一种酸化森林土壤的修复方法
阅读：42发布：2020-07-25
专利汇可以提供一种酸化森林土壤的修复方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 酸化 森林 土壤 的 化学修复 方法，尤其涉及到一种酸沉降引起的或者由造林导致的酸化森林土壤的化学修复技术方法，属于环境污染防治技术领域。本 发明 以石灰石和菱镁矿/白 云 石为原料，按Ca和Mg的摩尔比3∶2配比撒施在森林土壤表面，对酸化森林土壤和森林 生态系统 进行化学修复。根据当地年平均硫沉降量，确定修复剂投入量，将投入量的石灰石矿和菱镁矿/白云石进行充分 粉碎 ，混合后，撒施在森林土壤表面，即对酸化森林土壤和森林生态系统进行了化学修复。通过投加含有石灰石和菱镁矿的复合修复剂，可以经济有效地实现酸化土壤的修复，并同时避免投加单一修复剂造成的土壤营养失衡等 副作用 ；经实验验证这个方法是经济有效的。，下面是一种酸化森林土壤的修复方法专利的具体信息内容。
1、一种酸化森林土壤的修复方法，以石灰石和菱镁矿/白云石为原料，按一定配比撒施 在森林土壤表面，对酸化森林土壤和森林生态系统进行化学修复，其特征在于，该方法包括 以下步骤：
(1)确定当地年平均硫沉降量
根据历年监测数据，确定当地年平均硫沉降量，假设其为a g·m-2·a-1，以元素硫记；
(2)确定修复剂投入量
(2.1)按当量分别为 分别确定纯品碳酸钙和碳 酸镁修复剂投入量；
(2.2)确定石灰石矿和菱镁矿/白云石粗矿石的投加量
根据步骤(2.1)所得到的修复剂的投入量以及所使用的石灰石矿和菱镁矿/白云石纯度， 进一步计算投入的石灰石矿和菱镁矿/白云石粗矿石的投加量；
(3)施入修复剂
将步骤(2)投入量的石灰石矿和菱镁矿/白云石进行充分粉碎，混合后，撒施在森林土 壤表面，即对酸化森林土壤和森林生态系统进行化学修复。
2、根据权利要求1所述的一种酸化森林土壤的修复方法，其特征在于，如无法确定当地 的硫沉降量，步骤(2.1)则取纯品碳酸钙和碳酸镁质量和为300吨/公顷确定修复剂投入量， 然后按照权利要求1步骤(2.2)、步骤(3)进行酸化森林土壤和森林生态系统进行化学修复。
3、根据权利要求2所述的一种酸化森林土壤的修复方法，其特征在于，所述纯品碳酸钙、 碳酸镁的质量比为1.5～2.5。
技术领域
本发明涉及到一种土壤污染治理的方法，尤其涉及到一种酸沉降引起的或者由造林导致 的酸化森林土壤的化学修复方法，属于环境污染防治技术领域。
背景技术
土壤酸化是土壤退化的主要形式之一。随着经济的高速发展，我国二氧化硫和氮氧化物 等致酸物质的排放量已超过欧洲和美国，居世界第一位。继欧洲和北美之后，我国也出现了 大面积的酸雨分布区。研究表明，我国南方七省受酸雨危害的森林面积为128.21×104hm2， 由于森林生长量下降，每年由木材产量下降造成的经济损失已达6.0亿元人民币；同时考虑 因森林生长衰退造成的生态系统功能下降的生态效益经济损失，每年的总损失高达60亿元人 民币。
尽管酸雨造成森林生态系统的退化存在多种途径，但是由酸雨造成的土壤酸化被认为是 一个最重要的原因。土壤酸化的大致过程是：酸雨中的氢离子与土壤胶体表面上吸附的盐基 性离子进行交换反应而被吸附于土粒表面，被交换下来的盐基性离子随渗漏水淋失；土粒表 面的氢离子又自发地与矿物晶格表面的铝迅速反应，转化成交换性铝，可能对植物的根产生 伤害。因此，土壤酸化表现为pH值降低、盐基阳离子加速淋溶、活性铝加速淋溶和有毒重金 属元素的活化移动等。
针对我国大面积的森林土壤已经发生酸化或者具有潜在的酸化可能的严峻形势，有必要 开展酸化土壤修复的工作。尽管土壤酸化的最终解决依赖于二氧化硫和氮氧化物的大幅度削 减，但对特定的地区(主要是森林地区)进行酸化土壤的修复，可以及时避免酸沉降所造成 的重大生态和经济损失。除了环境污染是森林土壤酸化的重要原因之外，森林本身也会导致 土壤的自然酸化，特别是在为林业发展而人为提高森林生产力的情况下，因此为了林业的可 持续发展，也很有必要重视森林土壤的修复。通常，酸化土壤的修复方法包括化学修复和生 物修复。化学修复方法即通过投加石灰或者添加盐基阳离子来改变土壤的化学性质。
根据现有的认识，当土壤溶液中盐基阳离子和铝离子的当量浓度比(BC/Al)低于某一 定值(通常为1.0，但不确定较大)时，将对森林生态系统产生危害影响，因此在常用BC/Al 比值作评价修复剂效果的指标。目前，适当投加石灰石(或菱镁矿、白云石)或者一些易溶 的盐类(比如MgSO4)被认为是防止土壤酸化同时提高土壤养分的有效方法，从而获得一定程 度的利用，但是初步的研究表明，其副作用也不容忽视，包括土壤氮矿化速率和硝化速率的 提高(从而导致有机物含量下降)，NO3 -和SO4 2-等阴离子的淋溶(有可能造成地下水的污染)， 土壤Mg2+和K+等阳离子的淋溶(加剧营养失衡)和Al3+等有毒重金属离子的活化(可能对植被 和水生生物产生危害)等。为了降低费用，一些研究也尝试使用廉价的固体废物，比如城市 垃圾、污水处理厂的剩余污泥以及电厂烟气脱硫产物，但其副作用更明显。
尽管酸雨造成森林生态系统的退化存在多种途径，但是由酸雨造成的土壤酸化被认为是 一个最重要的原因。土壤酸化的大致过程是：酸雨中的氢离子与土壤胶体表面上吸附的盐基 性离子进行交换反应而被吸附于土粒表面，被交换下来的盐基性离子随渗漏水淋失；土粒表 面的氢离子又自发地与矿物晶格表面的铝迅速反应，转化成交换性铝，可能对植物的根产生 伤害。因此，土壤酸化表现为pH值降低、盐基阳离子加速淋溶、活性铝加速淋溶和有毒重金 属元素的活化移动等。
针对我国大面积的森林土壤已经发生酸化或者具有潜在的酸化可能的严峻形势，有必要 开展酸化土壤修复的工作。尽管土壤酸化的最终解决依赖于二氧化硫和氮氧化物的大幅度削 减，但对特定的地区(主要是森林地区)进行酸化土壤的修复，可以及时避免酸沉降所造成 的重大生态和经济损失。除了环境污染是森林土壤酸化的重要原因之外，森林本身也会导致 土壤的自然酸化，特别是在为林业发展而人为提高森林生产力的情况下，因此为了林业的可 持续发展，也很有必要重视森林土壤的修复。通常，酸化土壤的修复方法包括化学修复和生 物修复。化学修复方法即通过投加石灰或者添加盐基阳离子来改变土壤的化学性质。
根据现有的认识，当土壤溶液中盐基阳离子和铝离子的当量浓度比(BC/Al)低于某一 定值(通常为1.0，但不确定较大)时，将对森林生态系统产生危害影响，因此在常用BC/Al 比值作评价修复剂效果的指标。目前，适当投加石灰石(或菱镁矿、白云石)或者一些易溶 的盐类(比如MgSO4)被认为是防止土壤酸化同时提高土壤养分的有效方法，从而获得一定程 度的利用，但是初步的研究表明，其副作用也不容忽视，包括土壤氮矿化速率和硝化速率的 提高(从而导致有机物含量下降)，NO3 -和SO4 2-等阴离子的淋溶(有可能造成地下水的污染)， 土壤Mg2+和K+等阳离子的淋溶(加剧营养失衡)和Al3+等有毒重金属离子的活化(可能对植被 和水生生物产生危害)等。为了降低费用，一些研究也尝试使用廉价的固体废物，比如城市 垃圾、污水处理厂的剩余污泥以及电厂烟气脱硫产物，但其副作用更明显。
发明内容
本发明提供了一种针对酸化土壤的化学修复方法(以石灰石和菱镁矿/白云石为主要原 料)。通过合适选择修复剂的配比和投加量，可以有效实现酸化土壤的修复并避免由此带来的 副作用。
本发明采用的技术方案是：向酸化森林土壤施加碱性化学修复剂(石灰石和菱镁矿)，以 达到中和酸沉降，提高土壤pH值、阳离子交换量和盐基饱和度，提高土壤对酸沉降的缓冲能 力等的目的，同时增加土壤中一些营养元素(如Ca、Mg)等的含量，降低有毒金属元素(Al 和重金属等)的浓度，减轻由于酸沉降造成的森林生态系统的损失，提高森林生态系统的生 产力。为了经济有效地实现酸化土壤的修复并尽量避免由此带来的副作用，修复剂的配比和 投加量的选择至关重要。
在修复酸化的森林土壤的同时，为避免采用单一修复剂可能对森林生态系统造成的副作 用，本发明推荐在在森林土壤表面添加经优化配比的复合修复剂(石灰石与菱镁矿粉碎后按 钙镁当量比3∶2进行混合，相当于以纯品碳酸钙与碳酸镁质量比2∶1混合)。添加菱镁矿的 原因在于，Mg是生态系统所需的重要营养元素，森林需求量6～30kg·ha-1·a-1，而中国南方许 多地区森林土壤中的Mg元素含量较低(有时甚至低于2meq·kg-1)。更为重要的是，酸沉降和 单纯投加石灰石均会加剧土壤的镁缺乏，表现为比如树叶中Mg含量的下降，从而危害森林生 长。而不能单纯使用菱镁矿的原因在于它的溶解性较差，与石灰石相比见效较慢，而且价格 较高。因此，从有效性和经济性上来看，菱镁矿的用量应当尽可能小。而钙镁当量比3∶2是 实践中获得的保证森林营养平衡的一个最佳比例。
本发明所提供的酸化土壤的化学修复方法包括如下的步骤：
确定当地年平均硫沉降量。从而确定修复剂投加量。按照使用本修复技术地点具体酸沉 降量确定修复剂的投加量，投加修复剂量应保证能中和当地自然沉降中的酸性物质，并能持 续作用一段时间。本方法采用按照可中和当地10年酸沉降量的当量来计算修复剂的投加量。 鉴于我国目前大多数地区的酸沉降仍以硫(S)沉降为主，因此用硫沉降量计算。具体计算方 法如下：根据历年监测数据，确定当地年平均硫沉降量，假设其为ag·m-2·a-1(以元素硫记)， 则修复剂中，所含纯品碳酸钙与碳酸镁的当量总和应为
确定修复剂投入量。为避免单一修复剂的缺点，应使用复合修复剂。而钙镁当量比3∶2 是实践中获得的保证森林营养平衡的一个最佳比例。由此，投加石灰石和菱镁矿中纯品碳酸 钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3的当量分别为 其质量分别为 18.75×ag·m-2、10.5×ag·m-2，即分别为0.19×a吨/公顷、0.11×a吨/公顷；在实际操作 中，需根据所使用石灰石矿和菱镁矿纯度，进一步计算粗矿石的投加量。如无法确定当地的 具体酸沉降当量，可取石灰石和菱镁矿中纯品碳酸钙和碳酸镁质量和为300吨/公顷。如不能 保证最优化配比，则需保证碳酸钙和碳酸镁的质量比应在1.5～2.5范围内。
施入修复剂。将石灰石和菱镁矿进行尽量充分粉碎，并按优化配比混合后，撒施在森林 土壤表面。之后和正常林地一样进行田间管理和林业生产。
本发明的有益效果是：通过投加含有石灰石和菱镁矿的复合修复剂，可以经济有效地实 现酸化土壤的修复，并同时避免投加单一修复剂造成的土壤营养失衡等副作用。
附图说明
图1是在野外林地施加修复剂后，土壤水溶液pH随时间变化曲线图。
图2是在野外林地施加修复剂后，土壤水溶液主要离子浓度变化情况图。
图3表示野外林地施加修复剂后，林地主要植被马尾松2003-2004年胸径平均增量。
图4是用酸化模型模拟的投加修复剂后土壤溶液pH随时间变化曲线。
图5是模型模拟的投加修复剂后土壤溶液中盐基阳离子和铝离子的当量浓度比(BC/Al) 随时间变化曲线。
本发明采用的技术方案是：向酸化森林土壤施加碱性化学修复剂(石灰石和菱镁矿)，以 达到中和酸沉降，提高土壤pH值、阳离子交换量和盐基饱和度，提高土壤对酸沉降的缓冲能 力等的目的，同时增加土壤中一些营养元素(如Ca、Mg)等的含量，降低有毒金属元素(Al 和重金属等)的浓度，减轻由于酸沉降造成的森林生态系统的损失，提高森林生态系统的生 产力。为了经济有效地实现酸化土壤的修复并尽量避免由此带来的副作用，修复剂的配比和 投加量的选择至关重要。
在修复酸化的森林土壤的同时，为避免采用单一修复剂可能对森林生态系统造成的副作 用，本发明推荐在在森林土壤表面添加经优化配比的复合修复剂(石灰石与菱镁矿粉碎后按 钙镁当量比3∶2进行混合，相当于以纯品碳酸钙与碳酸镁质量比2∶1混合)。添加菱镁矿的 原因在于，Mg是生态系统所需的重要营养元素，森林需求量6～30kg·ha-1·a-1，而中国南方许 多地区森林土壤中的Mg元素含量较低(有时甚至低于2meq·kg-1)。更为重要的是，酸沉降和 单纯投加石灰石均会加剧土壤的镁缺乏，表现为比如树叶中Mg含量的下降，从而危害森林生 长。而不能单纯使用菱镁矿的原因在于它的溶解性较差，与石灰石相比见效较慢，而且价格 较高。因此，从有效性和经济性上来看，菱镁矿的用量应当尽可能小。而钙镁当量比3∶2是 实践中获得的保证森林营养平衡的一个最佳比例。
本发明所提供的酸化土壤的化学修复方法包括如下的步骤：
确定当地年平均硫沉降量。从而确定修复剂投加量。按照使用本修复技术地点具体酸沉 降量确定修复剂的投加量，投加修复剂量应保证能中和当地自然沉降中的酸性物质，并能持 续作用一段时间。本方法采用按照可中和当地10年酸沉降量的当量来计算修复剂的投加量。 鉴于我国目前大多数地区的酸沉降仍以硫(S)沉降为主，因此用硫沉降量计算。具体计算方 法如下：根据历年监测数据，确定当地年平均硫沉降量，假设其为ag·m-2·a-1(以元素硫记)， 则修复剂中，所含纯品碳酸钙与碳酸镁的当量总和应为
确定修复剂投入量。为避免单一修复剂的缺点，应使用复合修复剂。而钙镁当量比3∶2 是实践中获得的保证森林营养平衡的一个最佳比例。由此，投加石灰石和菱镁矿中纯品碳酸 钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3的当量分别为 其质量分别为 18.75×ag·m-2、10.5×ag·m-2，即分别为0.19×a吨/公顷、0.11×a吨/公顷；在实际操作 中，需根据所使用石灰石矿和菱镁矿纯度，进一步计算粗矿石的投加量。如无法确定当地的 具体酸沉降当量，可取石灰石和菱镁矿中纯品碳酸钙和碳酸镁质量和为300吨/公顷。如不能 保证最优化配比，则需保证碳酸钙和碳酸镁的质量比应在1.5～2.5范围内。
施入修复剂。将石灰石和菱镁矿进行尽量充分粉碎，并按优化配比混合后，撒施在森林 土壤表面。之后和正常林地一样进行田间管理和林业生产。
本发明的有益效果是：通过投加含有石灰石和菱镁矿的复合修复剂，可以经济有效地实 现酸化土壤的修复，并同时避免投加单一修复剂造成的土壤营养失衡等副作用。
附图说明
图1是在野外林地施加修复剂后，土壤水溶液pH随时间变化曲线图。
图2是在野外林地施加修复剂后，土壤水溶液主要离子浓度变化情况图。
图3表示野外林地施加修复剂后，林地主要植被马尾松2003-2004年胸径平均增量。
图4是用酸化模型模拟的投加修复剂后土壤溶液pH随时间变化曲线。
图5是模型模拟的投加修复剂后土壤溶液中盐基阳离子和铝离子的当量浓度比(BC/Al) 随时间变化曲线。
具体实施方式
图1是在野外林地施加修复剂后，土壤水溶液pH随时间变化曲线图，其中横坐标为开 始监测后的时间，单位为月，纵坐标为土壤水溶液的pH值。图1包括的四幅子图分别为土 壤不同分层——SO(凋落物渗滤液)，S1(10cm深处土壤水)，S2(20cm深处土壤水)和S3 (30cm深处土壤水)的结果。图1中的曲线：紫色线代表投加石灰石后土壤水溶液pH随时 间变化曲线，灰色线代表投加菱镁矿后土壤水溶液pH随时间变化曲线，深蓝色线代表投加石 灰石后土壤水溶液pH随时间变化曲线；S0图中的浅蓝色线代表林冠穿透水pH随时间变化曲 线，可以认为其代表了自然降水酸度。附图1说 明投加石灰石和菱镁矿均能够明显提高土壤的pH值，特别是投加石灰石，见效更快。
图2是在野外林地施加修复剂后，土壤水溶液主要离子浓度变化情况图，其中横坐标代 表了不同的处理方法，Ref为对照样区(未投加修复剂，仅受自然沉降作用)，Ca为投加石灰 石的情况，Mg为投加菱镁矿的情况，纵坐标为土壤水溶液主要离子浓度，单位为μeq·L-1。图2 中的四幅子图意义与图1相同，各子图中不同离子的标识如图例。图2表明单纯投加石灰石 会导致Mg2+浓度的下降(单纯投加菱镁矿则导致Ca2+的浓度下降)，从而加剧生态系统的营养 失衡。
图3表示野外林地施加修复剂后，林地主要植被马尾松2003-2004年胸径平均增量，其 中横坐标代表了不同的处理方法，Ref为对照(未投加修复剂，仅受自然沉降作用)，Ca和 Mg分别为投加石灰石和菱镁矿的情况；纵坐标为马尾松胸径的平均增量，单位为厘米(cm)。 图3说明投加石灰石和菱镁矿均能明显促进树木的生长。
图4是用酸化模型模拟的投加修复剂后土壤溶液pH随时间变化曲线。其中横坐标代表 时间，单位为年，纵坐标为土壤溶液pH值。图4所包括的两幅子图分别为Soil1(土壤上层) 和Soil2(土壤下层)的结果。图4中的曲线：实线代表不投加修复剂的情况，点划线代表 投加石灰石的情况，点线代表投加菱镁矿的情况，虚线代表投加复合修复剂的情况。三角、 方块和菱形点分别代表现场监测到的对照样地以及投加石灰石和菱镁矿时土壤溶液pH。图4 表明投加石灰石对提高土壤pH值最有效，而复合修复剂的效果介于两种单一修复剂之间。
图5是模型模拟的投加修复剂后土壤溶液中盐基阳离子和铝离子的当量浓度比(BC/Al) 随时间变化曲线。其中横坐标代表时间，单位为年，纵坐标为土壤溶液BC/Al比值。图5 所包括的两幅子图以及各曲线含义与图4相同。BC/Al是表征土壤酸化对植被危害程度的一 个指标，其阈值为1.0，值越低表明可能的危害程度越大。图5表明由于Mg的加入可能促进 了植物对Ca和Mg的吸收，导致投加菱镁矿不仅没有缓解土壤酸化的影响(表现为BC/Al下 降)，反而加剧了铝对植物的毒害，而复合修复剂则能在补充生态系统流失Mg元素的同时有 效地提高BC/Al。
实例1：修复剂效果的现场观测
该实例涉及本发明在受酸沉降影响较严重的南方森林使用后的效果。
为验证碱性修复剂对酸化森林土壤的修复效果，选择酸沉降危害十分严重且受人类活动 影响较小的典型酸化森林土壤建立观测站，进行长期观测。该观测站位于重庆铁山坪林场内， 坐落于重庆东北部，据市中心大约25km，海拔约450m，年均温度18℃左右，年均降水量1100mm 左右，植被为马尾松林(树龄40年左右)，土壤为山地黄壤，成土母质为砂页岩，现状硫沉 降量10-12g·m-2·a-1，降水平均pH值4.0-4.2。
在选定的观测站内安装降水、穿透水、枯落物、土壤和土壤水的采样装置；通过对降水、 穿透水、土壤、土壤水、枯落物以及植物进行取样和分析，并对植被进行现场观测，考察修 复剂对森林土壤和植被的影响。使用的两种修复剂分别为纯度较高的石灰石和菱镁矿。投加 量参考欧洲的经验，按可中和当地10年的酸沉降量计算确定(均等于6.0molc·m-2)，该剂量 与我国农业中改良酸性土壤的石灰施用量(折合成石灰石量为100～300g·m-2)相当。修复剂 于2003年12月一次性地均匀施撒在样区的土壤表面。
约两年的持续监测表明，在受酸沉降影响较严重的南方森林施加修复剂后，两种化学修 复剂(石灰石、菱镁矿)均起均能有效提高土壤溶液的pH值(如图1)和相应营养元素的含 量(如图2)。对照样区S0的年平均pH值为3.69，而在投加了石灰石和菱镁矿后，分别上升 至6.75和5.27；S1、S2和S3的pH值在投加了石灰石后也分别从3.58、3.80和3.86上升 至4.10、4.00和4.06。但是，在投加菱镁矿的样区，除了S1增加较明显之外，S2和S3的 pH值仅略有增加。总的来看，投加石灰石样区(Ca)土壤溶液pH值上升幅度比投加菱镁矿 样区(Mg)大。
修复剂的加入也降低了有毒金属元素铝的浓度，在投加了石灰石的样区，S0因pH值较 高(pH＞6)，Ali的浓度可忽略不计；S1、S2和S3中的Ali浓度也分别从对照样区的967、 1.37×103和1.11×103μmolc·L-1降至575、935和1.09×103μmolc·L-1。同样，投加菱镁矿的 样区，S0中Ali的浓度也降到很低的值(33.8μmolc·L-1)；S1、S2和S3中的Ali浓度也分 别降至774、1.29×103和1.04×103μmolc·L-1。
由于碱性化学修复剂(石灰石、菱镁矿)的加入，达到了中和酸沉降，提高土壤pH值、 阳离子交换量和盐基饱和度，并降低有毒金属元素浓度等的目的，从而缓解土壤酸化对森林 生态系统的危害。投加修复剂一年后，林区内不同样地马尾松的胸径增量表现出较大的差异 (见图3)：对照样区的胸径平均增长量仅为0.19cm，而投加菱镁矿和石灰石的样区乔木胸径 增加量分别达到0.39和0.40cm。此外，处理样地的平均长度、细根生物量和实生苗数量等 也均明显高于对照样地，表明修复剂的投加有利于生态系统的恢复。
尽管投加石灰石导致的土壤化学性质的改变比投加菱镁矿更明显，但是植被的变化(特 别是细根的增加)却不够明显，这表明Mg是酸化森林生态系统关键的营养元素，而土壤修复 必须避免Mg淋溶的加剧。两种单一修复剂的效果均不能满意，只有将两者相结合，才能达到 理想的效果。
实例2：修复剂效果的数学模拟
通过现场观测方法检验修复剂对酸化森林土壤修复效果，虽然可靠性高，但存在费用高、 耗时长以及无法随意控制实验条件等缺点。因此，在现场观测结果的基础上，还需要利用数 学模型来模拟投加修复剂的效果，并以此确定复合修复剂的优化配方。
模拟中用到的模型为MAGIC模型，其全称为“集水区地下水酸化模型”(Model of Acidification of Groundwater in Catchment)。该模型考虑了大气沉降、矿物风化、生物 吸收、土壤淋溶、阴离子吸附、阳离子交换、铝的溶解和沉淀、氮的硝化和矿化以及溶液化 学平衡等多种生物地球化学过程，可以模拟生态系统的化学状态随时间演变的整个酸化过程。 尽管酸化土壤的修复过程同土壤的酸化过程完全相反，但其涉及的土壤化学过程并无差别， 因此MAGIC模型原则上同样适用于土壤修复过程的模拟，只是需要针对某些输入参数进行特 殊的处理，需要基于现场观测的修复效果进行校验，获得与修复有关的参数。
利用模型校验得到的参数，由MAGIC模型模拟了投加修复剂后土壤化学性质的变化。投 加石灰石和菱镁矿后均能够提高土壤pH(见图1)。如果剂量不变，石灰石处理样地的土壤 pH值将稳定到3.95(土壤上层)和3.98(土壤下层)左右，而菱镁矿处理的样地升幅较小， 仅达至3.60和3.84。
此外，考虑到盐基阳离子(Ca2+、Mg2+和K+)摩尔浓度之和与Al3+的比值是反映土壤化学 对植物毒性的一个指标，还模拟了投加修复剂后该参数的变化(见图5)。投加石灰石能使该 参数明显提高并保持在马尾松受害的临界阈值2.0之上，但是菱镁矿的加入反而使该值下降 到1.0以下，不利于缓解土壤溶液中铝对植物根系的毒害。
通过模型模拟，我们了解了投加石灰石和菱镁矿对上壤化学的长期影响。从中可以发现， 单纯往生态系统中加入Ca或者Mg，均不能有效改善酸化土壤并促进生态系统的恢复。为此， 需要将两者相结合，而其配比是关键。通过尝试石灰石和菱镁矿在不同组合下对土壤化学的 影响，我们发现，在Ca和Mg的摩尔比在3∶2左右时，其修复效果较好，结果同样如图4、 图5所示，从图中可以看出，尽管复合修复剂的使用并不能达到单纯使用石灰石带来的pH和 BC/Al升高效果，但是其升高趋势已十分明显。同时，也是更加重要的是，复合修复剂能够 大大提高土壤的可交换镁含量，促进森林的生长。如果Ca的比例降低，将无法保证BC/Al的 升高。考虑到石灰石的价格低于菱镁矿，这个配方是经济有效的。
图2是在野外林地施加修复剂后，土壤水溶液主要离子浓度变化情况图，其中横坐标代 表了不同的处理方法，Ref为对照样区(未投加修复剂，仅受自然沉降作用)，Ca为投加石灰 石的情况，Mg为投加菱镁矿的情况，纵坐标为土壤水溶液主要离子浓度，单位为μeq·L-1。图2 中的四幅子图意义与图1相同，各子图中不同离子的标识如图例。图2表明单纯投加石灰石 会导致Mg2+浓度的下降(单纯投加菱镁矿则导致Ca2+的浓度下降)，从而加剧生态系统的营养 失衡。
图3表示野外林地施加修复剂后，林地主要植被马尾松2003-2004年胸径平均增量，其 中横坐标代表了不同的处理方法，Ref为对照(未投加修复剂，仅受自然沉降作用)，Ca和 Mg分别为投加石灰石和菱镁矿的情况；纵坐标为马尾松胸径的平均增量，单位为厘米(cm)。 图3说明投加石灰石和菱镁矿均能明显促进树木的生长。
图4是用酸化模型模拟的投加修复剂后土壤溶液pH随时间变化曲线。其中横坐标代表 时间，单位为年，纵坐标为土壤溶液pH值。图4所包括的两幅子图分别为Soil1(土壤上层) 和Soil2(土壤下层)的结果。图4中的曲线：实线代表不投加修复剂的情况，点划线代表 投加石灰石的情况，点线代表投加菱镁矿的情况，虚线代表投加复合修复剂的情况。三角、 方块和菱形点分别代表现场监测到的对照样地以及投加石灰石和菱镁矿时土壤溶液pH。图4 表明投加石灰石对提高土壤pH值最有效，而复合修复剂的效果介于两种单一修复剂之间。
图5是模型模拟的投加修复剂后土壤溶液中盐基阳离子和铝离子的当量浓度比(BC/Al) 随时间变化曲线。其中横坐标代表时间，单位为年，纵坐标为土壤溶液BC/Al比值。图5 所包括的两幅子图以及各曲线含义与图4相同。BC/Al是表征土壤酸化对植被危害程度的一 个指标，其阈值为1.0，值越低表明可能的危害程度越大。图5表明由于Mg的加入可能促进 了植物对Ca和Mg的吸收，导致投加菱镁矿不仅没有缓解土壤酸化的影响(表现为BC/Al下 降)，反而加剧了铝对植物的毒害，而复合修复剂则能在补充生态系统流失Mg元素的同时有 效地提高BC/Al。
实例1：修复剂效果的现场观测
该实例涉及本发明在受酸沉降影响较严重的南方森林使用后的效果。
为验证碱性修复剂对酸化森林土壤的修复效果，选择酸沉降危害十分严重且受人类活动 影响较小的典型酸化森林土壤建立观测站，进行长期观测。该观测站位于重庆铁山坪林场内， 坐落于重庆东北部，据市中心大约25km，海拔约450m，年均温度18℃左右，年均降水量1100mm 左右，植被为马尾松林(树龄40年左右)，土壤为山地黄壤，成土母质为砂页岩，现状硫沉 降量10-12g·m-2·a-1，降水平均pH值4.0-4.2。
在选定的观测站内安装降水、穿透水、枯落物、土壤和土壤水的采样装置；通过对降水、 穿透水、土壤、土壤水、枯落物以及植物进行取样和分析，并对植被进行现场观测，考察修 复剂对森林土壤和植被的影响。使用的两种修复剂分别为纯度较高的石灰石和菱镁矿。投加 量参考欧洲的经验，按可中和当地10年的酸沉降量计算确定(均等于6.0molc·m-2)，该剂量 与我国农业中改良酸性土壤的石灰施用量(折合成石灰石量为100～300g·m-2)相当。修复剂 于2003年12月一次性地均匀施撒在样区的土壤表面。
约两年的持续监测表明，在受酸沉降影响较严重的南方森林施加修复剂后，两种化学修 复剂(石灰石、菱镁矿)均起均能有效提高土壤溶液的pH值(如图1)和相应营养元素的含 量(如图2)。对照样区S0的年平均pH值为3.69，而在投加了石灰石和菱镁矿后，分别上升 至6.75和5.27；S1、S2和S3的pH值在投加了石灰石后也分别从3.58、3.80和3.86上升 至4.10、4.00和4.06。但是，在投加菱镁矿的样区，除了S1增加较明显之外，S2和S3的 pH值仅略有增加。总的来看，投加石灰石样区(Ca)土壤溶液pH值上升幅度比投加菱镁矿 样区(Mg)大。
修复剂的加入也降低了有毒金属元素铝的浓度，在投加了石灰石的样区，S0因pH值较 高(pH＞6)，Ali的浓度可忽略不计；S1、S2和S3中的Ali浓度也分别从对照样区的967、 1.37×103和1.11×103μmolc·L-1降至575、935和1.09×103μmolc·L-1。同样，投加菱镁矿的 样区，S0中Ali的浓度也降到很低的值(33.8μmolc·L-1)；S1、S2和S3中的Ali浓度也分 别降至774、1.29×103和1.04×103μmolc·L-1。
由于碱性化学修复剂(石灰石、菱镁矿)的加入，达到了中和酸沉降，提高土壤pH值、 阳离子交换量和盐基饱和度，并降低有毒金属元素浓度等的目的，从而缓解土壤酸化对森林 生态系统的危害。投加修复剂一年后，林区内不同样地马尾松的胸径增量表现出较大的差异 (见图3)：对照样区的胸径平均增长量仅为0.19cm，而投加菱镁矿和石灰石的样区乔木胸径 增加量分别达到0.39和0.40cm。此外，处理样地的平均长度、细根生物量和实生苗数量等 也均明显高于对照样地，表明修复剂的投加有利于生态系统的恢复。
尽管投加石灰石导致的土壤化学性质的改变比投加菱镁矿更明显，但是植被的变化(特 别是细根的增加)却不够明显，这表明Mg是酸化森林生态系统关键的营养元素，而土壤修复 必须避免Mg淋溶的加剧。两种单一修复剂的效果均不能满意，只有将两者相结合，才能达到 理想的效果。
实例2：修复剂效果的数学模拟
通过现场观测方法检验修复剂对酸化森林土壤修复效果，虽然可靠性高，但存在费用高、 耗时长以及无法随意控制实验条件等缺点。因此，在现场观测结果的基础上，还需要利用数 学模型来模拟投加修复剂的效果，并以此确定复合修复剂的优化配方。
模拟中用到的模型为MAGIC模型，其全称为“集水区地下水酸化模型”(Model of Acidification of Groundwater in Catchment)。该模型考虑了大气沉降、矿物风化、生物 吸收、土壤淋溶、阴离子吸附、阳离子交换、铝的溶解和沉淀、氮的硝化和矿化以及溶液化 学平衡等多种生物地球化学过程，可以模拟生态系统的化学状态随时间演变的整个酸化过程。 尽管酸化土壤的修复过程同土壤的酸化过程完全相反，但其涉及的土壤化学过程并无差别， 因此MAGIC模型原则上同样适用于土壤修复过程的模拟，只是需要针对某些输入参数进行特 殊的处理，需要基于现场观测的修复效果进行校验，获得与修复有关的参数。
利用模型校验得到的参数，由MAGIC模型模拟了投加修复剂后土壤化学性质的变化。投 加石灰石和菱镁矿后均能够提高土壤pH(见图1)。如果剂量不变，石灰石处理样地的土壤 pH值将稳定到3.95(土壤上层)和3.98(土壤下层)左右，而菱镁矿处理的样地升幅较小， 仅达至3.60和3.84。
此外，考虑到盐基阳离子(Ca2+、Mg2+和K+)摩尔浓度之和与Al3+的比值是反映土壤化学 对植物毒性的一个指标，还模拟了投加修复剂后该参数的变化(见图5)。投加石灰石能使该 参数明显提高并保持在马尾松受害的临界阈值2.0之上，但是菱镁矿的加入反而使该值下降 到1.0以下，不利于缓解土壤溶液中铝对植物根系的毒害。
通过模型模拟，我们了解了投加石灰石和菱镁矿对上壤化学的长期影响。从中可以发现， 单纯往生态系统中加入Ca或者Mg，均不能有效改善酸化土壤并促进生态系统的恢复。为此， 需要将两者相结合，而其配比是关键。通过尝试石灰石和菱镁矿在不同组合下对土壤化学的 影响，我们发现，在Ca和Mg的摩尔比在3∶2左右时，其修复效果较好，结果同样如图4、 图5所示，从图中可以看出，尽管复合修复剂的使用并不能达到单纯使用石灰石带来的pH和 BC/Al升高效果，但是其升高趋势已十分明显。同时，也是更加重要的是，复合修复剂能够 大大提高土壤的可交换镁含量，促进森林的生长。如果Ca的比例降低，将无法保证BC/Al的 升高。考虑到石灰石的价格低于菱镁矿，这个配方是经济有效的。
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