酸雨对生态系统的影响及防治对策.doc

环境污染与防治 网络版 第 1 期 2008 年 1 月 1 酸雨对生态系统的影响及防治对策酸雨对生态系统的影响及防治对策 龚鹏博 1 3 李健雄 2 郭明昉2 1 中国科学院华南植物园 广东 广州 510650 2 广东省昆虫研究所 广东 广州 510260 3 中国科学院研究生院 北京 100039 摘要摘要 酸雨对生态系统有着十分复杂的影响和危害 分析了酸雨对陆地生态系统的各个环节 即 土壤 植物 土壤动物和微生物 昆虫及其他动物的影响 并阐述了酸雨对陆地生态系统及水域生态 系统的破坏 探讨了防治酸雨的多种对策 关键词关键词 酸雨 生态系统 影响 防治对策 Effect of acid rain on ecosystems and its control countermeasure Gong Pengbo1 Li Jianxiong2 Guo Mingfang2 1 South China Botanical Garden the Chinese Academy of Sciences Guangzhou Guangdong 510650 2 Guangdong Entomological Institute Guangzhou Guangdong 510260 3 Graduate School of Chinese Academy of Sciences Beijing 100039 Abstract Acid have complicated influences and endangers on ecosystem The effects of acid rain on soils plants soil animals microorganisms insects and other animals were reviewed and the impacts on terrestrial and aquatic ecosystems were summarized In the end the control countermeasures of acid rain were discussed Keywords acid rain ecosystems influences prevention countermeasure 生态系统是一个自然实体 或一个系统 有明显的结构和链接 植物 动物 微生 物及非生物环境 任何一部分受到影响 其他部分必然受到牵连 酸雨对生态系统的危 害表现在系统内的各个环节 近年来 有很多关于酸雨影响陆地生态系统 1 2 水域生 态系统 3 4 和森林生态系统 5 的报道 其不仅对水体造成污染 又使土壤酸化 并危害植 物根系和茎叶 直接或间接地危害到微生物和动物群落 酸雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理现象 6 燃料燃烧产生的 SO2和氮氧 化物 NOx 含硫矿物冶炼以及硫酸 磷肥生产过程产生的 SO2 都是造成酸雨的主要 大气污染物 在大气颗粒物中铁 铜 镁等金属氧化物的催化下 SO2和 NO 分别氧化为 SO3和 NO2 可溶于雨 雪 雾中生成 H2SO3 H2SO4 HNO2 HNO2 使 pH 降至 5 6 以下 形成酸雨 一般也包括酸雪 酸雾及酸性粉尘降落物 7 1 酸雨对土壤的影响酸雨对土壤的影响 酸雨渗入土壤中 使土壤酸度增大 引起盐基离子和重金属离子溶出增多 H 与 CaCO3的反应 随着 pH 的降低 使 Ca K Na Mg 及 Pb Cu Zn Be Cd As Mn F 和 Fe 的离子浓度增加 4 8 尤其是引起 Al3 的浓度逐 渐升高 增加了水体中 Al 的浓度和毒性 9 早期研究就发现低 pH 的水中有较高浓度的 Hg 且二者具有负相关性 10 许中坚等 11 研究表明 经过相当于 9 150 和 10 650 mm 降 水量的淋溶后 与对照 pH 为 5 6 相比 pH 为 4 5 的酸雨使红壤中 Cr 的累积释放量提 1第一作者 龚鹏博 男 1980 年生 硕士研究生 主要从事生态学研究 通讯作者 环境污染与防治 网络版 第 1 期 2008 年 1 月 2 高 4 03 88 54 pH 为 3 5 的酸雨使其提高 6 75 308 42 同时 红壤的酸化极 不利于多种有害金属离子在土壤中钝化和固定 被淋溶出的有害重金属离子将进入附近 地下水或附近水域 并参与附近生态系统的循环 12 成杰民等 2 模拟酸雨对太湖地区土 壤 植物系统中 Cu 的化学行为的影响 结果表明 试验初期由于 稀释效应 的影响 处理黑麦草的 Cu 含量低于对照 随着收割茬次的增加 表现出随着酸雨处理的 pH 降低 黑麦草的 Cu 含量增加 在酸雨 pH 3 0 时会影响到结合态 Cu pH 2 时会影响到铁锰 氧化物结合态 Cu 彭金良等 4 总结了酸度通过 3 种机制改变金属的形态与分布 1 酸度改变了金属 的水解平衡及游离金属离子的浓度 2 H 与金属离子对有机或无机物质的竞争结合 改变络合平衡 3 酸度影响了金属离子吸附过程中金属氢氧化物的共沉淀 生物表面 吸附等 张宇峰等 13 研究了酸雨和有机配体 EDTA 对已污染红壤中稀土元素释放的 影响 结果表明 相同 pH 下 萃取率随着 EDTA 浓度升高而升高 EDTA 浓度相同时 萃取率随 pH 降低而降低 同时 酸雨抑制了一些元素的吸收 徐冬梅等 14 表明 酸雨 通过改变土壤 pH 而改变土壤磷酸酶的肽链构像 氨基酸残基微环境而影响土壤磷循环 酸雨又导致了过量 N 和 S 等的输入 导致土壤营养严重不平衡 成为造成土壤肥力降低 森林衰亡等的重要原因之一 15 19 2 酸雨对土壤动物 微生物的影响酸雨对土壤动物 微生物的影响 土壤动物及微生物的共同作用使有机物无机化 是构成植物与土壤进行物质循环的 重要环节 20 酸性沉降物对土壤动物的直接接触会造成伤害 甚至引起死亡 摄取酸性 沉降物等会引起成长缓慢 繁殖受阻 种群数量减少 群落结构变化等 尤其是线虫 线蚓属 蚯蚓类特别易受影响 敏感性低的动物中 通常是幼体受影响大 21 而土壤动 物及无机物遭受侵害而衰退 会导致无机化过程减缓或停滞 使土壤表面落枝落叶等有 机物堆积层增加 生成有机酸 促使土壤酸化更为严重 20 不同酸雨 pH 条件能使土壤中细菌 放线菌和真菌的比例发生变化 微生物总数随模 拟酸雨 pH 的降低不断减少 并对脱氢酶 过氧化氢酶 脲酶和蛋白酶的活性有明显的抑 制作用 22 彭金良等 4 概括了 pH 对微生物的影响主要有 3 方面 引起细胞膜电荷的变化 阻碍营养物质的吸收 抑制代谢过程中酶的活性 影响环境中营养物质的可利用性及有 害物质的毒性 其具体表现有 土壤酸化使微生物呼吸商 qCO2 基础呼吸与生物量之 间的比率 增大 23 24 大部分的有机污染物在 pH 降低时更容易穿透生物膜 破坏机体 的正常新陈代谢 25 抑制硝化细菌和固氮菌的活动能力 使土壤肥力降低等 3 酸雨对植物的影响酸雨对植物的影响 酸雨对植物的影响可以分为直接影响和间接影响 5 酸雨对植物的直接影响为 酸 雨能伤害叶片表层结构 如角质层 和膜结构 26 28 影响细胞对物质的选择性吸收 29 32 干扰植物正常的代谢过程 如光合 呼吸 和水分吸收 33 34 影响繁殖过程 如花粉 环境污染与防治 网络版 第 1 期 2008 年 1 月 3 的萌发和花粉管的形成 种子的形成和萌发 5 35 37 间接影响是通过改变土壤性质而 造成的 如土壤酸化引起盐基离子的淋溶 造成养分缺失 38 某些重金属 Al 等 的活 化 根系受到伤害 39 N 的过量增加导致土壤养分失衡 菌根数量下降 40 微生物受影 响过程和有机物的分解受到抑制 41 都会对植物产生危害 酸性物质可以从枝叶和土壤中滤去生长所必要的的营养元素 Ca Mg K 土壤酸 化造成 Al 离子移动 对植物根部造成伤害 防碍了根部吸收 42 43 冯宗炜等 44 研究发现 模拟酸雨和 SO2复合污染对农作物有明显的影响 抑制生长 减少生物量 其影响程度 排序为蔬菜 经济作物 粮食作物 李瑞金等 45 研究了在温室条件下模拟酸雨 降尘对芹 菜茎 叶中重金属元素含量的影响 结果表明 酸雨使芹菜茎内 Zn Cu Ni Pb 含量 增加 Fe 的含量减少 与降尘联合作用使 Zn Cu Ni Pb Mn Cd Fe 的含量都增加 芹菜叶中 Cu Zn Mn 含量增加 Fe 的含量减少 与降尘的联合作用使 Zn Cu Mn Cd Fe 含量增加 Pb Ni 含量减少 4 酸雨对昆虫的影响酸雨对昆虫的影响 酸雨对昆虫种群的影响具有正负双重作用 由于生活方式和食性等不同 不同昆虫 对酸雨的响应不同 即使同一种昆虫也会因污染程度不同而呈现差异 46 48 许多直接暴 露于 SO2 NOx和 O3等的试验显示 昆虫发育速度 个体大小 存活率 产卵量及飞翔 能力等方面低下 49 如豌豆蚜的生长速率和草原上蝗虫的种群数量会受到一定浓度 SO2 的抑制作用 50 51 而对于暴露于 SO2与空气的比值为 3 10 7的环境中的一种外寄生蜂 Bracom bevetor NO2与空气的比值为 5 10 6 1 10 5的环境中的蚜虫等没有显现以 上负面影响 52 遭受强度复合大气污染的小蠹虫 Pityogens chalcograpus 的产卵量减 少和初期死亡率增加 而叶蜂 Pristiphora abietina 一种鳞翅目昆虫 Rhyacionia buoliana 以及多数蚜虫和介壳虫 具有高度耐性 在污染环境下出项种群密度上升 46 48 研究表明 有些昆虫 叶甲 粉纹夜蛾等 在一定酸雨条件下 起初表现生长延缓 死亡率提高 但一段时间后 没有出现以上状况 说明这些昆虫对酸雨胁迫随时间延长其 适应和忍受能力增强 53 54 有些昆虫在酸雨的作用下反而会引起爆发 如 用 SO2熏气处理过 的油菜饲养桃蚜 Myzus persicae 其生长速率和繁殖力明显提高 55 甜菜蚜取食NO2熏蒸 过的蚕豆叶 其生长速率增加 56 在遭受SO2 NOx和 O3等污染地区 植食性昆虫的生长 速率和种群密度呈上升趋势 57 58 酸雨污染还会引起次期性害虫 钻蛀性害虫等 的发生 如一种小蠹 Blastophagus minor 天牛 Monochamus alternatus 象虫 Shirahoshigo Potrujis 59 也会引起病原线虫 螨类 真菌 细菌 病毒对植物的危害 54 60 冯宗炜等 60 等认为酸雨污染不仅可以对昆虫生长速度 传播 生育力直接影响 而 且可以通过对寄主植物的年龄结构 分布程度等影响 对昆虫产生间接作用 由于大气 和酸雨的作用 植物体内外的盐类和重金属可能随叶子一起进入食叶昆虫体内 谢映平 等 61 发现城市空气中铅尘在树木和昆虫瘤坚大球蚧 Eulecanium gigantea 和皱大球蚧 环境污染与防治 网络版 第 1 期 2008 年 1 月 4 Eulecanium kuwanai Kanda 体内都有积累 同时 使得食叶昆虫和刺吸式昆虫毒性反应 表现出差异 46 62 酸雨对昆虫种群数量的影响还可以改变寄主植物体内营养物质 53 59 昆虫天敌等 63 64 大气污染与生物碱 萜类 多元酚 丹宁和木质素等防卫性次生代谢物质有关 从而对不同食性的昆虫产生不同程度的影响 46 腐食性 捕食性昆虫总体上较植食性昆 虫对 SO2和 NOx敏感 49 由于对食物链中不同昆虫群落对酸雨的响应差异 使昆虫的群 落结构发生了改变 5 酸雨对其他动物的影响酸雨对其他动物的影响 试验证明 SO2对动物的呼吸道有强烈的刺激作用 但远较硫酸雾为弱 小鼠和豚 鼠长期接触 SO2 出现肺炎 气管炎等症状 对其他动物如牛 羊 猪等均可引起疾病 或致死 7 许多研究表明 在其他因素尤其是相对湿度提高的情况下 会加强动物对 SO2的毒性作用 6 大气中的 NOx NO 和 NO2等 对动物的上呼吸道 免疫功能 生长发育 血液状 态等都有影响 并且可能具有致癌作用 7 卢芳 65 研究表明 NOx 易与动物血液中血色 素结合 使血液缺氧 引起中枢神经麻痹症 同时对人体的心脏 肝脏 肾脏和造血器 官等也有损伤 除了以上酸雨前体对动物及人体的直接影响之外 酸雨所造成的生态系统的破坏 严重影响了动物和人类的生存环境 6 酸雨对水生生态系统的影响酸雨对水生生态系统的影响 酸雨可以改变微生物组成和代谢活动 毒害藻类 水生维管植物 浮游动物 软体 动物 鱼和两栖动物等 4 66 68 酸雨和重金属的复合污染下 造成湖水水质恶化 69 植 被明显减少 物种组成改变 70 地衣 71 藻类 72 细菌群落结构 73 都受到影响 刘华等 74 模拟了不同酸度的酸雨条件下 50 mg LZn2 对金鱼藻的毒害 结果表明 随着 pH 降 低 金鱼藻的细胞膜透性增加 叶绿素含量逐渐降低 O2 与脂质过氧产物丙二醛 MDA 随酸度增加而升高 Zn2 的毒害效应也趋于明显 pH3 5 时叶绿体 a 含量仅 为对照的 22 33 而膜透性则增加了 4 34 倍 过氧化氢酶 CAT 活性也显著下降 1 酸雨使水体 pH 降低 影响鱼卵孵化和鱼类生长 鱼类种群减少或消失 鲢 鳙 鲤 鱼 3 种鱼 96 h 的半致死浓度分别是 pH 5 34 4 51 3 80 不同生长期的敏感性大小排序 为受精卵 鱼苗 成鱼 大型溞 椭圆萝卜螺毒性表现更为严重 水生植物也受到严重伤 害 从而影响水体的生物自净作用 7 在酸化水体中 昆虫较多 几乎没有鱼 适宜于雏鸟的生长 但对于大禽如秋沙鸭 潜鸟会造成食物短缺 另一方面由于重金属含量高 而 Ca 含量较低 影响了卵壳的形成 Ca 和 P 的同化吸收和骨骼的矿物化 破坏了繁殖过程 4 75 环境污染与防治 网络版 第 1 期 2008 年 1 月 5 7 酸雨对陆地生态系统的影响酸雨对陆地生态系统的影响 酸雨对生态系统中各组成的影响是相互牵连的 直接的和间接的影响都会使系统不 平衡 苏维词 76 发现 酸雨改变了贵州喀斯特生镜的中的地面水和土壤 pH 生境的变异 使一些敏感性高的珍稀濒危物种死亡或繁殖能力降低 酸性物质可以从枝叶和土壤中滤 去生长所必要的的营养元素 Ca Mg K 土壤酸化造成 Al 离子移动 对植物根部造 成伤害 防碍了根部吸收 植被生长减缓 增加死亡率 同时增加对病害 虫害 干旱 的易感性 42 对其他动物群落及整个系统都造成严重影响 图图 1 酸雨对陆地生态系统的影响酸雨对陆地生态系统的影响 JAMES 等 77 提出将全球变化与生物入侵联系起来的建议 并研究发现 在高浓度 CO2下 酸沉降中的 S 对 C3 植物损害减小了 而对 C4 植物的损害增大了 有可能进一 步促进 C3 植物代替 C4 植物 另外 酸雨改变了土壤属性和 pH 可能会导致生物群落 内物种组组成的变化 本地种将受到适应性强的外来入侵种和本地破坏种的排挤 78 8 酸雨的防治对策酸雨的防治对策 防治酸雨的发生 主要从以下几方面做起 1 完善环境法规 加强监督管理 如 制定严格的大气环境质量标准 健全排污许可证制度 实施 SO2排放总量控制等 2 进行地区调查和生物监测 生物群落对酸雨的响应是十分敏感的 从生物监测角度对酸 雨进行生态评估 对研究酸雨的危害及防治酸雨的发生都有重要意义 酸雨的地区调查 要考虑到酸雨的形成机制受多种因素的影响 除了前体污染物的排放情况以外 还要了 解该地区上空风场分布的特点和地型特征 污染来源有来自本地区的污染 也有由风力 从远距离传输来的污染 79 3 使用低硫煤 节约用煤 并开发可以替代燃煤的清洁能 源 如核能 水能 风能 地热能 天然气等 4 型煤固硫和脱硫脱氮技术的应用 固硫剂 流化床锅炉应用 石灰石 石膏法脱硫等方法都成为目前较成熟的烟气脱硫技术 80 5 其他方法 生态系统具有很强的自调控功能和自净作用 但这是一个缓慢的过 程 就目前酸雨的严重危害而言 需要人为的一些辅助作用进行控制和修复 在陆地生 态结构中 土壤和植被是其他生物群落生存的基础 也是受酸雨影响最直接 最严重的 环节 因此 对土壤的改良及植被的建立是必要的 梁永超等 81 研究发现 施用一定量 CaCO3 控制在 2 0 g kg 以下 和 Na2SiO3具有抑制土壤酸化 降低活性 Al 的作用 还可 环境污染与防治 网络版 第 1 期 2008 年 1 月 6 以提高土壤有效 P 促进 N P K 等元素的利用及作物生长 另外 对于耐酸雨植物种 类的栽培 耐酸雨农作物品种的选育等工作 可以缓和酸雨的危害 有助于生态系统的 自调控过程 参考文献参考文献 1 艽荣亮 吴箐 陆地生态系统环境酸沉降敏感性研究 J 环境科学进展 1997 5 4 8 12 2 成杰民 潘根兴 仓龙 等 模拟酸雨对太湖地区土壤 植物系统中铜的化学行为的影响 J 环 境科学学报 2001 21 4 459 464 3 刘保元 酸性水对淡水螺类存活 生长与繁殖的影响 J 应用生态学报 1993 4 3 313 318 4 彭金良 严国安 沈国兴 等 酸雨对水生态系统的影响 J 水生生物学报 2001 25 3 282 288 5 樊后保 酸雨与森林衰退关系研究综述 J 福建林学院学报 2003 23 1 88 92 6 周启星 孔繁翔 朱琳 生态毒理学 M 北京 科学出版社 2004 399 403 7 孟紫强 郭新彪 刘君卓 等 环境毒理学 M 北京 中国环境科学出版社 2000 353 363 8 郭朝晖 廖柏寒 黄昌勇 酸雨对污染环境中重金属化学行为的影响 J 环境污染治理技术与设 备 2003 4 9 7 11 9 徐仁扣 pH 对酸性土壤中铝的溶出和铝离子形态分布的影响 J 土壤学报 1998 35 2 162 170 10 ANDERSSON P Mercury in fish muscle in acidified and limed lakes J Water Air Soil Pollut 1995 80 889 892 11 许中坚 李方文 刘广深 等 模拟酸雨中铬释放的影响研究 J 环境科学研究 2005 18 2 9 12 12 刘康怀 蓝俊康 张力 等 广西红壤特征及其环境影响分析 J 农业环境保护 2000 19 1 32 34 13 张宇峰 姚敏 邵春燕 等 酸雨和有机配体 EDTA 对已污染红壤中稀土元素释放的研究 J 农业环境科学学报 2005 24 1 64 68 14 徐冬梅 刘广深 许中坚 等 模拟酸雨对土壤酸性磷酸酶活性的影响及机理 J 中国环境科 学 2003 23 2 176 179 15 ULRICH B MRYER R KHANNA P K Chemical changes due to precipitation in a Loess derived soil in central Europe J Soil Science 1980 130 4 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