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Nov 29, 2023

Données scientifiques volume 10, Numéro d'article : 339 (2023) Citer cet article

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Le concept de charge critique est une directive scientifique importante pour le contrôle des dépôts acides. Ce n'était pas seulement une base scientifique cruciale pour déterminer les objectifs de réduction des émissions en Europe, mais également utilisée dans le contrôle de la pollution atmosphérique en Chine, en particulier la désignation de deux zones de contrôle. Actuellement, les charges critiques de soufre et d'azote sont toujours dépassées en Europe, en Amérique et en Asie de l'Est (principalement en Chine) et doivent être continuellement mises à jour pour répondre aux exigences de nouvelles réductions d'émissions. Les charges critiques de la Chine ont été calculées et cartographiées dans les années 2000, mais ne sont pas suffisamment précises en raison des limitations méthodologiques et des données. Nous présentons ici les dernières charges critiques de haute qualité pour la Chine, basées sur des données de base à haute résolution sur le sol, la végétation et les dépôts atmosphériques de cations basiques, et des connaissances à jour sur les paramètres importants. Nos données, qui seront incluses dans GAINS-Chine, peuvent être utilisées pour évaluer les avantages écologiques des réductions d'azote et de soufre en Chine à l'échelle régionale ou nationale, et pour développer des stratégies d'atténuation à l'avenir.

Les dépôts acides, constitués (principalement) de dépôts d'azote et de dépôts de soufre, étaient l'un des problèmes environnementaux les plus graves en Europe, en Amérique du Nord et en Asie de l'Est depuis les années 19601,2. Il reste un problème environnemental important dans certains pays en développement comme l'Inde et le Brésil, et y montre une tendance croissante3. L'azote et le soufre déposés dans l'environnement peuvent entraîner l'acidification et l'eutrophisation des écosystèmes terrestres et aquatiques4. De nombreux rapports font état de dépôts acides entraînant la mort de poissons et le dépérissement des forêts5,6,7. Afin de contrôler efficacement les impacts environnementaux des dépôts acides à moindre coût, le concept de charges critiques a été proposé, défini comme la quantité maximale de dépôts acides qui ne causerait pas de dommages aux sols et aux eaux de surface à long terme8. Les charges critiques sont déterminées par la nature de l'écosystème (p. ex. sol et végétation), reflétant la tolérance de l'écosystème aux dépôts acides. Les charges critiques ont été utilisées dans la réduction de l'azote et du soufre dans le monde entier, même en tant que principale orientation scientifique9,10,11. En Europe, ils ont été utilisés dans les négociations du deuxième protocole sur le soufre et du protocole "multipolluants, multieffets", comme base scientifique des objectifs de réduction des émissions12. Les États-Unis ont également pris au sérieux les charges critiques, en créant le Comité scientifique sur les charges critiques des dépôts atmosphériques (CLAD) pour promouvoir le développement, la collaboration et le partage de données sur les charges critiques13. Plusieurs agences fédérales, telles que le National Park Service (https://www.nps.gov/subjects/air/critical-loads.htm), ont appliqué des charges critiques aux pratiques de conservation des écosystèmes. Actuellement, les dépôts acides diminuent progressivement en Europe et aux États-Unis grâce à la réduction du SO2 et des NOX, mais les charges critiques y sont toujours dépassées dans les zones frontalières (par exemple, des dépassements des charges critiques pour l'eutrophisation se sont produits sur 58 % de la zone de l'écosystème en Europe en 202014 ; la surface totale de tout dépassement de charge critique aux États-Unis en 2025 devrait être de 4,8 millions de km2)15. Par conséquent, l'Europe (www.icpmapping.org) et les États-Unis (http://nadp.slh.wisc.edu) mettent à jour en permanence les charges critiques pour évaluer les avantages d'une réduction supplémentaire des émissions.

Depuis la fin des années 1970, les pluies acides sont progressivement devenues l'un des problèmes environnementaux les plus préoccupants en Asie de l'Est. Et le sud de la Chine est un point chaud pour les pluies acides en Asie de l'Est1. La zone touchée par les pluies acides en Chine dépassait autrefois 30 % de la superficie nationale16, et les dépôts humides de soufre les plus élevés en Chine étaient nettement supérieurs à ceux de l'Europe et de l'Amérique du Nord1,17,18. Afin d'évaluer scientifiquement l'état des dépôts acides et de guider les réductions d'émissions, Duan et al. ont d'abord cartographié les charges critiques en Chine9, qui ont ensuite été utilisées dans la désignation de deux zones de contrôle (zone de contrôle des pluies acides et zone de contrôle de la pollution par le dioxyde de soufre)19,20,21. Ces dernières années, la Chine a fait de grands efforts pour réduire les émissions d'azote et de soufre, principalement pour le contrôle des particules fines (PM2,5), et les dépôts acides semblent avoir été fortement atténués en tant que co-bénéfice16. Cependant, sur la base des résultats de Duan et al., Zhao et al. ont constaté que le dépassement de la charge critique de soufre restait à 2,5 Mt en 2015, et celui d'azote à 1,1 Mt22. En outre, la réduction des matières particulaires réduit la tolérance des écosystèmes aux dépôts acides, et la réduction de l'ammoniac entraîne également une incertitude dans le contrôle des dépôts acides23. Par conséquent, les données de charge critique disponibles en Chine (par Duan et al.9) ne peuvent pas répondre au besoin d'une évaluation précise des impacts des dépôts acides actuellement en Chine. Plus important encore, les charges critiques de Duan et al. ont été cartographiées il y a plus de deux décennies, de sorte que la précision et la résolution étaient limitées par des données et des méthodes de base. Par exemple, ils ont calculé les taux de dénitrification et d'altération du sol en fonction du type de sol sans paramètres localisés ; l'absorption par la végétation a été grossièrement déterminée en fonction du type de végétation. En règle générale, les données de charge critique actuelles ont une résolution et une précision spatiales faibles et ne peuvent plus décrire la dernière situation des écosystèmes en raison des changements dans les dépôts, la végétation et d'autres facteurs environnementaux.

Pour répondre à la demande d'évaluation de l'état des dépôts acides en Chine, nous avons développé un ensemble de données de charge critique à haute résolution (1 km × 1 km) pour les sols, basé sur le modèle de bilan de masse à l'état stable (SMB)24,25, y compris la charge critique maximale de soufre (CLmax (S)), la charge critique minimale (CLmin (N)) et maximale (CLmax (N)) d'azote, et la charge critique d'azote nutritif (CLnut (N)). Nos résultats ont utilisé des données géographiques, de végétation et météorologiques à haute résolution, ainsi que des connaissances à jour issues de la littérature, pour mettre à jour et affiner les paramètres clés. La méthodologie de calcul des données est illustrée à la Fig. 1. Nos ensembles de données peuvent être utilisés pour l'évaluation des impacts écologiques des dépôts acides de l'échelle régionale à l'échelle nationale en Chine.

Méthodologie de cartographie des charges critiques en Chine. Bc est le cation basique (K + Ca + Mg); Kgibb est la constante de gibbsite, qui décrit l'équilibre entre H+ et Al3+ ; (Bc/Al)crit représente le rapport molaire critique de Bc à Al dans l'eau du sol ; Nle, crit est le lessivage critique d'azote dans le ruissellement ; fde est la fraction de dénitrification de l'apport net d'azote. Plus de détails peuvent être trouvés dans "Méthodes".

Notre méthode de calcul se réfère au manuel européen de modélisation et de cartographie des charges critiques, qui s'appuie sur les principes de conservation de la masse et de la charge26. Il convient de noter que le modèle SMB est un modèle en régime permanent, c'est-à-dire que toutes les entrées et sorties considérées sont stables dans le temps24, de sorte que les réservoirs finis tels que l'échange d'ions ne sont pas inclus.

La charge critique maximale de soufre, CLmax (S) (Fig. 2a), a été calculée comme suit

où Bc est la somme des cations basiques (c'est-à-dire K + Mg+Ca); l'indice dep représente le dépôt, w représente l'altération du sol, u représente l'absorption nette par les plantes et le représente le lessivage ; Na n'est pas inclus dans Bc, parce que les plantes n'absorbent pas Na ; ANCle, crit est la limite acceptable de la lixiviation de la capacité de neutralisation des acides (ANC), qui est donnée par :

où Q est le ruissellement, [H] ([Al]) est la concentration équivalente de H+ (Al3+) dans le ruissellement. D'autres calculs seront introduits dans "Critères chimiques critiques".

Charges critiques de soufre et d'azote en Chine. La couleur blanche sur la carte représente les terres cultivées ou la zone sans végétation représente les terres cultivées ou la zone sans végétation, où les charges critiques ne peuvent pas être définies. a) charge critique maximale de soufre ; (b) charge critique minimale d'azote; (c) charge critique maximale d'azote; d) charge critique d'azote nutritif.

L'azote subit un cycle biogéochimique plus complexe que le soufre. Tant que le dépôt d'azote n'est pas trop élevé, on suppose que l'azote déposé est entièrement absorbé par la végétation ou immobilisé et n'a donc pas d'impact sur l'environnement. Par conséquent, la charge critique minimale d'azote, CLmin (N) (Fig. 2b), est définie comme

où Nu et Ni sont l'azote net absorbé par les plantes et l'immobilisation à long terme de l'azote, respectivement.

Lorsque les dépôts d'azote dépassent CLmin (N), une partie de l'excès d'azote serait dénitrifiée, et le reste serait lessivé et provoquerait une acidification. Par conséquent, la charge critique maximale d'azote, CLmax (N) (Fig. 2c), est définie comme

où fde est la fraction de dénitrification.

Un excès d'azote peut également conduire à l'eutrophisation. De ce point de vue, nous pouvons définir la charge critique d'azote nutritif, CLnut (N) (Fig. 2d) comme :

où Nle, crit est la limite acceptable au lessivage de l'azote.

Les paramètres des charges critiques disponibles ont été principalement déterminés par les types de sol et de végétation, tandis que les caractéristiques du sol et de la végétation (par exemple, la texture du sol, l'humidité du sol et la productivité de la végétation) varient considérablement dans l'espace et sont liées à de nombreux facteurs. Par conséquent, la précision doit être améliorée de toute urgence. Au lieu de cela, nous avons utilisé les dernières cartes numériques haute résolution (Fig. 1) et combiné des connaissances à jour pour déterminer des paramètres importants tels que l'altération du sol, la dénitrification et l'immobilisation de l'azote, ce qui a considérablement amélioré la précision et la résolution des charges critiques. Dans ce qui suit, nous décrirons en détail la détermination des paramètres clés.

Le taux d'altération du sol est déterminé en fonction de la composition minéralogique, des propriétés physiques (par exemple, la texture) et des facteurs environnementaux (par exemple, la température) (Fig. 3). Tout d'abord, nous avons utilisé le modèle PROFILE27 pour calculer le taux d'altération de base dans des conditions standard (température = 8 °C, densité = 1,2 g/cm3, surface spécifique = 1,1 × 106 m2/m3) pour chaque type de sol. Les données de composition minéralogique pour les types de sols typiques ont été compilées par Duan9. La carte de 1 km × 1 km des types de sols en Chine a été tirée du Resource and Environment Science and Data Center (https://www.resdc.cn). Certains sols en Chine contiennent du carbonate de calcium (CaCO3), en particulier dans les zones arides, mais cela a été exclu du calcul lorsque la teneur était inférieure à 0,5 %, car il pourrait être épuisé lors du dépôt acide à long terme. Le taux d'altération a été calculé comme la teneur en CaCO3 (%) multipliée par 0,82 keq/ha/an lorsque la teneur en CaCO3 était supérieure à 0,5 %. La teneur en CaCO3 du sol provient de la base de données mondiale harmonisée sur les sols (HWSD)28.

Taux d'altération du sol en Chine (corrigé avec l'humidité du sol, la SSA et la température du sol).

Les conditions standard sont les conditions par défaut dans PROFILE et sont conçues pour calculer les taux d'altération en considérant uniquement les différences de composition minéralogique. Les taux d'altération ont ensuite été corrigés avec l'humidité du sol, la surface spécifique (SSA) et la température du sol :

où Bcw0 est le taux d'altération de base, Csw est un facteur de correction pour l'humidité du sol, A est une constante (3600 K comme recommandé) pour la correction de la température et T est la température du sol. Les données sur la température du sol provenaient du National Tibetan Plateau Data Center29,30. Csw varie de 0,7 (humidité du sol < humidité de flétrissement) à 1,3 (humidité du sol > capacité de rétention d'eau) et une interpolation linéaire a été utilisée pour la déterminer dans les zones d'humidité modérée. Les données sur l'humidité du sol provenaient du National Earth System Science Data Center31. Les nombres 1.1, 1.2 et 281 dans Eq. (5) désigne la SSA de 1,1 × 106 m2/m3, la masse volumique apparente de 1,2 × 103 kg/m3 et la température du sol de 281 K, qui sont les valeurs aux conditions standard.

SSA dans l'éq. (5) a été estimé avec

où Xsand, Xsilt, Xclay et S désignent la fraction de sable, de limon, d'argile et de gravier dans le sol ; ρsol est la densité apparente du sol ; fclay est un facteur de correction32 :

Les données sur la densité apparente et la texture du sol (teneur en sable, limon, argile et gravier) provenaient de HWSD28.

L'absorption nette par les plantes signifie l'élimination nette d'azote et de cations basiques de l'écosystème (Fig. 4). L'azote contenu dans les troncs d'arbres, les branches d'arbustes et les parties aériennes des prairies a été traité comme de l'azote retiré de l'écosystème, en supposant que l'exploitation forestière scientifique et la gestion des pâturages ont été adoptées. L'absorption nette d'azote ou de cations basiques a été calculée comme suit :

où NPP fait référence à la productivité primaire nette, pi est la proportion de biomasse dans la partie de plante considérée (par exemple, les troncs d'arbres) et CN (CBc) est la teneur en azote (cation basique) des plantes. Les données annuelles sur les centrales nucléaires modélisées par le modèle d'efficacité de la production mondiale de 2000 à 2010 provenaient du Resource and Environment Science and Data Center et ont été moyennées pour représenter les centrales nucléaires à long terme. Les données sur la proportion de biomasse et la teneur en éléments ont été recueillies par Duan et al.33 et liées à la carte de la végétation de la Chine, qui provient du National Cryosphere Desert Data Center34.

Absorption nette de croissance de cations basiques et d'azote par la végétation en Chine. La couleur blanche sur la carte signifie qu'il n'y a pas de végétation ou de terres cultivées, où l'absorption nette est nulle. (a), absorption de cation basique ; (b), absorption d'azote. Notez que les deux figures utilisent des combinaisons de couleurs opposées pour indiquer le risque de dépôt acide.

L'immobilisation de l'azote fait référence à la conversion de l'azote inorganique en azote organique stable dans le sol (Fig. 5). L'immobilisation nette d'azote à long terme a été estimée par la teneur en azote du sol divisée par l'âge du sol26. Les sols ont été divisés en trois catégories, Skeletol Primitive Soils, Ferralisols et autres, dont les âges ont été fixés à 1500 ans, 130000 ans et 5000 ans, respectivement, selon les mesures et le type de sol35. La teneur en azote du sol provient du National Tibetan Plateau Data Center36,37.

Immobilisation de l'azote dans les sols en Chine.

Nous avons utilisé la fraction de dénitrification fde sur la base des données d'observation sur la dénitrification pour les principaux types de forêts en Chine38,39 (tableau 1). fde dans les autres zones a été déterminée en fonction de l'état de drainage du sol, qui variait de 0 pour les sols excessivement drainés à 0,8 pour les sols très mal drainés. Les données de drainage du sol ont été obtenues à partir du HWSD28. Afin d'éviter de surestimer fde des sols grossiers, nous fixons fde = 0,1 lorsque SSA<2 × 106 m2/m3. Les résultats étaient cohérents avec les observations38,39.

Le dépôt de cations basiques (Fig. 6) a été simulé à l'aide d'un modèle eulérien dynamique multicouche développé par Duan et al.40 Les entrées du modèle incluent l'inventaire des émissions de Bc et les données météorologiques. L'ensemble de données sur les précipitations provient du Global Precipitation Climatology Project41, et d'autres données météorologiques proviennent du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme42. L'inventaire des émissions de Bc a été calculé comme suit :

où PM est les émissions de matières particulaires, ω est la fraction massique de Bc dans les matières particulaires, et i, j et k représentent respectivement la province, le secteur et les espèces Bc. L'émission de PM fait référence à Xia et al.43, et les fractions d'espèces Bc provenaient de nos recherches précédentes44.

Dépôt de cations basiques en Chine en 2015.

Pour protéger les plantes des dommages causés par l'aluminium, nous avons fixé une limite au rapport cation basique/aluminium (Bc/Al) pour chaque type d'écosystème. ANCle critique dans Eq. (2) est alors donné par :

où Kgibb est la constante d'équilibre de gibbsite, décrivant l'équilibre entre H+ et Al3+ ; (Bc/Al)crit est le rapport molaire critique du cation basique à l'aluminium. Kgibb a été déterminé en fonction de la teneur en matière organique du sol (tableau 2). La teneur en matière organique du sol a été obtenue auprès du National Tibetan Plateau Data Center36,37; Les données de ruissellement de 1 km × 1 km de la Chine ont été converties à partir de la carte de ruissellement zonal45 ; (Bc/Al)crit pour chaque type d'écosystème a été tiré de Duan9 et du manuel26.

Nle, crit dans l'éq. (4) désigne le lessivage critique de l'azote, qui est défini pour protéger l'écosystème de l'eutrophisation. Nle, crit pour chaque type d'écosystème a été tiré de Duan9 et du manuel26.

Les données sont disponibles gratuitement au National Tibetan Plateau Data Center46 et seront incluses dans le modèle Greenhouse Gas - Air Pollution Interactions and Synergies (https://gains.iiasa.ac.at/models/). L'ensemble de données se compose de quatre fichiers TIF et d'un fichier 'readme'. Les fichiers TIF donnent les charges critiques (CLmax (S), CLmin (N), CLmax (N) et CLnut (N)) de la Chine. Le fichier 'readme' explique les unités et des informations supplémentaires pour les charges critiques.

Le modèle SMB a été largement utilisé dans le monde entier et nous avons calibré les paramètres du modèle en nous référant aux dernières recherches. Cependant, les charges critiques sont des attributs à long terme des écosystèmes, ce qui est difficile à valider par des expériences. Par conséquent, le contrôle de la qualité des données d'entrée est la principale approche pour assurer la fiabilité de la sortie à l'heure actuelle.

Les cartes haute résolution que nous avons utilisées (par exemple, la texture du sol, la matière organique du sol) sont des données évaluées par des pairs ou des données provenant de référentiels de données faisant autorité (par exemple, type de sol, type de végétation), qui sont de haute qualité. Pour certaines autres données (par exemple, données physiologiques des plantes, critères chimiques critiques), nous les avons obtenues à partir de la littérature ou de manuels, qui peuvent également être considérés comme fiables.

Bien que fde soit très complexe et lié à de nombreux facteurs autres que le type de forêt, il n'existe pas encore de modèle largement accepté pour calculer fde. Nous avons résumé les observations sur fde de la littérature pour différents types de forêts, qui peuvent mieux représenter la situation réelle en Chine par rapport aux relations empiriques couramment utilisées.

Les âges des sols ont été déterminés par type de sol sur la base de la littérature. Étant donné que la contribution de l'immobilisation de l'azote aux charges critiques est négligeable, notre estimation approximative de l'âge du sol ne causerait pas d'erreurs importantes. Dans des recherches antérieures9, un âge du sol uniforme a été utilisé pour tous les types de sol car les données disponibles sur l'âge du sol étaient très limitées.

La principale incertitude provient de l'estimation des taux d'altération des sols, car la composition minéralogique des sols est mal étudiée et fragmentée. Cependant, les taux d'altération du même type de sol sont relativement proches en raison du processus de formation du sol similaire et, par conséquent, la méthode que nous utilisons actuellement est acceptable47. En général, cette étude fournit une estimation de haute qualité des charges critiques en Chine dans les conditions existantes.

Tous les calculs ont été effectués dans ESRI ArcGIS 10.5 et aucun autre code informatique n'a été utilisé.

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Nous reconnaissons le soutien du programme national clé de recherche et de développement (2019YFC0214800) et de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (42277204).

State Key Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing, 100084, Chine

Xiaodong Ge, Lei Duan et Jiming Hao

State Key Laboratory of Pollution Control & Resource Reuse and School of the Environment, Université de Nanjing, Nanjing, Jiangsu, 210023, Chine

Qian Yu et Yu Zhao

State Environmental Protection Key Laboratory of Sources and Control of Air Pollution Complex, Université Tsinghua, Pékin, 100084, Chine

Lei Duan et Jiming Hao

Institut international d'analyse appliquée des systèmes (IIASA), Schlossplatz 1, 2361, Laxenburg, Autriche

Maximilien Posch

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L. Duan, JM Hao et XD Ge ont dirigé la recherche et rédigé le manuscrit. XD Ge et Q. Yu ont collecté les données. XD Ge a réalisé la modélisation des charges critiques. Y. Zhao a effectué une modélisation des dépôts de cations basiques. Q. Yu, Y. Zhao et M. Posch ont donné des conseils importants sur la modélisation des charges critiques et le manuscrit.

Correspondance à Lei Duan.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ge, X., Yu, Q., Duan, L. et al. Cartes à haute résolution des charges critiques pour le soufre et l'azote en Chine. Sci Data 10, 339 (2023). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02178-z

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Reçu : 26 janvier 2023

Accepté : 24 avril 2023

Publié: 31 mai 2023

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

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