趙金金，黃顯懷，錢婧

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境污染控制與廢棄物資源化利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

酸雨是全球都正在面臨的生態(tài)環(huán)境問題。自然與人的某些行為方式都會(huì)產(chǎn)生酸雨現(xiàn)象，自然主要是通過生物腐爛、海洋霧沫、火山爆發(fā)、閃電和細(xì)菌分解等方式產(chǎn)生酸雨，但其中最主要的原因是人為排放大量的酸性物質(zhì)。中國(guó)是繼歐洲、北美之后的第三大酸雨區(qū)。由于對(duì)酸雨的研究分析還不夠深入，酸雨所產(chǎn)生的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，它對(duì)人類生活和環(huán)境所產(chǎn)生的影響受到了廣泛的關(guān)注。

近年來，我國(guó)酸雨的污染隨著治理和人為控制取得了一定成效。由于土壤是酸雨的直接受體，它會(huì)通過抑制土壤呼吸、土壤微生物和酶的活性導(dǎo)致CO排放量減少，從而對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生影響。此外，酸雨還會(huì)通過阻礙土壤中植物根系吸收所需營(yíng)養(yǎng)元素打破土壤中碳、氮、磷元素的平衡關(guān)系。酸雨所產(chǎn)生的影響不容忽視，因此，需要加強(qiáng)對(duì)酸雨歷史特征的變化進(jìn)行深入分析，采取相應(yīng)的措施保護(hù)環(huán)境、減少污染、降低經(jīng)濟(jì)損失。

1 土壤中的碳

1.1 土壤中碳的種類及作用

陸地生態(tài)系統(tǒng)中的最大碳庫是土壤碳庫，也是全球最重要的自然碳庫之一，其包括1 550 Gt（1 Gt=1×10噸）土壤有機(jī)碳和950 Gt土壤無機(jī)碳。儲(chǔ)量分別約為植被碳庫的3-4 倍（約550 Gt）。由于土壤碳的微小變化會(huì)引起大氣中二氧化碳濃度的顯著變化，影響全球碳平衡以及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致全球氣候變化。因此，了解土壤碳及其動(dòng)態(tài)變化對(duì)土壤碳素的固持、生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)都具有重要的意義。土壤中的碳可分為有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）和無機(jī)碳（Soil inorganic carbon，SIC），其中土壤SIC 主要由土壤原生和次生碳酸鹽兩種形態(tài)的碳組成，大面積固存于碳酸巖母質(zhì)中。因SIC 循環(huán)周期長(zhǎng)（千年尺度），在短期碳循環(huán)（百年尺度）中的作用微弱。目前對(duì)SIC 的研究相對(duì)較少，而更多地集中于SOC 的相關(guān)研究。

有機(jī)碳庫是隨著土壤中物質(zhì)輸入和輸出的相對(duì)大小的變化而發(fā)生變化的。此外，碳源物質(zhì)在土壤中的分解、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化之間存在密切聯(lián)系。依據(jù)物理化學(xué)性質(zhì)的不同，SOC 可分為不同類型，例如，根據(jù)土壤復(fù)合體顆粒的大小，可將SOC 分為顆粒有機(jī)碳（POC，53-2 000 μm）和粘粒有機(jī)碳（COC，<53 μm）；根據(jù)密度大小，可分為輕組有機(jī)碳（LFOC）和重組有機(jī)碳（HFOC）；根據(jù)SOC 化學(xué)組分的不同可分為溶解性有機(jī)碳（DOC）、酸水解性有機(jī)碳（AHOC）和易氧化有機(jī)碳等（EOC）。SOC 不僅是土壤最基本的結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)成土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)，而且在土壤肥力中它也極其重要，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。SOC含量增加，能夠節(jié)約土壤水分、提高肥料性能、提高土壤肥力。此外，土壤陽離子交換量（CEC）和土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)都能得到改善。SOC 在土壤微生物活動(dòng)的供應(yīng)方面也發(fā)揮著積極的作用，促進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳及其它土壤養(yǎng)分元素及物質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化與循環(huán)過程。由于SOC 對(duì)土壤肥力、作物產(chǎn)量和生態(tài)環(huán)境起著重要作用，因此，探究土壤中的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程和SOC 功能一直都是土壤科學(xué)的研究熱點(diǎn)。

1.2 土壤中的碳循環(huán)

地球碳循環(huán)過程是指碳在水圈、大氣圈、生物圈以及巖石圈之間以CO（以CaCO，MgCO為主）、HCO-、二氧化碳（CO）、甲烷（CH）、（CHO）等形式轉(zhuǎn)換和運(yùn)移的過程。由于土壤是連接水圈、大氣圈、巖石圈以及生物圈的紐帶。因此，研究地球生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程，首先需要弄清土壤中的碳循環(huán)過程?？傮w來說，SOC 主要來源是動(dòng)植物殘?bào)w，經(jīng)土壤微生物分解轉(zhuǎn)化后形成CO等氣體釋放進(jìn)入大氣。同時(shí)，植物通過光合作用將大氣中的CO固持在土壤中（圖1），以這種方式完成SOC循環(huán)過程。

圖1 有機(jī)碳在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)機(jī)制

SOC 的含量可視為土壤有機(jī)碳投入和分解兩個(gè)過程多年平衡的表達(dá)，由于受土壤所處的環(huán)境氣候和土壤地質(zhì)等條件的影響，SOC 含量差別較大。目前，影響土壤SOC 含量的主要因素分為自然因素和人為因素兩種，其中關(guān)于自然因素如氣候、土壤類型、地形特征等對(duì)SOC 儲(chǔ)量影響的相關(guān)研究較多。由于城市化和工業(yè)化的高速發(fā)展，汽車擁有量的增加，導(dǎo)致大氣中酸雨的前體物（SO、NO）等濃度增加。目前，酸雨對(duì)土壤環(huán)境的影響愈加明顯。土壤系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本組成部分，也是酸雨的最終受體。經(jīng)酸雨淋溶的土壤酸化進(jìn)程會(huì)不斷加劇，導(dǎo)致土壤微生物量中的碳含量下降和土壤呼吸速率的降低，土壤微生物的數(shù)量和群落組成結(jié)構(gòu)受到影響。鑒于此，本文將針對(duì)酸雨對(duì)土壤有機(jī)碳含量及轉(zhuǎn)化機(jī)制的影響進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

2 酸雨對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

2.1 酸雨對(duì)土壤中碳礦化影響

土壤中有機(jī)碳的微生物降解釋放和分解CO的過程稱為碳礦化，在調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和碳循環(huán)方面起著重要作用。前期研究表明，不同的土壤類型、土地利用方式和地形特征等都會(huì)在一定程度上影響土壤碳的礦化過程。土壤中有毒金屬離子活性增加、土壤結(jié)構(gòu)變差、土壤肥力降低現(xiàn)象都是由酸雨造成的土壤酸化所導(dǎo)致的結(jié)果。同時(shí)，酸雨改變土壤微生物的活性及抑制參與有機(jī)碳循環(huán)的土壤酶活性，包括改變土壤關(guān)鍵性酶的肽鏈構(gòu)象、氨基酸殘基微環(huán)境，從而導(dǎo)致土壤微生物對(duì)碳源利用率的下降，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的累積。

酸雨對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的危害十分嚴(yán)重。因此，國(guó)內(nèi)外都在相繼開展與酸雨相關(guān)的研究。酸沉積會(huì)改變微生物活性、酶活性和微生物種群組成。從而對(duì)土壤中碳礦化產(chǎn)生影響。吳杰民等研究表明，土壤酸化現(xiàn)象、微生物和土壤酶活性會(huì)隨著酸雨的酸度增加而降低，而且抑制作用明顯，影響土壤碳循環(huán)過程。根據(jù)土壤的理化學(xué)性質(zhì)不同，酸雨對(duì)土壤有機(jī)碳的影響也有明顯的差異。朱雪竹研究結(jié)果表明，在強(qiáng)酸性酸雨（pH=3.0）下，酸性水稻土有機(jī)碳的分解速率比堿性和中性高的多。吳建平研究結(jié)果表明，短期內(nèi)酸雨對(duì)于土壤碳的含量沒有顯著的影響，但是長(zhǎng)期淋溶會(huì)增加土壤酸化，導(dǎo)致土壤微生物含量和土壤呼吸速率降低，對(duì)土壤微生物的數(shù)量和群落組成結(jié)構(gòu)有一定的影響，使土壤碳含量發(fā)生變化。

綜上所述，酸雨是通過影響酶的活性、改變土壤結(jié)構(gòu)和微生物活動(dòng)造成土壤酸化和土壤貧瘠的現(xiàn)象，會(huì)使土壤中有機(jī)碳含量的減少、礦化作用減弱、阻礙農(nóng)作物種子萌發(fā)、抑制農(nóng)作物生長(zhǎng)，從而誘發(fā)植物病蟲害導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，破壞農(nóng)作物的品質(zhì)。此外，酸沉降還會(huì)通過改變土壤有機(jī)碳的狀態(tài)來減弱SOC 的礦化過程，對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生影響，造成大氣中CO濃度升高，從而會(huì)加劇溫室效應(yīng)。

2.2 酸雨對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的作用

土壤團(tuán)聚體是土壤中最基本的結(jié)構(gòu)單位，而且是土壤中固定碳和氮的重要場(chǎng)所。它的穩(wěn)定性與土壤有機(jī)質(zhì)相關(guān)。研究結(jié)果表明，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)因?yàn)橥寥赖膒H 值而產(chǎn)生消極影響。許中堅(jiān)研究表明，酸雨是通過調(diào)節(jié)土壤酸堿度和膠結(jié)物質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚產(chǎn)生影響，Al（OH）和Fe（OH）吸附作用隨著土壤pH 降低而降低，土壤大團(tuán)聚體很難形成，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性隨之降低。由于土壤酸化，土壤中的酸根和氯根在土壤中大量積累，H將土壤膠體表面的Ca、Mg置換出來，土壤膠體表面吸附的H增多，土壤難以形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。林琳等認(rèn)為，在快速酸雨淋溶作用下，土壤>0.25 mm 團(tuán)聚體（diameter of more than 0.25mm，DR0.25）含量隨著降雨酸度升高而顯著減少。同時(shí)，土壤鹽基流失、土壤膠體不穩(wěn)定、土壤膠粒凝聚不能絮凝都是由酸雨導(dǎo)致的結(jié)果。酸沉降通過改變土壤的酸堿條件、土壤膠體的穩(wěn)定性、土壤膠結(jié)物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，從而對(duì)土壤顆粒團(tuán)聚和有機(jī)無機(jī)化合物產(chǎn)生影響，其結(jié)果是團(tuán)聚作用降低，粘性顆粒含量增加，導(dǎo)致土壤的腐蝕性增強(qiáng)。

土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與SOC 含量關(guān)系密切。土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和大小分布是由SOC 含量決定的，土壤團(tuán)聚體形成結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性又反過來作用于SOC 的儲(chǔ)存、分解和轉(zhuǎn)化。趙世偉等研究結(jié)果指出，土壤團(tuán)聚體粒徑的增加，則土壤有機(jī)碳含量增高。由于土壤團(tuán)聚體形成初期主要是土壤有機(jī)碳的粘合發(fā)揮作用，較小粒徑的團(tuán)聚體經(jīng)過團(tuán)聚和有機(jī)碳的再分配所形成大團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并對(duì)土壤中的碳起到很好的固定作用。

此外，土壤團(tuán)聚體可通過其自身的特性對(duì)土壤SOC 的有效性起限制作用，土壤團(tuán)聚體發(fā)生變化的同時(shí)也會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化產(chǎn)生影響，土壤中大團(tuán)聚體的有機(jī)碳礦化速率是遠(yuǎn)高于微團(tuán)聚體。因此，長(zhǎng)期持續(xù)性的酸雨會(huì)導(dǎo)致土壤的團(tuán)聚效應(yīng)降低，破壞大的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，降低其穩(wěn)定性，使大團(tuán)聚體難以形成，從而降低了土壤有機(jī)碳的礦化速率。今后探討酸雨對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性機(jī)理還需要與土壤有機(jī)碳礦化相結(jié)合進(jìn)行更深一步的研究。

2.3 酸雨與土壤中碳、氮、磷元素的平衡關(guān)系

植物生長(zhǎng)離不開土壤中的C、N 和P，三者密切相關(guān)。其中，土壤中C/N 比可作為土壤C、N 營(yíng)養(yǎng)平衡狀況的重要預(yù)測(cè)指標(biāo)。而土壤C/P 比則是作為土壤有機(jī)物質(zhì)釋放磷和吸收固持磷素的指標(biāo)。初步研究結(jié)果表明，土壤C、N、P 之間有一定的平衡，土壤遷移和轉(zhuǎn)化過程是相互影響、相互制約的，在此基礎(chǔ)上提出了生態(tài)化學(xué)計(jì)量（Ecological stoichiometry）概念。

目前，關(guān)于酸雨所導(dǎo)致的土壤N 和P 流失的相關(guān)研究，學(xué)者們并沒有達(dá)成統(tǒng)一共識(shí)。例如，Guo J H 等在研究中國(guó)農(nóng)田土壤酸化問題時(shí)，指出酸雨可改變土壤理化性質(zhì)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，加快C、N 元素的淋失，進(jìn)而降低土壤肥力；吳建平等進(jìn)行了南亞熱帶森林土壤有機(jī)碳對(duì)模擬降雨的早期響應(yīng)研究，認(rèn)為酸雨會(huì)導(dǎo)致土壤N 含量增加，使土壤呼吸速率降低以及C 釋放減少，有利于C 的積累；張新明等在模擬酸雨對(duì)氮素移植和酸化影響荔枝園土壤潛力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土壤中不同形態(tài)的N（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮）淋失量和磷元素的有效性會(huì)隨酸雨的pH 值增大而下降。此外，土壤碳氮比、氮磷比、碳磷比、對(duì)SOC 儲(chǔ)量具有良好的指示作用。土壤C、N、P 化學(xué)計(jì)量學(xué)特征對(duì)一定酸度的降水變化存在一定的響應(yīng)機(jī)制。酸雨加劇土壤酸化，使得土壤的pH 降低，碳氮比會(huì)顯著增加，有利于土壤碳氮的積累。土壤C 的分解和積累速率又會(huì)隨著土壤N、P 有效性降低而減小。梁國(guó)華等研究表明，當(dāng)表層土壤C 含量增加時(shí)，P的含量呈一定下降趨勢(shì)，C/N、C/P 和N/P 在長(zhǎng)期模擬酸雨條件下均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；王文娟等則認(rèn)為，模擬酸雨并未顯著改變土壤C、N、P 含量。

由于各研究地區(qū)的土壤類型、氣候、土壤養(yǎng)分元素組成等不同，酸雨對(duì)土壤C/N/P 影響的研究結(jié)果存在一定的差異性。無論酸雨是增加或減少土壤中的碳、氮或磷元素含量，都會(huì)打破這三種營(yíng)養(yǎng)元素在土壤中的平衡關(guān)系，影響土壤中的微生物和動(dòng)植物的活性。這一現(xiàn)象闡釋了生態(tài)化學(xué)計(jì)量的概念，土壤生態(tài)系統(tǒng)中的C、N 和P 含量之間有一定的平衡。當(dāng)土壤中某一元素的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其他元素的分解和轉(zhuǎn)化過程也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的改變。

3 研究與展望

目前，酸雨對(duì)土壤中碳含量和轉(zhuǎn)化機(jī)理研究取得進(jìn)展，但研究酸雨的理論體系不夠完善，許多問題還沒能夠得到解決。目前的研究形式比較單一，影響研究的因素描述不夠清晰。由于模擬酸雨實(shí)驗(yàn)研究的單一性的影響，很難評(píng)價(jià)酸雨對(duì)土壤的影響。此外，由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)中采用的方法不同，研究結(jié)果可能也會(huì)有所不同，甚至相互矛盾。因此，今后研究酸雨對(duì)土壤有機(jī)碳固碳和轉(zhuǎn)化影響可以從以下幾個(gè)方面擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)：

3.1 多種因素耦合關(guān)系研究

自然界中酸雨并不是唯一會(huì)對(duì)土壤碳含量產(chǎn)生變化的因素。在酸沉降背景下，同時(shí)伴隨著溫室效應(yīng)、N 沉降、降水模式的改變等全球變化過程，土壤的碳循環(huán)都會(huì)隨著這些問題的變化而發(fā)生變化?，F(xiàn)有的研究更多是探討單一變量處理對(duì)土壤所產(chǎn)生的影響，很少和其它因素相結(jié)合。比如：在研究酸雨對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素產(chǎn)生的影響中，有的研究認(rèn)為土壤酸化會(huì)造成C、N 的淋失，而有的研究卻得出土壤酸化有利于N 含量的增加和C 的積累，這是兩種完全相反的結(jié)果。因此，今后應(yīng)考慮多種因素共同作用的研究。例如：評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和有機(jī)碳的遷移轉(zhuǎn)化能力時(shí)，應(yīng)考慮與核磁共振波譜、斷層射線掃描、紅外光譜等技術(shù)相結(jié)合，從微觀角度分析土壤中團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)的組成情況。而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的測(cè)評(píng)，可以從土壤中的酶、有機(jī)質(zhì)、土壤微生物量碳等方面進(jìn)行組合分析。這將有利于進(jìn)一步總結(jié)土壤碳排放的變化趨勢(shì)與規(guī)律。

3.2 不同的酸雨類型組合研究

酸雨分為硫酸、硝酸和混合酸雨三種。不同類型酸雨所含的酸性離子濃度存在差異，其中硫酸型酸雨主要的酸根離子是SO，硝酸型酸雨主要的酸根離子則是NO。由于酸根離子不同，不同類型酸雨對(duì)農(nóng)作物的抑制作用也存在差異。有研究表明，當(dāng)酸雨濃度較強(qiáng)時(shí)（pH<3.1），硝酸型酸雨對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的抑制作用要大于硫酸型和混合型酸雨。而有研究表明，輕度（pH=4.5）硝酸型酸雨對(duì)植物的促進(jìn)作用要高于硫酸型酸雨，重度（pH=2.0）硝酸型酸雨對(duì)植物的抑制作用要低于硫酸型酸雨。我國(guó)主要以燃煤為主，燃煤產(chǎn)物是主要的酸性物質(zhì)，逐漸呈混合酸雨趨勢(shì)。當(dāng)酸雨的類型發(fā)生變化后，會(huì)降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而對(duì)土壤中碳的含量造成影響。因此，針對(duì)不同類型的酸雨開展實(shí)驗(yàn)，能夠?yàn)橥寥乐刑己康膭?dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)研究提供科學(xué)依據(jù)。

3.3 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的觀測(cè)

自然環(huán)境是處于不斷變化的過程，而室內(nèi)模擬在酸雨成分、雨滴大小、降雨歷時(shí)、降雨頻率、溫度、光照等方面都是控制在一定范圍之內(nèi)的，與自然降雨完全不同。但這些因素恰恰與土壤有機(jī)碳的遷移和轉(zhuǎn)化息息相關(guān)，室內(nèi)模擬很難反映真實(shí)狀況。有研究表明，野外與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)存在著較大的差異，主要原因就是對(duì)溫度的把控不夠靈活，達(dá)不到像野外實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件，這也是造成室內(nèi)模擬結(jié)果理想，而運(yùn)用在實(shí)際中卻出現(xiàn)截然不同結(jié)果的主要原因。因此，要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期定位，可以降低實(shí)驗(yàn)的偶然性。不同位置長(zhǎng)期定點(diǎn)的觀測(cè)，研究結(jié)果更真實(shí)可靠。與模擬酸雨的試驗(yàn)相比，它能更充分地反映酸雨對(duì)土壤的影響，為保護(hù)土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與安全提供理論指導(dǎo)。