第六章 酸沉降對(duì)土壤環(huán)境的影響

第六章酸沉降對(duì)土壤環(huán)境的影響

本章重點(diǎn)：酸沉降對(duì)土壤環(huán)境的影響我國(guó)對(duì)酸沉降地區(qū)的防治對(duì)策內(nèi)容提要酸沉降的形成和來(lái)源酸沉降物在土壤中遷移轉(zhuǎn)化酸沉降對(duì)土壤環(huán)境的影響我國(guó)典型酸沉降污染地區(qū)及防治對(duì)策酸沉降指大氣中的酸性物質(zhì)(主要是H2SO4、HNO3及其前體物SOx,NOx等)通過(guò)降水(包括雨、雷、霜、雹、霧、露等形式)或在氣流作用下直接遷移到地表造成污染的現(xiàn)象。前者稱為濕沉降，后者稱為干沉降。酸沉降習(xí)稱酸雨、一般指pH<5.6的各種形式的降水。1952年12月5-8日，英國(guó)倫敦上空高氣壓久留不散，靜風(fēng)，大氣逆溫。工廠和取暖燃排放的大量S02和煙塵積聚在低層大氣中不能稀釋擴(kuò)散，市中心的能見(jiàn)度降到5m以下。大氣中SO2和煙塵濃度分別為平時(shí)的6倍和10倍。呼吸道疾病患者急劇增加，醫(yī)院里病人爆滿。一周內(nèi)死亡人數(shù)比往年同期增加4500人，45歲以上死亡數(shù)為平時(shí)的3倍。1歲以下嬰兒死亡數(shù)也增加了1倍。此后兩個(gè)月又陸續(xù)死亡8000人。倫敦?zé)熿F事件因酸雨致死的樹(shù)木在中國(guó)，20世紀(jì)80年代初，酸雨主要發(fā)生在以重慶、貴陽(yáng)為代表的西南地區(qū)。到90年代中期，酸雨迅速發(fā)展到長(zhǎng)江以南、青藏高原以東及四川盆地的廣大地區(qū)，形成華中、西南、華東、華南4大酸雨區(qū)，年均降水PH<5.6的區(qū)域面積達(dá)全國(guó)面積的40%左右，成為繼北歐、北美之后的世界第三大酸雨區(qū)。1995年，我國(guó)SO2排放且達(dá)2370萬(wàn)t，居世界第一位；高濃度SO2和嚴(yán)重的酸雨污染造成對(duì)人體健康的經(jīng)濟(jì)損失約為950億元、森林和農(nóng)作物的直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百億元。酸沉降己經(jīng)成為制約我國(guó)發(fā)展的嚴(yán)重大氣環(huán)境問(wèn)題，被列為現(xiàn)階段我國(guó)大氣環(huán)境治理的重點(diǎn)。目前，酸沉降已經(jīng)危及到土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡?！?.1酸沉降的形成和來(lái)源酸沉降的形成酸沉降的化學(xué)組成陽(yáng)離子：H+、NH4+、Ca2+、Na+、K+、Mg2+陰離子：SO42-、NO3-、Cl-、HCO3-酸性沉降物的來(lái)源酸性物質(zhì)（SOx、NOx）的天然排放酸性物質(zhì)的人為排放化石燃料的燃燒與工業(yè)排放汽車尾氣的排放氯化物的排放§6.2酸沉降物在土壤中遷移轉(zhuǎn)化酸性沉降物中，陰離子SO42-和NO3-的致酸作用是主要的。但NO3-為植物吸收的N源形式，而SO42-在酸性沉降物中的不僅比重大（90％以上），而且植物吸收的較少（植物所需N：S＝10:1）。因此酸性沉降物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化主要是指SO42--S。土壤中硫的形態(tài)有機(jī)態(tài)硫（95％以上）無(wú)機(jī)態(tài)硫封閉在固體礦物中的硫：包括難容性的硫化物及硫酸鹽游離態(tài)的硫酸根及硫化物交換態(tài)的SO42-土壤中硫的遷移轉(zhuǎn)化SO42-與S2-的轉(zhuǎn)化有機(jī)硫的礦化和無(wú)機(jī)硫的同化固定硫酸鹽的吸持與淋溶土壤中有機(jī)質(zhì)中的硫在田間條件下每年約有1～3％被礦化，土壤有機(jī)質(zhì)中N和S的礦化速率比約為10:1。土壤無(wú)機(jī)硫通過(guò)植物吸收和植物體內(nèi)形成有機(jī)硫而被同化固定，同化固定的速率大致與土壤有機(jī)硫礦化的速率相當(dāng)（Nyborg,1978)土壤對(duì)SO42-的吸附交換吸附專性吸附即配位體交換吸附，指SO42-陰離子取代土壤中鐵、鋁氧化物表面羥基而被吸附的過(guò)程，其反應(yīng)為：[H2O—Fe—OH]0+S042-[H2O—Fe—SO4]-+OH-OH-+H+

H2O影響土壤對(duì)S042-的吸附能力的因素有：pH、有機(jī)質(zhì)及鐵、鋁氧化物。如，

有機(jī)質(zhì)與S042-吸附量的回歸方程為：Y＝-34.6+68.48xr=0.9025*(Y為S042-吸附量，x為有機(jī)質(zhì)）

當(dāng)pH＞6.5時(shí)，土壤吸附的能力減弱。研究S042-在土壤中被吸持與淋溶的重要性：

大量的研究證明，S042-的遷移和土壤對(duì)S042-的吸附特性，在相當(dāng)大的程度上決定著土壤酸化速率和鹽基離子的淋溶程度。土壤對(duì)S042-的吸附將減少鹽基離子淋溶，延緩?fù)寥浪峄^(guò)程?！?.3酸沉降對(duì)土壤環(huán)境的影響一、酸沉降對(duì)土壤緩沖性和酸化的影響相關(guān)概念

土壤的酸緩沖能力：指土壤在有酸性物質(zhì)加入時(shí)減緩其pH變化的能力。（對(duì)酸沉降而言，是指土壤對(duì)酸性沉降物的敏感程度。）

土壤的酸緩沖容量：指使土壤pH降至3.5時(shí)所需要的酸量。土壤對(duì)酸沉降緩沖的形式初級(jí)緩沖體系：指陽(yáng)離子交換過(guò)程，反應(yīng)較為迅速但緩沖能力小。當(dāng)酸沉降pH≥4.0時(shí)主要是陽(yáng)離子交換反應(yīng)。次級(jí)緩沖體系：指礦物風(fēng)化，緩沖能力較大但動(dòng)力學(xué)上較慢。當(dāng)酸沉降pH<4.0時(shí)礦物風(fēng)化表現(xiàn)激烈，以礦物風(fēng)化緩沖為主。土壤對(duì)酸沉降緩沖能力的分級(jí)碳酸鹽緩沖范圍：土壤pH6.2~8.0硅酸鹽緩沖范圍：土壤pH5.0~6.2陽(yáng)離子緩沖范圍：土壤pH4.2~5.0鋁緩沖范圍：土壤pH2.8~4.2影響土壤緩沖酸沉降的因素土壤礦物質(zhì)含量和組成土壤酸堿性土壤有機(jī)質(zhì)含量和存在形態(tài)1、CO2和有機(jī)酸對(duì)土壤酸化的影響在鈣質(zhì)土壤上(pH值較高)，CO2的溶解是重要的H+源；在非鈣質(zhì)土壤上(pH值>5)，CO2的溶解仍然是重要的H+源。在酸性土壤(pH值<5)上，CO2酸化作用的影響可以忽略。酸沉降物對(duì)土壤酸化的影響2、大氣N沉降對(duì)土壤酸化的影響N的轉(zhuǎn)化NO3-的淋失土壤酸化因?yàn)?，受酸雨的影?NH3，NOx)，一方面造成土壤中C、N循環(huán)平衡失調(diào)；另一方面N的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致凈質(zhì)子（H+）的增加。通過(guò)SO42-的淋失且伴隨陽(yáng)離子的淋失導(dǎo)致土壤酸化。3、大氣硫沉降對(duì)土壤酸化的影響在鹽基飽和度較低的酸性土壤中，由于鹽基離子的淋溶，SO42-和NO3-因酸沉降進(jìn)入土壤溶液，溶液中需要更多的鋁離子與SO42-和NO3-產(chǎn)生電荷平衡，土壤對(duì)酸沉降表現(xiàn)為更敏感。4、陽(yáng)離子循環(huán)對(duì)土壤酸化的影響

因此，酸沉降能降低土壤對(duì)酸的緩沖性能（即增加對(duì)酸的敏感性）；增強(qiáng)土壤中鹽基離子的活性，增加其淋失量導(dǎo)致土壤酸化。

注意：土壤酸化的特征不是pH這種強(qiáng)度指標(biāo)的減小，而是酸中和容量（ANC)的減小。任一植物只能適應(yīng)一定范圍的土壤pH。土壤上生長(zhǎng)的植被或作物類型隨土壤pH而改變。如苜蓿良好生長(zhǎng)的最低pH為6.0，大麥pH為5.6，小麥和玉米為pH5.2，燕麥為pH5.0，禾本科牧草pH為4.6～5.0。因此，酸度間接地決定著土壤對(duì)各種作物的適宜性。土壤酸化的生物效應(yīng)1、影響植物生長(zhǎng)土壤酸度影響植物生長(zhǎng)的途徑有以下幾種：

①當(dāng)土壤pH介于4～3之間時(shí)，對(duì)植物產(chǎn)生直接毒害；當(dāng)土壤pH高于此值時(shí)，H+除對(duì)豆科植物固氮有影響外，對(duì)其他幾乎沒(méi)有什么影響。②當(dāng)土壤pH降至5.5～5.0時(shí)鋁離子開(kāi)始出現(xiàn)；當(dāng)土壤pH進(jìn)一步降低時(shí)，鋁的溶解度提高（Hoyt等，1972）。鋁離子毒害是土壤酸度影響大多數(shù)植物生長(zhǎng)的主要途徑。③土壤pH降至5左右時(shí)，錳離子的濃度即可達(dá)到有毒水平，并隨土壤降低而提高。④土壤pH降低可能引起植物對(duì)鈣、鎂、鉬等元素的缺乏癥狀（Nyborg,1987）2、降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)（P220)二、酸沉降對(duì)土壤中元素淋溶的影響加速土壤鹽基離子的淋溶量促使閉蓄態(tài)磷的釋放后而發(fā)生磷元素的淋失，導(dǎo)致土壤有效磷缺乏促進(jìn)鋁的釋放，土壤溶液中可溶性鋁增加，引起對(duì)植物和魚(yú)類毒害土壤某些微量重金屬可能被溶解，加速有毒有害金屬如鎳、汞、鎘、鉛、銅、鋅等的遷移，一方面造成土壤貧瘠化，另一方面造成水體污染一般來(lái)說(shuō)，酸沉降導(dǎo)致土壤酸度增大，對(duì)土壤微生物的影響主要在于：極大地抑制了細(xì)菌的生長(zhǎng)（細(xì)菌對(duì)土壤酸度最敏感）,如細(xì)菌細(xì)胞尺寸降低，數(shù)量減少等。影響微生物的群落結(jié)構(gòu)：模擬試驗(yàn)表明，在降水pH＜4.5的地區(qū)，土壤微生物總數(shù)比pH＞4.5的地區(qū)少28％。此外，對(duì)土壤微生物的氨化、硝化、固氮等作用都產(chǎn)生不良影響，直接抑制了由微生物參與的氮素的分解、同化與固定，最終降低了土壤的含氨量。三、酸沉降對(duì)土壤微生物的影響§6.4土壤酸沉降污染的防治對(duì)策一、酸沉降防治的一般對(duì)策1、使用低硫燃料和改進(jìn)燃燒裝置減少SO2污染最簡(jiǎn)單的方法是改用含硫低的燃料。據(jù)有關(guān)資料介紹，原煤經(jīng)過(guò)洗選之后，SO2排放量可減少30～50%，灰分去除約20%。另外，改燒固硫型煤、低硫油，或以煤氣、天然氣代替原煤，也是減少硫排放的有效途徑。改進(jìn)燃燒方式也可以達(dá)到控制SO2和NOX排放的目的。使用低NOX的燃燒器來(lái)改進(jìn)鍋爐，可以減少氮氧化物排放。流化床燃燒技術(shù)近來(lái)已得到應(yīng)用，新型的流化床鍋爐有極高的燃燒效率，幾乎達(dá)到99%，而且能去除80～95%的SO2和氮氧化物，還能去除相當(dāng)數(shù)量的重金屬。這種技術(shù)是通過(guò)向燃燒床噴射石灰或石灰石完成脫硫脫氮的。2、煙道氣脫硫脫氮這是一種燃燒后的過(guò)程。在煙道氣排出煙囪前，噴以石灰或石灰石，其中的碳酸鈣與SO2反應(yīng)，生成CaSO3，然后由空氣氧化為CaSO4，可作為路基填充物或制造建筑板材或水泥。

3、控制汽車尾氣排放一般柴油車用的含硫量達(dá)0.4%，為工廠所用燃料含硫量的3倍。美國(guó)已規(guī)定柴油車用油的含硫量應(yīng)低于0.2%。另外，汽車尾氣中含有氮氧化物，可以通過(guò)改良發(fā)動(dòng)機(jī)和使用催化劑，控制氮氧化物排放量，日本要求控制在0.25g/km以下。二、我國(guó)對(duì)酸沉降的防治對(duì)策各國(guó)根據(jù)自己的具體情況，都制定了一些適合本國(guó)國(guó)情的酸雨控制措施。我國(guó)針對(duì)酸雨的成因是燃煤排放的大量SO2

，屬典型的硫酸型酸雨的情況，提出了下列防治對(duì)策（P222）：

1、強(qiáng)化環(huán)境管理，確定酸雨控制區(qū)，嚴(yán)格實(shí)行SO2排放總量控制，削減SO2排放量我國(guó)洗煤能力應(yīng)當(dāng)優(yōu)先安排洗選高硫煤，回收精硫礦。專家建議，全國(guó)含硫2%以上的高硫煤，除有煙氣脫硫能力的工廠可不洗外，其余都應(yīng)進(jìn)行洗選。對(duì)于無(wú)法洗選的有機(jī)硫，可在煤炭燃燒過(guò)程中采用回收技術(shù)，制取硫酸。在生產(chǎn)和生活用煤中，要盡量采用熱電聯(lián)產(chǎn)，集中供熱，實(shí)行燃煤氣化和成型化，在有條件的工廠，應(yīng)裝有消除煙塵和脫硫設(shè)備。

2、因地制宜選擇清潔煤炭能源技術(shù)

如翻洗、選煤技術(shù)、循環(huán)硫化床燃燒脫硫和煙氣脫硫技術(shù)

3、大力發(fā)展煤炭鐵代能源

包括加速開(kāi)發(fā)水電，積極發(fā)展核能和開(kāi)發(fā)利用新能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能等

4、在酸雨分布區(qū)盡量選用抗酸性強(qiáng)的農(nóng)作物和樹(shù)種，減少農(nóng)、林業(yè)的損失多種綠肥，施有機(jī)肥、石灰等提高土壤緩沖能力，緩解土壤酸化進(jìn)程。此外，簽于酸沉降存在跨國(guó)際的問(wèn)題，我國(guó)還加入了東亞酸沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)，目的在于和其他各國(guó)交換酸沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高公眾認(rèn)識(shí)，為制定酸沉降綜合防治對(duì)策提供提供決策依據(jù)。東亞酸沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)（EANET）是一個(gè)區(qū)域性的合作計(jì)劃，目前共有包括中國(guó)在內(nèi)的東亞地區(qū)12個(gè)國(guó)家參加。我國(guó)于1998年10月開(kāi)始參加?xùn)|亞酸沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的試運(yùn)行工作，2001年1月，東亞酸沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)轉(zhuǎn)入正式運(yùn)行階段。目前東亞酸沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)共包括42個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。我國(guó)有9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位參加?xùn)|亞酸沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)，分布在重慶、西安、廈門和珠海4個(gè)城市。我國(guó)東亞酸沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目城市點(diǎn)位點(diǎn)位分類開(kāi)展監(jiān)測(cè)項(xiàng)目開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)間重慶市觀音橋城區(qū)點(diǎn)濕沉降1999年4月縉云山鄉(xiāng)村點(diǎn)濕沉降、干沉降、地表水、土壤和植被2001年4月西安市市站城區(qū)點(diǎn)濕沉降1999年4月渭水園鄉(xiāng)村點(diǎn)濕沉降、干沉降1999年4月雞窩子邊遠(yuǎn)點(diǎn)濕沉降、地表水、土壤和植被2001年1月珠海市香洲城區(qū)點(diǎn)濕沉降、干沉降、