第六章 酸沉降對土壤環(huán)境的影響

第六章酸沉降對土壤環(huán)境的影響

本章重點：酸沉降對土壤環(huán)境的影響我國對酸沉降地區(qū)的防治對策內(nèi)容提要酸沉降的形成和來源酸沉降物在土壤中遷移轉(zhuǎn)化酸沉降對土壤環(huán)境的影響我國典型酸沉降污染地區(qū)及防治對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，市中心的能見度降到5m以下。大氣中SO2和煙塵濃度分別為平時的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)為平時的3倍。1歲以下嬰兒死亡數(shù)也增加了1倍。此后兩個月又陸續(xù)死亡8000人。倫敦?zé)熿F事件因酸雨致死的樹木在中國，20世紀(jì)80年代初，酸雨主要發(fā)生在以重慶、貴陽為代表的西南地區(qū)。到90年代中期，酸雨迅速發(fā)展到長江以南、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SO2排放且達(dá)2370萬t，居世界第一位；高濃度SO2和嚴(yán)重的酸雨污染造成對人體健康的經(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)成為制約我國發(fā)展的嚴(yán)重大氣環(huán)境問題，被列為現(xiàn)階段我國大氣環(huán)境治理的重點。目前，酸沉降已經(jīng)危及到土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡?！?.1酸沉降的形成和來源酸沉降的形成酸沉降的化學(xué)組成陽離子：H+、NH4+、Ca2+、Na+、K+、Mg2+陰離子：SO42-、NO3-、Cl-、HCO3-酸性沉降物的來源酸性物質(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。土壤無機(jī)硫通過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程，其反應(yīng)為：[H2O—Fe—OH]0+S042-[H2O—Fe—SO4]-+OH-OH-+H+

H2O影響土壤對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，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S042-的吸附將減少鹽基離子淋溶，延緩?fù)寥浪峄^程?！?.3酸沉降對土壤環(huán)境的影響一、酸沉降對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)加入時減緩其pH變化的能力。（對酸沉降而言，是指土壤對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時所需要的酸量。土壤對酸沉降緩沖的形式初級緩沖體系：指陽離子交換過程，反應(yīng)較為迅速但緩沖能力小。當(dāng)酸沉降pH≥4.0時主要是陽離子交換反應(yīng)。次級緩沖體系：指礦物風(fēng)化，緩沖能力較大但動力學(xué)上較慢。當(dāng)酸沉降pH<4.0時礦物風(fēng)化表現(xiàn)激烈，以礦物風(fēng)化緩沖為主。土壤對酸沉降緩沖能力的分級碳酸鹽緩沖范圍：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。酸沉降物對土壤酸化的影響2、大氣N沉降對土壤酸化的影響N的轉(zhuǎn)化NO3-的淋失土壤酸化因為，受酸雨的影響(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SO42-的淋失且伴隨陽離子的淋失導(dǎo)致土壤酸化。3、大氣硫沉降對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，土壤對酸沉降表現(xiàn)為更敏感。4、陽離子循環(huán)對土壤酸化的影響

因此，酸沉降能降低土壤對酸的緩沖性能（即增加對酸的敏感性）；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。土壤上生長的植被或作物類型隨土壤pH而改變。如苜蓿良好生長的最低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、影響植物生長土壤酸度影響植物生長的途徑有以下幾種：

①當(dāng)土壤pH介于4～3之間時，對植物產(chǎn)生直接毒害；當(dāng)土壤pH高于此值時，H+除對豆科植物固氮有影響外，對其他幾乎沒有什么影響。②當(dāng)土壤pH降至5.5～5.0時鋁離子開始出現(xiàn)；當(dāng)土壤pH進(jìn)一步降低時，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)植物生長的主要途徑。③土壤pH降至5左右時，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，引起對植物和魚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說，酸沉降導(dǎo)致土壤酸度增大，對土壤微生物的影響主要在于：極大地抑制了細(xì)菌的生長（細(xì)菌對土壤酸度最敏感）,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、酸沉降對土壤微生物的影響§6.4土壤酸沉降污染的防治對策一、酸沉降防治的一般對策1、使用低硫燃料和改進(jìn)燃燒裝置減少SO2污染最簡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，可以通過改良發(fā)動機(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、我國對酸沉降的防治對策各國根據(jù)自己的具體情況，都制定了一些適合本國國情的酸雨控制措施。我國針對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，提出了下列防治對策（P222）：

1、強(qiáng)化環(huán)境管理，確定酸雨控制區(qū)，嚴(yán)格實行SO2排放總量控制，削減SO2排放量我國洗煤能力應(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。對于無法洗選的有機(jī)硫，可在煤炭燃燒過程中采用回收技術(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

包括加速開發(fā)水電，積極發(fā)展核能和開發(fā)利用新能源如太陽能、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際的問題，我國還加入了東亞酸沉降監(jiān)測網(wǎng)，目的在于和其他各國交換酸沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高公眾認(rèn)識，為制定酸沉降綜合防治對策提供提供決策依據(jù)。東亞酸沉降監(jiān)測網(wǎng)（EANET）是一個區(qū)域性的合作計劃，目前共有包括中國在內(nèi)的東亞地區(qū)12個國家參加。我國于1998年10月開始參加?xùn)|亞酸沉降監(jiān)測網(wǎng)的試運行工作，2001年1月，東亞酸沉降監(jiān)測網(wǎng)轉(zhuǎn)入正式運行階段。目前東亞酸沉降監(jiān)測網(wǎng)共包括42個監(jiān)測點位。我國有9個監(jiān)測點位參加?xùn)|亞酸沉降監(jiān)測網(wǎng)，分布在重慶、西安、廈門和珠海4個城市。我國東亞酸沉降監(jiān)測網(wǎng)各監(jiān)測點監(jiān)測項目城市點位點位分類開展監(jiān)測項目開始監(jiān)測時間重慶市觀音橋城區(qū)點濕沉降1999年4月縉云山鄉(xiāng)村點濕沉降、干沉降、地表水、土壤和植被2001年4月西安市市站城區(qū)點濕沉降1999年4月渭水園鄉(xiāng)村點濕沉降、干沉降1999年4月雞窩子邊遠(yuǎn)點濕沉降、地表水、土壤和植被2001年1月珠海市香洲城區(qū)點濕沉降、干沉降、