贵州地区酸雨作用下典型森林植被冠层淋溶规律研究

李 佳,李 巍,侯锦湘,高 芳 (北京师范大学环境学院,水环境模拟国家重点实验室,北京 100875)

贵州地区酸雨作用下典型森林植被冠层淋溶规律研究

李 佳,李 巍*,侯锦湘,高 芳 (北京师范大学环境学院,水环境模拟国家重点实验室,北京 100875)

选择贵州龙里生态园为研究区域,对当地马尾松林和针阔混交林2种典型植被的冠层穿透水化学特征进行了比较,分析了酸雨作用下植被的冠层淋溶规律.对2007年6月～2008年11月的监测数据的分析结果表明,酸雨经过森林冠层后,pH值明显升高,针阔混交林对酸雨的缓冲性能优于马尾松林.在常年酸沉降作用下,2种冠层对NH4+具有较强的吸收作用,对NO3-也有一定的吸收,对当地土壤酸化起到了一定的缓冲作用.通过雨量加权计算,研究区森林冠层析出量最大是Mg2+、K+、Ca2+等营养元素离子,长期的酸雨影响易造成森林营养亏损.

酸雨；淋溶；穿透水；贵州

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

贵州是我国南方酸沉降比较严重的省份之一,其以煤为主的能源结构现状以及特有的地形地貌特点,使得全省总体酸雨污染状况突出.在同处西南地区的重庆等地曾出现酸沉降对森林生态系统产生不利影响的现象[1-2],而贵州省近年来还没有酸沉降损害森林的报道.目前,对于贵州地区酸沉降状况和酸雨化学组成等均有所研究[3-7],而关于酸雨对森林冠层淋溶作用的研究并不多见.本研究选择贵州龙里生态示范园为实验区(下简称龙里实验区),以当地2007年6月～2008年11月的降水和穿透水监测数据为基础,选取当地马尾松纯林和针阔混交林2种主要森林类型为研究对象,分析大气降水与冠层穿透水的化学特征,比较针叶林和针阔混交林2种不同类型的森林冠层对大气酸性降水化学成分的影响,评价降水酸度和离子含量在不同季节和不同类型森林冠层影响下的变化,为该区域酸沉降生态影响评估工作提供研究基础.

1 材料与方法

1.1实验区概况

龙里实验区位于黔中腹地、苗岭山脉中段(106°45′18"E～107°15′1"E、26°10′19"N～26°49′33"N),距贵阳市中心约30km.园区总面积约11.89km2,海拔高度1109～1629m.园内自然植被属于亚热带石灰岩常绿枥林及常绿落叶阔叶混交林.由于人为破坏严重,原生植被残存无几,植被类型以马尾松-槲栎林(针阔混交林)和人工栽植的马尾松纯林为主.主要土壤类型是砂岩和石灰岩母质上发育的黄壤.

1.2样品采集

2007年6月～2008年11月在龙里实验区进行样品采集工作,对雨水、马尾松纯林和针阔混交林的冠层穿透水样品分别收集.大气降水水样利用自动降水采样器按照降水场次采集,记录每次降雨的雨量.穿透水样品收集是选定标准木,在离地面1.5m处固定一个直径为15cm的聚乙烯漏斗,中间放置过滤薄片以防止树叶和昆虫进入,下方紧接一个专用聚氯乙烯接水容器.收集到的雨水和穿透水样品分别置入50mL的聚乙烯瓶内保存.

1.3分析方法

分别用PHS-3C型精密pH计和DDS-307A型电导率仪现场测定样品的pH值和电导率,然后带回实验室,经0.45µm的微孔滤膜过滤后用Dionex-600IC型离子色谱仪测定其中的主要阴离子(SO42-,NO3-,Cl-,NO2-,PO43-,甲酸根,乙酸根)和阳离子(NH4+,Ca2+,K+,Na+,Mg2+)含量.以降雨量为权重,用加权平均法计算出各月、季及全年平均值,单位为µeq/L.

2 结果与讨论

2.1穿透水pH值的季节变化特征

对不同季节降水和穿透水的pH值进行分析(图1)可知,实验期内2008年降水pH值相对2007年总体降低了1～2个单位,而穿透水pH值则表现出与降水不同的特征.2007年6月～2008年2月间,2种穿透水水样的pH值较之降水都明显降低,其中马尾松纯林穿透水pH值下降更为明显;而2008年3月～11月间,大气降水经过2种树冠后pH值均明显升高.实验期内混交林穿透水的pH值不及马尾松纯林穿透水pH值的变化幅度大.

降水对林木冠层主要有对叶片附着的干沉降粒子的淋洗及对叶片内部物质的溶出2种作用,一般以对干沉降的淋洗为主,但当降水酸度较大时,淋溶造成的离子富集也占到相当的比重.降水可使叶片表面附着的大量酸性物质被淋洗下来,使穿透水pH值较之降水明显降低,这与2007年的结果一致.由于马尾松的针形叶片与空气接触的比表面积更大,故马尾松纯林穿透水pH值的降低比针阔混交林更明显.而2008年穿透水pH值高于降水可能是因为当年酸雨强度(酸度和频率)明显升高[8],树冠在受到酸性较强的降水淋溶后,树木组织内的盐基阳离子(Ca2+,Mg2+,K+等)与降水中的H+发生交换反应,H+取代盐基离子,降雨中H+浓度降低,使得pH值上升[9].通过比较2008年各季节大气降水pH增量可知,2种穿透水pH值的上升幅度都是在春、夏季(3～8月份)较明显,这表明在植被生长旺季,树叶中可发生交换反应的盐基离子活性更大,淋溶作用更明显.

2.2穿透水化学特征

图1 降水及穿透水pH值季均值变化Fig.1 Seasonal pH mean values’ variety of precipitation and throughfalls

分析不同季节降水和穿透水的阴阳离子含量(表1)可以看出,降水中阳离子以NH4+所占比例最大,阴离子则以SO42-的含量最高,体现了当地农业施肥的影响和硫酸型酸雨的特点.穿透水阴离子中SO42-含量最高,阳离子中Ca2+含量最高.相对于大气降水,马尾松林和针阔混交林内穿透水中的多数离子含量都大大增加,有的离子增加幅度达数十倍,而NH4+含量则基本低于降水中相应值,说明森林冠层对降水中的NH4+有一定的吸收.降水过程中的NH3虽然暂时中和了降水酸度,但当NH4+随雨水进入土壤后将不同程度地发生硝化作用形成NO3-并释放H+,反而促进了土壤酸化[10-11].森林冠层对NH4+的吸收一定程度上缓解了土壤在酸雨作用下的酸化过程.

实验期内共监测到降雨39次,总降雨量482.0mm.将每次降雨的雨量按5个等级进行划分(0.1≤R＜2,2≤R＜10,10≤R＜25,25≤R＜50,R≥50,R为雨量,单位mm),分析不同雨量对应的2种冠层穿透水pH值和离子浓度富集倍数(表2).结果表明,暴雨时,2种冠层对K+都出现了较明显的吸收.混交林对NH4+的吸收能力强于马尾松林,受降雨强度影响相对较小.雨量在2～10mm时各离子的富集倍数普遍较大,这可能与此雨量等级下降水酸度较大从而淋溶作用较强有关(根据统计结果,实验期内当地降水pH值随雨量增加呈现”U”型变化,雨量在2～10mm时酸度最高).

表1 不同季节穿透水离子含量分析Table 1 Analysis of throughfall’s ion concentration in different seasons

表2 不同雨量下的穿透水pH值和离子富集倍数Table 2 pH values and ion enrichment multiples of throughfalls in different rainfall capacity levels

穿透水离子浓度升高通常是因为林冠层拦截了大量的干沉降,且林冠可以分泌一些代谢产物,降雨时这些物质随着大气降水一起被冲洗下来.马尾松穿透水中离子的季节变化幅度比针阔混交林穿透水更大.

2种林分穿透水中NO3-的富集浓度都明显低于SO42-,这可能有两方面的原因:一是由于当地植被处于发育阶段,少量的NO3-有一定的施氮作用[12],树木可直接吸收沉降提供的NO3-,导致穿透水中浓度不高;二是实验区附近工厂和农户以煤为主要燃料,大气污染物以SO2为主.

表3对该地区降水和穿透水中的阴阳离子进行的离子平衡分析表明,除2007年夏季和2008年春季外,当地降水样品中的阳离子总量低于阴离子总量;而穿透水中则是阳离子含量更高.考虑到实验中未测F-、HCO3-、C2O42-等阴离子,实际的Σ阳离子/Σ阴离子值会低于计算值.附近农作物种植过程中的施肥、秸秆燃烧以及生态园旅游等人类活动也对水样中的离子平衡状况产生了一定的影响.

穿透水中阳离子总量大于析出的阴离子总量可导致林木冠层更易吸附H+,造成林木冠层酸化.冠层积聚H+将导致更多营养元素离子析出.冠层吸收营养元素主要通过直接吸收大气沉降物和根系从土壤中间接吸收2个途径[13].如果冠层拦截的矿质元素离子不断被淋出,淋洗到土壤后又随地表水流失,长期下去冠层吸收不到足够的营养,将导致森林退化.

表3 降水与穿透水的离子平衡状况Table 3 Ionic equilibrium of precipitation and throughfalls

2.3降水过程的冠层淋溶

2.3.1淋溶序列分析 雨水透过树冠后,大部分离子含量均出现不同程度的富集(表1),这可能是淋洗作用和淋溶作用共同作用的结果.根据测得的大气降水以及林内穿透水中各离子的含量,以雨量为权重,计算出研究期内大气降水及林内穿透水的平均沉降率,结果见表4.

表4 穿透水离子平均沉降率及富集倍数分析Table 4 Analysis of throughfall’s ion enrichment multiples and settlement rate

在监测的18个月中,只有NH4+的富集倍数小于1,说明从长期来看,森林冠层只对NH4+具有较强的吸收作用,对其他元素的吸收作用不明显.对各离子的富集倍数进行比较,马尾松林的富集倍数序列为:Mg2+＞K+＞Ca2+＞SO42-＞Cl-＞Na+＞NO3-＞ NH4+,针阔混交林的富集倍数序列为:Mg2+＞K+＞Ca2+＞Cl-＞SO42-＞Na+＞NO3-＞NH4+,可近似表示2种林分的冠层淋溶顺序.

一般来说,冠层淋溶是一种自然现象,它能加速营养元素的循环和生物作用,促进植物生长[14],而过度的淋溶会造成营养物质的析出量超过最初叶片的含有量,对林冠层产生负面影响.由表4可见,2种林分中Mg2+、K+、Ca2+等营养元素离子的富集倍数都较大.若森林长期处在酸雨逆境下,这些离子的流失量越来越大,将造成森林营养亏损,直接影响森林生长.

2.3.2盐基离子淋溶的季节变化 研究认为,树冠层的淋溶滤出物主要是盐基离子(K+,Mg2+, Ca2+)[15],本次研究也得到了与此一致的结果(表4).由表5所示结果,对研究期内各季节盐基离子的富集倍数进行了分析.

树冠层盐基离子的滤出量不仅受当地气候、地理条件及森林生态系统的影响,还取决于森林的冠层结构和生理状况[16].从表5可见,监测期内各季节盐基离子富集倍数差异明显,这可能与2007年和2008年当地降雨状况显著不同有关[8](2007年冬季开始降水酸度和酸雨频率显著升高,但降雨量明显减少).总体来说,2种林分盐基离子(K+,Mg2+,Ca2+)的富集倍数最大值都出现在2007年冬季,其中又以K+的富集倍数最大.这可能是因为冬季漫长少雨,叶片上的干沉降粒子较多的缘故;K+的大量富集则体现了附近居民使用秸秆做燃料的影响.3种盐基离子中,Ca2+的富集倍数变化幅度最大,这一方面是因为Ca2+源自被风刮起的土壤、尘埃和沙粒,另一方面可能与Ca2+是植物细胞壁的主要成分,酸性较强的降水会破坏植物叶表的蜡质和角质层有关[15].

表5 盐基离子(K+,Mg2+,Ca2+)富集倍数的季节变化Table 5 Seasonal variation of base cation’s enrichment multiples

2.3.3pH值与离子富集倍数的关系 根据监测到的当地降雨的实际情况,将降雨pH值划分为＜4.0,4.0～4.4,4.4～5.0,5.0～5.6,5.6～6.2以及＞6.2共6个等级,分别计算各离子在各pH等级下的富集倍数(表6).

表6 降水pH值对穿透水离子富集倍数的影响Table 6 Influence of precipitation’s pH values on ion’s enrichment multiples of throughfalls

对降水pH值与2种冠层各离子的富集倍数进行相关性分析,结果显示,马尾松林中K+的富集倍数与降水pH值显著正相关(P＜0.01),针阔混交林中Na+的富集倍数与降水pH值显著正相关(P＜0.05),随着pH值增加其冠层富集浓度增加,富集倍数增大;其他离子未表现出与降水pH值明显相关的规律.根据表6可以得出,龙里实验区在常年酸沉降条件下,森林对NH4+的吸收作用最强,对NO3-也有一定的吸收,从而对当地土壤的酸化起到了一定的缓冲作用.在pH值为4.5～5.0时,针阔混交林冠层对K+也出现了较大程度的吸收,这可能与冠层生长吸收了该营养元素有关.

3 结论

3.1马尾松林和针阔混交林内穿透水中除NH4+外的离子含量都大大增加,部分离子增加幅度达数十倍.2种林分中NO3-的离子富集浓度都大大低于SO42-的相应值,阳离子的析出总量大于阴离子,长期下去将导致森林冠层电荷不均衡,造成林木冠层酸化.

3.2酸性降水经过2种树冠后,pH值均有一定的升高.研究期内针阔混交林穿透水的pH值变化幅度小于马尾松林,表明针阔混交林对酸雨的缓冲能力更强.

3.3盐基离子(K+,Mg2+,Ca2+)富集倍数季节差异明显,最大值均出现在冬季.3种盐基离子中Ca2+的富集倍数变化幅度最大.

3.42种冠层对NH4+有较强的吸收,对NO3-也有一定的吸收,对当地土壤酸化起到了一定的缓冲作用.2种冠层析出量最大的均为Mg2+、K+、Ca2+等营养元素离子.若森林长期处在酸雨环境中则会造成森林营养亏损,直接影响森林生长.

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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,山东泰安人,北京师范大学硕士研究生,主要研究方向为酸沉降对生态系统的影响和森林生态系统健康等方面.发表论文2篇.

2010-03-01

国家“973”项目(2005CB422207)

* 责任作者, 教授, weili@bnu.edu.cn