湖南洞庭湖区土壤酸化及其对土壤质量的影响

酸雨沉降引起的土壤酸化是当前全球最大的环境问题之一,湖南洞庭湖地区是中国土壤酸化非常严重的地区之一。随着土壤的酸化,Cd和Pb等有害元素的水溶态和交换态含量上升,特别是土壤在碱性至弱酸性范围内,Cd的生物活性急剧提高,给农作物安全生产带来了危害。土壤酸化还造成K、Na、Ca、Mg等盐基离子大量淋失,有益元素有效态含量也急剧减少,土壤肥力下降,养分贫瘠,土壤质量下降。针对土壤酸化带来的种种影响,提出了建议:提高能源利用率;增施有机肥,提高土壤缓冲能力;改进施肥结构;适量施用石灰、白云石粉,调整土壤pH值。     

模拟酸雨对阳离子在土体内迁移的影响

利用室内模拟酸雨的土柱实验,研究了在红壤表土施用钾肥后酸雨对不同土层交换性阳离子迁移的影响.结果表明,在不同土体深度,表土直接受酸沉降的淋溶,也是最容易发生酸化的土层, pH 2.5酸雨淋溶后,表土 pH值下降到 3.5～ 4.2,这是铝的缓冲范围,且土壤交换性 H 和 Al3 含量的增加显示出土壤对酸沉降的缓冲效率和缓冲能力的急剧减弱; pH 4.5酸雨淋溶后, A和 B层土壤 pH值上升了 0.3～ 0.5,其机理与的专性吸附释放 OH-有关;表土施用钾肥后, K 交换土壤表面的 H 和 Al3 ,引起土壤交换性 H 和 Al3 向下迁移;不同 pH值的酸性降雨引起土壤中交换性阳离子向下迁移和淋失的程度也有明显的差异, pH 2.5酸雨淋溶后土壤溶液中钾的含量高于 pH 4.5酸雨淋溶的,但交换性钾含量低于后者; pH 2.5和 pH 4.5酸雨淋溶后交换性钙的淋失量分别占原土的 50%～ 70%和 20%～ 40%,这表明酸雨淋洗会导致养分库的损耗,造成土壤养分贫瘠.     

模拟酸雨及施磷对水稻土中铅的淋溶特性影响

采用pH=3.0、pH=4.5与对照pH=5.6的3种模拟酸雨淋溶土柱的方法,研究酸雨及含磷酸雨淋溶下合肥市郊水稻土中铅的释放特征与规律。结果表明:经过相当于1 980 mm降水量的淋溶后,铅释放量总体上表现为随着酸雨强度增加累积淋溶量也增加的现象。酸雨作用下,施磷量越多土壤中铅的淋失总量越大。在酸雨及施磷条件下,大兴地区黄褐土中Pb较义城地区水稻土中易于淋失。     

微生物及其碳酸酐酶对岩溶土壤系统钙镁元素淋失的影响

通过室内模拟土壤- 灰岩岩溶系统,对不同微生物处理条件下的土柱进行降水淋滤,系统监测了淋出液的pH、电导率、Ca2+ 、Mg2+ 以及碳酸酐酶( C A)活性。结果表明,微生物对该模拟系统Ca、Mg 元素迁移有较大促进作用。扫描电镜显示,埋入经微生物处理土柱的试片表面较对照(未埋入土柱和埋入灭菌土柱的试片)有明显侵蚀现象。另一方面,各处理的淋出液中均检测出不同程度的C A活性,说明土柱中的微生物产生了胞外CA并被淋出。相关分析表明淋出液中CA平均活性与Ca2+ 总淋失量之间存在较好的正相关关系,说明CA是影响Ca 元素淋失的主要因素。对其进行深入研究将有助于解释生物岩溶的机理。      

岩溶动力系统对典型石灰岩土肥力特征的影响

碳酸盐岩(CaCO3)—CO2(气)—水(H2O)三相组成的岩溶动力系统,通过驱动环境元素的迁移,可影响土壤的基本性质及营养元素的形态和转化。一方面土壤盐基离子(Ca、Mg、K、Na)的大量淋失,另一方面岩溶作用产生的富钙环境使土壤体系中盐基获得补充,形成偏碱的土壤环境,并因此使石灰岩土的阳离子交换量和有机质含量较高,但也降低了土壤铁、锰、磷、锌等元素的有效性,最终对土壤肥力特征及演变产生深远的影响。      

喀斯特小流域石灰土硫同位素组成特征及环境指示意义

用连续提取方法分析了石灰土总硫、SO_4~(2–)、总还原态硫(TRS)和有机硫的硫同位素组成,探讨了石灰土中硫的迁移转化过程及其环境效应。有机硫是石灰土主要的硫形态,随剖面加深总硫和有机硫的δ34S值逐渐增大,其含量降低,这与有机硫持续矿化有关。SO_4~(2–)和TRS的δ34S值随剖面加深平行地增大指示了石灰土中存在SO_4~(2–)异化还原过程,并且TRS是主要产物。高pH值和较低的黏粒含量不利于SO_4~(2–)吸附,生物滞留后剩余的SO_4~(2–)主要通过淋溶迁移出石灰土剖面。当前酸沉降对石灰土的影响并不严重,SO_4~(2–)的淋溶迁移并没有引起石灰土pH值的显著降低。但值得关注的是,有机硫形态是酸沉降输入的SO_4~(2–)在石灰土中主要的硫滞留方式,SO_4~(2–)吸附基本可以忽略,则在硫的年沉降速率显著降低之后,在较长时期内,石灰土中有机硫的矿化可能释放大量的SO_4~(2–)进入地表和地下水体,与之相关的土壤理化性质变化和水体化学组成改变等方面的环境效应值得关注。     

湖南洞庭湖地区土壤酸化特征及机理研究

湖南省洞庭湖地区是中国酸雨沉降和土壤酸化严重的地区之一,酸雨沉降具有明显的季节性和地域性差异,酸雨沉降与土壤酸化具有较好的空间对应性,但土壤酸化的程度还取决于土壤中盐基离子的含量。在土壤酸化较严重的地区,垂向上,土壤酸化深度已达50cm左右,土壤酸化伴随着大量的可溶性铝的溶出。在土壤pH值与盐基离子、氮和硫含量的关系曲线上,存在着pH值突变的临界点(临界点pH值为8),在碱性范围内,硅酸盐和铝硅酸盐矿物的水解使大量盐基离子溶出,中和了因SO42-和NO3-的输入而造成的土壤酸化,但当pH值下降到小于7·25的中酸性范围时,酸性物质和碱性物质组成的土壤缓冲体系失去缓冲作用,酸性物质略有增加,就会导致土壤迅速酸化。     

模拟酸雨条件下石灰土—碳酸盐岩体系的碳汇效应

为揭示不同酸度降雨对石灰土—碳酸盐岩体系内岩溶碳汇效应的影响,以贵阳市花溪区历史降水量为参照,选取贵阳市青岩镇纯灰岩发育土壤与贵阳市花溪水库三叠纪大冶组纯灰岩为样本进行淋溶试验。测定了6个月时长内不同酸度降水﹑不同土壤深度下模拟石灰土—碳酸盐岩体系降水淋出液的HCO3-﹑DOC含量和土壤呼吸速率,研究了模拟酸雨对石灰土-石灰岩体系碳汇的影响。结果表明:（1）在土壤深度10～50 cm匀质状态的样本中,随着土壤厚度的增加,淋出液中HCO3-含量逐渐增大﹑DOC含量逐渐减小﹑土壤呼吸速率逐渐增大,显示出土壤厚度对石灰土—碳酸盐岩体系的碳汇效应有着明显的影响;(2)在pH=3.5~6.8的范围内,降水酸度的增强可以抑制岩溶作用与有机碳的溶解,并降低岩溶碳汇效应;（3）在日降水量90～230 mm范围内,随着降水量的增大碳汇效应也会随之增强。      

模拟不同气候条件下碳酸盐岩风化作用的淋溶实验研究

通过模拟干热、湿热与干冷3种气候条件,以饱和CO2水作为淋溶液,对黔中岩溶区3条碳酸盐岩风化壳岩-土界面的岩粉层试样进行了淋溶实验(其中干热、湿热条件下淋溶到残余酸不溶物阶段),对淋出液的pH值以及主要造岩元素的浓度进行了动态分析。结果表明,碳酸盐岩风化壳岩-土界面由岩到土的转变过程中,伴随碳酸盐的溶蚀,酸不溶物已表现出明显的风化倾向。碳酸盐的溶蚀强度表现为干冷>干热>湿热的变化趋势。温度低,碳酸盐的溶解速率大;排水条件好,碳酸盐溶解释放的Ca、Mg易随风化流体排出体系。对于酸不溶物组分,淋溶实验中有:(1)K、Na、Mg、Si、P的载体矿物风化强度在干热条件下最大(至于Ca,由于方解石与白云石均是其主要的载体矿物,酸不溶物相中的Ca难以在淋出液中有效识别)。在干冷与湿热之间,K、Na、Mg等盐基离子的溶出能力大多表现为湿热>干冷,指示了温度对盐基离子释放强度的重要制约作用;而Si和P未表现出一致的变化趋势,可能源于淋溶体系微环境的差异。(2)Fe与Mn表现出弱迁移性。其中,Fe在干冷环境下淋出强度最弱,说明温度是制约含Fe矿物分解速率的重要因素。而Fe在干热与湿热之间,以及Mn在3种淋溶条件下,未呈现出一致的变化趋势。(3)Al和Ti在碳酸盐岩风化过程中表现出强烈的惰性。      

桂林岩溶区石灰土壤对酸雨缓冲作用的观测及其对岩溶碳汇的指示意义

近期越来越多的研究显示硫酸、硝酸等外源酸会参与碳酸盐岩溶蚀, 但酸雨在碳酸盐岩溶蚀中的作用与碳循环的关系并不明确, 严重制约了我国岩溶碳汇效应的准确评估。本研究选择在酸雨强度大、频率高、岩溶发育典型的桂林丫吉岩溶泉野外科研实验场开展研究, 对不同地貌部位土壤和丰水期(4月)、平水期(9月)降雨后土壤水进行分层取样测试。结果显示: 土壤的pH范围为5.55~7.81, 平均值为6.76±0.61, 变异系数为9.11%, 土壤水的pH范围为6.69~7.89, 平均值为7.21±0.31, 变异系数为4.43%, 两者均接近中性和中性以上, 并呈现出随深度增加而不断增大的趋势性变化规律, 土壤pH主要受土壤有机质分解产酸的控制, 土壤水pH主要受石灰土富钙偏碱的地球化学背景影响, 酸雨对两者的影响较小。土壤阳离子交换量范围为302~ 423 mmol(+)/kg, 位于酸沉降不敏感区的土壤范围内, 土壤对酸雨来源的H+具有较好的缓冲能力。土壤水中碱性离子(Ca2++Mg2+)所占比例范围为23.66%~25.0%, 平均值为24.25%±0.33%, 变异系数为1.36%, 含量稳定; 酸性离子(SO2– 4+NO– 3)所占比例范围为2.47%~18.94%, 平均值为7.69%±5.09%, 变异系数为66.28%, 随着深度增加, 土壤水中酸性离子浓度逐渐降低; 土壤pH值呈碱性, 可以认为, 酸雨成分并没有穿透土壤层进入岩溶含水层, 没有产生减碳汇效应。前期的研究由于没有考虑石灰土壤层对酸雨的缓冲作用, 高估了酸雨的减汇效应。     

Experimental simulation and dynamic model analysis of Cadmium(Cd) release in soil affected by rainfall leaching in a coal-mining area

In order to explore the influence of rainfall on the release of heavy metal Cadmium(Cd)in soil in a coal-mining area,soil column leaching experiments were carried out by simulating 3 types of rainfall(acid rain,normal rainfall,and actual rainfall)with 5 different pH values(4,5,6,6.7,7),and 65 groups of data about leachate pH value and Cd concentration were obtained respectively.The results indicate the general change rule of Cd concentration in leachate:(1)the easiness of Cd release is negatively correlated to the pH value of leaching solution and positively correlated the leaching amount;(2)leaching solution with lower pH values shows more obvious release stages.Leached by solution with different pH values,the release of Cd in soil ranks as follows:Acid rain group>normal rainfall group>actual rainfall group.In the first stage,the acidity of rainfall has a significant impact on the release of Cd in soil,but in the second stage,the release of Cd is alleviated due to the soil buffering.Among the four dynamic equations to simulate the release of Cd in soil,the modified Elovich equation can describe the process most accurately,with the highest coefficient of determination R2 of 0.9975.These results can serve as a reference for further study on the migration,transformation and enrichment of Cd in soil.     

土壤中添加生物炭对Cr(Ⅵ)的迁移锁定作用研究

生物炭应用在土壤中具有CO₂减排、改善土壤性质等作用,研究表明生物炭土壤有助于农作物产量和质量的提高,同时对污染物有较好的吸附效果,能控制其迁移,但对于近年关注的土壤中Cr(Ⅵ)和生物炭的作用研究却很少。通过土柱淋滤实验,研究土壤中添加生物炭后对Cr(Ⅵ)的迁移影响,特别是对其进行模拟酸雨淋滤实验,进一步研究了生物炭土壤对Cr(Ⅵ)的锁定效果。结果表明：仅施加1%的生物炭,就能够大幅度提高土壤系统固定Cr(Ⅵ)的能力,小粒径生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附固定能力更加明显,在一定条件下是大粒径的固定吸附量的3倍,在酸雨淋滤作用下也不易解吸,说明生物炭的添加能有效抑制Cr(Ⅵ)在土壤中的迁移,起到原位锁定的作用,这对农田土壤开发治理提供了重要手段和依据。     

溶洞穴滴水元素季节变化及其气候指示意义研究—以贵州省麻黄洞为例

为揭示岩溶洞穴滴水元素季节变化特征及其对外界气候环境变化的响应关系,对贵州绥阳双河洞系支洞麻黄洞内3处滴水的Mg、Ca、Sr元素进行了为期13个月的监测。结果显示:(1)3个滴水点M1、M2和M3的水化学类型主要为HCO3·Ca型,岩溶水对于方解石与白云石等矿物的溶解处于饱和状态;(2)上覆土壤和岩层厚度逐渐增加,导致水-土-岩作用时间也随之增加;(3)Ca^2+、Mg^2+、Sr^2+浓度变化总体上呈逐级递增的特点,各离子浓度在高温多雨季节波动幅度大,低温少雨季节变化平稳;(4)Mg/Ca、Sr/Ca均表现出雨季低、旱季高的特征,反映该地区外界干湿条件的变化;(5)由模型模拟显示,3个滴水点皆以PCP/ICD作用为主,M1对降雨响应不敏感,M2滴率与离子浓度呈雨季高、旱季低的变化规律,M3位于洞穴最深、顶板最厚处,滴率与离子浓度无显著季节变化特征。结合各滴水点洞穴环境变化规律,推断M2更能准确响应外界气候环境变化。     

沂源地区不同类型岩土淋溶水与浸泡水的化学特征分析

为研究降水补给地下水过程中包气带岩土对水化学的影响,在沂源地区采集了不同地表岩土样品开展淋溶和浸泡试验。淋溶结果显示:易溶的Cl~-、SO_4~(2-)、CO_3~(2-)、NO_2~-、NO_3~-等阴离子率先溶解进入淋溶水中,之后K~+,Ca~(2+),Mg~(2+),Fe等含量逐渐增加,且淋溶初期p H值呈碱性,之后向中性过渡。浸泡结果显示:不同类型岩土样经过浸泡5min后,其水化学组分发生了显著变化;随浸泡时间增加,K~+、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-及含盐量均出现不同程度增加,但Cl~-、SO_4~(2-)在不同类型岩土中含量变化则是不同的。由此推测,降水转入地下水过程中,透过地表浅层包气带时就已经淋溶了大量物质,水化学性质发生了重大变化。     

Effect of simulated acid rain on soil acidification and rare earth elements leaching loss in soils of rare earth mining area in southern Jiangxi Province of China

Acid rain has long been a great concern because of environmental and ecological problems; however, the effect of acid rain on soil acidification, loss of rare earth elements (REEs) via the leaching process, and transformation are rarely reported in rare earth mining areas. Through a simulated acid rain leaching experience, the effect of acid rain was studied on soil acidification and REEs leaching loss. The results showed that the tested soil had certain buffering capacity against nearly neutral rainwater. However, simulated acid rain of low and very low pH (pH ≤ 3.5) had a greater impact on soil acidification. After eluviating by simulated acid rain of pH 3.5 for 36 h, the pH of tailings, garden soil, paddy soil, and alluvial soil decreased by 20.41, 32.03, 13.60, 16.88, and 15.83 %, respectively, from the original values. For simulated acid rain of pH 2.5, it was 31.89, 44.76, 31.26, 29.87, and 29.15 %, respectively. After simulated acid rain eluviations of low and very low pH (pH ≤ 3.5), the order of the leaching rate of REEs in the tested soil was as follows: garden soil > tailings > paddy soil > alluvial soil. For nearly neutral rainwater (pH 4.5 simulated acid rain and pH 5.6 deionized water), the order was tailings > garden soil > paddy soil > alluvial soil. For simulated acid rain of the same pH, the leaching amounts of REEs in tailings and garden soil were higher than those in paddy soil and alluvial soil. After leaching by low and very low pH-simulated acid rain (pH ≤ 3.5), the peak value of the leaching amount of REEs in all tested soil appeared at 2 h, and then gradually reduced and reached a stable leaching state 20 h after leaching. On leaching by simulated acid rain of pH 2.5, the maximum REEs contents of leachate in tailings, garden soil, paddy soil, and alluvial soil were 156.35, 145.82, 99.88, and 85.97 mg/L, respectively. For pH 3.5 of simulated acid rain, it was 130.49, 110.49, 80.57, and 62.73 mg/L, respectively. On leaching by simulated acid rain of pH 4.5, the maximum contents of REEs in the leachate were 53.46 and 29.82 mg/L, respectively, which were observed after leaching for 6 h in tailings and garden soil that became stable 12 h after leaching. The contents of leached REEs in paddy soil and alluvial soil were always in a lower and stable state. After eluviations with deionized water of pH 5.6, the contents of leached REEs in other soils were lower, except for the slight fluctuations in tailings. The maximum content in the leachate of REEs was in the water-soluble and exchangeable fraction. When bound to carbonate fractions, REEs were not detected in the leachate. REEs bound to iron-manganese (Fe–Mn) oxides fraction and to organic matter fraction in the leachate possibly came from the tested soil or from the REEs transformation during the migration process. The content of residual fraction REEs in the leachate was very low.     

重庆芙蓉洞上覆基岩、土壤元素分布特征及其对洞穴滴水水化学影响

通过对重庆芙蓉洞上覆基岩和土壤中元素分布特征以及表层岩溶泉水、土壤渗透水和洞穴滴水水化学特征的系统监测,发现Ca2+、Mg2+、Sr2+和SO42-在表层岩溶系统的基岩、土壤、水(土壤渗透水和洞穴滴水)三大载体的运移过程中发生了明显分异。Ca2+、Mg2+和Sr2+在基岩中平均质量比分别为239949ppm、129607ppm和123ppm,在土壤中分别为37458ppm、28360ppm和49ppm,土壤渗透水中分别为25.55mg/L、11.04mg/L和0.026mg/L,而在洞穴滴水中分别为64.37mg/L、37.87mg/L和0.044mg/L。Ca、Mg和Sr在土壤剖面中表现出明显的淋溶和淀积作用,其元素含量高低直接影响土壤渗透水元素含量;基岩的元素含量主导了土壤各层位、土壤渗透水及滴水中元素含量。不同滴水点的水其运移的路径、时间和环境条件不同,因此在利用洞穴次生化学沉积物元素地球化学特征来反映洞外环境变化时,需综合考虑各元素在岩-土-水中的分布迁移特征及其与环境因素的相互关系。