李 佳,李 巍,侯錦湘,高 芳 (北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,水環(huán)境模擬國家重點實驗室,北京 100875)

貴州地區(qū)酸雨作用下典型森林植被冠層淋溶規(guī)律研究

李 佳,李 巍*,侯錦湘,高 芳 (北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,水環(huán)境模擬國家重點實驗室,北京 100875)

選擇貴州龍里生態(tài)園為研究區(qū)域,對當(dāng)?shù)伛R尾松林和針闊混交林2種典型植被的冠層穿透水化學(xué)特征進行了比較,分析了酸雨作用下植被的冠層淋溶規(guī)律.對2007年6月～2008年11月的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明,酸雨經(jīng)過森林冠層后,pH值明顯升高,針闊混交林對酸雨的緩沖性能優(yōu)于馬尾松林.在常年酸沉降作用下,2種冠層對NH4+具有較強的吸收作用,對NO3-也有一定的吸收,對當(dāng)?shù)赝寥浪峄鸬搅艘欢ǖ木彌_作用.通過雨量加權(quán)計算,研究區(qū)森林冠層析出量最大是Mg2+、K+、Ca2+等營養(yǎng)元素離子,長期的酸雨影響易造成森林營養(yǎng)虧損.

酸雨；淋溶；穿透水；貴州

Abstract：From June 2007 to November 2008, the throughfalls of masson pine and mixed wood was collected and measured at Longli experimental plot in Guizhou province. The acidity and chemical composition of throughfalls were analyzed with statistical methods to reveal the leach characteristics and seasonal tendency of local acid rain. pH values of precipitation increased obviously after getting through the crowns, and mixed wood had a better cushioning effect against acid rain than masson pine. Under the action of acid deposition in the perennial, crowns of masson pine and mixed wood had a certain absorption of NH4+and NO3-, which could mitigate local soil’s acidification. Acid rain induced nutrient ions such as Mg2+, K+and Ca2+to leach and lose.

Key words：acid rain；leach；throughfall；Guizhou Province

貴州是我國南方酸沉降比較嚴(yán)重的省份之一,其以煤為主的能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀以及特有的地形地貌特點,使得全省總體酸雨污染狀況突出.在同處西南地區(qū)的重慶等地曾出現(xiàn)酸沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的現(xiàn)象[1-2],而貴州省近年來還沒有酸沉降損害森林的報道.目前,對于貴州地區(qū)酸沉降狀況和酸雨化學(xué)組成等均有所研究[3-7],而關(guān)于酸雨對森林冠層淋溶作用的研究并不多見.本研究選擇貴州龍里生態(tài)示范園為實驗區(qū)(下簡稱龍里實驗區(qū)),以當(dāng)?shù)?007年6月～2008年11月的降水和穿透水監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選取當(dāng)?shù)伛R尾松純林和針闊混交林2種主要森林類型為研究對象,分析大氣降水與冠層穿透水的化學(xué)特征,比較針葉林和針闊混交林2種不同類型的森林冠層對大氣酸性降水化學(xué)成分的影響,評價降水酸度和離子含量在不同季節(jié)和不同類型森林冠層影響下的變化,為該區(qū)域酸沉降生態(tài)影響評估工作提供研究基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1實驗區(qū)概況

龍里實驗區(qū)位于黔中腹地、苗嶺山脈中段(106°45′18"E～107°15′1"E、26°10′19"N～26°49′33"N),距貴陽市中心約30km.園區(qū)總面積約11.89km2,海拔高度1109～1629m.園內(nèi)自然植被屬于亞熱帶石灰?guī)r常綠櫪林及常綠落葉闊葉混交林.由于人為破壞嚴(yán)重,原生植被殘存無幾,植被類型以馬尾松-槲櫟林(針闊混交林)和人工栽植的馬尾松純林為主.主要土壤類型是砂巖和石灰?guī)r母質(zhì)上發(fā)育的黃壤.

1.2樣品采集

2007年6月～2008年11月在龍里實驗區(qū)進行樣品采集工作,對雨水、馬尾松純林和針闊混交林的冠層穿透水樣品分別收集.大氣降水水樣利用自動降水采樣器按照降水場次采集,記錄每次降雨的雨量.穿透水樣品收集是選定標(biāo)準(zhǔn)木,在離地面1.5m處固定一個直徑為15cm的聚乙烯漏斗,中間放置過濾薄片以防止樹葉和昆蟲進入,下方緊接一個專用聚氯乙烯接水容器.收集到的雨水和穿透水樣品分別置入50mL的聚乙烯瓶內(nèi)保存.

1.3分析方法

分別用PHS-3C型精密pH計和DDS-307A型電導(dǎo)率儀現(xiàn)場測定樣品的pH值和電導(dǎo)率,然后帶回實驗室,經(jīng)0.45μm的微孔濾膜過濾后用Dionex-600IC型離子色譜儀測定其中的主要陰離子(SO42-,NO3-,Cl-,NO2-,PO43-,甲酸根,乙酸根)和陽離子(NH4+,Ca2+,K+,Na+,Mg2+)含量.以降雨量為權(quán)重,用加權(quán)平均法計算出各月、季及全年平均值,單位為μeq/L.

2 結(jié)果與討論

2.1穿透水pH值的季節(jié)變化特征

對不同季節(jié)降水和穿透水的pH值進行分析(圖1)可知,實驗期內(nèi)2008年降水pH值相對2007年總體降低了1～2個單位,而穿透水pH值則表現(xiàn)出與降水不同的特征.2007年6月～2008年2月間,2種穿透水水樣的pH值較之降水都明顯降低,其中馬尾松純林穿透水pH值下降更為明顯;而2008年3月～11月間,大氣降水經(jīng)過2種樹冠后pH值均明顯升高.實驗期內(nèi)混交林穿透水的pH值不及馬尾松純林穿透水pH值的變化幅度大.

降水對林木冠層主要有對葉片附著的干沉降粒子的淋洗及對葉片內(nèi)部物質(zhì)的溶出2種作用,一般以對干沉降的淋洗為主,但當(dāng)降水酸度較大時,淋溶造成的離子富集也占到相當(dāng)?shù)谋戎?降水可使葉片表面附著的大量酸性物質(zhì)被淋洗下來,使穿透水pH值較之降水明顯降低,這與2007年的結(jié)果一致.由于馬尾松的針形葉片與空氣接觸的比表面積更大,故馬尾松純林穿透水pH值的降低比針闊混交林更明顯.而2008年穿透水pH值高于降水可能是因為當(dāng)年酸雨強度(酸度和頻率)明顯升高[8],樹冠在受到酸性較強的降水淋溶后,樹木組織內(nèi)的鹽基陽離子(Ca2+,Mg2+,K+等)與降水中的H+發(fā)生交換反應(yīng),H+取代鹽基離子,降雨中H+濃度降低,使得pH值上升[9].通過比較2008年各季節(jié)大氣降水pH增量可知,2種穿透水pH值的上升幅度都是在春、夏季(3～8月份)較明顯,這表明在植被生長旺季,樹葉中可發(fā)生交換反應(yīng)的鹽基離子活性更大,淋溶作用更明顯.

2.2穿透水化學(xué)特征

圖1 降水及穿透水pH值季均值變化Fig.1 Seasonal pH mean values’ variety of precipitation and throughfalls

分析不同季節(jié)降水和穿透水的陰陽離子含量(表1)可以看出,降水中陽離子以NH4+所占比例最大,陰離子則以SO42-的含量最高,體現(xiàn)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)施肥的影響和硫酸型酸雨的特點.穿透水陰離子中SO42-含量最高,陽離子中Ca2+含量最高.相對于大氣降水,馬尾松林和針闊混交林內(nèi)穿透水中的多數(shù)離子含量都大大增加,有的離子增加幅度達數(shù)十倍,而NH4+含量則基本低于降水中相應(yīng)值,說明森林冠層對降水中的NH4+有一定的吸收.降水過程中的NH3雖然暫時中和了降水酸度,但當(dāng)NH4+隨雨水進入土壤后將不同程度地發(fā)生硝化作用形成NO3-并釋放H+,反而促進了土壤酸化[10-11].森林冠層對NH4+的吸收一定程度上緩解了土壤在酸雨作用下的酸化過程.

實驗期內(nèi)共監(jiān)測到降雨39次,總降雨量482.0mm.將每次降雨的雨量按5個等級進行劃分(0.1≤R＜2,2≤R＜10,10≤R＜25,25≤R＜50,R≥50,R為雨量,單位mm),分析不同雨量對應(yīng)的2種冠層穿透水pH值和離子濃度富集倍數(shù)(表2).結(jié)果表明,暴雨時,2種冠層對K+都出現(xiàn)了較明顯的吸收.混交林對NH4+的吸收能力強于馬尾松林,受降雨強度影響相對較小.雨量在2～10mm時各離子的富集倍數(shù)普遍較大,這可能與此雨量等級下降水酸度較大從而淋溶作用較強有關(guān)(根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,實驗期內(nèi)當(dāng)?shù)亟邓畃H值隨雨量增加呈現(xiàn)”U”型變化,雨量在2～10mm時酸度最高).

表1 不同季節(jié)穿透水離子含量分析Table 1 Analysis of throughfall’s ion concentration in different seasons

表2 不同雨量下的穿透水pH值和離子富集倍數(shù)Table 2 pH values and ion enrichment multiples of throughfalls in different rainfall capacity levels

穿透水離子濃度升高通常是因為林冠層攔截了大量的干沉降,且林冠可以分泌一些代謝產(chǎn)物,降雨時這些物質(zhì)隨著大氣降水一起被沖洗下來.馬尾松穿透水中離子的季節(jié)變化幅度比針闊混交林穿透水更大.

2種林分穿透水中NO3-的富集濃度都明顯低于SO42-,這可能有兩方面的原因:一是由于當(dāng)?shù)刂脖惶幱诎l(fā)育階段,少量的NO3-有一定的施氮作用[12],樹木可直接吸收沉降提供的NO3-,導(dǎo)致穿透水中濃度不高;二是實驗區(qū)附近工廠和農(nóng)戶以煤為主要燃料,大氣污染物以SO2為主.

表3對該地區(qū)降水和穿透水中的陰陽離子進行的離子平衡分析表明,除2007年夏季和2008年春季外,當(dāng)?shù)亟邓畼悠分械年栯x子總量低于陰離子總量;而穿透水中則是陽離子含量更高.考慮到實驗中未測F-、HCO3-、C2O42-等陰離子,實際的Σ陽離子/Σ陰離子值會低于計算值.附近農(nóng)作物種植過程中的施肥、秸稈燃燒以及生態(tài)園旅游等人類活動也對水樣中的離子平衡狀況產(chǎn)生了一定的影響.

穿透水中陽離子總量大于析出的陰離子總量可導(dǎo)致林木冠層更易吸附H+,造成林木冠層酸化.冠層積聚H+將導(dǎo)致更多營養(yǎng)元素離子析出.冠層吸收營養(yǎng)元素主要通過直接吸收大氣沉降物和根系從土壤中間接吸收2個途徑[13].如果冠層攔截的礦質(zhì)元素離子不斷被淋出,淋洗到土壤后又隨地表水流失,長期下去冠層吸收不到足夠的營養(yǎng),將導(dǎo)致森林退化.

表3 降水與穿透水的離子平衡狀況Table 3 Ionic equilibrium of precipitation and throughfalls

2.3降水過程的冠層淋溶

2.3.1淋溶序列分析 雨水透過樹冠后,大部分離子含量均出現(xiàn)不同程度的富集(表1),這可能是淋洗作用和淋溶作用共同作用的結(jié)果.根據(jù)測得的大氣降水以及林內(nèi)穿透水中各離子的含量,以雨量為權(quán)重,計算出研究期內(nèi)大氣降水及林內(nèi)穿透水的平均沉降率,結(jié)果見表4.

表4 穿透水離子平均沉降率及富集倍數(shù)分析Table 4 Analysis of throughfall’s ion enrichment multiples and settlement rate

在監(jiān)測的18個月中,只有NH4+的富集倍數(shù)小于1,說明從長期來看,森林冠層只對NH4+具有較強的吸收作用,對其他元素的吸收作用不明顯.對各離子的富集倍數(shù)進行比較,馬尾松林的富集倍數(shù)序列為:Mg2+＞K+＞Ca2+＞SO42-＞Cl-＞Na+＞NO3-＞ NH4+,針闊混交林的富集倍數(shù)序列為:Mg2+＞K+＞Ca2+＞Cl-＞SO42-＞Na+＞NO3-＞NH4+,可近似表示2種林分的冠層淋溶順序.

一般來說,冠層淋溶是一種自然現(xiàn)象,它能加速營養(yǎng)元素的循環(huán)和生物作用,促進植物生長[14],而過度的淋溶會造成營養(yǎng)物質(zhì)的析出量超過最初葉片的含有量,對林冠層產(chǎn)生負面影響.由表4可見,2種林分中Mg2+、K+、Ca2+等營養(yǎng)元素離子的富集倍數(shù)都較大.若森林長期處在酸雨逆境下,這些離子的流失量越來越大,將造成森林營養(yǎng)虧損,直接影響森林生長.

2.3.2鹽基離子淋溶的季節(jié)變化 研究認為,樹冠層的淋溶濾出物主要是鹽基離子(K+,Mg2+, Ca2+)[15],本次研究也得到了與此一致的結(jié)果(表4).由表5所示結(jié)果,對研究期內(nèi)各季節(jié)鹽基離子的富集倍數(shù)進行了分析.

樹冠層鹽基離子的濾出量不僅受當(dāng)?shù)貧夂?、地理條件及森林生態(tài)系統(tǒng)的影響,還取決于森林的冠層結(jié)構(gòu)和生理狀況[16].從表5可見,監(jiān)測期內(nèi)各季節(jié)鹽基離子富集倍數(shù)差異明顯,這可能與2007年和2008年當(dāng)?shù)亟涤隊顩r顯著不同有關(guān)[8](2007年冬季開始降水酸度和酸雨頻率顯著升高,但降雨量明顯減少).總體來說,2種林分鹽基離子(K+,Mg2+,Ca2+)的富集倍數(shù)最大值都出現(xiàn)在2007年冬季,其中又以K+的富集倍數(shù)最大.這可能是因為冬季漫長少雨,葉片上的干沉降粒子較多的緣故;K+的大量富集則體現(xiàn)了附近居民使用秸稈做燃料的影響.3種鹽基離子中,Ca2+的富集倍數(shù)變化幅度最大,這一方面是因為Ca2+源自被風(fēng)刮起的土壤、塵埃和沙粒,另一方面可能與Ca2+是植物細胞壁的主要成分,酸性較強的降水會破壞植物葉表的蠟質(zhì)和角質(zhì)層有關(guān)[15].

表5 鹽基離子(K+,Mg2+,Ca2+)富集倍數(shù)的季節(jié)變化Table 5 Seasonal variation of base cation’s enrichment multiples

2.3.3pH值與離子富集倍數(shù)的關(guān)系 根據(jù)監(jiān)測到的當(dāng)?shù)亟涤甑膶嶋H情況,將降雨pH值劃分為＜4.0,4.0～4.4,4.4～5.0,5.0～5.6,5.6～6.2以及＞6.2共6個等級,分別計算各離子在各pH等級下的富集倍數(shù)(表6).

表6 降水pH值對穿透水離子富集倍數(shù)的影響Table 6 Influence of precipitation’s pH values on ion’s enrichment multiples of throughfalls

對降水pH值與2種冠層各離子的富集倍數(shù)進行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,馬尾松林中K+的富集倍數(shù)與降水pH值顯著正相關(guān)(P＜0.01),針闊混交林中Na+的富集倍數(shù)與降水pH值顯著正相關(guān)(P＜0.05),隨著pH值增加其冠層富集濃度增加,富集倍數(shù)增大;其他離子未表現(xiàn)出與降水pH值明顯相關(guān)的規(guī)律.根據(jù)表6可以得出,龍里實驗區(qū)在常年酸沉降條件下,森林對NH4+的吸收作用最強,對NO3-也有一定的吸收,從而對當(dāng)?shù)赝寥赖乃峄鸬搅艘欢ǖ木彌_作用.在pH值為4.5～5.0時,針闊混交林冠層對K+也出現(xiàn)了較大程度的吸收,這可能與冠層生長吸收了該營養(yǎng)元素有關(guān).

3 結(jié)論

3.1馬尾松林和針闊混交林內(nèi)穿透水中除NH4+外的離子含量都大大增加,部分離子增加幅度達數(shù)十倍.2種林分中NO3-的離子富集濃度都大大低于SO42-的相應(yīng)值,陽離子的析出總量大于陰離子,長期下去將導(dǎo)致森林冠層電荷不均衡,造成林木冠層酸化.

3.2酸性降水經(jīng)過2種樹冠后,pH值均有一定的升高.研究期內(nèi)針闊混交林穿透水的pH值變化幅度小于馬尾松林,表明針闊混交林對酸雨的緩沖能力更強.

3.3鹽基離子(K+,Mg2+,Ca2+)富集倍數(shù)季節(jié)差異明顯,最大值均出現(xiàn)在冬季.3種鹽基離子中Ca2+的富集倍數(shù)變化幅度最大.

3.42種冠層對NH4+有較強的吸收,對NO3-也有一定的吸收,對當(dāng)?shù)赝寥浪峄鸬搅艘欢ǖ木彌_作用.2種冠層析出量最大的均為Mg2+、K+、Ca2+等營養(yǎng)元素離子.若森林長期處在酸雨環(huán)境中則會造成森林營養(yǎng)虧損,直接影響森林生長.

[1] 吳 剛,章景陽,王 星.酸沉降對重慶南岸馬尾松針葉林年生物生產(chǎn)量的影響及其經(jīng)濟損失的估算 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 1994,14(4):461-465.

[2] 李志勇,王彥輝,于澎濤,等.酸沉降影響下重慶馬尾松林的健康監(jiān)測及調(diào)控技術(shù)研究 [J]. 生態(tài)環(huán)境, 2007,16(1):54-59.

[3] 高 一,衛(wèi)滇萍.貴州省2002年酸雨污染情況分析 [J]. 地球與環(huán)境, 2005,33(1):59-62.

[4] 肖勁松,彭曉渝,楊 紅,等.雷公山國家級自然保護區(qū)森林降水化學(xué)特征的初步分析[J]. 貴州科學(xué), 2007,25(增刊):502-509.

[5] 趙宏婭,李 霄.貴州省城市酸雨形勢的初步分析 [J]. 貴州氣象, 2009,33(4):29-30.

[6] 敖子強,瞿麗雅,林文杰,等.貴州鹿沖關(guān)和雷公山酸雨化學(xué)特征的對比研究 [J]. 中國巖溶, 2007,26(1):61-66.

[7] 李可為,吳有恒.貴陽地區(qū)酸雨情況淺析 [J]. 貴州氣象, 2006, (6):25-26.

[8] 李 巍,李 佳,侯錦湘,等.貴州龍里實驗區(qū)酸性降水特征及變化趨勢 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(2):155-160.

[9] Draaijers G P J, Van Leeuwen E P, De Jong P G H, et al. Base cation deposition in Europe 1. Model description, results and uncertainties [J]. Atmosphere Environment, 1997,31(24):4139-4157.

[10] 徐仁扣.我國降水中的NH4+及其在土壤酸化中的作用 [J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護, 1996,15(3):139-140,142.

[11] 楊 昂,孫 波,趙其國.中國酸雨的分布、成因及其對土壤環(huán)境的影響 [J]. 土壤, 1999,(1):13-18.

[12] Qin Guoying, Huang Meiyuan. A study on rain acidification processes in the cities of China [J]. Water Air and Soil Pollution, 2001,130:163-174.

[13] 劉菊秀,溫達志,周國逸.廣州鶴山酸雨地區(qū)針葉林與闊葉林降水化學(xué)特征 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2000,20(3):198-202.

[14] 姚文華,余作岳.廣州鶴山丘陵地人工林林內(nèi)降雨養(yǎng)分含量 [J].生態(tài)學(xué)報, 1995(增刊,A輯):124-131.

[15] 蔣益民,曾光明,曾 鞏,等.酸雨作用下的森林冠層鹽基離子(K+、Mg2+、Ca2+)淋洗[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報,2004,12(5): 425-430.

[16] Balestrini R,Tagliaferri A. Atmospheric deposition and canopy exchange progress in alpine forest ecosystem (northern Italy)[J]. Atmosphere Environment, 2001,35:6421-6433.

Typical forests’ leaching characteristics during acid rain in Guizhou.

LI Jia, LI Wei*, HOU Jin-xiang, GAO Fang (State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2010,30(10)：1297～1302

X131.1

A

1000-6923(2010)10-1297-06

李 佳(1985-),女,山東泰安人,北京師范大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為酸沉降對生態(tài)系統(tǒng)的影響和森林生態(tài)系統(tǒng)健康等方面.發(fā)表論文2篇.

2010-03-01

國家“973”項目(2005CB422207)

* 責(zé)任作者, 教授, weili@bnu.edu.cn