冻害损伤的机率增加。并且，氮沉降会引起植物根冠比和细根的生长减小及菌根的侵染减少，由此引起植物获取水分的能力下降，从而对干旱的敏感性增加；最后，氮含量提高,从而使叶片或芽的可口性增加,导致昆虫啃食也增加。另外,一些植物次生物质如苯酚对植物抗虫力非常重要,氮沉降引起一些植物叶片中的苯酚减少,进而引起植物抵抗虫害的能力下降。2.6对植物多样性的影响研究表明，由大气氮沉降带来的氮可以增加植物生物量，改变植物群落组成，增加外来物种的入侵，又能间接改变火干扰的频率和植物群落演替过程，从而改变物种多样性降低植物多样性。在干旱半干旱区域，不同类型的植物对氮沉降的反应是不相同的，比如一年生的植物，但增加能够提高其生物量，对于多年生的植物，含氮量增加会导致群落结构发生变化，可能会导致植物种类的衰退。3氮沉降对土壤的影响3.1对土壤微生物的影响土壤微生物是土壤的重要组成部分，且对土壤污染具有特别的敏感性，是降解污染物质和恢复土壤环境的先锋者。目前的研究表明，过量氮沉降使土壤微生物群落剖面发生改变，主要表现为减少土壤微生物量（碳），降低真菌/细菌生物量比率。此外，过量的氮沉降还会改变土壤微生物类群和多样性[9]，有学者研究，过量的氮沉降导致外生菌根的真菌子实体生产力下降、菌丝量减少、降低菌根量及其活力、改变外生菌根真菌菌落的结构组成[11]。3.2对土壤氮循环的影响森林土壤氮素转换过程包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、有机氮化合物的合成以及固氮作用等,其中矿化、硝化和反硝化作用是其核心过程,决定着整个生态系统氮循环的速度和与外界的交换通量。氮沉降直接增加土壤和凋落物有效氮，直接增加了矿质氮含量，缓冲了硝化菌、反硝化菌与植物吸收、异养微生物的固持之间激烈竞争,从而使硝化、反硝化作用增加；而且，长期的氮沉降会使植、物叶片的N浓度增加,使凋落物的C/N比减低，从而增加氮素的矿化和硝化作用中的氮素释放速度，有研究表明氮素矿化并不是一直随氮沉降量增加而增加,而是先增加后减少4氮沉降对生态系统的影响4.1对陆地生态系统的影响氮沉降对陆地生态系统的影响可以从对植物、土壤影响上体现出来，总体上说，氮沉降会引起陆地生态系统的生物多样性降低。因为氮沉降增加了土壤营养空间的均一性，更多的物种为同一限制性资源的竞争，从而减少物种的多样性。4.2对水域生态系统的影响伴随着人类活动的加强，河流地表水废水的排放以及大气沉降等输入到海洋湖泊中的人为活性氮也在不断提高，改变了水体生态系统，加强了水体的富营养化，比如，在对长江口水域富营养化的研究中，发现上海降水含氮量较高，与当地生产环境有关，研究表明营养盐湿沉降通量具有与降水相似的明显的季节性。4.3对人工生态系统的影响氮沉降与农田生态系统有着极其密切而复杂的关系：随着氮肥施用的增加，氮素气态损失也在增加，大气氮的沉降量也随之明显增加，大气氮沉降已成为补偿农田生态系统氮素损失的主要途径之一。降水中的无机氮(铵态氮硝态氮)作为矿质养分，能被作物有效的吸收利用，此外，降雨具有明显的季节性，春、夏季降雨较多，有利于大气氮沉降进入土壤，提高作物对氮沉降的当季利用率。5总结在以上对氮沉降对植物、生态系统的论述中，有一些作用机理还不是很清楚，可能是由于氮沉降的研究时间较短，直至20世纪80年代末一些长期的定位网络研究才开始开展起来，距今不过20年的时间，而国内相关氮沉降的系统研究开始的更晚，真正弄清楚氮沉降对植物、生态系统作用机理，还需要扩大监测范围持续研究。另外，由于不同国家的探测技术、手段上以及检测地点上的差异，研究结果上存在着差别，对于这一点，需要对氮沉降的监测方法、过程进行国际化统一，而且每个国家研究的范围不同，比如欧洲国家和美国对本国地区氮沉降研究较多，我国则侧重对经济发达区（华北平原）的研究，研究区域上存在盲点，很难得到具有一般性的结论。随着全球经济的飞速发展，工业所带来的环境问题，越来越得到全球的关注，氮沉降作为全球变化的一方面，因此准确定量不同地区大气氮沉降的数量，建立系统的氮沉降监测网络，既有利于充分利用氮素环境养分，又为环境监测和评价提供有利依据因此，探明大气氮沉降环境来源氮素的形态数量和时空分布规律对于养分综合管理及其生态环境效应的评价是必不可少的.此外，在全球变化中并不只受单因素的影响，CO2增加、温度上升、干扰变化等都会对这些生态系统造成很大的影响,而目前对于这些因子综合效应的研究,国内研究较少。参考文献：[1]GALLOWAYJN,TOWNSENDAR,ErismanJW,etAl.Transformationo，f}thenitrogencycle:recenttrends,Questi,ons,andpotentialsolutions[J].cience,2008,320(5878):889－892．[2]GallowayJN,TownsendAR,ErismanJW,etal.Transformationofthenitrogencycle:Recenttrends，questions,andpotentialsolutions[J].Science,2008,320(5878):889－892.[3]DentenerF,DrevetJ,LamarqueJF，etal.Nitrogenndsulfurdepositiononregionalandglobalscales:Amultimodelevaluation[J].GlobalBiogeochemicalCycles,2006,20,GB4003,doi:10.1029/2005GB002672[4]SPARKSJ，WALKERJ，GUENTHERA，etal．DrynitrogendepositionestimatesoveraChangeBiology．ticforestexperiencingfreeairCO2enrichment［J］．GlobalChangeBiology，200814(4):768-781．[5]吕超群,田汉勤,黄耀.陆地生态系统氮沉降增加的生态效应.植物生态学报,2007,31(2):205-218.[6]杨金艳,赵惠勋,王传宽.森林对氮饱和的响应.应用与环境生物学报,2004,10(4):507-511.[7]李德军,莫江明,方运霆等.氮沉降对森林植物的影响.生态学报,2003,23(9):1891-1900.[8]周晓兵,张元明.干旱半干旱区氮沉降生态效应研究进展.生态学报,2009,29(7):3825-3845.[9]薛璟花,莫江明,李炯,王晖.氮沉降增加对土壤微生物的影响.生态环境2005,14(5):777-782.[10]薛花,莫江明,李炯,方运