模拟酸雨处理下尾巨桉凋落叶pH值及养分元素释放模式

何 鹏，叶潇聪，程 飞，杨 梅

（广西大学林学院，广西南宁 530004）

酸雨是大气降水过程中，雨、雪、雾和霜等大气水吸收了空气中的酸性氧化物（氮氧化物和二氧化硫等）后形成的pH 值低于5.6 的雨水[1]。酸雨覆盖面积已占我国国土面积的40%左右，造成的经济损失接近当年国民生产总值的2%，成为制约中国经济和社会发展的重要因素[2-4]。酸雨危害森林生态系统，破环林木叶片的蜡质，导致叶片的水分及养分流失，并破坏其呼吸代谢及光合作用，造成叶片褪绿、枯黄、皱折蜷曲和枯萎凋落，甚至会造成大面积林木的生长衰退和死亡[5-7]。酸雨直接作用于地面，被林地直接吸收，导致土壤大面积酸化，影响土壤微生物的生理活动，制约树木生长[8-11]。有关酸雨对植物凋落叶生理化学特性的影响[12-15]以及凋落物的生理特性和缓冲功能的研究已有较多报道，但关于酸雨对凋落叶缓冲性能影响的研究还并不多。

森林生态系统通过林冠层、枯枝落叶层和林下土壤等可以改变酸雨的化学成分，对酸雨进行抵抗、适应、缓冲和中和，维护森林生态系统的稳定和延续。凋落叶对酸雨的缓冲有重要作用，是土壤表面在林冠层后的第二道保护层[16-18]。凋落叶分解出来的部分无机物可对酸雨进行缓冲和中和；凋落叶还能吸收降雨，通过保持水土缓冲酸雨，减缓森林土壤酸化的进程。影响凋落叶分解速率的因素主要包括环境因素和凋落叶本身的性质[19-20]。环境因素包括凋落叶所处地的气候及生物因素；凋落叶分解前的性质对分解过程有非常重要的影响。有研究表明，在模拟状态下，凋落叶盐基离子浸提总量随着模拟酸雨酸度的增加而增加；盐基离子的淋溶对缓冲模拟酸雨有重要作用[21]。凋落叶可阻绝大部分的酸雨直接进入土壤，其分解过程中也可产生缓冲性物质缓解酸雨对土壤的酸化。

桉树为我国主要速生树种之一，具有速生、丰产、优质、适应性强和用途广泛等特点，在广西的种植面积已达200 多万hm2，居全国第一；其木材年产量占广西木材年总产量的70%以上[22]。广西酸雨敏感性区域面积达2 237 万hm2，占全区土地总面积的94.17%，已覆盖桉树种植区。极敏感区主要分布在桂东南地区；高度敏感区主要分布在桂南、桂东南、桂东和桂东北地区，酸雨对桉树的种植产生了极大的影响。

本研究通过模拟不同浓度酸雨处理，采用随机区组试验设计，对不同浓度酸雨处理下尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E. grandis）凋落叶中pH 值和微量元素含量的变化规律进行研究，探讨尾巨桉凋落叶的酸雨缓冲性能，根据模拟酸雨处理样品的反应特点和缓冲能力来评价尾巨桉对环境的适应能力，可为酸雨地区的森林经营管理提供科学指导，具有一定的科学意义和应用价值。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在广西大学林学院苗圃基地内进行（108°22'E，22°48'N），为亚热带季风气候，干、湿季节分明。1月平均气温12.8 ℃，最低气温-2.4 ℃；7月平均气温28.2 ℃，最高气温40.4 ℃；年均气温21.6 ℃左右；霜少，几乎全年无雪。年均降水量约为1 200 ～1 500 mm，4 — 10月降水占全年的80%左右，雨量充足；雨水的pH 值为4.4 ～4.7，年均相对湿度约为78%。

1.2 试验准备

1.2.1 材料采集和处理

凋落叶采集于广西南宁市广西国有高峰林场。在尾巨桉已郁闭人工林下收集新鲜凋落叶，将采集到的凋落叶分为两部分，一部分用于林地模拟酸雨凋落叶分解试验，另一部分用于凋落叶初始指标测定。试验所用凋落叶包装网袋由绿色纱网制成，网眼3.5 mm × 3.5 mm，规格20 cm × 15 cm，每袋装8 g凋落叶。

1.2.2 酸雨母液配制

根据广西酸性发生程度、降水中的平均离子组成以及通常模拟酸雨试验中所采用的配比，将硫酸H2SO4和硝酸HNO3溶液按浓度比8∶1调配成酸雨溶液，取48 mL 浓硫酸和10 mL 浓硝酸，各稀释10 倍，将稀释后的硝酸缓慢引流至稀释后的硫酸中，母液体积配制比为4.8∶1，装入不透光的玻璃瓶中密封保存。将母液加入到装有自来水的大桶中，分别调制成pH 值为3.0、4.0、5.0、5.6 和6.0 的酸性溶液，将配置好的酸液装在喷雾器中备用。从2015年5月1日开始，采用喷雾法喷洒酸雨，每周喷洒3 ～4 次，模拟酸雨试验所用酸雨总量相当于当地年均降水量，并折合树冠枝叶截留后的70% 左右进行计算，约为910 mm。

1.3 试验设计

采用随机区组试验设计，将试验地分为5 个区组，分别布置5 个不同的苗床，分别进行5 种不同浓度的酸雨处理。2015年5月1日，将采集回来的凋落叶分解袋分别平铺在5 个不同苗床的地表上，每处理3 个重复，每个重复8 袋凋落叶。之后每个月取各处理凋落叶1 袋进行指标测定，共取6 次，试验起止时间为2015年5月1日至2015年10月30日。

1.4 指标测定

1.4.1 凋落叶含水率

凋落叶含水率的测定采用差重法，称取每月回收的不同酸雨处理的凋落叶样品2 g，于75 ℃烘干至恒重，并称重，计算含水率。

1.4.2 凋落叶pH值

分别称取风干后并烘至恒重的不同酸雨处理的凋落叶样品2 g，每处理3 个重复。将样品剪成小于2 mm×2 mm 的小片，装入密封的玻璃容器瓶，加入100 mL蒸馏水，浸泡24 h后用笔式酸度计对溶液的pH值进行测定，取3次重复所测结果的平均值。

1.4.3 凋落叶中的养分元素

将已烘干至恒重的凋落叶于粉碎机中粉碎（12 000 r/min），取0.3 g 粉末置于100 mL 消煮管中，加入浓硫酸5 mL 消煮4 ～6 小时。消煮开始时，滴加几滴高氯酸溶液或过氧化氢溶液，随后滴加2～3次，每次加5 ～10滴。消煮管内溶液澄清时停止加热，将消煮液用蒸馏水洗入50 mL 容量瓶中定容至标度，装瓶。样品的氮（N）和磷（P）含量用全自动间断化学分析仪测定，钾（K）、钠（Na）、镁（Mg）和钙（Ca）含量用火焰分光光度计进行测定。

1.5 数据处理

采用Excel 2007 软件进行整理，采用SPSS 21.0软件进行方差分析，多重比较采用LSD 最小差异显著法。

2 结果与分析

2.1 不同酸雨处理对凋落叶的影响

凋落叶pH 值在不同酸雨处理下差异显著（P＜0.05），pH6.0 处理下显著高于其他处理（P＜0.05），pH3.0 处理下最低（表1）。凋落叶pH 值在不同处理月份间差异显著（P＜0.05），5月的凋落叶pH 值显著高于其他月份，9月最低（表2）。凋落叶含水率在不同酸雨处理下差异显著（P＜0.05），pH6.0 处理下显著高于其他处理（P＜0.05），pH3.0 处理下最低。凋落叶含水率在不同处理月份间差异显著（P＜0.05），10月的凋落叶含水率显著高于其他月份（P＜0.05），5月最低。

凋落叶N 含量在不同酸雨处理下差异不显著，在不同处理月份间差异显著（P＜0.05），10月的凋落叶N含量显著高于8月（P＜0.05）。凋落叶P含量在不同酸雨处理下差异不显著，在不同处理月份间差异显著（P＜0.05），5月的凋落叶P 含量显著高于9 和10月（P＜0.05）。凋落叶K 含量在不同酸雨处理下差异不显著，在不同处理月份间差异显著（P＜0.05），5月的凋落叶K 含量显著高于10月（P＜0.05）。凋落叶Ca、Mg 和Na 含量在不同酸雨处理下差异不显著，在不同处理月份间差异也不显著。

表1 凋落叶各指标在不同酸雨处理间的差异Tab.1 Differences of indexes of leaf litters among different acid rain treatments

表2 凋落叶各指标在不同处理月份间的差异Tab.2 Differences of indexes of leaf litters among different treatment months

2.2 凋落叶各指标随时间的变化

在相同pH 酸雨处理下，凋落叶pH 值在5月最高，6 — 7月下降，8月小幅增加，9月下降，10月又增加，总体呈W 形（图1a）。在相同月份下，凋落叶pH 值在pH3.0 处理下最低，随酸雨pH 值的增大而增大，pH6.0处理下最高。

在相同pH 酸雨处理下，凋落叶含水率在5月最低，随时间推移逐渐升高，10月最高（图1b）。在相同月份下，凋落叶含水率在pH3.0处理下最低，随酸雨pH值增大而增大，pH6.0处理最高。

在相同pH 酸雨处理下，凋落叶N 含量在5月最低，随时间推移逐渐升高，10月最高（图1c）。在相同月份下，pH5.0处理的凋落叶N含量均最低。

在相同pH 酸雨处理下，凋落叶P 含量在6月最高，10月最低，总体呈下降趋势（图1d）。在相同月份下，凋落叶P含量在pH3.0处理下最高，随酸雨pH值增大而减少，pH6.0处理下最低。

在相同pH 酸雨处理下，凋落叶K 含量在5月最高，随着时间推移逐渐下降，10月最低（图1e）。在相同月份下，各处理的凋落叶K含量没有呈现规律性变化。

在相同pH 酸雨处理下，凋落叶Ca 含量在5月较低，6月增长到最高，7 — 8月逐渐下降，8 — 10月含量稳定（图1f）。在相同月份下，凋落叶Ca含量在pH3.0 处理下最低，随酸雨pH 值的增大而增加，pH6.0处理下最高。

在相同pH 酸雨处理下，凋落叶Mg 含量在8月最高，随时间推移呈W 形（pH4.0 和pH6.0 处理）和近乎曲线（pH3.0、pH5.0和pH5.6处理）变化（图1g）。在相同月份下，凋落叶Mg 含量在pH6.0 处理下最高（除了7月），pH3.0 处理下最低，总体表现为随酸雨pH值增大而增加。

在相同pH 酸雨处理下，凋落叶Na 含量在5月最高，随时间变化总体呈下降趋势，除pH3.0 处理外，其他处理10月的Na 含量均最低（图1h）。在相同月份下，凋落叶Na含量没有呈现规律性变化。

图1 不同pH模拟酸雨处理下凋落叶各指标随时间变化Fig.1 Time variation of leaf litters under acid rain treatments with different pH simulation

2.3 模拟酸雨pH 值和分解月份与凋落叶各指标的关系

Pearson 相关性分析表明，酸雨pH 值与凋落叶pH 值呈极显著正相关（P＜0.01)，与其他指标相关性不强。分解时间与凋落叶pH 值以及P 和K 含量呈极显著负相关（P＜0.01），与凋落叶含水率呈极显著正相关（P＜0.01），与凋落叶Ca 和Mg 含量呈显著正相关（P＜0.05），与凋落叶N和Na含量关系不大。

表3 相关性分析Tab.3 Correlation analysis

3 结论与讨论

本研究通过研究模拟酸雨条件下尾巨桉凋落叶分解过程中凋落叶pH 值的缓冲机制与养分元素动态，揭示不同酸雨处理下凋落叶的pH 值、含水率和各养分元素含量随时间变化的动态过程，分析尾巨桉凋落叶分解在缓解酸雨过程中的特点和规律。结果表明，尾巨桉凋落叶对不同酸雨处理均有较强的缓冲作用。不同酸雨处理间凋落叶pH 值差异显著，但大部分处理的凋落叶pH 值在4.4 ～4.8 之间。不同酸雨处理的凋落叶养分元素含量差异也不明显。由此来看，模拟酸雨的pH 值不会引起凋落叶pH值和养分释放过程的过分波动，相关性分析中模拟酸雨pH值与凋落叶pH值以外的其他指标没有显著相关性也可证明这一点。不同酸雨处理的凋落叶含水率差异显著，其原因目前还不清楚，推测主要与分解时间有关，随着凋落叶分解的进行，凋落叶中的物质被微生物分解利用，内部结构被破坏，凋落叶内部产生孔隙，从而可以容纳更多水分。

尾巨桉凋落叶的含水率随酸雨pH 值的增大而增大，随时间推移而提高，偶尔的降雨频繁或高温天气（广西夏季主要表现为炎热多雨）对其变化规律产生一定的影响。吸收了模拟酸雨的凋落叶pH值应下降，但凋落叶分解过程中会产生缓冲性物质缓解pH 值降低，分解强度越大，缓冲越强；凋落叶分解强度还受气温、湿度和微生物活动等因素的影响，在各因素的综合影响下凋落叶pH 值变化规律未呈直线。

凋落物中各养分元素含量与归还量直接影响土壤肥力，凋落叶在凋落物中所占比例较大，且养分元素含量较高，在营养循环和森林生态系统的养分元素循环中扮演主要角色[23-24]。Pearson相关性分析显示，凋落叶分解时间与凋落叶P、K、Ca 和Mg 含量显著相关。此外，随着分解的进行，尾巨桉凋落叶的养分元素含量发生变化，N 含量会随分解而累积，K 和Na 则呈现释放趋势，其他养分元素表现为累积-释放的波动。由此可见，在凋落叶对模拟酸雨处理有较高缓冲性的前提下，其养分元素变化主要与分解时间有关，这与前人的研究结果一致[16]。凋落叶里的N、P、K、Ca、Mg和Na与分解时间呈不同的相关性，可能与每个元素在自然条件下表现出的特点有关，对凋落叶分解过程有较大影响。凋落物分解过程中，养分动态主要由物理、生物和化学因素控制[25-27]。在凋落物分解的初期淋溶阶段，物理因素起主导作用，最典型的是K 和Na 含量，这两种元素都不是结构性物质，通常以离子状态存在于植物细胞中，在分解系统中迁移性强，分解初期受到强烈的淋溶损失，后期的动态变化表现为季节性波动，只受林分水文学特性的影响，与初始养分浓度无关[28]。N、P、Mg 和Ca 含量的动态变化通常受生物因素的影响，特别是N 和P，常成为微生物群落生长发育的限制性养分而被微生物固定，在分解过程中产生明显的富集作用；Ca 是结构性物质，很少以离子状态存在，在分解初期几乎不受物理淋溶作用的影响，其动态变化与凋落物干物质的变化密切相关；Mg 不是结构性物质，在凋落物分解过程中的动态变化有时与K 和Na 类同，有时又与Ca 类同，其动态变化可能受生物和物理因素的共同控制。

受条件限制，本研究有一些不足之处，酸雨喷洒无法完全重现自然降雨的效果，植物凋落物的分解是一个长期的物理、化学和生物综合作用的过程，其分解特点及规律需要较长时间来观测和研究，对凋落叶分解快慢和养分释放有重要影响的还包括土壤动物、微生物和土壤酶等因素[29-30]，这些因素是否受酸沉降的影响并作用于凋落叶的分解过程以及养分元素的变化，需进一步研究，以更好地揭示凋落叶分解机制。