紫色土—作物系統(tǒng)對(duì)酸雨的響應(yīng)與機(jī)理研究.pdf

1、隨著工業(yè)的不斷發(fā)展以及世界人口的劇增，化石燃料能源如煤和石油等的消耗量日益增加?；剂夏茉吹氖褂茫沟么髿庵械牧蜓趸?、氮氧化物的濃度增高，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)形成酸，最終通過雨、霧等形式降落形成酸雨。在酸雨的長期作用下，將會(huì)給陸地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、水生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的危害。大量研究表明，土壤經(jīng)過酸雨淋洗，其土壤鹽基離子淋失增加，氧化鐵活性提高，土壤團(tuán)聚體形成的膠結(jié)物質(zhì)數(shù)量減少，品質(zhì)下降，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)性變差，加速土壤侵蝕；其

2、次是鉛、鋁等有害離子大量釋放，酸雨淋洗植物造成植物營養(yǎng)元素的析出，使得植物營養(yǎng)失衡，影響植株的光合速率和硝酸還原酶(NR)與谷氨酸合成酶(GOGAT)活性，在一定程度上抑制植物的營養(yǎng)生長和生殖生長。因此，控制酸雨和土壤酸性化是可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中必須解決的一個(gè)重大環(huán)境問題。 紫色土的化學(xué)成分具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，盡管在亞熱帶濕潤地區(qū)，紫色巖發(fā)育的土壤多呈中性至微堿性，但由于酸性沉降物的影響，己造成局部地區(qū)紫色土酸化。重慶長期的酸沉降

3、污染，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成的累積效應(yīng)，雖然近幾年來加強(qiáng)對(duì)大氣污染治理，酸雨污染形勢總體上呈下降趨勢，但下降的程度比較小，形勢不容樂觀，酸雨污染依然嚴(yán)重。 基于以上原因，本研究通過模擬實(shí)驗(yàn)，田間試驗(yàn)，并結(jié)合調(diào)查研究，對(duì)紫色土一作物系統(tǒng)對(duì)酸雨的響應(yīng)與機(jī)理進(jìn)行了多方面深入的研究，以期對(duì)西南地區(qū)酸雨問題的防治具有一定的科學(xué)價(jià)值和參考意義。 研究結(jié)果顯示，中性紫色土在pH 3.0和4.0的模擬酸雨淋洗后，pH值也開始明顯降低，p

4、H 4.0的酸雨是長期潛在地影響中性和酸性紫色土酸化的一個(gè)臨界降雨pH值；石灰性紫色土在模擬酸雨1年和5年雨量處理后，土壤pH不但沒有降低，反而略有升高，僅在經(jīng)過pH 3.0和4.0的模擬酸雨10年雨量淋洗處理后過程，土壤pH略有下降，但其pH仍處在堿性水平，這反映了該土壤中CaCO<,3>的高度緩沖能力；隨酸雨淋洗時(shí)間的加長，交換性Ca<'2+>和Mg<'2+>隨處理pH的降低而明顯地減少，在長期的酸雨淋洗下，可促進(jìn)土壤礦物分解，而釋

5、放出K<'+>、Na<'+>；酸雨浸入土壤的初期，無論是否有土壤pH的顯著變化，微生物都有較靈敏的反應(yīng)：真菌的數(shù)量一般是隨土壤pH的下降而上升，但當(dāng)土壤pH<3.50時(shí)，土壤中的真菌數(shù)明顯降低，這一pH值可能是真菌的臨界的pH值。中性和酸性紫色土被酸雨酸化后，土壤中脫氫酶、脲酶和過氧化氫酶受到酸雨極明顯的抑制作用，而在一定酸性條件下，卻促進(jìn)了轉(zhuǎn)化酶的活性。石灰性紫色土中的氫酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶和過氧化氫酶與土壤pH均無顯著相關(guān)關(guān)系，表明石灰

6、性土壤對(duì)酸雨危害有較大的抵御能力。酸雨雨水對(duì)蔬菜根系生長有直接的影響，雨水酸度越高，對(duì)蔬菜根系的生長影響越大，其臨界pH值在4.0～5.0之間；酸雨淋洗的中性和酸性紫色土上種植的萵苣和四季豆，其根系活動(dòng)和葉片硝酸還原酶活性二項(xiàng)生理指標(biāo)均隨致酸后的土壤pH值下降而減弱，根長及根重均明顯下降，但在石灰性紫色土中的變化不大；盆栽試驗(yàn)結(jié)果顯示，在中性和酸性紫色土上生長的蔬菜，生物量隨土壤pH值的降低而下降：田間試驗(yàn)的結(jié)果是，對(duì)照區(qū)單位面積蔬菜產(chǎn)

7、量>酸雨輕污染區(qū)>酸雨重污染區(qū)。 土壤中硝態(tài)氮量受施肥量和降雨量影響明顯，不同施肥處理其淋失量大小排序均為OM+CF>CF>OM>CK，與施肥過程中氮添加量一致，淋失過程主要集中在雨季(6，7，8月)。同一施肥處理，土壤硝態(tài)氮的淋失量隨降雨pH值的升高而增加。在酸雨淋洗下，土壤酸度不斷增加，抑制了土壤的銨化和硝化過程，從而減少了硝態(tài)氮的淋失量。混合肥處理結(jié)果表明，有機(jī)肥的施用在一定程度上可以抑制強(qiáng)酸性降雨對(duì)土壤硝態(tài)氮淋失的影響，

8、起到保持土壤肥力的作用。酸雨對(duì)土壤氮循環(huán)的影響，一方面，由于酸雨影響了作物的正常生長，使蔬菜從土壤中吸收氮量在不同的酸雨影響區(qū)有明顯的差異；另一方面，從田間試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)土壤硝態(tài)氮、氨態(tài)氮的淋失量會(huì)隨著降水酸度的提高而提高。 土壤磷元素在不同施肥處理下淋失量大小排序與硝態(tài)氮特征相同，同樣受到施肥量和降雨量的影響。其中混合肥和化肥處理，由于磷的施肥量大幅增加，土壤磷元素的淋失量明顯大于有機(jī)肥和對(duì)照處理。不同施肥處理土壤磷元素

9、淋失對(duì)酸雨的響應(yīng)略有不同，總體來說，pH值為5.5是一個(gè)臨界點(diǎn)，土壤磷元素淋失量最大。可以推測大多數(shù)土壤酸性磷酸酶活性的最適pH值為5.5，此時(shí)土壤有效磷含量最高，在酸雨的淋洗下促進(jìn)了土壤磷元素的淋失。土壤中磷的釋放是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，主要發(fā)生在6～10月，時(shí)間跨度比較長。酸雨對(duì)土壤磷循環(huán)的影響主要是通過影響作物的正常生長，使蔬菜從土壤中吸收磷量在不同的酸雨影響區(qū)有明顯的差異，而蔬菜對(duì)磷的吸收是該系統(tǒng)土壤磷輸出的主要途徑，由此影響到土

10、壤一蔬菜系統(tǒng)中磷的周轉(zhuǎn)。 土壤中硝態(tài)氮的淋失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磷元素。硝態(tài)氮溶解度高，移動(dòng)性強(qiáng)，易于淋失；相比之下，土壤對(duì)磷的固定能力較強(qiáng)，施入土壤中的磷大部分轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰兹芙獾墓潭☉B(tài)磷而被固定下來，但是磷元素是水體富營養(yǎng)化的限制因子，其淋失量不容忽視。 酸雨可促進(jìn)紫色土重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)化，改變紫色土重金屬各賦存形態(tài)的比例，提高有效態(tài)的含量和比例；降低土壤對(duì)重金屬離子的吸附能力和吸附量，提高解吸率，促進(jìn)蔬菜對(duì)土壤重金屬的吸收。試驗(yàn)也

11、發(fā)現(xiàn)，鎘、鋅對(duì)植物的生物有效性與鎘、鋅的存在形態(tài)、相互作用以及土壤pH值密切相關(guān)。從回歸分析和偏相關(guān)分析的結(jié)果可以看出，可交換態(tài)鎘、鋅與植物鎘、鋅含量之間存在顯著相關(guān)性，可交換態(tài)鎘、鋅對(duì)植物吸收累積鎘、鋅的貢獻(xiàn)較大，是鎘、鋅從土壤流向植物的主要渠道。 而其他形態(tài)的鎘、鋅對(duì)植物鎘、鋅含量之間的關(guān)系與酸雨的影響有重要的關(guān)系，且在不同pH值的土壤中其影響也明顯不同。在土壤pH值呈中性的土壤中，酸雨促進(jìn)了植物對(duì)碳酸鹽結(jié)合態(tài)和氧化錳結(jié)合態(tài)

12、鎘、鋅的吸收，而在土壤pH值呈酸性的土壤中，酸雨使碳酸鹽結(jié)合態(tài)和氧化錳結(jié)合態(tài)鎘的直接貢獻(xiàn)系數(shù)明顯下降，與此同時(shí)，碳酸鹽結(jié)合態(tài)和氧化錳結(jié)合態(tài)鋅的直接貢獻(xiàn)系數(shù)呈顯著上升，超過可交換態(tài)鋅成為對(duì)植物鋅含量貢獻(xiàn)較大的形態(tài)，特別是氧化錳結(jié)合態(tài)鋅，其貢獻(xiàn)系數(shù)處在第一位。土壤的pH值對(duì)鎘、鋅的累積有著重要的影響，鎘、鋅的累積率隨著土壤pH值的下降而上升，這表明隨著土壤pH值的下降，鎘、鋅復(fù)合污染的潛在威脅呈上升趨勢，而酸雨的影響將會(huì)進(jìn)一步加速這種趨勢。

13、同時(shí)，植株對(duì)重金屬鎘、鋅的累積率有著明顯的不同，鎘的累積率要遠(yuǎn)大于鋅的累計(jì)率，說明鎘遷移性較強(qiáng)，易被作物所吸收，對(duì)人體的潛在威脅最大。酸雨對(duì)土壤鎘、鋅吸附與解吸動(dòng)力學(xué)特性均有影響，十壤對(duì)鎘、鋅的解吸量及解吸率都隨著酸雨pH值的降低而升高，其解吸率順序?yàn)镃d

14、對(duì)于中性土，酸雨和施肥兩種因子的交互作用不顯著；對(duì)于酸性紫色土，酸雨和施肥的交互作用都達(dá)到極顯著，表明酸雨和施肥共同作用加大了對(duì)土壤酸化的危害。因此，對(duì)于酸緩沖能力較小的酸性紫色土，應(yīng)重視農(nóng)田的施肥措施。酸性降水和施用肥料這兩種因素單獨(dú)作用于紫色土?xí)r，并未對(duì)土壤鹽基離子淋失產(chǎn)生影響，當(dāng)兩種因素同時(shí)作用于紫色土?xí)r，則加劇了土壤鹽基離子的淋失。在單施有機(jī)肥條件下酸性降水對(duì)土壤緩沖性能的破壞最小，但對(duì)單施化肥處理的土壤緩沖性能的破壞較大，對(duì)有

15、機(jī)肥和化肥混合施用處理的土壤緩沖性能的破壞最大。N、P、K肥三種肥料的均衡施用對(duì)土壤酸化的影響較小，施豬糞及秸桿還田也能對(duì)土壤酸化進(jìn)行緩解。氮磷鉀化肥和豬糞混施、施用氮磷鉀化肥加秸桿還田、過量施用化肥、施用含氯化肥、稻一油輪作等農(nóng)業(yè)措施則會(huì)加速田間土壤的酸化。 重慶市紫色土大部分屬于對(duì)酸輸入不敏感的土壤，紫色土的酸害容量均大大高于50mmol/kg的酸敏感標(biāo)準(zhǔn)。紫色土的酸害容量有石灰性紫色土>中性紫色土和酸性紫色土>強(qiáng)酸性紫色土