论酸雨形成机制及其对农业生产的影响.doc

论酸雨形成机制及其对农业生产的影响中文摘要：酸雨是指pH5.6的雨、雪或其他降水，是大气污染的一种表现。以pH5.6为标准，这是因为自然界大气中在10时存在的CO2浓度约为300PPM，当它和雨水充分接触达到平衡时，雨水的pH约为5.6。由于人类活动的影响，大气中含有大量二氧化硫、氮氧化物和酸性氧化物，通过一系列的化学反应转换成硫酸和硝酸，随着大量雨水的降落，通过固体、液体和气体三种形式沉降到地表面。中文关键词：酸雨 农业 危害英文摘要：Acid rain is rain, snow or other precipitation pH5.6, is a manifestation of atmospheric pollution. With pH5.6 as the standard,this is because the CO2 concentration in the atmosphere at 10 nature is about 300PPM, when it is full contacted with water to balance, the pH is about 5.6. Due to the impact of human activities, the atmosphere contains large amounts of sulfur dioxide, nitrogen oxides and oxide acid, converted into sulfuric acid and nitric acid through a series of chemical reactions, with the landing a lot of rain, the settlement to the surface through a solid,liquid and gas in three forms.英文关键词：acid rain agriculture harm前言：前我国酸雨呈蔓延之势正在不断扩大，酸雨区面积已占国土面积的30，已成为继欧洲、北美之后的世界第三大重酸雨区1。酸雨是跨越国界的全球性灾害，素有“空中死神”之称，已被列为目前人类面临的主要环境问题 (酸雨肆虐、水危机、土地荒漠化、臭氧 层遭破坏、温室效应、水土流失、森林 锐减、物种灭绝和有毒化学品污染)之中2。我国经济正快速发展，特别是电力和钢铁工业的迅速发展，致使二氧化硫排放量增大，造成了日趋严重的大气污染。因此，控制二氧化硫排放量以及酸雨的形成，已成为我国环境污染治理工作的中心内容3。1 酸雨的形成机理 随着工业的发展，特别是钢铁和电力的快速发展，导致自然降落的酸雨中含有多种无机酸和有机酸，其中无机酸中的硫酸和硝酸占很大比例。该时期酸雨的形成是一种复杂的大气物理和化学过程。工业生产、民用生活燃烧煤炭排放出来的一氧化硫和二氧化硫，燃烧石油以及汽车尾气排放出来的氦氧化物，经过“成云聚雨”，即水气吸附在硫酸根、硝酸根等凝结核上，发生液相氧化反应，形成硫酸雨滴和硝酸雨滴：在降水过程中，不断合并吸附其他含酸雨滴和含酸气体，形成体积较大的雨滴，最后降落在地面上，形成了酸雨。酸雨的形成过程，概括起来有两个方面，一个方面是二氧化硫的氧化形成流酸型酸雨，另一个方面是氮氧化物催化氧化形成硝酸型酸雨。1.1 二氧化硫的氧化硫酸型酸雨1.1.1 直接光化学反应 二氧化硫在有氧气和液体水的条件下被高能量的光子照射形成硫酸，即：SO2+O2+H2O+hv H2SO41.1.2 间接光化学反应 二氧化硫在有烟雾、氧气和液体水的空气中被过氧化物催化氧化形成硫酸，即：SO2+O2+H2O 过氧化物 H2SO41.1.3 在液滴中空气氧化 二氧化硫先和液体水反应形成亚硫酸，亚硫酸再和空气中的氨气在氧气存在的条件下形成铵根离子和硫酸根离子，即：SO2+H2O H2SO3H2SO3+NH3+O2 NH4+ +SO42-1.1.4 在液滴中多相催化氧化二氧化硫和氧气、液体水在某些重金属离子(如Fe、Mn、V)催化下形成硫酸，即：SO2+O2+H2O 重金属离子 H2SO41.1.5 在干燥表面上催化氧化二氧化硫和气态水、氧气在碳颗粒的催化下形成硫酸蒸汽，即：SO2+O2+H2O 碳颗粒 H2SO41.1.6 臭氧氧化二氧化硫和臭氧发生反应生成三氧化硫和氧气，该反应是大气中最主要的化学反应，继而三氧化硫进一步形成硫酸和气溶胶，即：SO2+O3 SO3+O2SO3+H2O H2SO4（水合过程）H2SO4+H2O (H2SO4)m.(H2O)n (气溶胶核形成过程)H2SO4+H2O+NH3 (NH4)2SO4.H2O (气溶胶核形成过程)1.2 氮氧化物催化氧化硝酸型酸雨 氮氧化物在空气浓度大，并且在有金属杂志和氨气存在等条件下将以较大速度生成硝酸和硝酸铵，反应如下：NO+O2 NO2+H2O HNO3HNO3+NH3 NH4NO32 酸雨对农业的影响我国南方土壤本来就多呈酸性，在经过酸雨冲刷，会加速酸化过程；我国北方土壤多呈碱性，对酸雨有一定的缓冲作用。土壤中含有大量铝的氢氧化物，土壤酸化后，可加速土壤中含铝的原生和次生矿物风化而释放大量铝离子，形成植物可吸收的形态铝化合物。作物长期吸收铝，会造成中毒甚至死亡。土壤还能加速土壤矿质营养元素的流失，改变土壤结构，导致土壤贫瘠化，影响植物正常发育。酸雨还能诱发植物病虫害，影响种子萌发，导致作物叶片出现可见伤害、生物量减少、生长受抑，使叶绿素减少、细胞膜透性增加、光合作用下降、落花落果增加，最终导致农作物减产4-6。 2.1 酸雨对农作物的影响2.1.1 酸雨对主要农作物种子萌发的影响 研究表明，酸雨的pH越低，农作物种子萌发受阻越严重。酸雨对农作物种子萌发的影响通常采用不同 pH值的模拟酸雨浸泡种子进行发芽试验。周青等7报道，当酸雨胁迫强度为pH 2.0-2.5时，水稻、小麦和 油菜种子皆不萌发，表现为发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数都为0；pH 3.0处理种子时，三者的发芽率分别 为93、84、70；种子萌发时酸雨伤害阈值是水稻 （pH3.0-3.5）小麦(pH 3.5-4.0)小麦油菜。试验研究8还指出，这3类种子萌发过程中的保护性酶过氧化氢酶(CAT)与过氧化物酶(POD)抗酸雨的能力是水稻小麦油菜，说明保护应激清除自由基反应能力的差异是决定这3类种子萌发指标不同的深层次原因。 2.1.2 酸雨对农作物生长发育及生理特性的影响 张耀民等9-10哪采用田间酸雨喷淋试验，研究了酸雨对11种农作物(杂交稻、粳稻、小麦、大麦、棉花、大豆、 油菜、青菜、莴苣、萝卜和花菜)的叶片伤害、植株高度、生物量及叶绿素含量、光合作用、细胞膜透性、气孔阻抗和蒸腾强度等生理特性的影响。结果表明，酸雨可导致作物叶片出现可见伤害、生物量减少、生长受抑，导致叶绿素减少、细胞膜透性增加、光合作用下降，但对植株高度没有明显影响。酸雨对作物的直接伤害主要发生在叶片上，伤害症状除遗传因素外，主要取决于pH值。试验还表明，pH4.2和pH 3.5的酸雨未对任何供试作物叶片造成可见伤害，但已使绝大多数作物的生理指标出现明显变化，说明酸雨对作物生理指标的影响在作物叶片出现可见症状以前就己产生了。因此，张耀民等提出用“相对指标值”(指标降低或升高 10)来评价酸雨对作物生理特性的影响。 酸雨明显抑制油菜地上部分生长，株高、叶面积、单叶鲜重随酸雨酸度增加而下降，花受害百分率高达 68.22，花序顶端萎缩，花瓣皱折，有效角果数减少，落花落果增加11。随着模拟酸雨酸度的增强，油菜花叶片的叶绿素含量、抗氧化酶活性和非酶抗氧化剂含量等生理指标逐渐下降，丙二醛含量和相对电导率显著增加，膜脂过氧化加剧，最终导致单株角果数、每角粒数、粒重和实际产量等指标逐渐下降12。 较高酸度(pH 3.O)的酸雨能直接伤害辣椒叶片，引起营养生长不良，出现落花、落果现象，导致产量降低；pH 3.5时，虽然不会造成可见伤害，但产量已经受到影响13。 酸雨对春小麦叶片光合特性、产量的影响随酸雨的H+浓度增大而愈显著14。酸雨pH与净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率、叶绿素相对含量以及春小麦产量均呈极显著正相关，与胞间CO2浓度呈极显著负相关。随着酸雨pH值的降低，杂交稻、常规稻和野生稻叶片的叶绿素含量均呈显著下降的趋势，叶片光合作用效率下降、蒸腾作用减弱15。 2.2 酸雨对土壤的影响2.2.1 酸雨使土壤酸化 这是酸雨污染土壤环境的首要环节。模拟酸雨试验表明，土壤酸化一般由表土向心土和底土层发展16，并与酸雨浓度、数量及持续时间呈正相关。2.2.2 酸雨使盐基离子大量流失 在酸雨作用下，随着pH值下降，土壤中的正电荷增加、负电荷减少。这样，不仅使土壤对钾、钙、镁等养分离子的吸附量显著减少，而且由于这些阳离子与土壤的结合能力随pH值的降低而急剧下降，所以其吸附的牢固程度也大为降低，使上述离子易于随渗漏水淋失17，导致土壤肥力下降。2.2.3 酸雨促进活性铝的流出 于天仁研究发现，土壤经酸雨淋溶后，当土壤pH值降至5以下 时，活性铝的溶出浓度就会明显提高；土壤硼值进一步降低时，活性铝的溶出浓度就会急剧增加18。这是由于在酸性条件下，土壤中固相的铝盐溶解度较大、生成的可溶性铝络合物也较多。2.2.4 酸雨活化土壤重金属 于锰、铬、铜、铅、镉、锌等有毒重金属离子在低pH值条件下溶解度升高，故酸雨在使土壤酸度提高的同时能够活化土壤中的某些重金属元素19。2.2.5 酸雨降低酶活性 研究发现，酸雨对土壤中促进有机态养分转化与循环的微生物酶的活性具有相当的抑制作用20，当酸雨量较大(2 000mm)、酸度较高(pH3.5)时，土壤酶活性受到明显抑制21。 2.3 酸雨对水体的影响 一旦酸雨降落在水体中，会造成巨大的损害。首先，当酸雨降至湖泊，会引起湖泊的算话。在pH5.5-6.5时，鱼卵难以孵化，鱼苗数量减少；当pH在5.0时，大多数鱼类不能生存。湖水酸化对虾类的影响大于对鱼类的影响。湖水酸化对水生植物也会造成严重的影响，水体酸化对藻类的影响主要表现为使其种类数减少、多样性降低以及生产力大幅度下降。3 酸雨的防治（1） 确定合理的酸沉降控制区与二氧化硫排放控制区，把酸雨和二氧化硫污染综合防治工作纳入国民经济和社会发展计划，对主要致酸物质排放实行分省和分行业总量控制。（2） 建立控制酸雨的监督管理系统，逐步完善国家酸雨监测网。（3） 建立和健全控制酸雨的法律、法规和与之配套的政策和法规体系，强化环保执法。（4） 调整能源结构，发展替代能源。开发可以替代燃煤的清洁能源，如核电，太阳能，二氧化硫排放量将会大量减少。（5） 抓紧研究开发二氧化硫治理技术和设备，优化能源质量，提高能源利用率，减少燃烧产生的二氧化硫。参考文献1许新辉，郜洪文中国南方酸雨的分布特征及其成因分析J.四川环境，2011，30 (4)：1351392陈明艳，姜显政，黄汝红浅析酸雨的形成、危害及防治措施J.广东微量元素科学，2009，16(1)：15203万玉山，王皖蒙中国酸雨污染现状成因分析及防治措施J.安徽农业科学，2010， 38(34)：19420-19421,19425 4冯宗炜酸雨对生态系统的影响M北京：中国科学技术出版杜，1993：25325高绪评。曹洪法，舒位民105种植物对模拟酸雨的反应J中国环境科学，1988，7(2)：16-21 6刘燕飞，曹洪法，舒位民，等酸雨和SO,对蔬菜生长和产量的影响J环境科学学报，1991,11(3)：327-335 7周青，曾庆玲，黄晓华，等三类抗性种子萌发对酸雨胁迫的响应J生态学报，2004，24(9)：2029-20368王丽红，黄晓华，周青水稻、小麦和油菜种子萌发POD与CAT对酸雨胁迫的响应J环境科学，2005，26(6)：123-125 9张耀民，吴丽英，王晓霞，等酸雨对农作物的叶片伤害及生理特性的影响J农业环境保护，1996，15(5)：197-208，227 10张耀民，吴丽英，王晓霞，等酸雨对农作物的生长、结实、产量和种子品质的影响J农业环境保护，1997，16(1)：11011粱骏，郑有飞，李璐，等酸雨对土壤酸化和油菜中后期生长发育的影响J农业环境科学学报，2008,27(3)：1043-105012曹春信，周琴，韩亮亮，等模拟酸雨对油菜花期生理特性和产量的影响J应用生态学报，2010，21(8)：2057-2062 13何勇强。余章机模拟酸雨对辣椒生长发育的影响J西南农业学报，1995，8(3)：47-5014王润元，姚桃峰，王鹤龄，等孕穗期模拟酸雨对春小麦叶片光合气体交换特性及产量的影响J草业学报，2011,20(1)：237-241 15黎华寿，聂呈荣，胡永刚模拟酸雨对杂交稻、常规稻、野生稻影响的研究J农业环境科学学报，2004,23(2)：284-287 16汪雅各，盛沛麟，袁大伟模拟酸雨对土壤金属离子的淋溶和植