第六章酸沉降对土壤环境的影响

1、第六章 酸沉降对土壤环境的影响,本章重点：酸沉降对土壤环境的影响 我国对酸沉降地区的防治对策,内 容 提 要,酸沉降的形成和来源 酸沉降物在土壤中迁移转化 酸沉降对土壤环境的影响 我国典型酸沉降污染地区及防治对策,酸沉降指大气中的酸性物质(主要是H2SO4、HNO3及其前体物SOx, NOx等)通过降水(包括雨、雷、霜、雹、雾、露等形式)或在气流作用下直接迁移到地表造成污染的现象。前者称为湿沉降，后者称为干沉降。,酸沉降习称酸雨、一般指pH5.6的各种形式的降水。,1952年12月5-8日，英国伦敦上空高气压久留不散，静风，大气逆温。工厂和取暖燃排放的大量S02和烟尘积聚在低层大气中不能稀释扩

2、散，市中心的能见度降到5m以下。大气中SO2和烟尘浓度分别为平时的6倍和10倍。呼吸道疾病患者急剧增加，医院里病人爆满。一周内死亡人数比往年同期增加4500人，45岁以上死亡数为平时的3倍。1岁以下婴儿死亡数也增加了1倍。此后两个月又陆续死亡8000人。,伦敦烟雾事件,因酸雨致死的树木,在中国，20世纪80年代初，酸雨主要发生在以重庆、贵阳为代表的西南地区。到90年代中期，酸雨迅速发展到长江以南、青藏高原以东及四川盆地的广大地区，形成华中、西南、华东、华南4大酸雨区，年均降水PH5.6的区域面积达全国面积的40%左右，成为继北欧、北美之后的世界第三大酸雨区。,1995年，我国SO2排放且达23

3、70万t，居世界第一位；高浓度SO2和严重的酸雨污染造成对人体健康的经济损失约为950亿元、森林和农作物的直接经济损失数百亿元。酸沉降己经成为制约我国发展的严重大气环境问题，被列为现阶段我国大气环境治理的重点。,目前，酸沉降已经危及到土壤生态系统的平衡。,6.1 酸沉降的形成和来源,酸 沉 降 的 形 成,酸沉降的化学组成,阳离子：H+、NH4+、Ca2+、Na+、K+、Mg2+,阴离子：SO42-、NO3-、Cl-、HCO3-,酸性沉降物的来源,酸性物质（SOx、NOx）的天然排放,酸性物质的人为排放,化石燃料的燃烧与工业排放,汽车尾气的排放,氯化物的排放,6.2 酸沉降物在土壤中迁移转化,

4、酸性沉降物中，阴离子SO42-和NO3-的致酸作用是主要的。但NO3-为植物吸收的N源形式，而SO42-在酸性沉降物中的不仅比重大（90以上），而且植物吸收的较少（植物所需N：S10:1）。因此酸性沉降物在土壤中的迁移转化主要是指SO42-S。,土壤中硫的形态,有机态硫（95以上）,无机态硫,封闭在固体矿物中的硫：包括难容性的硫化物及硫酸盐,游离态的硫酸根及硫化物,交换态的SO42-,土壤中硫的迁移转化,SO42-与S2-的转化,有机硫的矿化和无机硫的同化固定,硫酸盐的吸持与淋溶,土壤中有机质中的硫在田间条件下每年约有13被矿化，土壤有机质中N和S的矿化速率比约为10:1。土壤无机硫通过植物吸

5、收和植物体内形成有机硫而被同化固定，同化固定的速率大致与土壤有机硫矿化的速率相当（Nyborg,1978),土壤对SO42-的吸附,交换吸附,专性吸附,即配位体交换吸附，指SO42-阴离子取代土壤中铁、铝氧化物表面羟基而被吸附的过程，其反应为： H2OFeOH0 +S042- H2OFeSO4-+OH- OH- +H+ H2O,影响土壤对S042-的吸附能力的因素有：pH、有机质及铁、铝氧化物。如， 有机质与S042-吸附量的回归方程为： Y-34.6+68.48x r=0.9025* (Y为S042-吸附量，x为有机质） 当pH6.5时，土壤吸附的能力减弱。,研究S042-在土壤中被吸持与淋

6、溶的重要性： 大量的研究证明， S042-的迁移和土壤对S042-的吸附特性，在相当大的程度上决定着土壤酸化速率和盐基离子的淋溶程度。土壤对S042-的吸附将减少盐基离子淋溶，延缓土壤酸化过程。,6.3 酸沉降对土壤环境的影响,一、酸沉降对土壤缓冲性和酸化的影响 相关概念 土壤的酸缓冲能力：指土壤在有酸性物质加入时减缓其pH变化的能力。（对酸沉降而言，是指土壤对酸性沉降物的敏感程度。） 土壤的酸缓冲容量：指使土壤pH降至3.5时所需要的酸量。,土壤对酸沉降缓冲的形式,初级缓冲体系：指阳离子交换过程，反应较为迅速但缓冲能力小。当酸沉降pH4.0时主要是阳离子交换反应 。,次级缓冲体系：指矿物风化

7、，缓冲能力较大但动力学上较慢。当酸沉降pH4.0时矿物风化表现激烈，以矿物风化缓冲为主。,土壤对酸沉降缓冲能力的分级,碳酸盐缓冲范围：土壤pH6.28.0,硅酸盐缓冲范围：土壤pH5.06.2,阳离子缓冲范围：土壤pH4.25.0,铝缓冲范围：土壤pH2.84.2,影响土壤缓冲酸沉降的因素,土壤矿物质含量和组成,土壤酸碱性,土壤有机质含量和存在形态,1、CO2和有机酸对土壤酸化的影响 在钙质土壤上(pH值较高)，CO2的溶解是重要的H+源； 在非钙质土壤上(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酸化作用的影响可以忽略。,酸沉降物对土壤酸化的影响,2、大气

8、N沉降对土壤酸化的影响,N的转化,NO3-的淋失,土壤酸化,因为，受酸雨的影响(NH3，NOx )，一方面造成土壤中C、N循环平衡失调；另一方面N的转化导致净质子（H+）的增加。,通过SO42-的淋失且伴随阳离子的淋失导致土壤酸化 。,3、大气硫沉降对土壤酸化的影响,在盐基饱和度较低的酸性土壤中， 由于盐基离子的淋溶，SO42-和NO3-因酸沉降进入土壤溶液，溶液中需要更多的铝离子与SO42-和NO3-产生电荷平衡，土壤对酸沉降表现为更敏感。,4、阳离子循环对土壤酸化的影响,因此，酸沉降能降低土壤对酸的缓冲性能（即增加对酸的敏感性）；增强土壤中盐基离子的活性，增加其淋失量导致土壤酸化。,注意：

9、土壤酸化的特征不是pH这种强度指标的减小，而是酸中和容量（ANC)的减小。,任一植物只能适应一定范围的土壤pH。土壤上生长的植被或作物类型随土壤pH而改变。如苜蓿良好生长的最低pH为6.0，大麦pH为5.6，小麦和玉米为pH5.2，燕麦为pH5.0，禾本科牧草pH为4.65.0。因此，酸度间接地决定着土壤对各种作物的适宜性。,土壤酸化的生物效应,1、影响植物生长,土壤酸度影响植物生长的途径有以下几种： 当土壤pH介于43之间时，对植物产生直接毒害；当土壤pH高于此值时，H+除对豆科植物固氮有影响外，对其他几乎没有什么影响。 当土壤pH降至5.55.0时铝离子开始出现；当土壤pH进一步降低时，铝

10、的溶解度提高（Hoyt等，1972）。铝离子毒害是土壤酸度影响大多数植物生长的主要途径。 土壤pH降至5左右时，锰离子的浓度即可达到有毒水平，并随土壤降低而提高。 土壤pH降低可能引起植物对钙、镁、钼等元素的缺乏症状（Nyborg,1987）,2、降低作物产量和品质（P220),二、酸沉降对土壤中元素淋溶的影响,加速土壤盐基离子的淋溶量,促使闭蓄态磷的释放后而发生磷元素的淋失，导致土壤有效磷缺乏,促进铝的释放，土壤溶液中可溶性铝增加，引起对植物和鱼类毒害,土壤某些微量重金属可能被溶解，加速有毒有害金属如镍、汞、镉、铅、铜、锌等的迁移，一方面造成土壤贫瘠化，另一方面造成水体污染,一般来说，酸沉降

11、导致土壤酸度增大，对土壤微生物的影响主要在于： 极大地抑制了细菌的生长（细菌对土壤酸度最敏感）,如细菌细胞尺寸降低，数量减少等。 影响微生物的群落结构：模拟试验表明，在降水pH4.5的地区，土壤微生物总数比pH4.5的地区少28。 此外，对土壤微生物的氨化、硝化、固氮等作用都产生不良影响，直接抑制了由微生物参与的氮素的分解、同化与固定，最终降低了土壤的含氨量。,三、酸沉降对土壤微生物的影响,6.4 土壤酸沉降污染的防治对策,一、酸沉降防治的一般对策 1、使用低硫燃料和改进燃烧装置 减少SO2污染最简单的方法是改用含硫低的燃料。据有关资料介绍，原煤经过洗选之后，SO2排放量可减少3050%，灰分

12、去除约20%。另外，改烧固硫型煤、低硫油，或以煤气、天然气代替原煤，也是减少硫排放的有效途径。,改进燃烧方式也可以达到控制SO2和NOX排放的目的。使用低NOX的燃烧器来改进锅炉，可以减少氮氧化物排放。流化床燃烧技术近来已得到应用，新型的流化床锅炉有极高的燃烧效率，几乎达到99%，而且能去除8095%的SO2和氮氧化物，还能去除相当数量的重金属。这种技术是通过向燃烧床喷射石灰或石灰石完成脱硫脱氮的。,2、烟道气脱硫脱氮 这是一种燃烧后的过程。在烟道气排出烟囱前，喷以石灰或石灰石，其中的碳酸钙与SO2反应，生成CaSO3，然后由空气氧化为CaSO4，可作为路基填充物或制造建筑板材或水泥。,3、

13、控制汽车尾气排放 一般柴油车用的含硫量达0.4%，为工厂所用燃料含硫量的3倍。美国已规定柴油车用油的含硫量应低于0.2%。另外，汽车尾气中含有氮氧化物，可以通过改良发动机和使用催化剂，控制氮氧化物排放量，日本要求控制在0.25g/km以下。,二、我国对酸沉降的防治对策 各国根据自己的具体情况，都制定了一些适合本国国情的酸雨控制措施。我国针对酸雨的成因是燃煤排放的大量SO2 ，属典型的硫酸型酸雨的情况，提出了下列防治对策（P222）：,1、强化环境管理，确定酸雨控制区，严格实行SO2排放总量控制，削减SO2排放量 我国洗煤能力应当优先安排洗选高硫煤，回收精硫矿。专家建议，全国含硫2%以上的高硫煤

14、，除有烟气脱硫能力的工厂可不洗外，其余都应进行洗选。对于无法洗选的有机硫，可在煤炭燃烧过程中采用回收技术，制取硫酸。在生产和生活用煤中，要尽量采用热电联产，集中供热，实行燃煤气化和成型化，在有条件的工厂，应装有消除烟尘和脱硫设备。,2、因地制宜选择清洁煤炭能源技术 如翻洗、选煤技术、循环硫化床燃烧脱硫和烟气脱硫技术 3、大力发展煤炭铁代能源 包括加速开发水电，积极发展核能和开发利用新能源如太阳能、风能等 4、在酸雨分布区尽量选用抗酸性强的农作物和树种，减少农、林业的损失 多种绿肥，施有机肥、石灰等提高土壤缓冲能力，缓解土壤酸化进程。,此外，签于酸沉降存在跨国际的问题，我国还加入了东亚酸沉降监测网，目的在于和其他各国交换酸沉降监测数据，提高公众认识，为制定酸沉降综合防治对策提供提供决策依据。,东亚酸沉降监测网（EANET）是一个区域性的合作计划，目前共有包括中国在内的东亚地区12个国家参加。我国于1