1、 酸雨對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響綜述酸雨是人類當(dāng)前面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。酸性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的酸雨不僅會(huì)使鮮花凋謝，樹葉脫落，農(nóng)作物枯萎，建筑物和文物古跡受到腐蝕，人體健康受到威脅，而且還會(huì)導(dǎo)致江、河、湖泊逐漸酸化，浮游生物死亡。酸雨還會(huì) 導(dǎo)致土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷溶出，造成Al及其他金屬對(duì)生物的危害。在生產(chǎn)林區(qū)，酸雨降落，使土壤的酸性增強(qiáng)，養(yǎng)分下降，森林的生長(zhǎng)緩慢，樹木的樹葉枯黃，甚至死亡。這些問題的出現(xiàn)，引起了世界上許多科學(xué)家的關(guān)注。 土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中酸雨的最終接受處，因而酸雨對(duì)土壤影響的大小直接 關(guān)系到整個(gè)生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。因此，這方面的研究早為人們所重視。1978年在加拿大的多倫多市首次召

2、開的酸雨對(duì)農(nóng)作物和土壤影響的國(guó)際會(huì)議之后，這方面的研究工作逐漸在世界范圍內(nèi)廣泛開展起來。酸雨對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響主要是因?yàn)樗嵝晕镔|(zhì)的輸入改變了土壤的物理、化學(xué)及生物性質(zhì)，從而對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。1、酸雨對(duì)土壤鹽基離子的淋洗 陽離子的淋洗與土壤的組成和性質(zhì)有很大的關(guān)系。礦物和腐殖質(zhì)含量高的土壤，因其陽離子交換量高，土壤對(duì)酸的緩沖能力亦高，但是其淋洗的進(jìn)程相對(duì)較緩慢。而對(duì)于陽離子交換量低、緩沖能力弱的土壤，不僅其交換點(diǎn)低，交換點(diǎn)上的堿性陽離子也很容易進(jìn)入到土壤溶液中，并被淋洗掉。 在酸雨的作用下土壤元素的遷移具有階段性,土壤酸化的階段性決定著元素遷移的階段性。鹽基離子的淋失量隨模擬酸雨P(guān)H值的

3、降低而增加。尤其當(dāng)PH3.5時(shí)，增加最明顯。在PH為3.0的酸雨淋溶下，紅壤、赤砂土鹽基淋出量占交換性鹽基總量的61.4%。土壤交換性K+、Na+, Ca2+, Mg2+的總量有隨PH降低而降低的趨勢(shì)。 土壤陽離子的淋溶強(qiáng)度主要取決于與酸雨有關(guān)的陰離子遷移率，淋失速度在很大程度上受陰離子主要是SO42-)被土壤吸附強(qiáng)度的影響，而SO42-吸附量與土壤Fe、Al氧化物含量呈正相關(guān)。在增加陽離子活動(dòng)性方面，硫酸鹽的作用要比硝酸鹽大得多。這是因?yàn)榇蟛糠滞寥蓝糔素含量不足，所以硝酸鹽能很快被植物吸收。僅在降雨量很大的情況下，N03-來不及被植物和土壤吸收時(shí)才對(duì)陽離子的活動(dòng)性有明顯的作用。而土壤中的SO

4、42-則極易隨酸雨所增加，因而其對(duì)陽離子的淋洗作用就很大。如在灰化土上，酸雨輸入的硫酸可使土壤陽離子淋洗速率達(dá)到自然淋洗速率的3倍。2、酸雨對(duì)土壤重金屬及微量元素的影響 不同上壤中都含有一定量的微量元素，在這些元素中有些是作物生長(zhǎng)所必需的，如B、 Cu、 Fe、 Mo、Mn。而另一些則可能是環(huán)境毒害元素，如Cd、 A1等。正常情況下這些元素僅有極少部分進(jìn)入生物循環(huán)，而在酸雨的影響下，特別是有硫酸雨的影響下，會(huì)有越來越多的金屬元素包括有毒元素被淋溶出土壤。 Al是地殼中除Si和O以外最豐富的元素。在中性或偏堿性的土壤溶液中，Al幾乎是不溶解的，Al也極易與腐殖質(zhì)物質(zhì)作用而沉淀。土壤中的腐殖質(zhì)往往

5、不可能使所有溶解的A1完全沉淀，這些過剩的Al會(huì)滲入湖泊和下水道，如果此時(shí)它流過的土壤、水道或湖泊的PH值5, Al就會(huì)在那里水解，并引起更強(qiáng)的酸化，其結(jié)果使更多的Al和其他重金屬遷移。 土壤溶液中的Al絕大部分來源于土壤固相Al的活化，土壤中固相Al(有機(jī)結(jié)合態(tài)Al以及鋁硅酸鹽等)在強(qiáng)酸性酸雨活化過程中，不同結(jié)合形態(tài)的固相Al的活化機(jī)制影響著土壤對(duì)酸的緩沖效率及土壤溶液的Al濃度。酸雨P(guān)H值越低，則土壤Al離子釋放量越大、土壤中羥基態(tài)Al和腐殖質(zhì)Al含量越低、 交換態(tài)Al含量越高，從而導(dǎo)致土壤中的A1對(duì)植物和生態(tài)系統(tǒng)的危害性也越大。土壤活性Al的溶出與土壤酸化程度之間的關(guān)系極為密切。土壤PH

6、越低，淋出液中Al的濃度越高。當(dāng)土壤PH為3.4-4.7時(shí)，A1的溶出量約是土壤PH為 6.1-6.4時(shí)溶出量的10倍以上。這是因?yàn)橥寥乐泄滔嗟匿X鹽在酸性條件下溶解度較大，生成的可溶性鋁絡(luò)合物也較多的緣故。 大量的研究表明，土壤中Al的淋出和土壤中的SO42-含量密切相關(guān)。因?yàn)樵谕寥廊芤褐校珹l3+和SO42-在適當(dāng)條件下可形成Al-SO4化合物，它們可作為緩沖 作用范圍內(nèi)Al遷移的中間產(chǎn)物；在模擬酸雨淋溶過程中，土壤B層上部的土柱(35 cm)存在羥鋁礬(Al(OH) SO4)。土壤溶液中Al的濃度在弱酸情況下受明礬石KA13(SO4) 2(OH) 6)、羥鋁礬的影響。而在強(qiáng)酸度條件下，則受

7、斜鋁礬(Al(SO4)(OH) .5H 20)的影響。模擬酸雨對(duì)土壤中的Fe2+的淋出影響很小，即使PH 3.0的模擬酸雨對(duì)土壤中Fe2+的淋出也無影響。Fe2+的淋出與否似乎與土壤本身的含F(xiàn)e氧化物和氫氧化物的含量關(guān)系不密切，而和土壤有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)。經(jīng)模擬酸雨處理后的土壤，Mn、 Cu、 Zn等重金屬微量元素的離子濃度則大幅度提升。 微量元素的淋出率大小除了和土壤母質(zhì)有關(guān)外，還與土壤的PH值以及土壤中有機(jī)膠體、無機(jī)膠體有關(guān)，特別是Fe、Al氧化物和氫氧化物常制約著土壤中其他重金屬的遷移。而水溶性有機(jī)質(zhì)-重金屬絡(luò)合體則會(huì)促進(jìn)重金屬的溶解遷移行為。PH 4.0以上的酸雨對(duì)土壤中Cd、Zn、C

8、u、Pb的淋出不明顯，而當(dāng)酸雨P(guān)H為2.0時(shí)，則Cd、Zn、Cu、Pb的淋出量顯著增加。且Cd,、Zn的相對(duì)淋出率比Cu,、Pb大得多。稀土元素的淋出量隨著酸雨P(guān)H (2.0-5.6)的降低而增加，而且稀土元素形態(tài)也有所變化。當(dāng)PH為4.0時(shí)，松結(jié)有機(jī)態(tài)含量最高，而緊結(jié)有機(jī)態(tài)稀土含量最低。酸雨中的SO42-、N03-或Ca2+,、NH4+濃度增加，則重金屬活性會(huì)被明顯激活，從而加速交換態(tài)Cd、Zn的溶出，促進(jìn)土壤中交換態(tài)Cr百分率的增加，但對(duì)交換態(tài)Cu和Pb影響不明顯。Cu的解吸主要受酸雨P(guān)H值的影響36。紅壤中Cr、Co、 Ni、Cu、Cd、Pb的累積釋放量隨淋溶量的變化符合二次模型，釋放量

9、大小依次是:Pb>Co>Ni>Cu>Cr>Cd。3、酸雨對(duì)土壤氮、硫營(yíng)養(yǎng)的影響 在農(nóng)業(yè)土壤中，PH 4.0的酸雨對(duì)土壤PH值起不了多大作用，但土壤中N、S的轉(zhuǎn)化則會(huì)使土壤H+量大大增加。有人認(rèn)為以銨鹽形式每年每公頃施100 kg N肥，其酸化效果可能遠(yuǎn)大于酸雨。 土壤對(duì)SO42-的吸附與酸沉降中SO42-濃度及土壤水溶性SO42-含量有關(guān)，但高濃 度的鹽基離子輸入會(huì)降低SO42-的吸附量。土壤對(duì)N03-的吸附主要發(fā)生在表土中，且比SO42-的吸附量低。酸性淋溶土紅壤、黃紅壤)的SO42-吸附量均顯著高于中性水成土(水稻土、潮土)。而且SO42-主要被土壤吸附于帶正

10、電荷的氧化物膠體表面，其吸附量與土壤游離Fe, Al含量呈顯著正相關(guān)。 大氣中S的沉降，絕大多數(shù)為干沉降，對(duì)那些缺S的農(nóng)業(yè)土壤來說是有益而無害的，因?yàn)榇髿獬两祹Ыo土壤的S能滿足作物生長(zhǎng)和發(fā)育的需要。就N來說，短期內(nèi)N03-的沉降也不會(huì)在土壤酸化方面帶來實(shí)質(zhì)的影響。相反，對(duì)大多數(shù)土壤類型來說是有益的。如對(duì)大多數(shù)森林來說，它有助于森林的生長(zhǎng)。但長(zhǎng)期的S沉降和N03-沉降則會(huì)使其積累超過植物之需，并引起酸化。模擬酸雨淋溶既可使土壤中N的礦化受到激活作用，也可使土壤中N的礦化受到抑制作用，對(duì)礦化作用的影響與土壤特性有關(guān)。4、酸雨與土壤磷營(yíng)養(yǎng) P是土壤和環(huán)境中重要的營(yíng)養(yǎng)元素。P在土壤中有效性的衰減(被土

11、壤固定)被認(rèn)為是土壤養(yǎng)分退化的一個(gè)重要過程。被土壤團(tuán)粒和膠粒吸附的P與土壤溶液中的P處于吸附平衡狀態(tài)，并制約著土壤溶液P的濃度，從而決定著土壤P的可給度。由于酸雨改變土壤PH值，而土壤中P的有效性與PH值關(guān)系密切，因此，酸雨會(huì)對(duì)土壤中P的有效性產(chǎn)生較大的影響。5、酸雨與土壤酸化 土壤酸化主要是指土壤中H+和A13+數(shù)量的增加。其具體過程大致是，酸雨中的H+與土壤膠體表面上吸附的鹽基性離子進(jìn)行交換反應(yīng)而被吸附在土粒表面，被交換下來的鹽基性離子隨滲漏水淋失；土粒表面的H+又自發(fā)地與礦物晶格表面的Al反應(yīng)，迅速轉(zhuǎn)化成交換性A1。這就是土壤酸化的實(shí)質(zhì)。在土壤中支配著土壤酸堿性強(qiáng)弱的是土壤中鹽基離子與H

12、+、A13+的相對(duì)比例。也就是說，凡是影響鹽基離子和H+、A13+比例的都會(huì)影響土壤酸堿性。土壤酸化是生態(tài)系統(tǒng)中元素的開放循環(huán)引起的，區(qū)分自然因素與人為(如酸沉降)因素引起的土壤酸化，涉及到降雨的化學(xué)成分、土壤中的化學(xué)過程、土壤中的水分運(yùn)移的特點(diǎn)、土體內(nèi)生物化學(xué)過程以及礦物的風(fēng)化等因素。這些因素是引起土壤酸化的驅(qū)動(dòng)力。關(guān)于酸雨的影響，歐洲與北美的研究重點(diǎn)集中在N和S的地球生物化學(xué)過程上，有機(jī)物中N和S的積累是土壤酸化的潛在來源。N的轉(zhuǎn)化過程對(duì)控制H+循環(huán)極其重要，通常認(rèn)為土壤酸化主要是由C、N循環(huán)不平衡引起的。N的轉(zhuǎn)化與N03-的淋失是土壤酸化的主要原因。在N轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的H+加速土壤酸化和

13、陽離子的淋失。 酸雨的淋洗對(duì)土壤酸化的影響與原土壤的PH密切相關(guān)：土壤PH愈高，土壤酸化受酸雨的影響愈小；酸雨的PH愈低，對(duì)土壤酸化的影響愈大。有機(jī)酸在土壤酸化中起重要作用。在排水良好的土壤上，有機(jī)酸與Fe、Al氧化物形成的Fe、Al有機(jī)絡(luò)合物在土體內(nèi)發(fā)生遷移，Al遷移的另一種機(jī)制是以離子的形態(tài)或無機(jī)態(tài)Al-硅酸鹽絡(luò)合物遷移。Fe、Al的淋出導(dǎo)致淋溶層的酸化和淀積層的堿化作用。從整個(gè)土壤剖面來看，只有當(dāng)金屬-有機(jī)絡(luò)合物進(jìn)入地下水后才可能引起土壤的凈酸化作用。 酸雨能否引起土壤酸化還與土壤陽離子交換量或土壤緩沖容量有關(guān)。而土壤黏土礦物的類型及含量、腐殖質(zhì)的組成及含量又決定著陽離子交換量的大小。一

14、般情況下當(dāng)土壤有較強(qiáng)的陽離子交換能力時(shí)，酸雨的輸入對(duì)其影響則小，甚至可以忽略不計(jì)。紅壤含有大量的氧化鐵、鋁，并且?guī)в写罅康恼姾桑瑢?duì)SO42-和N03-有相當(dāng)強(qiáng)的吸附能力，特別是可以通過配位交換的方式強(qiáng)烈吸附SO42-，使之難于從土壤中淋失。氧化鐵、鋁通過配位交換吸附SO42-后，可以釋放出一些經(jīng)基離子。這可在一定程度上中和酸雨中的H+，從而減緩酸化作用。6、酸雨對(duì)土壤微生物的影響 土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的組成部分。長(zhǎng)期受酸雨影響，土壤微生物活性將會(huì)受到明顯的影響，進(jìn)而可能影響土壤的生態(tài)平衡。一些室內(nèi)模擬和野外調(diào)查資料均表明，土壤酸化將造成細(xì)菌和放線菌的數(shù)量減少，而一些真菌則會(huì)

15、增加。只有當(dāng)酸雨P(guān)H值下降到2.0時(shí)才能抑制呼吸作用和酶活性，PH 3.0和PH 4.0的酸雨對(duì)微生物具有激活作用，但各種酶的變化不同。例如PH 3.0的酸雨處理后，脲酶活性不受影響，磷酸酯酶活性降低。PH 3.0和PH 4.0 的酸雨對(duì)微生物的激活作用是由于N素的增加引起的，而森林土壤微生物的活性則受到可利用性N和可利用性 C的限制。7、酸雨與土壤緩沖性能 廖柏寒等認(rèn)為，土壤中存在著兩個(gè)緩沖體系，即初級(jí)緩沖體系和次級(jí)緩沖體系。在PH4.0的酸沉降作用下或PH 4.0的酸沉降作用開始時(shí)，土壤的初級(jí)緩沖體系(可交換性陽離子，羥基鋁等)發(fā)揮著主要的作用。當(dāng)PH 4.0的酸沉降進(jìn)一步作用時(shí)，土壤的初

16、級(jí)緩沖體系很快被消耗掉，次級(jí)緩沖體系(鋁硅酸鹽等土壤礦物)開始起主要作用，通過土壤礦物的風(fēng)化過程，消耗H+釋放出陽離子，實(shí)現(xiàn)對(duì)酸沉降的緩沖。在酸沉降作用下，不同地區(qū)不同層次的土壤表現(xiàn)出不同的緩沖能力，這種緩沖能力的差異可以通過土壤淋出液的PH值來比較和討論。 土壤對(duì)酸沉降的緩沖機(jī)制是通過釋放出等當(dāng)量的陽離子消耗外來H+來完成的。緩沖能力強(qiáng)的土壤在酸性水作用下陽離子釋放總量較大，緩沖能力弱的土壤陽離子釋放總量則較小。緩沖能力較強(qiáng)的土壤以陽離子交換緩沖作用占主導(dǎo)地位，緩沖能力較弱的土壤雖然陽離子交換緩沖作用占有主要地位，但A13十在土壤緩沖過程中有著重要影響，在某些土壤中，A13十是緩沖作用中最重

17、要、貢獻(xiàn)最大的離子。土壤對(duì)酸沉降的緩沖作用由陽離子交換、氫氧化鋁水解以及原生礦物 風(fēng)化緩沖作用3部分組成，三者的相對(duì)重要性不僅決定于土壤酸度、鹽基飽和度和礦物組成，而且與酸雨的PH值密切相關(guān)。 并不是所有的土壤都是容易酸化的，土壤的緩沖能力取決于土壤的無機(jī)物含量、組分、結(jié)構(gòu)、PH值、堿飽和度、含鹽量以及土壤的滲透力等。由沉積巖形成的土壤緩沖能力很強(qiáng)，尤其是含碳酸鹽高的土壤，而由水晶礦花崗巖、石英等形成的土壤，其緩沖能力很弱。酸性較強(qiáng)的黃紅壤、紅壤的緩沖能力較弱，而近中性的水稻土的緩沖能力則相對(duì)較強(qiáng)。因此，強(qiáng)酸性土壤受酸雨酸化的影響程度大于微酸性和近中性土壤。土壤對(duì)不同濃度酸雨的緩沖能力隨酸性的

18、增加而降低，隨土層的加深而增強(qiáng)。土壤對(duì)酸雨的緩沖作用具有一定的時(shí)滯性，一般在第2周表現(xiàn)出明顯的緩沖作用。土壤受酸雨的影響不僅表現(xiàn)出時(shí)間上的變化而且呈現(xiàn)出空間的變化。8、酸雨與土壤結(jié)構(gòu) 酸雨可造成土壤結(jié)構(gòu)的損害。在土壤溶液PH值過低的情況下，由于的Ca2+, Mg2+含量減少和H+的增多導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞，土壤調(diào)節(jié)水、氣、肥、熱等能力下降。許中堅(jiān)等通過模擬酸雨對(duì)浙江杭州紅壤的淋溶實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，酸雨降低了紅壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。表現(xiàn)為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量隨酸雨P(guān)H值的降低，持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而減少。酸雨導(dǎo)致團(tuán)聚休破壞率增高，穩(wěn)定性降低。酸雨對(duì)紅壤膠結(jié)物質(zhì)的影響，表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)淋失增加，氧化鐵活性提高。紅壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)性變差，會(huì)加速士壤侵蝕，表現(xiàn)出酸雨對(duì)紅壤的可蝕性。酸雨對(duì)土壤微結(jié)構(gòu)也有一定影響。酸度愈大、降水時(shí)間愈長(zhǎng)，微結(jié)構(gòu)影響愈明顯。主要表現(xiàn)為土壤微龜裂密度增大、數(shù)量增多，從而破壞了微團(tuán)聚體的結(jié)合，使水分運(yùn)行加快，滲漏和毛管蒸發(fā)作用增強(qiáng)，土壤耐旱性減弱，降低了土壤肥力，影響作物的生長(zhǎng)。9、酸雨與土壤礦物風(fēng)化 土壤礦物的風(fēng)化作用是以酸性水解反應(yīng)為主要過程的，反應(yīng)環(huán)境的H+濃度是風(fēng)化動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要控制因子。元素釋放既取決于水解反應(yīng)的難易程度，也取決于礦物組成中元素的相對(duì)比例。 廖柏寒等認(rèn)為，土壤礦物在酸沉降作用下的風(fēng)化過