酸沉降影響下蔡家塘森林土壤溶液化學(xué)成分特征

劉 湛，張青梅，向仁軍，漆 燕，邱亞群，尤翔宇

（湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 水污染控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

酸沉降影響下蔡家塘森林土壤溶液化學(xué)成分特征

劉 湛，張青梅，向仁軍，漆 燕，邱亞群，尤翔宇

（湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 水污染控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以湖南省蔡家塘森林土壤溶液的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了該地區(qū)土壤溶液中的離子成分分布特征。結(jié)果表明，蔡家塘森林土壤已處于酸性狀態(tài)（pH＜5.00）。土壤溶液中的各種陰陽(yáng)離子濃度都呈明顯的季節(jié)性變化，冬季和春季離子濃度高，夏季和秋季離子濃度低，Ca2+、SO42-、Mg2+、Na+的最大濃度出現(xiàn)在春季，K+、NO3-、Cl-、NH4+的最大濃度出現(xiàn)在冬季。蔡家塘森林土壤溶液中的陽(yáng)離子以Ca2+和K+為主，分別占總離子量的26.67%和24.14 %；陰離子以SO42-和NO3-為主，分別占總離子量的26.67%和24.14 %。

酸沉降；離子；特征；蔡家塘

酸沉降是促進(jìn)土壤酸化和改變土壤性能的重要途徑之一[1-4]，酸沉降影響下土壤中氮、碳、金屬元素等的分布特征已見(jiàn)報(bào)道[5-9]，研究酸沉降影響下的土壤成分及其分布特征對(duì)于恢復(fù)土壤生態(tài)系統(tǒng)具有十分重要的意義[10-11]。湖南省是中國(guó)南方重要的二氧化硫控制區(qū)和酸雨控制區(qū)[12]。近年來(lái)的氣象及環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，湖南省酸性大氣降水面積在日益擴(kuò)大，年均pH值最低達(dá)到3.35，部分地區(qū)的酸雨頻率甚至高達(dá)100%[13]。蔡家塘于湖南省韶山市，北緯 27°55′，東經(jīng) 112°53′，年平均降雨量1 200～1 700 mm，屬于丘陵地帶，海拔292 m，樹(shù)木主要為松木、杉木、竹木及雜木，植被保護(hù)良好；土壤類(lèi)型主要為黃棕壤和黃壤，為敏感性土壤。本文以“中國(guó)酸沉降綜合影響觀測(cè)研究”（ Integrated Monitoring Program on Acidification of Chinese Terrestrial Systems，簡(jiǎn)稱(chēng)IMPACTS項(xiàng)目）湖南蔡家塘小流域5年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析探討了該地酸沉降影響下土壤溶液中的離子組分和隨季節(jié)變化的特征，為闡明酸沉降影響下蔡家塘森林生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)提供科學(xué)依據(jù)及土壤酸化防治提供必要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1.1 樣品采集

流域內(nèi)土壤溶液樣品采集儀器按照IMPACTS項(xiàng)目技術(shù)手冊(cè)所規(guī)定的歐洲空氣污染物長(zhǎng)距離輸送監(jiān)測(cè)與評(píng)估(簡(jiǎn)稱(chēng)EMEP)標(biāo)準(zhǔn)裝配。連續(xù)5年內(nèi)每周收集土壤溶液樣品，在4個(gè)采樣點(diǎn)（見(jiàn)圖1）自然土層中（15，30，60，75 cm）安裝過(guò)濾式土壤溶液收集器。過(guò)濾式土壤溶液收集器（由挪威奧斯陸大學(xué)制造）由有機(jī)玻璃管、塑料盤(pán)和尼龍網(wǎng)組成。過(guò)濾式土壤溶液收集器通過(guò)有機(jī)玻璃管連接到一個(gè)容積為5 L的丙烯容器，將收集到的土壤溶液導(dǎo)入此容器中。容器上的刻度用于測(cè)量已收集到土壤溶液的體積。

圖1 蔡家塘土壤溶液采樣點(diǎn)Fig.1 Soil solutionin sampling points in Caijiatang

1.2 分析方法

樣品根據(jù)歐洲空氣污染物長(zhǎng)距離輸送監(jiān)測(cè)與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)提供的分析方法進(jìn)行測(cè)定：取樣后測(cè)定土壤溶液樣品體積并記錄，然后將土壤溶液樣品密封于干凈聚乙烯瓶?jī)?nèi)并立即送回實(shí)驗(yàn)室，在無(wú)過(guò)濾的情況下用酸度計(jì)（PHS-3A型）進(jìn)行pH值的測(cè)定；采用原子吸收分光光度計(jì)（AA2600型）測(cè)定 Ca2+、Mg2+、Na+、K+的濃度；水樣中 的SO42-、NO3-、F-、Cl-、NH4+的濃度則用離子色譜儀（PIC-20型）測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤離子組分的時(shí)間分布特征

蔡家塘小流域春夏秋冬四季的pH均值分別為4.94、5.14、5.04、4.93，春冬季節(jié)蔡家塘小流域已處于酸性土壤狀態(tài)（pH＜5.00）。

不同季節(jié)的土壤溶液離子成分濃度特征見(jiàn)圖2～圖5。從圖2～圖5可以看出，春季、夏季蔡家塘土壤溶液離子濃度大小順序均為其中春季含量分別占總離子量的31.7%、26.78%，夏季含量分別占總離子量的33.84%、28.38%。秋季蔡家塘土壤溶液離子濃度大小順序均為其中含量分別占總離子量的29.12%、21.86%。冬季蔡家塘土壤溶液離子濃度大小順序均為含量分別占總離子量的26.38%、22.64%。春夏秋冬四季中陽(yáng)離子以和K+為主，陰離子以SO42-和NO3-為主，在酸沉降過(guò)程中，陽(yáng)離子主要來(lái)自地面揚(yáng)塵和土壤沙粒，而陰離子主要來(lái)自工業(yè)廢氣排放和交通污染[13-14]，蔡家塘距離城市區(qū)域較近，交通污染可能對(duì)蔡家塘大氣降水組成的影響較大，進(jìn)而影響到土壤溶液中離子含量。

圖2 春季土壤溶液中離子濃度Fig. 2 Ionic concentrations of soil solution in the spring

圖3 夏季土壤溶液中離子濃度Fig. 3 Ionic concentrations of soil solution in the summer

圖4 秋季土壤溶液中離子濃度Fig. 4 Ionic concentrations of soil solution in the autum

圖5 冬季土壤溶液中離子濃度Fig. 5 Ionic concentrations of soil solution in the winter

土壤溶液中的離子組分隨季節(jié)呈現(xiàn)不同的分布特征，春季和冬季離子濃度高夏季和秋季離子濃度低。SO42-、Mg2+、Na+的最大濃度出現(xiàn)在春季，分 別 為 17.67、14.93、3.19、0.91 mg·L-1；K+、NO3-、Cl-、NH4+的最大濃度出現(xiàn)在冬季，分別為9.00、8.13、6.80、5.32 mg·L-1。蔡家塘土壤溶液離子濃度在夏季較低，與其對(duì)應(yīng)的pH值較高，這可能是由于蔡家塘所處位置為南方地區(qū)，夏季降水量大，大氣降水離子濃度在夏季較低[15-16]，且大部分離子組分隨徑流進(jìn)入地表水中，因此酸沉降進(jìn)入土壤溶液中的離子組分也相應(yīng)減少。

2.2 酸沉降影響下土壤離子組分的空間分布特征

蔡家塘小流域A、B、C、D 4個(gè)采樣點(diǎn)的pH均值分別為5.28、4.87、5.12、4.79，B采樣點(diǎn)和D采樣點(diǎn)已處于酸性土壤狀態(tài)（pH＜5.00）。不同采樣點(diǎn)的土壤溶液離子成分濃度特征見(jiàn)圖6～圖9。從圖6～圖9可以看出，A采樣點(diǎn)土壤溶液離子濃度大小順序均為B采樣點(diǎn)土壤溶液離子濃度大小順序均為采樣點(diǎn)土壤溶液離子濃度大小順序均為4個(gè)采樣點(diǎn)陽(yáng)離子均以和K+為主，陰離子均以和為主。

圖6 A采樣點(diǎn)土壤溶液中離子濃度Fig. 6 Ionic concentrations of soil solution in the sampling point A

圖7 B采樣點(diǎn)土壤溶液中離子濃度Fig.7 Ionic concentrations of soil solution in the sampling point B

圖8 C采樣點(diǎn)土壤溶液中離子濃度Fig. 8 Ionic concentrations of soil solution in the sampling point C

A、B、C、D 4個(gè)采樣點(diǎn)的土壤溶液離子總量大 小 分 別 為 34.75、62.76、52.05、57.63 mg·L-1，pH值越低，離子總量越高。B、D 2個(gè)采樣點(diǎn)SO42-濃度明顯高于A、C采樣點(diǎn)，這可能與土壤含硫量有關(guān)。此外，還可能與酸沉降有關(guān)。在酸沉降過(guò)程中，林冠對(duì)酸性降水的緩沖作用使得森林穿透水的pH值有所上升，且闊葉林作用較灌木林和針葉林顯著[17-19]。蔡家塘是落葉闊葉林、針葉林與灌木林相間生長(zhǎng)的森林地，A、B、C、D 4個(gè)采樣點(diǎn)pH值的不同可能跟采樣點(diǎn)的林木種類(lèi)不同有關(guān)。

圖9 D采樣點(diǎn)土壤溶液中離子濃度Fig. 9 Ionic concentrations of soil solution in the sampling point D

3 結(jié)論與討論

酸沉降對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的危害是當(dāng)前世界重大的環(huán)境問(wèn)題之一。酸雨不斷地進(jìn)入土壤，引起土壤酸化，可使地上植物受害，嚴(yán)重酸化土壤滲漏水以及酸雨本身進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)后也可引起湖泊河流水體酸化，酸沉降影響下的森林土壤溶液化學(xué)成分特征是研究酸沉降對(duì)土壤酸化作用的基礎(chǔ)。本研究連續(xù)5年內(nèi)對(duì)酸沉降影響下的土壤溶液進(jìn)行采樣，并分析了土壤溶液中的各離子組分濃度，初步探討了土壤溶液化學(xué)成分特征，得到以下結(jié)論：

（1）監(jiān)測(cè)年份內(nèi)，在酸沉降的影響下，蔡家塘小流域春夏秋冬四季的土壤溶液pH均值大小順序?yàn)槎荆即杭荆记锛荆枷募?，春冬季?jié)土壤酸化相比夏秋季節(jié)更為嚴(yán)重，這是因?yàn)槟戏较那锛竟?jié)降水量大，本研究觀測(cè)期間2003年共75個(gè)降雨事件中從第11周（3月中旬）至第29周（8月中旬）間的降水量占到了該年降水總量的76%。

（2）監(jiān)測(cè)年份內(nèi)， 蔡家塘小流域A、B、C、D 4個(gè)采樣點(diǎn)的土壤溶液pH均值大小順序?yàn)锽＜D＜C＜A，B采樣點(diǎn)和D采樣點(diǎn)SO42-濃度明顯高于A采樣點(diǎn)和C采樣點(diǎn)。已有報(bào)道表明，蔡家塘大氣降水和森林穿透水中的陰離子均以SO42- 為主[20]，不同采樣點(diǎn)酸化程度差別較大，酸沉降與土壤酸化程度的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

（3）土壤溶液中的化學(xué)組分濃度隨季節(jié)呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，春季和冬季離子濃度高，分別占總量的26.91%和30.95%，夏季和秋季離子濃度低分別占總量的17.68%和24.46%。

（4）蔡家塘小流域土壤溶液中陽(yáng)離子以Ca2+和K+為主，濃度均值分別為15.44 mg·L-1和5.65 mg·L-1，陰離子以為主，均值分別為12.73 mg·L-1和 7.28 mg·L-1，且總量在5年內(nèi)呈遞增趨勢(shì)。要降低酸沉降對(duì)土壤污染的影響，需減少燃煤煙氣、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣及其他工業(yè)廢氣污染物排放。

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Chemical composition characteristics of forest soil solution under influence of acid precipitation in Caijiatang

LIU Zhan, ZHANG Qing-mei, XIANG Ren-jun, QI Yan, QIU Ya-qun, YOU Xiang-yu

(Hunan Key Lab. of Water Pollution Control Technology, Hunan Research Academy of Environmental Science, Changsha 410004,Hunan, China)

∶ Based on the monitoring data of soil solution in Caijiatang in Changsha city, the distribution characteristics of the ion composition of soil solution were analyzed. The results show that the forest soil in Caijiatang was in an acidic state (pH＜5.00); all kinds of cation and anion concentration in soil solution showed obvious seasonal changes; The ion concentrations in the winter and spring were high, in summer and fall was low; The largest concentrations of Ca2+, SO42-, Mg2+, Na+appeared in the spring and the largest concentrations of K+, NO3-, Cl-, NH4+appeared in winter; The positive ions of the forest soil solution were dominated by Ca2+and K+in Caijiatang, being accounted for 26.67% and 24.14% of the total ion amount respectively; The anion in Caijiatang forest soil solution were primarily dominated by SO42-and NO3-, accounted for 26.67% and 26.67% respectively.

∶ urban acid precipitation; ions in soil solution; distribution characteristics of ionic components; Caijiatang of Xiangtang city

S714.5；X517

A

1673-923X(2013)11-0130-04

2013-08-16

環(huán)保公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201109005，201209009）；中國(guó)酸沉降綜合影響觀測(cè)研究（CHN0030）

劉 湛（1979-），男，河南安陽(yáng)人，工程師，碩士，主要研究酸沉降及重金屬污染控制與治理

[本文編校：吳 毅]