硫氮沉降下西北荒漠煤矿区周边土壤性质的变化特点

李春环 ，王攀，韩翠，许艺馨，黄菊莹

1. 宁夏大学生态环境学院，宁夏 银川 750021；2. 宁夏大学地理科学与规划学院，宁夏 银川 750021；3. 宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021

随着社会经济的发展，化石燃料的使用量也逐年增长。据报道，2018年世界一次性能源消费量为1.39×1010t油当量，相比上一年增长2.9%（苗琦等，2020）。大量的化石燃料燃烧导致SO2和NOx排放增长，引起土壤性质改变，进而导致生物多样性降低、生态系统服务功能下降等问题（Jung et al.，2018；Zarfos et al.，2019）。国外对于酸沉降的时空变化规律已经做了大量的研究工作（Peringe et al.，2020）。在过去的几十年中，欧洲和北美的酸沉降明显减少。例如，仅1990—2014年间欧洲SO2和NOx排放量就分别减少了约60%和45%（Forsius et al.，2021）。中国近10年来酸沉降速率趋于稳定甚至亦有所降低（Zheng et al.，2018；Yu et al.，2019；Wen et al.，2020）。就中国西北地区而言，尽管酸沉降低于南方地区，但近年来随着西部大开发战略的实施和西部能源产业的不断发展，酸沉降量逐年增加。相关数据表明，1990—2010年间，中国酸性降水面积从22.53%增加到30.45%，其中西北地区为主要增长区域（Yu et al.，2017）。就宁夏而言，尽管估测的酸沉降低于全国水平，但较低的N沉降临界负荷（段雷等，2002）、N与S沉降的耦合作用（Gao et al.，2018）以及酸沉降的时间累积性（Phoenix et al.，2012），使得区域酸沉降效应同样值得关注。

土壤是大气酸性物质进入陆地生态系统的汇，会直接受到酸沉降的影响，从而引起一系列土壤性质的变化（郭平，2016）。其中，土壤酸化、P限制增加、C和P获取酶活性增强等问题受到了研究人员的广泛关注。酸沉降加速了土壤 NH4+硝化和NO3-淋溶，导致土壤pH降低，并与其他环境因子一同胁迫生态环境健康（Tian et al.，2015；房焕英等，2019）。另一方面，N沉降会刺激到土壤磷酸酶活性，加速有机P的矿化和P循环，从而增加有效P含量（Xiao et al.，2018）。N沉降可以提高土壤NH4+-N和NO3--N浓度（周晓兵等，2009）。S沉降与N沉降存在协同增效作用，因而外源S输入也可以增加土壤无机N有效性（姜勇等，2019）。同时，NH4+-N浓度的增加会使土壤有机N的矿化速率降低，从而使土壤脲酶活性降低（Kim et al.，2019；刘红梅等，2018）。此外，土壤蔗糖酶作为土壤C循环速率的重要指标，酸沉降所造成的pH降低将有利于其活性处于较高水平（肖海兵等，2016）。目前，国内外已有较多研究探讨了酸沉降对土壤性质的影响，但是这些研究主要集中在酸性、中性和轻度碱性土壤（pH<8.5），尚缺乏针对中、重度碱性土壤的探讨，尤其是工业酸排放源周边区域。

依据现今的发展趋势来看，短时间内中国以煤炭资源为主体的能源结构不会发生较大变化。研究表明，燃煤电厂是酸沉降的重要排放源之一（Li et al.，2019），其污染排放已成为制约中国煤电行业走向可持续发展道路的主要问题（佟海，2016）。宁东能源化工基地（以下简称宁东基地）地处宁夏回族自治区中东部，是国家千万千瓦级清洁高效大型煤电基地之一，也是西北地区能源金三角的重要组成部分。区域土壤呈中重度碱性，具有pH高、CaCO3含量多的特点，因此可能对酸沉降具有强的缓冲能力（Luo et al.，2015）。项目组前期的研究表明，宁东基地 SO42-沉降与全国水平相当，但低于区域S沉降临界负荷；N沉降高于中国西北地区平均值，且超过了区域可接受的沉降量（王攀等，2020）。那么，长期酸沉降累积是否会导致区域土壤pH降低、C和P受限性增加等问题都值得深入探讨。为此，本研究以宁东基地的3个燃煤电厂为采样点，初步分析了2018年土壤pH、速效养分和酶活性的变化特征及其与酸沉降的关系，以期为科学评估荒漠煤矿区燃煤电厂污染物限排措施的实施效果提供数据支撑。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

宁东基地地处宁夏中东部，具有典型的中温带干旱气候特征：夏季平均气温约为 26.8 ℃，白天为34.4 ℃，夜晚为26.1 ℃；冬季平均气温在-5.5— -4.1 ℃之间，白天为-1.0 ℃，夜晚为-7.2 ℃；降水稀少且分配不均。年平均降水量为255.2 mm，年平均蒸发量为2682.2 mm。平均空气相对湿度为45.8%—55.7%。土壤类型主要为灰钙土和风沙土（罗成科等，2018）。年主导风向为西北风。

宁东基地能源矿产丰富，质量优良，是中国重要的煤炭产地、煤化工能源基地。其储煤量达到了全区储量的87%，且该煤田地质条件好、开采成本低，吸引了多家能源企业进驻开发。宁东基地规划建设的八大电厂将逐步形成千万千瓦级的大型火电基地，为宁夏提供充足的电力支持，同时也是中国“西电东送”工程的重要供应地（梁晓雪，2019）。

1.2 监测点选择和采样点设置

选择宁夏发电集团有限责任公司马莲台电厂、宁夏煤电有限公司鸳鸯湖电厂和宁夏灵武发电有限公司灵武电厂等3个燃煤电厂为监测点（图1）。2018年实地调查时，项目组发现3个电厂部分风向上存在人为干扰。为保证所选取样点无其他 S、N排放源干扰，本研究将取样点统一设在电厂围墙外东南方向远离其他企业、村庄、农田、牧场和道路等无人为活动的扇形区域内。此外，相关研究表明，宁东基地燃煤电厂大气污染物最大落地浓度约在距厂界1000—1300 m处（罗成科等，2018）。因而，依据各电厂周边实际情况，在马莲台电厂设置了3个取样距离（100、300和500 m），在鸳鸯湖电厂设置了4个取样距离（100、300、500和1000 m），在灵武电厂设置了5个取样距离（100、300、500、1000和2000 m）。每个取样距离设置3个10 m×10 m的采样点。

图1 研究区采样点位置图Figure 1 Location of the sampling points in studied area

1.3 样品收集与分析

于2018年8月上旬，在每个采样点采用内径为5 cm的土钻随机取三钻0—20 cm土壤，混匀作为一个样品装入封口袋中，放入保温箱内带回实验室，参考鲍士旦（2000）进行土壤指标的测定。实验室内，封口袋中土样过2 mm筛后分为两部分：一部分自然风干后，进行速效P质量分数的测定；另一部分4 ℃下冷藏，尽可能在一周内完成pH、电导率、NH4+-N质量分数、NO3--N质量分数和酶活性的测定。其中，pH和电导率分别采用梅特勒S220多参数测试仪和S230电导率仪测定；新鲜土样经1 mol·L-1KCl溶液浸提后，在连续流动分析仪上进行NO3--N和NH4+-N质量分数的测定。速效P质量分数采用0.5 mol·L-1NaHCO3法测定；蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分别采用3, 5-二硝基水杨酸、苯酚-次氯酸钠和磷酸苯二钠比色法测定。

此外，依据项目组前期收集的 2019年 3—11月降水降尘混合沉降样品，本文分析了土壤性质与S、N季沉降量的关系。具体操作时，参照国家环境保护总局发布的《酸沉降监测技术规范》（HJ/T 165—2004）和《环境空气降尘标准》（GB/T 15265—1994），采用手动采样器结合替代面法收集了混合沉降样品，采用连续流动分析仪（Auto Analyzer 3，SEAL Analytical GmbH，Hanau，Germany）分析了 SO42-、NO3-和 NH4+质量分数（王攀等，2020），依据S、N月沉降量计算了S、N季沉降量（表1）。

表1 电厂周围硫、氮季沉降量的变化特征Table 1 Variations of seasonal sulfur and nitrogen deposition around the three studied power plants

1.4 统计方法

采用 Excel 2007进行数据统计并计算各指标的变异系数（各指标标准差与对应指标平均值的比值，CV）。采用Origin 2018进行图的绘制以及线性关系的拟合，图中数据为平均值+标准差。采用SPSS 13.0进行数据的统计分析：采用 Two-Way ANOVA和One-Way ANOVA分别进行各指标的两因素和单因素方差分析。One-Way ANOVA分析前，对各指标进行方差齐性检验。若方差为齐性，选用最小显著性差异法（LSD）。否则选用Tamhine’s T2 法。

2 结果与分析

2.1 燃煤电厂周围土壤性质的变化范围

研究区3个电厂各土壤指标差异较大，灵武电厂各指标变异系数总体较高（图2）。整体上，pH变异系数较小，变化范围为 8.14—9.94。电导率存在较大变异，变化范围为 51.60—3890.00 μS·cm-1；NO3--N、NH4+-N和速效P质量分数变异系数较小，变化范围分别为0.34—1.32、0.37—0.67和0.18—1.18 mg·kg-1；脲酶和磷酸酶活性变异系数均较大，蔗糖酶活性变异系数较小，变化范围分别为12.36—51.80、13.98—77.26 和 109.53—372.73 mg·kg-1·h-1。

图2 研究区土壤性质的变化范围Figure 2 The changing ranges of soil properties in studied area

2.2 燃煤电厂间土壤性质的差异

取样距离间（图3），马莲台电厂土壤电导率、NO3--N质量分数、NH4+-N质量分数、速效P质量分数和蔗糖酶活性分别在 D300、D500、D100、D300和D500处显著高于其他2个取样距离（P<0.05）；鸳鸯湖电厂土壤NO3--N质量分数、速效P质量分数和脲酶活性分别在D1000、D100和D500不同程度地高于其他取样距离；灵武电厂土壤 pH、电导率、NO3--N质量分数、速效P质量分数、脲酶活性和磷酸酶活性分别在D500、D1000、D2000、D2000和D500不同程度地高于其他4个取样距离。

图3 取样距离间电厂周围土壤性质的差异Figure 3 The differences of soil properties among the sampling distances around the three studied power plants

3个电厂间（图4），土壤pH、NH4+-N质量分数、蔗糖酶活性和脲酶活性无显著差异（P>0.05）；灵武电厂土壤电导率、NO3--N质量分数、速效P质量分数和磷酸酶活性显著高于其他2个电厂（P<0.05）。

图4 3个电厂间土壤性质的差异Figure 4 The differences of soil properties among the three studied power plants

2.3 燃煤电厂周围土壤性质与降水降尘中硫、氮沉降的关系

如图5—7所示，研究区土壤pH与降水降尘NO3-/NH4+显著正相关（P<0.05），与NH4+沉降量显著负相关（P<0.05）；土壤电导率与降水降尘SO42-沉降量和SO42-/NO3-显著正相关（P<0.05），与NO3-/NH4+显著负相关（P<0.05）；土壤NO3--N质量分数与降水降尘 SO42-/NO3-显著正相关（P<0.05）；土壤NH4+-N质量分数与降水降尘 SO42-沉降量和SO42-/NO3-显著正相关（P<0.05）；土壤速效P质量分数与降水降尘SO42-沉降量和SO42-/NO3-显著正相关（P<0.05），与NO3-季沉降量和NO3-/NH4+显著负相关（P<0.05）；土壤蔗糖酶活性与降水降尘NO3-沉降量和NO3-/NH4+显著负相关（P<0.05）；土壤磷酸酶活性与降水降尘SO42-沉降量和SO42-/NO3-显著正相关（P<0.05），与NO3-沉降量、无机N沉降量和NO3-/NH4+显著负相关（P<0.05）。

图5 土壤pH和电导率与降水降尘中硫、氮沉降的关系Figure 5 The relationships of soil pH and electrical conductivity with the deposition of sulphur and nitrogen in precipitation and dustfall

3 讨论

3.1 研究区土壤性质的变化特点

燃煤电厂烟尘在经过除尘处理后，其直接排出的颗粒物浓度和粒径小，亦具有远距离扩散的特点（梁晓雪，2019）。例如，大气扩散模型预测及实地测量结果发现，大气硫化物浓度在空间上随着距离的增大呈现出先升高后降低的趋势，并在距燃煤电厂约 2000—3000 m 处达到最大值（裴旭倩，2015；李志雄等，2017）。在无其他污染源的情况下，大气污染物在空间上呈现出的沉降特征可能会使土壤性质亦呈距离梯度的变化趋势。本研究中，各土壤性质在取样距离上未呈现出明显的规律性（图3）。一方面，燃煤电厂高架源的排放使得大气污染物传播距离较远，很难对近距离土壤性质产生直接影响（李玉平，2010）。另一方面，煤矿区土壤性质的影响因素复杂，不仅受大气污染物的影响，同时还是区域气象条件、植被类型等综合作用的结果（刘平等，2010；佟海，2016；梁晓雪，2019）。本研究仅分析了2000 m范围内土壤性质，且3个电厂在气候条件、植被组成等方面存在差异，从而可能使土壤性质未呈现出明显的距离规律性（付亚宁等，2010；王攀等，2020）。

大气污染物的污染程度与燃煤电厂机组规模、气象气候等条件密切相关。本研究中，3个电厂间土壤pH没有显著差异（图4）。土壤对酸沉降的响应能力一方面取决于对H+的缓冲性，另一方面是对酸根离子移动的抑制性（房焕英等，2019）。研究区土壤呈中重度碱性。这类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较难发生明显的变化（姜勇等，2019）。此外，灵武电厂土壤NO3--N质量分数、速效P质量分数和磷酸酶活性均显著高于其他 2个电厂。由于3个电厂间S、N沉降量并未呈现明显的规律性（表1），因此3个电厂间土壤速效养分和酶活性的差异可能主要源于其土壤本底环境的不同。实地调查发现，灵武电厂周边为湿地，其他 2个电厂周边为沙地，导致灵武电厂土壤含水量及养分质量分数较高于其他2个电厂（王攀等，2020）。较好的水分条件有利于土壤磷酸酶活性维持在较高的水平（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，使其分解为无机态P，从而增加土壤速效P质量分数（张艺等，2017）。

3.2 研究区土壤性质与降水降尘中硫沉降的关系

外源性S输入对于土壤性质的影响受到土壤本底pH的调控。土壤对于酸沉降的敏感性主要取决于其对于H+的缓冲作用，其次是对SO42-移动的抑制性。本研究中，土壤pH与SO42-沉降量无显著的相关性（图5），表明研究区目前的S沉降水平尚不足以导致周边土壤pH发生改变。一方面，研究区土壤呈中重度碱性，因此对S沉降具有强的缓冲能力（姜勇等，2019）。另一方面，研究区地处干旱区，降水稀少会导致土壤中SO42-离子运移困难，降低酸沉降对土壤pH的影响。土壤NH4+-N和速效P质量分数与SO42-沉降量显著正相关（图6）。这可能是因为 S沉降降低了土壤 N淋溶损失（Brown et al.，2000）、促进了磷酸钙盐溶解和迟效态P向速效态P转化（Rezapour，2014），从而提高了N和P有效性（刘红梅等，2018）。此外，土壤磷酸酶活性与SO42-沉降量显著正相关（图7），与针对邓恩桉（Eucalyptus dunnii）人工幼龄林红壤的结果不同（杜锟等，2015）。这一结果证实，S沉降有助于诱导根系或微生物分泌更多的磷酸酶以促进有机P的矿化，从而加速P在植物—微生物—土壤之间的周转（刘红梅等，2018）。

图6 土壤速效养分与降水降尘中硫、氮沉降的关系Figure 6 The relationships of soil available nutrients with the deposition of sulphur and nitrogen in precipitation and dustfall

图7 土壤酶活性与降水降尘中硫、氮沉降的关系Figure 7 The relationships of soil enzyme activities with the deposition of sulphur and nitrogen in precipitation and dustfall

3.3 研究区土壤性质与降水降尘中氮沉降的关系

研究表明，N沉降加速了土壤NH4+硝化和NO3-淋溶，导致pH降低（房焕英等，2019）。对于pH较高的碱性土壤，磷酸盐易与Ca2+结合形成磷酸钙盐，pH降低有助于P的活化，从而提高P有效性（周纪东等，2016）。本研究中，NO3-沉降量与土壤 pH无相关性（图 5），与陈向峰等（2020）的研究结果不同。这表明研究区目前的N沉降水平亦不会导致周边土壤pH发生改变，与刘星等（2015）结果一致。土壤NO3--N和NH4+-N质量分数与NO3-沉降量及NH4+沉降量也无显著的相关性（图6），这可能与植物养分吸收和微生物养分矿化间动态平衡有关。但土壤速效P质量分数和磷酸酶活性与NO3-沉降量显著负相关（图6和图7），表明N沉降抑制了研究区P循环水解酶活性（Chen et al.，2020），导致速效P质量分数降低。此外，有研究表明N沉降对土壤蔗糖酶活性无显著影响（沈芳芳等，2012）。但也有研究认为土壤中充足的养分供应有助于提高微生物活性、增加动植物分泌物，进而提高土壤蔗糖酶活性（白春华等，2012）。本研究中，土壤蔗糖酶与NO3-沉降量和NO3-/NH4+显著正相关（图7），表明N沉降促进了植物生长、提高了土壤有机C输入，从而有助于降低土壤C限制（Forstner et al.，2019；魏枫等，2019）。

4 结论

综合以上分析，研究区土壤pH、NO3--N质量分数、NH4+-N质量分数、速效P质量分数和蔗糖酶活性的变异系数较小，其他3个指标的变异系数较大；土壤pH仅与降水降尘中NH4+沉降量线性相关。多数情况下，土壤NO3--N质量分数、NH4+-N质量分数、速效P质量分数、磷酸酶活性与降水降尘中 S沉降线性正相关，而与 NO3-沉降线性负相关。以上结果意味着，区域当前S沉降强度有助于提高100—2000 m范围内土壤磷酸酶活性、促进土壤速效养分的积累，N沉降则表现出相反的效应，但两者均未对土壤pH产生明显影响。

本研究仅分析了东南方向近距离范围内 S、N沉降下3个电厂土壤性质的变化。考虑到高架源大气污染物的长距离迁移性、酸沉降的时间累积性、土壤污染成分组成的复杂性、土壤指标的多样性，今后还需延长取样距离、增加取样方向、丰富土壤指标，并结合土壤污染源分析，从较长时间尺度上深入探讨荒漠煤矿区工业排放源周边酸沉降的生态效应。