硫氮沉降下西北荒漠煤礦區(qū)周邊土壤性質的變化特點

李春環(huán) ，王攀，韓翠，許藝馨，黃菊瑩

1. 寧夏大學生態(tài)環(huán)境學院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏大學地理科學與規(guī)劃學院，寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，化石燃料的使用量也逐年增長。據(jù)報道，2018年世界一次性能源消費量為1.39×1010t油當量，相比上一年增長2.9%（苗琦等，2020）。大量的化石燃料燃燒導致SO2和NOx排放增長，引起土壤性質改變，進而導致生物多樣性降低、生態(tài)系統(tǒng)服務功能下降等問題（Jung et al.，2018；Zarfos et al.，2019）。國外對于酸沉降的時空變化規(guī)律已經(jīng)做了大量的研究工作（Peringe et al.，2020）。在過去的幾十年中，歐洲和北美的酸沉降明顯減少。例如，僅1990—2014年間歐洲SO2和NOx排放量就分別減少了約60%和45%（Forsius et al.，2021）。中國近10年來酸沉降速率趨于穩(wěn)定甚至亦有所降低（Zheng et al.，2018；Yu et al.，2019；Wen et al.，2020）。就中國西北地區(qū)而言，盡管酸沉降低于南方地區(qū)，但近年來隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和西部能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，酸沉降量逐年增加。相關數(shù)據(jù)表明，1990—2010年間，中國酸性降水面積從22.53%增加到30.45%，其中西北地區(qū)為主要增長區(qū)域（Yu et al.，2017）。就寧夏而言，盡管估測的酸沉降低于全國水平，但較低的N沉降臨界負荷（段雷等，2002）、N與S沉降的耦合作用（Gao et al.，2018）以及酸沉降的時間累積性（Phoenix et al.，2012），使得區(qū)域酸沉降效應同樣值得關注。

土壤是大氣酸性物質進入陸地生態(tài)系統(tǒng)的匯，會直接受到酸沉降的影響，從而引起一系列土壤性質的變化（郭平，2016）。其中，土壤酸化、P限制增加、C和P獲取酶活性增強等問題受到了研究人員的廣泛關注。酸沉降加速了土壤 NH4+硝化和NO3-淋溶，導致土壤pH降低，并與其他環(huán)境因子一同脅迫生態(tài)環(huán)境健康（Tian et al.，2015；房煥英等，2019）。另一方面，N沉降會刺激到土壤磷酸酶活性，加速有機P的礦化和P循環(huán)，從而增加有效P含量（Xiao et al.，2018）。N沉降可以提高土壤NH4+-N和NO3--N濃度（周曉兵等，2009）。S沉降與N沉降存在協(xié)同增效作用，因而外源S輸入也可以增加土壤無機N有效性（姜勇等，2019）。同時，NH4+-N濃度的增加會使土壤有機N的礦化速率降低，從而使土壤脲酶活性降低（Kim et al.，2019；劉紅梅等，2018）。此外，土壤蔗糖酶作為土壤C循環(huán)速率的重要指標，酸沉降所造成的pH降低將有利于其活性處于較高水平（肖海兵等，2016）。目前，國內外已有較多研究探討了酸沉降對土壤性質的影響，但是這些研究主要集中在酸性、中性和輕度堿性土壤（pH<8.5），尚缺乏針對中、重度堿性土壤的探討，尤其是工業(yè)酸排放源周邊區(qū)域。

依據(jù)現(xiàn)今的發(fā)展趨勢來看，短時間內中國以煤炭資源為主體的能源結構不會發(fā)生較大變化。研究表明，燃煤電廠是酸沉降的重要排放源之一（Li et al.，2019），其污染排放已成為制約中國煤電行業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展道路的主要問題（佟海，2016）。寧東能源化工基地（以下簡稱寧東基地）地處寧夏回族自治區(qū)中東部，是國家千萬千瓦級清潔高效大型煤電基地之一，也是西北地區(qū)能源金三角的重要組成部分。區(qū)域土壤呈中重度堿性，具有pH高、CaCO3含量多的特點，因此可能對酸沉降具有強的緩沖能力（Luo et al.，2015）。項目組前期的研究表明，寧東基地 SO42-沉降與全國水平相當，但低于區(qū)域S沉降臨界負荷；N沉降高于中國西北地區(qū)平均值，且超過了區(qū)域可接受的沉降量（王攀等，2020）。那么，長期酸沉降累積是否會導致區(qū)域土壤pH降低、C和P受限性增加等問題都值得深入探討。為此，本研究以寧東基地的3個燃煤電廠為采樣點，初步分析了2018年土壤pH、速效養(yǎng)分和酶活性的變化特征及其與酸沉降的關系，以期為科學評估荒漠煤礦區(qū)燃煤電廠污染物限排措施的實施效果提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

寧東基地地處寧夏中東部，具有典型的中溫帶干旱氣候特征：夏季平均氣溫約為 26.8 ℃，白天為34.4 ℃，夜晚為26.1 ℃；冬季平均氣溫在-5.5— -4.1 ℃之間，白天為-1.0 ℃，夜晚為-7.2 ℃；降水稀少且分配不均。年平均降水量為255.2 mm，年平均蒸發(fā)量為2682.2 mm。平均空氣相對濕度為45.8%—55.7%。土壤類型主要為灰鈣土和風沙土（羅成科等，2018）。年主導風向為西北風。

寧東基地能源礦產(chǎn)豐富，質量優(yōu)良，是中國重要的煤炭產(chǎn)地、煤化工能源基地。其儲煤量達到了全區(qū)儲量的87%，且該煤田地質條件好、開采成本低，吸引了多家能源企業(yè)進駐開發(fā)。寧東基地規(guī)劃建設的八大電廠將逐步形成千萬千瓦級的大型火電基地，為寧夏提供充足的電力支持，同時也是中國“西電東送”工程的重要供應地（梁曉雪，2019）。

1.2 監(jiān)測點選擇和采樣點設置

選擇寧夏發(fā)電集團有限責任公司馬蓮臺電廠、寧夏煤電有限公司鴛鴦湖電廠和寧夏靈武發(fā)電有限公司靈武電廠等3個燃煤電廠為監(jiān)測點（圖1）。2018年實地調查時，項目組發(fā)現(xiàn)3個電廠部分風向上存在人為干擾。為保證所選取樣點無其他 S、N排放源干擾，本研究將取樣點統(tǒng)一設在電廠圍墻外東南方向遠離其他企業(yè)、村莊、農(nóng)田、牧場和道路等無人為活動的扇形區(qū)域內。此外，相關研究表明，寧東基地燃煤電廠大氣污染物最大落地濃度約在距廠界1000—1300 m處（羅成科等，2018）。因而，依據(jù)各電廠周邊實際情況，在馬蓮臺電廠設置了3個取樣距離（100、300和500 m），在鴛鴦湖電廠設置了4個取樣距離（100、300、500和1000 m），在靈武電廠設置了5個取樣距離（100、300、500、1000和2000 m）。每個取樣距離設置3個10 m×10 m的采樣點。

圖1 研究區(qū)采樣點位置圖Figure 1 Location of the sampling points in studied area

1.3 樣品收集與分析

于2018年8月上旬，在每個采樣點采用內徑為5 cm的土鉆隨機取三鉆0—20 cm土壤，混勻作為一個樣品裝入封口袋中，放入保溫箱內帶回實驗室，參考鮑士旦（2000）進行土壤指標的測定。實驗室內，封口袋中土樣過2 mm篩后分為兩部分：一部分自然風干后，進行速效P質量分數(shù)的測定；另一部分4 ℃下冷藏，盡可能在一周內完成pH、電導率、NH4+-N質量分數(shù)、NO3--N質量分數(shù)和酶活性的測定。其中，pH和電導率分別采用梅特勒S220多參數(shù)測試儀和S230電導率儀測定；新鮮土樣經(jīng)1 mol·L-1KCl溶液浸提后，在連續(xù)流動分析儀上進行NO3--N和NH4+-N質量分數(shù)的測定。速效P質量分數(shù)采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測定；蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分別采用3, 5-二硝基水楊酸、苯酚-次氯酸鈉和磷酸苯二鈉比色法測定。

此外，依據(jù)項目組前期收集的 2019年 3—11月降水降塵混合沉降樣品，本文分析了土壤性質與S、N季沉降量的關系。具體操作時，參照國家環(huán)境保護總局發(fā)布的《酸沉降監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ/T 165—2004）和《環(huán)境空氣降塵標準》（GB/T 15265—1994），采用手動采樣器結合替代面法收集了混合沉降樣品，采用連續(xù)流動分析儀（Auto Analyzer 3，SEAL Analytical GmbH，Hanau，Germany）分析了 SO42-、NO3-和 NH4+質量分數(shù)（王攀等，2020），依據(jù)S、N月沉降量計算了S、N季沉降量（表1）。

表1 電廠周圍硫、氮季沉降量的變化特征Table 1 Variations of seasonal sulfur and nitrogen deposition around the three studied power plants

1.4 統(tǒng)計方法

采用 Excel 2007進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計并計算各指標的變異系數(shù)（各指標標準差與對應指標平均值的比值，CV）。采用Origin 2018進行圖的繪制以及線性關系的擬合，圖中數(shù)據(jù)為平均值+標準差。采用SPSS 13.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析：采用 Two-Way ANOVA和One-Way ANOVA分別進行各指標的兩因素和單因素方差分析。One-Way ANOVA分析前，對各指標進行方差齊性檢驗。若方差為齊性，選用最小顯著性差異法（LSD）。否則選用Tamhine’s T2 法。

2 結果與分析

2.1 燃煤電廠周圍土壤性質的變化范圍

研究區(qū)3個電廠各土壤指標差異較大，靈武電廠各指標變異系數(shù)總體較高（圖2）。整體上，pH變異系數(shù)較小，變化范圍為 8.14—9.94。電導率存在較大變異，變化范圍為 51.60—3890.00 μS·cm-1；NO3--N、NH4+-N和速效P質量分數(shù)變異系數(shù)較小，變化范圍分別為0.34—1.32、0.37—0.67和0.18—1.18 mg·kg-1；脲酶和磷酸酶活性變異系數(shù)均較大，蔗糖酶活性變異系數(shù)較小，變化范圍分別為12.36—51.80、13.98—77.26 和 109.53—372.73 mg·kg-1·h-1。

圖2 研究區(qū)土壤性質的變化范圍Figure 2 The changing ranges of soil properties in studied area

2.2 燃煤電廠間土壤性質的差異

取樣距離間（圖3），馬蓮臺電廠土壤電導率、NO3--N質量分數(shù)、NH4+-N質量分數(shù)、速效P質量分數(shù)和蔗糖酶活性分別在 D300、D500、D100、D300和D500處顯著高于其他2個取樣距離（P<0.05）；鴛鴦湖電廠土壤NO3--N質量分數(shù)、速效P質量分數(shù)和脲酶活性分別在D1000、D100和D500不同程度地高于其他取樣距離；靈武電廠土壤 pH、電導率、NO3--N質量分數(shù)、速效P質量分數(shù)、脲酶活性和磷酸酶活性分別在D500、D1000、D2000、D2000和D500不同程度地高于其他4個取樣距離。

圖3 取樣距離間電廠周圍土壤性質的差異Figure 3 The differences of soil properties among the sampling distances around the three studied power plants

3個電廠間（圖4），土壤pH、NH4+-N質量分數(shù)、蔗糖酶活性和脲酶活性無顯著差異（P>0.05）；靈武電廠土壤電導率、NO3--N質量分數(shù)、速效P質量分數(shù)和磷酸酶活性顯著高于其他2個電廠（P<0.05）。

圖4 3個電廠間土壤性質的差異Figure 4 The differences of soil properties among the three studied power plants

2.3 燃煤電廠周圍土壤性質與降水降塵中硫、氮沉降的關系

如圖5—7所示，研究區(qū)土壤pH與降水降塵NO3-/NH4+顯著正相關（P<0.05），與NH4+沉降量顯著負相關（P<0.05）；土壤電導率與降水降塵SO42-沉降量和SO42-/NO3-顯著正相關（P<0.05），與NO3-/NH4+顯著負相關（P<0.05）；土壤NO3--N質量分數(shù)與降水降塵 SO42-/NO3-顯著正相關（P<0.05）；土壤NH4+-N質量分數(shù)與降水降塵 SO42-沉降量和SO42-/NO3-顯著正相關（P<0.05）；土壤速效P質量分數(shù)與降水降塵SO42-沉降量和SO42-/NO3-顯著正相關（P<0.05），與NO3-季沉降量和NO3-/NH4+顯著負相關（P<0.05）；土壤蔗糖酶活性與降水降塵NO3-沉降量和NO3-/NH4+顯著負相關（P<0.05）；土壤磷酸酶活性與降水降塵SO42-沉降量和SO42-/NO3-顯著正相關（P<0.05），與NO3-沉降量、無機N沉降量和NO3-/NH4+顯著負相關（P<0.05）。

圖5 土壤pH和電導率與降水降塵中硫、氮沉降的關系Figure 5 The relationships of soil pH and electrical conductivity with the deposition of sulphur and nitrogen in precipitation and dustfall

3 討論

3.1 研究區(qū)土壤性質的變化特點

燃煤電廠煙塵在經(jīng)過除塵處理后，其直接排出的顆粒物濃度和粒徑小，亦具有遠距離擴散的特點（梁曉雪，2019）。例如，大氣擴散模型預測及實地測量結果發(fā)現(xiàn)，大氣硫化物濃度在空間上隨著距離的增大呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，并在距燃煤電廠約 2000—3000 m 處達到最大值（裴旭倩，2015；李志雄等，2017）。在無其他污染源的情況下，大氣污染物在空間上呈現(xiàn)出的沉降特征可能會使土壤性質亦呈距離梯度的變化趨勢。本研究中，各土壤性質在取樣距離上未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性（圖3）。一方面，燃煤電廠高架源的排放使得大氣污染物傳播距離較遠，很難對近距離土壤性質產(chǎn)生直接影響（李玉平，2010）。另一方面，煤礦區(qū)土壤性質的影響因素復雜，不僅受大氣污染物的影響，同時還是區(qū)域氣象條件、植被類型等綜合作用的結果（劉平等，2010；佟海，2016；梁曉雪，2019）。本研究僅分析了2000 m范圍內土壤性質，且3個電廠在氣候條件、植被組成等方面存在差異，從而可能使土壤性質未呈現(xiàn)出明顯的距離規(guī)律性（付亞寧等，2010；王攀等，2020）。

大氣污染物的污染程度與燃煤電廠機組規(guī)模、氣象氣候等條件密切相關。本研究中，3個電廠間土壤pH沒有顯著差異（圖4）。土壤對酸沉降的響應能力一方面取決于對H+的緩沖性，另一方面是對酸根離子移動的抑制性（房煥英等，2019）。研究區(qū)土壤呈中重度堿性。這類土壤通常具有高的酸中和性能（Luo et al.，2015），因此酸沉降下其土壤pH較難發(fā)生明顯的變化（姜勇等，2019）。此外，靈武電廠土壤NO3--N質量分數(shù)、速效P質量分數(shù)和磷酸酶活性均顯著高于其他 2個電廠。由于3個電廠間S、N沉降量并未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性（表1），因此3個電廠間土壤速效養(yǎng)分和酶活性的差異可能主要源于其土壤本底環(huán)境的不同。實地調查發(fā)現(xiàn)，靈武電廠周邊為濕地，其他 2個電廠周邊為沙地，導致靈武電廠土壤含水量及養(yǎng)分質量分數(shù)較高于其他2個電廠（王攀等，2020）。較好的水分條件有利于土壤磷酸酶活性維持在較高的水平（Kivlin et al.，2014）。由于磷酸酶能在很大程度上加速磷化合物的水解，使其分解為無機態(tài)P，從而增加土壤速效P質量分數(shù)（張藝等，2017）。

3.2 研究區(qū)土壤性質與降水降塵中硫沉降的關系

外源性S輸入對于土壤性質的影響受到土壤本底pH的調控。土壤對于酸沉降的敏感性主要取決于其對于H+的緩沖作用，其次是對SO42-移動的抑制性。本研究中，土壤pH與SO42-沉降量無顯著的相關性（圖5），表明研究區(qū)目前的S沉降水平尚不足以導致周邊土壤pH發(fā)生改變。一方面，研究區(qū)土壤呈中重度堿性，因此對S沉降具有強的緩沖能力（姜勇等，2019）。另一方面，研究區(qū)地處干旱區(qū)，降水稀少會導致土壤中SO42-離子運移困難，降低酸沉降對土壤pH的影響。土壤NH4+-N和速效P質量分數(shù)與SO42-沉降量顯著正相關（圖6）。這可能是因為 S沉降降低了土壤 N淋溶損失（Brown et al.，2000）、促進了磷酸鈣鹽溶解和遲效態(tài)P向速效態(tài)P轉化（Rezapour，2014），從而提高了N和P有效性（劉紅梅等，2018）。此外，土壤磷酸酶活性與SO42-沉降量顯著正相關（圖7），與針對鄧恩桉（Eucalyptus dunnii）人工幼齡林紅壤的結果不同（杜錕等，2015）。這一結果證實，S沉降有助于誘導根系或微生物分泌更多的磷酸酶以促進有機P的礦化，從而加速P在植物—微生物—土壤之間的周轉（劉紅梅等，2018）。

圖6 土壤速效養(yǎng)分與降水降塵中硫、氮沉降的關系Figure 6 The relationships of soil available nutrients with the deposition of sulphur and nitrogen in precipitation and dustfall

圖7 土壤酶活性與降水降塵中硫、氮沉降的關系Figure 7 The relationships of soil enzyme activities with the deposition of sulphur and nitrogen in precipitation and dustfall

3.3 研究區(qū)土壤性質與降水降塵中氮沉降的關系

研究表明，N沉降加速了土壤NH4+硝化和NO3-淋溶，導致pH降低（房煥英等，2019）。對于pH較高的堿性土壤，磷酸鹽易與Ca2+結合形成磷酸鈣鹽，pH降低有助于P的活化，從而提高P有效性（周紀東等，2016）。本研究中，NO3-沉降量與土壤 pH無相關性（圖 5），與陳向峰等（2020）的研究結果不同。這表明研究區(qū)目前的N沉降水平亦不會導致周邊土壤pH發(fā)生改變，與劉星等（2015）結果一致。土壤NO3--N和NH4+-N質量分數(shù)與NO3-沉降量及NH4+沉降量也無顯著的相關性（圖6），這可能與植物養(yǎng)分吸收和微生物養(yǎng)分礦化間動態(tài)平衡有關。但土壤速效P質量分數(shù)和磷酸酶活性與NO3-沉降量顯著負相關（圖6和圖7），表明N沉降抑制了研究區(qū)P循環(huán)水解酶活性（Chen et al.，2020），導致速效P質量分數(shù)降低。此外，有研究表明N沉降對土壤蔗糖酶活性無顯著影響（沈芳芳等，2012）。但也有研究認為土壤中充足的養(yǎng)分供應有助于提高微生物活性、增加動植物分泌物，進而提高土壤蔗糖酶活性（白春華等，2012）。本研究中，土壤蔗糖酶與NO3-沉降量和NO3-/NH4+顯著正相關（圖7），表明N沉降促進了植物生長、提高了土壤有機C輸入，從而有助于降低土壤C限制（Forstner et al.，2019；魏楓等，2019）。

4 結論

綜合以上分析，研究區(qū)土壤pH、NO3--N質量分數(shù)、NH4+-N質量分數(shù)、速效P質量分數(shù)和蔗糖酶活性的變異系數(shù)較小，其他3個指標的變異系數(shù)較大；土壤pH僅與降水降塵中NH4+沉降量線性相關。多數(shù)情況下，土壤NO3--N質量分數(shù)、NH4+-N質量分數(shù)、速效P質量分數(shù)、磷酸酶活性與降水降塵中 S沉降線性正相關，而與 NO3-沉降線性負相關。以上結果意味著，區(qū)域當前S沉降強度有助于提高100—2000 m范圍內土壤磷酸酶活性、促進土壤速效養(yǎng)分的積累，N沉降則表現(xiàn)出相反的效應，但兩者均未對土壤pH產(chǎn)生明顯影響。

本研究僅分析了東南方向近距離范圍內 S、N沉降下3個電廠土壤性質的變化。考慮到高架源大氣污染物的長距離遷移性、酸沉降的時間累積性、土壤污染成分組成的復雜性、土壤指標的多樣性，今后還需延長取樣距離、增加取樣方向、豐富土壤指標，并結合土壤污染源分析，從較長時間尺度上深入探討荒漠煤礦區(qū)工業(yè)排放源周邊酸沉降的生態(tài)效應。