酸沉降下加速土壤酸化的影響因素

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1、王代長等:酸沉降下加速土壤酸化的影響因素5酸沉降下加速土壤酸化的影響因素王代長1,2,蔣新1,卞永榮1,徐仁扣1,賀紀(jì)正21:中國科學(xué)院南京土壤研究所,江蘇南京210008;2:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境資源系,湖北武漢430070摘要:酸沉降對土壤和水域的酸化影響是土壤環(huán)境化學(xué)研究前沿的熱點問題之一。酸沉降的化學(xué)組成對酸性土壤的進一步酸化起著催化劑的作用。在酸雨影響下,SO42-、NO-3、有機陰離子是加速土壤酸化和鹽基淋溶損失的主要陰離子,外源H+的進入會加速鋁離子水解。自然因素與人為因素導(dǎo)致土壤酸化的實際酸化速率差異表明:HCO3-、RCOO-在土壤剖面中的淋失狀況可反映

2、自然土壤的酸化速率,而SO42-和NO-3淋溶產(chǎn)生的質(zhì)子負(fù)荷揭示土壤受人為因素影響的酸化速率。通過計算酸沉降的主要化學(xué)成分進入土壤前后的質(zhì)子負(fù)荷平衡,與酸中和容量(ANC)相結(jié)合,反映酸沉降加速土壤酸化的進程。關(guān)鍵詞:酸沉降;土壤酸化;酸中和容量(ANC);質(zhì)子負(fù)荷中圖分類號:X144文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1008-181X(2002)02-0152-06王代長等:酸沉降下加速土壤酸化的影響因素5酸沉降對生態(tài)系統(tǒng)的危害是當(dāng)前世界重大的環(huán)境問題之一。我國是繼歐洲[23]和北美[21]之后在世界上出現(xiàn)的第三大酸雨區(qū)[1]。我國酸雨區(qū)主要分布在南方,該區(qū)大部分屬于亞熱帶季

3、風(fēng)氣候區(qū),受不同經(jīng)緯度的水熱條件及生物因素的影響,分布的土壤有黃棕壤、黃壤、紅壤、赤紅壤及磚紅壤[1,4,5]。酸雨不斷地進入土壤,引起土壤酸化,可使地上植物受害,嚴(yán)重酸化土壤滲漏水以及酸雨本身進入水生生態(tài)系統(tǒng)后也可引起湖泊河流水體酸化[20]。土壤酸化的特征和預(yù)測已成為土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)中的重要研究課題[6,22]。1土壤酸化土壤酸化主要是指土壤中的H+和Al+3數(shù)量增加,導(dǎo)致土壤陽離子庫的耗竭[25]。過去,歐洲與北美地區(qū),酸雨對地表水化學(xué)和水域生物體的不利影響是主要的環(huán)境問題[21,23],因酸雨引起的土壤酸化是西歐森林衰退的主要原因[21]。酸沉降引起土壤酸化的

4、問題曾出現(xiàn)爭議[11,25]。有學(xué)者認(rèn)為,與自然原因和土地利用方式相比,酸雨對北美和西歐土壤酸化作用相對較小[11],另有學(xué)者并不支持此觀點[25],爭論的焦點體現(xiàn)在質(zhì)子的負(fù)荷平衡關(guān)系上。根據(jù)Krug[11]的觀點,vanBreemenetal.(1984)[25]提出的質(zhì)子負(fù)荷概念不能估計土壤酸化速率,只能解釋質(zhì)子的凈轉(zhuǎn)化,原因是這一概念排除了有機物質(zhì)積累產(chǎn)生的酸化作用。因此,在評價自然與人為因素對土壤酸化作用時,有必要明確土壤酸化的概念[8]。1.1土壤酸化的概念pH通常用來表征土壤溶液酸度,土壤固液相發(fā)生的許多重要化學(xué)反應(yīng)受pH控制。酸沉降引起土壤和地表水酸化也

5、受土壤中化學(xué)過程的控制[18],外源H+和內(nèi)源H+僅僅是土壤pH值變化的部分原因[25]。vanBreemenetal.(1984)按照土壤酸度的容量概念定義土壤酸化:土壤酸化是指土壤無機組分酸中和容量(ANC)的下降。在稀溶液體系中,酸中和容量(ANC)是用強酸,如通常用H2SO4滴定到參照pH值(大約4.5)時的酸加入量:ANC(aq.ref.pH4.5)=[HCO-3]+2[CO-23]+[RCOO-]+[OH-]–[H+]……………………(1)上式中,[]代表摩爾濃度,RCOO-代表有機陰離子。同樣也可定義礦質(zhì)土壤組分的酸中和容量ANCS。ANCS=6[Al2

6、O3]+6[Fe2O3]+2[FeO]+4[MnO2]+2[MnO]+2[CaO]+2[MgO]+2[Na2O]+2[K2O]2[SO3]-2[P2O5]-[HCl](2)或?qū)懗桑篈NCS=BS-AS(3)上式中,S代表礦質(zhì)土壤,B代表堿組分,A代表強酸組分。式(2)中不包含弱酸組分,如CO2(S)SiO2(S)和H2S(S),這是因為土壤pH值2~5范圍內(nèi),這些組分不能接受或釋放質(zhì)子;N的組分也未包括在ANCS[25]是因為礦質(zhì)土壤中氮的含量也很低。土壤酸化或者說ANC王代長等:酸沉降下加速土壤酸化的影響因素5下降,僅僅是反映礦質(zhì)土壤陽離子的凈損失或陰離子的凈積累。

7、簡化計算表達式(2)中未包含有機質(zhì)的作用,在考慮土壤酸化作用時,有機物表面的官能團(-COO-)吸附的鹽基離子與氫質(zhì)子發(fā)生交換反應(yīng),也對ANC有貢獻,特別是N和S在有機物中的積累會增加強酸組分的含量[10],從而降低ANC。關(guān)于酸雨的影響,歐洲與北美的研究重點集中在N和S的地球生物化學(xué)過程上,有機物中N和S的積累是土壤酸化的潛在來源[10,18],正如S在無機組分中積累一樣,有機硫也應(yīng)該包括在ANC的概念之中。土壤中積累的N和S化合物經(jīng)過土壤有機質(zhì)的礦質(zhì)化過程、硝化過程和氧化過程產(chǎn)生氫質(zhì)子,導(dǎo)致質(zhì)子負(fù)荷增大。Eriksson[9](1998)建立土壤

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