第六章 酸沉降对土壤环境的影响

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pH<5.6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PH<5.6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2370万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：S＝10:1）。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1～3％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：[H2O—Fe—OH]0+S042-[H2O—Fe—SO4]-+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+68.48xr=0.9025*(Y为S042-吸附量，x为有机质）

当pH＞6.5时，土壤吸附的能力减弱。研究S042-在土壤中被吸持与淋溶的重要性：

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pH≥4.0时主要是阳离子交换反应。次级缓冲体系：指矿物风化，缓冲能力较大但动力学上较慢。当酸沉降pH<4.0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pH6.2~8.0硅酸盐缓冲范围：土壤pH5.0~6.2阳离子缓冲范围：土壤pH4.2~5.0铝缓冲范围：土壤pH2.8~4.2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：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4.6～5.0。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：

①当土壤pH介于4～3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。②当土壤pH降至5.5～5.0时铝离子开始出现；当土壤pH进一步降低时，铝的溶解度提高（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。③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。④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pH＜4.5的地区，土壤微生物总数比pH＞4.5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30～50%，灰分去除约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80～95%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、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，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1998年10月开始参加东亚酸沉降监测网的试运行工作，2001年1月，东亚酸沉降监测网转入正式运行阶段。目前东亚酸沉降监测网共包括42个监测点位。我国有9个监测点位参加东亚酸沉降监测网，分布在重庆、西安、厦门和珠海4个城市。我国东亚酸沉降监测网各监测点监测项目城市点位点位分类开展监测项目开始监测时间重庆市观音桥城区点湿沉降1999年4月缙云山乡村点湿沉降、干沉降、地表水、土壤和植被2001年4月西安市市站城区点湿沉降1999年4月渭水园乡村点湿沉降、干沉降1999年4月鸡窝子边远点湿沉降、地表水、土壤和植被2001年1月珠海市香洲城区点湿沉降、干沉降、