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《西南大学》 2007年
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紫色土—作物系统对酸雨的响应与机理研究

张华  
【摘要】: 随着工业的不断发展以及世界人口的剧增,化石燃料能源如煤和石油等的消耗量日益增加。化石燃料能源的使用,使得大气中的硫氧化物、氮氧化物的浓度增高,经过化学反应形成酸,最终通过雨、雾等形式降落形成酸雨。在酸雨的长期作用下,将会给陆地生态系统、农业生态系统、水生态系统带来巨大的危害。大量研究表明,土壤经过酸雨淋洗,其土壤盐基离子淋失增加,氧化铁活性提高,土壤团聚体形成的胶结物质数量减少,品质下降,土壤团聚体的稳定性和结构性变差,加速土壤侵蚀;其次是铅、铝等有害离子大量释放,酸雨淋洗植物造成植物营养元素的析出,使得植物营养失衡,影响植株的光合速率和硝酸还原酶(NR)与谷氨酸合成酶(GOGAT)活性,在一定程度上抑制植物的营养生长和生殖生长。因此,控制酸雨和土壤酸性化是可持续发展进程中必须解决的一个重大环境问题。 紫色土的化学成分具有较强的化学稳定性,尽管在亚热带湿润地区,紫色岩发育的土壤多呈中性至微碱性,但由于酸性沉降物的影响,己造成局部地区紫色土酸化。重庆长期的酸沉降污染,给当地农业生态系统造成的累积效应,虽然近几年来加强对大气污染治理,酸雨污染形势总体上呈下降趋势,但下降的程度比较小,形势不容乐观,酸雨污染依然严重。 基于以上原因,本研究通过模拟实验,田间试验,并结合调查研究,对紫色土—作物系统对酸雨的响应与机理进行了多方面深入的研究,以期对西南地区酸雨问题的防治具有一定的科学价值和参考意义。 研究结果显示,中性紫色土在pH 3.0和4.0的模拟酸雨淋洗后,pH值也开始明显降低,pH 4.0的酸雨是长期潜在地影响中性和酸性紫色土酸化的一个临界降雨pH值;石灰性紫色土在模拟酸雨1年和5年雨量处理后,土壤pH不但没有降低,反而略有升高,仅在经过pH 3.0和4.0的模拟酸雨10年雨量淋洗处理后过程,土壤pH略有下降,但其pH仍处在碱性水平,这反映了该土壤中CaCO_3的高度缓冲能力;随酸雨淋洗时间的加长,交换性Ca~(2+)和Mg~(2+)随处理pH的降低而明显地减少,在长期的酸雨淋洗下,可促进土壤矿物分解,而释放出K~+、Na~+;酸雨浸入土壤的初期,无论是否有土壤pH的显著变化,微生物都有较灵敏的反应;真菌的数量一般是随土壤pH的下降而上升,但当土壤pH<3.50时,土壤中的真菌数明显降低,这一pH值可能是真菌的临界的pH值。中性和酸性紫色土被酸雨酸化后,土壤中脱氢酶、脲酶和过氧化氢酶受到酸雨极明显的抑制作用,而在一定酸性条件下,却促进了转化酶的活性。石灰性紫色土中的氢酶、转化酶、脲酶和过氧化氢酶与土壤pH均无显著相关关系,表明石灰性土壤对酸雨危害有较大的抵御能力。 酸雨雨水对蔬菜根系生长有直接的影响,雨水酸度越高,对蔬菜根系的生长影响越大,其临界pH值在4.0~5.0之间;酸雨淋洗的中性和酸性紫色土上种植的莴苣和四季豆,其根系活动和叶片硝酸还原酶活性二项生理指标均随致酸后的土壤pH值下降而减弱,根长及根重均明显下降,但在石灰性紫色土中的变化不大;盆栽试验结果显示,在中性和酸性紫色土上生长的蔬菜,生物量随土壤pH值的降低而下降;田间试验的结果是,对照区单位面积蔬菜产量酸雨轻污染区酸雨重污染区。 土壤中硝态氮量受施肥量和降雨量影响明显,不同施肥处理其淋失量大小排序均为OM+CF>CF>OM>CK,与施肥过程中氮添加量一致,淋失过程主要集中在雨季(6,7,8月)。同一施肥处理,土壤硝态氮的淋失量随降雨pH值的升高而增加。在酸雨淋洗下,土壤酸度不断增加,抑制了土壤的铵化和硝化过程,从而减少了硝态氮的淋失量。混合肥处理结果表明,有机肥的施用在一定程度上可以抑制强酸性降雨对土壤硝态氮淋失的影响,起到保持土壤肥力的作用。酸雨对土壤氮循环的影响,一方面,由于酸雨影响了作物的正常生长,使蔬菜从土壤中吸收氮量在不同的酸雨影响区有明显的差异;另一方面,从田间试验和模拟试验均发现土壤硝态氮、氨态氮的淋失量会随着降水酸度的提高而提高。 土壤磷元素在不同施肥处理下淋失量大小排序与硝态氮特征相同,同样受到施肥量和降雨量的影响。其中混合肥和化肥处理,由于磷的施肥量大幅增加,土壤磷元素的淋失量明显大于有机肥和对照处理。不同施肥处理土壤磷元素淋失对酸雨的响应略有不同,总体来说,pH值为5.5是一个临界点,土壤磷元素淋失量最大。可以推测大多数土壤酸性磷酸酶活性的最适pH值为5.5,此时土壤有效磷含量最高,在酸雨的淋洗下促进了土壤磷元素的淋失。土壤中磷的释放是一个相对缓慢的过程,主要发生在6~10月,时间跨度比较长。酸雨对土壤磷循环的影响主要是通过影响作物的正常生长,使蔬菜从土壤中吸收磷量在不同的酸雨影响区有明显的差异,而蔬菜对磷的吸收是该系统土壤磷输出的主要途径,由此影响到土壤—蔬菜系统中磷的周转。 土壤中硝态氮的淋失量远远大于磷元素。硝态氮溶解度高,移动性强,易于淋失;相比之下,土壤对磷的固定能力较强,施入土壤中的磷大部分转变为不易溶解的固定态磷而被固定下来,但是磷元素是水体富营养化的限制因子,其淋失量不容忽视。 酸雨可促进紫色土重金属形态的转化,改变紫色土重金属各赋存形态的比例,提高有效态的含量和比例;降低土壤对重金属离子的吸附能力和吸附量,提高解吸率,促进蔬菜对土壤重金属的吸收。试验也发现,镉、锌对植物的生物有效性与镉、锌的存在形态、相互作用以及土壤pH值密切相关。从回归分析和偏相关分析的结果可以看出,可交换态镉、锌与植物镉、锌含量之间存在显著相关性,可交换态镉、锌对植物吸收累积镉、锌的贡献较大,是镉、锌从土壤流向植物的主要渠道。而其他形态的镉、锌对植物镉、锌含量之间的关系与酸雨的影响有重要的关系,且在不同pH值的土壤中其影响也明显不同。在土壤pH值呈中性的土壤中,酸雨促进了植物对碳酸盐结合态和氧化锰结合态镉、锌的吸收,而在土壤pH值呈酸性的土壤中,酸雨使碳酸盐结合态和氧化锰结合态镉的直接贡献系数明显下降,与此同时,碳酸盐结合态和氧化锰结合态锌的直接贡献系数呈显著上升,超过可交换态锌成为对植物锌含量贡献较大的形态,特别是氧化锰结合态锌,其贡献系数处在第一位。土壤的pH值对镉、锌的累积有着重要的影响,镉、锌的累积率随着土壤pH值的下降而上升,这表明随着土壤pH值的下降,镉、锌复合污染的潜在威胁呈上升趋势,而酸雨的影响将会进一步加速这种趋势。同时,植株对重金属镉、锌的累积率有着明显的不同,镉的累积率要远大于锌的累计率,说明镉迁移性较强,易被作物所吸收,对人体的潜在威胁最大。酸雨对土壤镉、锌吸附与解吸动力学特性均有影响,土壤对镉、锌的解吸量及解吸率都随着酸雨pH值的降低而升高,其解吸率顺序为Cd<Zn。 无论在非酸性降水还是酸性降水下,化肥单独施用、化肥与有机肥混和施用都将导致土壤pH的明显下降,交换性酸和交换性铝增多,而有机肥单独施用则对土壤pH、交换性酸和交换性铝影响较小。对于中性土,酸雨和施肥两种因子的交互作用不显著;对于酸性紫色土,酸雨和施肥的交互作用都达到极显著,表明酸雨和施肥共同作用加大了对土壤酸化的危害。因此,对于酸缓冲能力较小的酸性紫色土,应重视农田的施肥措施。酸性降水和施用肥料这两种因素单独作用于紫色土时,并未对土壤盐基离子淋失产生影响,当两种因素同时作用于紫色土时,则加剧了土壤盐基离子的淋失。在单施有机肥条件下酸性降水对土壤缓冲性能的破坏最小,但对单施化肥处理的土壤缓冲性能的破坏较大,对有机肥和化肥混合施用处理的土壤缓冲性能的破坏最大。N、P、K肥三种肥料的均衡施用对土壤酸化的影响较小,施猪粪及秸杆还田也能对土壤酸化进行缓解。氮磷钾化肥和猪粪混施、施用氮磷钾化肥加秸杆还田、过量施用化肥、施用含氯化肥、稻—油轮作等农业措施则会加速田间土壤的酸化。 重庆市紫色土大部分属于对酸输入不敏感的土壤,紫色土的酸害容量均大大高于50mmol/kg的酸敏感标准。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>强酸性紫色土的规律。如果只考虑酸雨对土壤的影响,在短期内难于酸化。但城区污染源附近的土壤酸化速度很快,依据重庆市现有酸沉降量计算,九龙坡区电厂附近的土壤酸化速度很快,土壤pH值下降到4.0只需21.18a,下降到3.5只需70.40a。因此,应加大重庆市的硫排放量削减力度,防止土壤城区快速酸化。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:S154.4;X517

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3 陈晓燕;紫色土坡面土壤侵蚀预测模型应用研究[D];西南农业大学;2003年
4 唐家良;紫色土丘陵区种植模式生态环境效应研究[D];西南农业大学;2002年
5 木志坚;重庆地区紫色土锗的背景含量及分布特征[D];西南农业大学;2001年
6 段文军;紫色土荒坡地种植龙须草防治水土流失效应及其机理研究[D];湖南农业大学;2003年
7 姚军;紫色土坡耕地不同施肥水平下氮磷流失特征研究[D];西南大学;2010年
8 田秀英;定位施肥对稻麦产量和紫色土肥力的影响研究[D];西南农业大学;2001年
9 敬芸仪;四川盆地丘陵区紫色土电导率特性研究[D];四川农业大学;2005年
10 凌静;四川盆地中部紫色土土系划分研究[D];四川农业大学;2002年
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