天目山不同森林類(lèi)型林冠對(duì)酸雨的緩沖作用

詹 敏，竇云鵬，郭培培，姚兆斌，曹 全，姜小麗，王祖良，俞 遴，余樹(shù)全，江 洪*

（1. 浙江天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，浙江 臨安 311311；2. 浙江林學(xué)院國(guó)際生態(tài)中心，浙江 臨安 311300；3. 浙江省臨安市林業(yè)局，浙江 臨安 311300）

天目山不同森林類(lèi)型林冠對(duì)酸雨的緩沖作用

詹 敏1，竇云鵬2，郭培培2，姚兆斌2，曹 全2，姜小麗2，王祖良1，俞 遴3，余樹(shù)全2，江 洪2*

（1. 浙江天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，浙江 臨安 311311；2. 浙江林學(xué)院國(guó)際生態(tài)中心，浙江 臨安 311300；3. 浙江省臨安市林業(yè)局，浙江 臨安 311300）

通過(guò)在浙江天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)不同森林類(lèi)型中采集酸雨，比較空曠地和6種森林林冠下酸雨的pH值動(dòng)態(tài)變化，研究森林林冠對(duì)酸雨的緩沖作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，天目山主要森林林冠對(duì)酸雨有緩沖作用，受到酸性降水的淋溶后，除了毛竹林，大部分森林類(lèi)型樹(shù)冠下截留的雨水pH值普遍升高，說(shuō)明樹(shù)冠對(duì)酸性降雨具有緩沖作用。不同季節(jié)酸雨的pH值有差異，不同森林林冠下的酸雨pH值也不同，反映不同季節(jié)森林的緩沖的幅度有差異，春季：空曠地酸雨pH值5.7，森林5.9；夏季：空曠地酸雨pH值5.3，森林5.6；秋季：空曠地酸雨pH值5.1，森林5.3；冬季：空曠地酸雨pH值4.4，森林4.8，森林對(duì)酸雨的緩沖作用以冬季最為明顯。

天目山；酸雨；森林；林冠緩沖作用

酸雨通常是指pH值小于5.6的雨、雪、霧等形式的酸性降水，包括濕沉降（如酸雨、酸雪、酸霧、酸雹）、干沉降（如SO2、NOx等氣體酸性物質(zhì)）[1～2]。酸雨是世界十大環(huán)境問(wèn)題之一，中國(guó)是繼歐洲、北美之后出現(xiàn)的世界第三大酸雨區(qū)[3～4]。我國(guó)酸雨主要分布在長(zhǎng)江以南的廣大地區(qū)，浙江省處于華東沿海酸雨區(qū)（江、浙、滬、皖、贛等省、市部分或大部分地區(qū)）的東南部。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、工業(yè)化迅速發(fā)展中，能源耗量不斷增加，導(dǎo)致酸雨問(wèn)題的解決變得越來(lái)越迫切[4～5]。從“六五”到“八五”期間浙江省降水pH值平均值從5.0以上降至4.7以下，酸雨率從35%升至63.33%，全省酸雨覆蓋率達(dá)95%，且酸雨污染開(kāi)始從城市向農(nóng)村蔓延[4,7]。

酸雨分布范圍廣，危害嚴(yán)重，與硫氧化物、氮氧化物并稱(chēng)“森林殺手”[1]。雖然國(guó)內(nèi)外有關(guān)酸雨對(duì)植物的影響研究已有大量報(bào)道[6～9]。但大量研究結(jié)果主要報(bào)道在酸雨脅迫下植物受到的影響，如隨酸雨pH值的降低，植物的株高及地徑的生長(zhǎng)將會(huì)受到抑制，植物光合速率降低，受害程度趨于嚴(yán)重[2,6]。也有報(bào)道酸雨對(duì)森林生態(tài)結(jié)構(gòu)及生理生化方面的影響明顯[7～8]。但在酸雨條件下，森林對(duì)于其危害的緩沖作用的研究相對(duì)較少[9]。中國(guó)亞熱帶森林由于其結(jié)構(gòu)和功能的特點(diǎn)，其林冠對(duì)于酸雨脅迫可能具有一定的緩沖作用。但是不同森林類(lèi)型的作用方式和強(qiáng)度，都不確定[10～12]。本次試驗(yàn)選取了天目山地區(qū)典型的森林類(lèi)型，研究在不同季節(jié)的酸雨脅迫下森林林冠對(duì)酸雨緩沖作用的特點(diǎn)，并找出規(guī)律，為更好的進(jìn)行天目山地區(qū)植被的恢復(fù)和生物多樣性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究地概括

試驗(yàn)地在浙江天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)（30° 18′ 30″ ～ 30° 24′ 55″ N，119° 23′ 47″ ～ 119° 28′ 27″ E），海拔600 ～ 800 m。該區(qū)屬亞熱帶氣候，年均溫度為8.8 ～ 14.8℃，年均降水為1 390 ～ 1 870 mm，≥10℃年積溫為5 100 ～ 2 500℃，相對(duì)濕度為76% ～ 81%。土壤為紅壤、黃壤、黃紅壤或棕黃壤，呈酸性，pH（水浸）4.7 ～ 6.0。

1.2 研究材料

試驗(yàn)材料為浙江天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)空曠地、馬尾松林、柳杉林、常綠闊葉林、闊葉混交林、毛竹林。

2 研究方法

2.1 樣品采集

大氣降水的收集器和冠層穿透雨收集器系用直徑15 cm的聚乙烯漏斗做成，分別置于空曠地和各林型冠層的下方，6種林型共放置18個(gè)，分別以每一場(chǎng)大雨采集一次和二場(chǎng)小雨采集一次進(jìn)行雨樣采集，收集大氣降水和林內(nèi)降水樣品經(jīng)過(guò)濾后，分別置于500 mL的聚乙烯塑料瓶?jī)?nèi)，貼上標(biāo)簽保存，供分析。2007年1－12月在浙江天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)6種不同類(lèi)型森林中進(jìn)行樣品采集，測(cè)定降水量以及獲得較多的分析水樣。

2.2 水樣分析方法

pH值采用pH計(jì)測(cè)定，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測(cè)定，總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法[13]，總磷采用鉬酸銨分光光度法[14]。

3 研究結(jié)果

3.1 天目山酸雨沉降的特征

由圖1可知，2005－2009年，天目山酸雨pH值為5.2 ～ 6.0，并呈逐年下降的趨勢(shì)，但是年際間有波動(dòng)。

3.2 天目山不同森林類(lèi)型冠層對(duì)酸雨脅迫的緩沖作用

3.2.1 針葉林冠層對(duì)酸雨脅迫的緩沖作用

圖1 天目山酸雨pH值的年際變化Figure 1 Annual change of pH value of acid rain at Tianmu Mountain

3.2.1.1 總的趨勢(shì) 由圖2可知，針葉林對(duì)酸雨脅迫有緩沖作用，且3種樣地均為春天緩沖能力最強(qiáng)，冬季最弱。相對(duì)于大氣降水，針葉林內(nèi)降水穿透雨和樹(shù)干徑流的離子都大大增加。有關(guān)資料表明[1]，樹(shù)干徑流的離子富集量高于穿透雨中的離子富集量，是因?yàn)闃?shù)干有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸的淋洗以及樹(shù)干徑流雨量小，不同季節(jié)針葉樹(shù)的緩沖的幅度也不同，有一定的緩沖作用。相對(duì)來(lái)說(shuō)馬尾松林要比柳杉的緩沖作用強(qiáng)。

圖2 天目山針葉林酸雨pH值的季節(jié)變化Figure 2 Seasonal change of pH value of acid rain under conifer forest at Tianmu Mountain

3.2.1.2 季節(jié)趨勢(shì) 從圖2還可以看出，不同季節(jié)酸雨的pH值也不同，以春季最高，為5.7；冬季最低，為4.3；夏秋季節(jié)位于二者之間。不同季節(jié)針葉林的緩沖的幅度也不同。春季：酸雨pH值5.7，柳杉林5.68；馬尾松林6.0；夏季：酸雨pH值5.4，柳杉林5.2；馬尾松林5.6；秋季：酸雨pH值5.5，柳杉林5.3；馬尾松林5.7；冬季：酸雨pH值4.3，柳杉林4.9；馬尾松林4.8。不同季節(jié)針葉林對(duì)酸雨都有緩沖作用，其中以冬季最為明顯。

3.2.2 闊葉林對(duì)酸雨脅迫的緩沖作用

3.2.2.1 總的趨勢(shì) 從圖3中可以看出，闊葉林對(duì)酸雨有緩沖作用，且樹(shù)冠大的緩沖能力強(qiáng)的樹(shù)，抵抗酸雨的能量大，對(duì)防止土壤酸化，保護(hù)森林作用大。

3.2.2.2 季節(jié)的趨勢(shì) 從圖3還可以看出，不同季節(jié)酸雨的pH值也不同，酸雨pH值以春季最高，為5.85；冬季最低，為4.6；夏秋季節(jié)位于二者之間。不同季節(jié)闊葉林的緩沖的幅度也不同。春季：酸雨pH值5.85，常綠闊葉林6.0，混交林6.1；夏季：酸雨pH值5.75，常綠闊葉林5.9，混交林5.8；秋季：酸雨pH值5.1，常綠闊葉林6.2，混交林5.6；冬季：酸雨pH值4.6，常綠闊葉林5.5，混交林5.0。不同季節(jié)闊葉林對(duì)酸雨都有緩沖作用，其中以冬季最為明顯。

3.2.3 毛竹林對(duì)酸雨脅迫的緩沖作用

3.2.3.1 總的趨勢(shì) 由圖4可知，毛竹林對(duì)酸雨的緩沖作用以春季最強(qiáng)，冬季最低，夏秋季位于二者之間。

3.2.3.2 季節(jié)的趨勢(shì) 從圖4還可以看出，不同季節(jié)毛竹林酸雨的pH值也不同。酸雨pH值以春季最高，為5.8，冬季最低，為4.35，夏秋季節(jié)位于二者之間。不同季節(jié)毛竹林的緩沖的幅度也不同。春季：酸雨pH值5.8，毛竹林5.84；夏季：酸雨pH值5.4，毛竹林5.5；秋季：酸雨pH值5.2，毛竹林4.6；冬季：酸雨pH值4.35，毛竹林4.0。不同季節(jié)毛竹林對(duì)酸雨有緩沖作用，其中以冬季最為明顯。

圖3 天目山常綠闊葉林酸雨pH值的季節(jié)變化Figure 3 Seasonal change of pH value of acid rain under evergreen broad leaf forest at Tianmu Mountain

圖4 天目山毛竹林酸雨pH值的季節(jié)變化Figure 4 Seasonal change of pH value of acid rain under bamboo forest at Tianmu Mountain

3.2.4 天目山主要森林對(duì)酸雨脅迫的緩沖作用

3.2.4.1 總的趨勢(shì) 天目山主要森林對(duì)酸雨有緩沖作用。樹(shù)冠在受到酸性降水的淋溶后pH值明顯升高，說(shuō)明樹(shù)冠對(duì)酸性降雨的有緩沖作用，樹(shù)冠在受到酸性降水的淋溶，樹(shù)葉組織內(nèi)的鹽基陽(yáng)離子（Ca2＋、Mg2＋、K＋、Mn2＋等）與降水中的H＋發(fā)生交換反應(yīng)，H＋取代鹽基離子，使H＋濃度減少，從而使pH值上升，且大氣降水經(jīng)樹(shù)冠后的pH峰值出現(xiàn)在大氣降雨量為520 mm處。

3.2.4.2 季節(jié)的趨勢(shì) 不同季節(jié)森林酸雨的pH值也不同，酸雨pH值以春季最高，為5.7，冬季最低，為4.4，夏秋季節(jié)位于二值之間。不同季節(jié)森林的緩沖的幅度也不同。春季：酸雨pH值5.7，森林5.9；夏季：酸雨pH值5.3，森林5.6；秋季：酸雨pH值5.1，森林5.3；冬季：酸雨pH值4.4，森林4.8。不同季節(jié)森林對(duì)酸雨有緩沖作用，其中以冬季最為明顯。

4 討論

4.1 天目山酸雨的發(fā)展

研究表明，天目山酸雨從2005－2009年，pH值的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這與長(zhǎng)江三角洲地區(qū)近年來(lái)環(huán)境污染加劇密切相關(guān)[4,7]。這種變化與湖南和廣東觀測(cè)的結(jié)果非常相似[9,11]。這種日益加重的酸雨壓力，勢(shì)必加大對(duì)亞熱帶森林的脅迫，造成森林和土壤的退化[12]。如何利用森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，盡量減少這種影響，是進(jìn)一步研究的方向。

4.2 不同森林類(lèi)型對(duì)降水pH的緩沖作用

研究表明，由于冠層對(duì)大氣降水的化學(xué)特征，包括pH值會(huì)產(chǎn)生改變，形成對(duì)酸雨的緩沖或中和作用，所以有必要研究林內(nèi)降水[9]。從其他大量研究可知，不管是針葉林還是闊葉林內(nèi)降水都富集中性鹽離子的現(xiàn)象，揭示酸雨會(huì)促進(jìn)樹(shù)木葉片營(yíng)養(yǎng)離子的大量流失[15]。一般來(lái)說(shuō)冠層淋洗是一種自然現(xiàn)象，它能加速營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)和生物作用，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[12]。然而過(guò)度的淋洗會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的析出量超過(guò)最初葉片的含有量，對(duì)林冠層產(chǎn)生負(fù)面影響，若森林長(zhǎng)期處在酸性降雨的脅迫下，這些離子的流失量越來(lái)越加劇，可能會(huì)造成森林營(yíng)養(yǎng)虧損，直接影響森林的生長(zhǎng)[11,15]。Croman等人的研究也表明，酸性降水促進(jìn)中性鹽離子在冠層雨的富集造成葉片中營(yíng)養(yǎng)離子流失[16]。

研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于森林林冠對(duì)酸雨的緩沖作用不同森林類(lèi)型具有較大的差異。這些差異可能包括了樹(shù)冠結(jié)構(gòu)的一些參數(shù)，例如葉片是否有絨毛突起、是否革質(zhì)、表皮光滑度、樹(shù)干光滑度等；葉片養(yǎng)分狀況及不同種類(lèi)樹(shù)木生理習(xí)性對(duì)某種元素的吸收累積和溢泌效應(yīng)[9,11]。同時(shí)昆蟲(chóng)噬性對(duì)冠層、樹(shù)干造成的損傷也是重要的因素，有研究資料表明，和健康正常的林冠相比，受傷冠層穿透雨溶液中營(yíng)養(yǎng)元素含量顯著增加[12]，可能影響林冠的緩沖能力。例如，廣東鶴山酸雨地區(qū)地針葉林和闊葉林林內(nèi)降水與大氣降水相比除NO3－外其他離子含量顯著增加，馬尾松林冠穿透雨中離子含量增加倍數(shù)最高達(dá)34倍，樹(shù)干徑流中離子含量增加倍數(shù)最高達(dá)12倍，闊葉林穿透雨和樹(shù)干徑流中離子含量增加倍數(shù)最高分別為8倍和10倍，針葉林降水比闊葉林降水離子富集程度更為顯著，林內(nèi)降水中馬尾松林樹(shù)干徑流離子總含量小于闊葉林樹(shù)干徑流離子總量；不同闊葉林型林內(nèi)降水中離子含量是不同的，針葉林林內(nèi)降水有進(jìn)一步酸化趨勢(shì)，林內(nèi)降水離子長(zhǎng)期富集將導(dǎo)致森林冠層正負(fù)電荷數(shù)不平衡，營(yíng)養(yǎng)離子大量淋失，林冠層養(yǎng)分虧損[12]。另外，與天目山情況相似的湖南韶山地區(qū)，大氣降水經(jīng)過(guò)樹(shù)冠后，pH值明顯升高，具有明顯的林冠緩沖作用[17]。推測(cè)這是森林林冠在受到酸性降水的淋溶，樹(shù)葉組織內(nèi)的鹽基陽(yáng)離子（Ca2＋、Mg2＋、K＋、Mn2＋）等與降水中的H＋發(fā)生交換反應(yīng)，H＋取代鹽基離子，使H＋濃度減少，從而使pH上升。由于韶山地區(qū)和天目山地區(qū)都屬于亞熱帶氣候，降雨量也相差不多，出現(xiàn)相似的規(guī)律。

4.3 酸雨對(duì)天目山森林的可能影響及管理對(duì)策

天目山地處我國(guó)酸雨中心之一，酸雨發(fā)生頻繁。加上天目山受地形的影響，攜帶污染物的暖濕東南風(fēng)在此抬升，由此造成的酸雨影響比較強(qiáng)烈。酸雨對(duì)森林的直接影響，土壤pH值降低，H＋置換了土壤中的陽(yáng)離子，導(dǎo)致土壤中Ca2＋、Mg2＋等鹽基陽(yáng)離子和營(yíng)養(yǎng)元素流失，土壤呼吸速率下降，有機(jī)質(zhì)分解速度下降，會(huì)降低古柳杉根系吸收養(yǎng)分的能力[18]。經(jīng)研究表明，長(zhǎng)期的SO2和酸沉降脅迫導(dǎo)致森林呈現(xiàn)出衰退[19]。天目山擁有世界上罕見(jiàn)的巨大柳杉林及各種稀有樹(shù)種，如果酸雨造成森林衰退，不僅會(huì)影響保護(hù)區(qū)的自然景觀，也會(huì)對(duì)天目山生物多樣性構(gòu)成威脅，因此需進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究和加強(qiáng)相關(guān)的管理。

4.3.1 土壤管理 根系的吸收能力取決于土壤中可給態(tài)養(yǎng)分的含量，所以施肥不可能替代土壤與植物間礦質(zhì)的自然交換。只有當(dāng)土壤環(huán)境改善后，加強(qiáng)微生物的活動(dòng)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解，才可能正常地進(jìn)行離子交換，營(yíng)養(yǎng)成分才可以被根系吸收利用有利于復(fù)壯。因此，土壤氣相環(huán)境的改善較之施肥更為重要。

4.3.2 病蟲(chóng)害防冶 酸雨可以破壞樹(shù)葉角質(zhì)層，致使森林中的樹(shù)木對(duì)病蟲(chóng)害的抵抗能力下降，當(dāng)病蟲(chóng)害嚴(yán)重到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致樹(shù)木生長(zhǎng)的衰退。因此，在大氣污染尚未得到有效控制的情況下，需要加強(qiáng)對(duì)病蟲(chóng)害的防治，減緩林木衰退。

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Canopy Buffering of Different Forest Types under Acid Rain in Tianmu Mountain

ZHAN Min1，DOU Yun-peng2，GUO Pei-pei2，YAO Zhao-bin2，CAO Quan2，JIANG Xiao-li2，WANG Zu-liang1，YU Lin3，YU Shu-quan2，JIANG Hong2*
（1. Tianmu Mountain National Nature Reserve Administration of Zhejiang, Lin’an 311311, China;
2. Zhejiang Forestry University, Lin’an 311300, China; 3. Linan Forestry Bureau of Zhejiang, Lin’an 311300, China）

Canopy buffering of different forest types under acid rain was investigated by comparison of acid precipitation pH at open land and under six forest types canopy by field measurement in Tianmu Mountain National Nature Reserve, Zhejiang province. The results indicated that tested forest canopy had buffering effect of acid rain, but varied with seasons and forest canopy. pH value in the spring was 5.7 at the open land and 5.9 under forest canopy, that was 5.3 in the summer at the open land and 5.6 under forest canopy, and 5.1 in autumn at the open land and 5.3 under forest canopy, and 4.4 in winter at the open land and 4.8 under forest canopy. The result showed that it had the best buffering effect of forest canopy of acid rain in winter.

Tianmu Mountain; acid rain; forest; canopy buffering of forest

S718.5

1001-3776（2010）02-0026-05

2009-11-11；

2010-01-30

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目“中國(guó)酸雨沉降機(jī)制、輸送態(tài)勢(shì)及調(diào)控原理”（2005CB422207和2005CB422208），“我國(guó)東部沿海城市帶的氣候效應(yīng)及對(duì)策研究”（2010CB428503），科技部重大國(guó)際合作項(xiàng)目“利用加拿大FORECAST生態(tài)模型優(yōu)化管理和提高中國(guó)亞熱帶主要類(lèi)型森林的生產(chǎn)力、碳儲(chǔ)量和生物多樣性”（200073819）

詹敏（1975－），女，浙江臨安人，從事自然保護(hù)和植物生態(tài)研究；*通訊作者。