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(一)酸雨与土壤酸化
酸雨是当今世界面临的重要环境问题之一,酸雨对地质环境和植物的影响正引起国内外的广泛关注。随着工业的发展,酸性气体排放量逐年增多,酸雨的频率和覆盖率明显增加。大气已是影响土壤和地下水等地质环境的重要环境要素之一。
浙江省已成为重酸雨区。“六五”期间酸雨区主要分布在浙江省北半部,南部仅温州附近有零星酸雨区,且强度较弱;“七五”期间酸雨区迅速蔓延,浙北、浙南酸雨区基本连成一片,强度有所加强;“八五”期间酸雨区已覆盖全省95%的陆地面积,开始出现pH值低于4.5的重酸雨区;“九五”期间全省所有的陆地面积全被酸雨覆盖,pH值低于4.5的重酸雨区范围进一步扩大;进入21世纪,酸雨继续发展,强度趋增。
酸雨对土壤生态系统的影响首先是土壤酸化,它是由于酸沉降向土壤输入过多H+引起土壤pH值降低和盐基饱和度减少的过程。土壤对酸雨具有一定的缓冲能力,其缓冲机制是通过释放等量的阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Al3+)而实现的。土壤pH值>4.2时,土壤缓冲酸雨以K+、Na+、Ca2+、Mg2+为主,但土壤pH值<4.2时,则转化为以Al3+为主。因此,酸化程度与酸雨淋洗量和土壤类型有关,如果土壤的原始pH值较低,即土壤溶液中H+离子浓度较高,盐基饱和度较低,对酸雨的缓冲能力很小,则容易发生土壤酸化。强酸性土壤发生酸化的程度和频率大于微酸性和近中性土壤,一般认为,pH值为3左右的酸雨能显著促使土壤酸化。酸化按表土—心土—底土层的顺序发生,少量的酸雨只引起表土层酸化,而长期的酸雨淋溶能使土表以下1米深处的土壤呈现酸化、pH值可能降低1个单位。
(二)酸雨对土壤中元素的影响
1.对钾、钠、钙、镁的影响
钾、钠、钙、镁是植物必需营养元素,它们不仅是土壤中的交换性盐基,也是阳离子交换量的重量组成部分,这些交换性盐基的总量越多,土壤的盐基饱和度就越大。一般来说,中性、碱性土的盐基饱和度较高,阳离子组成以 K+、Na+、Ca2+、Mg2+为主(例如,褐土的盐基饱和度高达100%);而酸性土则反之,阳离子组成中以H+、Al3+为主(例如,红壤的盐基饱和度只有20%~30%)。在酸雨的淋溶下,进入土壤溶液的
和
浓度增加,与K+、Na+、Ca2+、Mg2+等形成离子对,导致这些金属阳离子的淋溶性增强,释放到土壤溶液中,并随水分向下层迁移而淋失,从而降低了盐基饱和度。虽然pH值较低的酸雨可淋溶出高浓度的盐基离子,但是这种现象仅在pH值低且短时期的淋溶中反映明显;在长期淋溶下,盐基离子会在某一时刻出现峰值,这种淋失峰值的出现与酸雨pH值之间并不呈简单的线性关系,说明土壤盐基离子的淋失是一个复杂的地球化学过程。
2.对土壤中氮、硫、磷的影响
N、P、S是植物营养必需的大量和中量营养元素,酸雨含有较多的
和
,降落于土表后,对土壤N、P元素的平衡有2个不同方向的影响。其一,
和
能被土壤胶体所吸附。吴杰民的研究表明,酸性淋溶土(红壤、黄红壤)的
吸附量均显著高于中性水成土(水稻土、潮土),而且
主要被土吸附于带正电荷的氧化物胶体表面,其吸附量与土壤游离Fe、Al含量呈显著正相关,说明离子交换可逆吸附是土壤吸附
的主要机制。土壤对
的吸附量随土壤pH值的降低而上升,其原因是:①H+活度的提高使得含铁镁矿物(角闪石、黑云母等)易风化为铁的氧化物;②H+活度的提高能通过广泛促进初级铝硅酸盐矿物和次级矿物的风化而溶解出更多的铝氧化物。这就造成吸附
的能力增加。由此推论,在酸雨地区,土壤pH值的持续降低将为
的吸附提供了更为有利的条件。从这一点看,酸雨能提高土壤
的含量和土壤氮(
)的浓度。在缺氮、硫的土壤中,这种提高将更为明显,从而表现出更强的肥料效益。其二,酸雨通过促使土壤酸化,使其中的微生物种群及活性发生改变。据报道,酸雨能够减少土壤中氨化细菌和固氮细菌的数量,使土壤微生物的氨化作用和硝化作用强度下降;同时降低土壤中蛋白酶、转化酶的活性,导致土壤N素的转化和平衡受到破坏。至于酸雨对土壤硫细菌、硫酸还原菌等参与硫循环的微生物有何种影响,却很少见到报道。因此,酸雨条件下土壤N、S的形态及含量变化还有待于进一步研究。土壤对磷酸盐的亲和力很强,磷酸盐主要以固相形式存在。酸雨的入侵,一方面能使固相磷酸盐分解,解离出的磷很易被土壤中因酸雨而活化的Al结合生成低溶性化合物,抑制磷酸盐的活性;另一方面,酸化使磷酸酶活性增强,提高土壤有效磷的含量。但这2种影响中哪一个占主导地位还不甚清楚,需要利用同位素示踪等技术研究。
3.对土壤中铝的影响
铝是酸性土壤中重要的交换性离子,但在表生地球化学作用中,Al比K、Na、Ca、Mg的迁移率低而较稳定。土壤中的固相 Al 以三水铝石(Al(OH)3)和一水软铝石(AlOOH)为主,但在不同pH条件下可产生不同程度的水解。在pH值较低的酸性土壤中,铝主要以单体羟基铝形态(Al3+、AlOH2+、Al
等)存在,它们对植物根系都有一定的毒性,后两者则对水生生物的毒性最大;在pH值较高的土壤溶液中,铝以Al(OH)°3+、Al
等多羟基铝形式存在,因此酸雨负荷下的土壤能增加活性铝的含量,提高了铝的溶解度,形成对植物有害的生长环境;其次,随酸雨pH值的降低,土壤铝的释出量逐渐增多,并在一定酸度之后出现较大程度的上升。
4.对重金属的影响
据研究,在模拟酸雨条件下,Cu的优势形态由有机结合态向可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态转化;Pb、Zn、Cr则由原来的铁锰氧化物结合态向可交换态转化。这种形态变化的结果,一是增加重金属元素的生物有效性,使其在植物体内富集;二是提高重金属元素的迁移性,导致经长期酸雨淋洗后土壤中的植物必需元素(如Cu、Zn、Mn等)缺乏。
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