硫氮沉降下西北荒漠煤礦區周邊土壤性質的變化特點

李春環 ，王攀，韓翠，許藝馨，黃菊瑩

1. 寧夏大學生態環境學院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏大學地理科學與規劃學院，寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021

隨著社會經濟的發展，化石燃料的使用量也逐年增長。據報道，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、生態系統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律已經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）。就中國西北地區而言，盡管酸沉降低于南方地區，但近年來隨著西部大開發戰略的實施和西部能源產業的不斷發展，酸沉降量逐年增加。相關數據表明，1990—2010年間，中國酸性降水面積從22.53%增加到30.45%，其中西北地區為主要增長區域（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系統的匯，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，并與其他環境因子一同脅迫生態環境健康（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，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，尤其是工業酸排放源周邊區域。

依據現今的發展趨勢來看，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走向可持續發展道路的主要問題（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，也是西北地區能源金三角的重要組成部分。區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，但低于區域S沉降臨界負荷；N沉降高于中國西北地區平均值，且超過了區域可接受的沉降量（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燃煤電廠污染物限排措施的實施效果提供數據支撐。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

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。

寧東基地能源礦產豐富，質量優良，是中國重要的煤炭產地、煤化工能源基地。其儲煤量達到了全區儲量的87%，且該煤田地質條件好、開采成本低，吸引了多家能源企業進駐開發。寧東基地規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 監測點選擇和采樣點設置

選擇寧夏發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電有限公司靈武電廠等3個燃煤電廠為監測點（圖1）。2018年實地調查時，項目組發現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，本研究將取樣點統一設在電廠圍墻外東南方向遠離其他企業、村莊、農田、牧場和道路等無人為活動的扇形區域內。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、NO3--N質量分數和酶活性的測定。其中，pH和電導率分別采用梅特勒S220多參數測試儀和S230電導率儀測定；新鮮土樣經1 mol·L-1KCl溶液浸提后，在連續流動分析儀上進行NO3--N和NH4+-N質量分數的測定。速效P質量分數采用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，參照國家環境保護總局發布的《酸沉降監測技術規范》（HJ/T 165—2004）和《環境空氣降塵標準》（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，采用連續流動分析儀（Auto Analyzer 3，SEAL Analytical GmbH，Hanau，Germany）分析了 SO42-、NO3-和 NH4+質量分數（王攀等，2020），依據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 統計方法

采用 Excel 2007進行數據統計并計算各指標的變異系數（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，圖中數據為平均值+標準差。采用SPSS 13.0進行數據的統計分析：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3個電廠各土壤指標差異較大，靈武電廠各指標變異系數總體較高（圖2）。整體上，pH變異系數較小，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質量分數變異系數較小，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均較大，蔗糖酶活性變異系數較小，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、NH4+-N質量分數、速效P質量分數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、速效P質量分數和脲酶活性分別在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、速效P質量分數、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、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、速效P質量分數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質量分數與降水降塵 SO42-/NO3-顯著正相關（P<0.05）；土壤NH4+-N質量分數與降水降塵 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 研究區土壤性質的變化特點

燃煤電廠煙塵在經過除塵處理后，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現，大氣硫化物濃度在空間上隨著距離的增大呈現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出明顯的規律性（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生直接影響（李玉平，2010）。另一方面，煤礦區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出明顯的距離規律性（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較難發生明顯的變化（姜勇等，2019）。此外，靈武電廠土壤NO3--N質量分數、速效P質量分數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沉降量并未呈現明顯的規律性（表1），因此3個電廠間土壤速效養分和酶活性的差異可能主要源于其土壤本底環境的不同。實地調查發現，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分質量分數較高于其他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P，從而增加土壤速效P質量分數（張藝等，2017）。

3.2 研究區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），表明研究區目前的S沉降水平尚不足以導致周邊土壤pH發生改變。一方面，研究區土壤呈中重度堿性，因此對S沉降具有強的緩沖能力（姜勇等，2019）。另一方面，研究區地處干旱區，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P向速效態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。這表明研究區目前的N沉降水平亦不會導致周邊土壤pH發生改變，與劉星等（2015）結果一致。土壤NO3--N和NH4+-N質量分數與NO3-沉降量及NH4+沉降量也無顯著的相關性（圖6），這可能與植物養分吸收和微生物養分礦化間動態平衡有關。但土壤速效P質量分數和磷酸酶活性與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P循環水解酶活性（Chen et al.，2020），導致速效P質量分數降低。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，研究區土壤pH、NO3--N質量分數、NH4+-N質量分數、速效P質量分數和蔗糖酶活性的變異系數較小，其他3個指標的變異系數較大；土壤pH僅與降水降塵中NH4+沉降量線性相關。多數情況下，土壤NO3--N質量分數、NH4+-N質量分數、速效P質量分數、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、促進土壤速效養分的積累，N沉降則表現出相反的效應，但兩者均未對土壤pH產生明顯影響。

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工業排放源周邊酸沉降的生態效應。