模擬酸雨處理下尾巨桉凋落葉pH值及養(yǎng)分元素釋放模式

何 鵬，葉瀟聰，程 飛，楊 梅

（廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西南寧 530004）

酸雨是大氣降水過(guò)程中，雨、雪、霧和霜等大氣水吸收了空氣中的酸性氧化物（氮氧化物和二氧化硫等）后形成的pH 值低于5.6 的雨水[1]。酸雨覆蓋面積已占我國(guó)國(guó)土面積的40%左右，造成的經(jīng)濟(jì)損失接近當(dāng)年國(guó)民生產(chǎn)總值的2%，成為制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素[2-4]。酸雨危害森林生態(tài)系統(tǒng)，破環(huán)林木葉片的蠟質(zhì)，導(dǎo)致葉片的水分及養(yǎng)分流失，并破壞其呼吸代謝及光合作用，造成葉片褪綠、枯黃、皺折蜷曲和枯萎凋落，甚至?xí)斐纱竺娣e林木的生長(zhǎng)衰退和死亡[5-7]。酸雨直接作用于地面，被林地直接吸收，導(dǎo)致土壤大面積酸化，影響土壤微生物的生理活動(dòng)，制約樹(shù)木生長(zhǎng)[8-11]。有關(guān)酸雨對(duì)植物凋落葉生理化學(xué)特性的影響[12-15]以及凋落物的生理特性和緩沖功能的研究已有較多報(bào)道，但關(guān)于酸雨對(duì)凋落葉緩沖性能影響的研究還并不多。

森林生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)林冠層、枯枝落葉層和林下土壤等可以改變酸雨的化學(xué)成分，對(duì)酸雨進(jìn)行抵抗、適應(yīng)、緩沖和中和，維護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和延續(xù)。凋落葉對(duì)酸雨的緩沖有重要作用，是土壤表面在林冠層后的第二道保護(hù)層[16-18]。凋落葉分解出來(lái)的部分無(wú)機(jī)物可對(duì)酸雨進(jìn)行緩沖和中和；凋落葉還能吸收降雨，通過(guò)保持水土緩沖酸雨，減緩森林土壤酸化的進(jìn)程。影響凋落葉分解速率的因素主要包括環(huán)境因素和凋落葉本身的性質(zhì)[19-20]。環(huán)境因素包括凋落葉所處地的氣候及生物因素；凋落葉分解前的性質(zhì)對(duì)分解過(guò)程有非常重要的影響。有研究表明，在模擬狀態(tài)下，凋落葉鹽基離子浸提總量隨著模擬酸雨酸度的增加而增加；鹽基離子的淋溶對(duì)緩沖模擬酸雨有重要作用[21]。凋落葉可阻絕大部分的酸雨直接進(jìn)入土壤，其分解過(guò)程中也可產(chǎn)生緩沖性物質(zhì)緩解酸雨對(duì)土壤的酸化。

桉樹(shù)為我國(guó)主要速生樹(shù)種之一，具有速生、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)性強(qiáng)和用途廣泛等特點(diǎn)，在廣西的種植面積已達(dá)200 多萬(wàn)hm2，居全國(guó)第一；其木材年產(chǎn)量占廣西木材年總產(chǎn)量的70%以上[22]。廣西酸雨敏感性區(qū)域面積達(dá)2 237 萬(wàn)hm2，占全區(qū)土地總面積的94.17%，已覆蓋桉樹(shù)種植區(qū)。極敏感區(qū)主要分布在桂東南地區(qū)；高度敏感區(qū)主要分布在桂南、桂東南、桂東和桂東北地區(qū)，酸雨對(duì)桉樹(shù)的種植產(chǎn)生了極大的影響。

本研究通過(guò)模擬不同濃度酸雨處理，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)不同濃度酸雨處理下尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E. grandis）凋落葉中pH 值和微量元素含量的變化規(guī)律進(jìn)行研究，探討尾巨桉凋落葉的酸雨緩沖性能，根據(jù)模擬酸雨處理樣品的反應(yīng)特點(diǎn)和緩沖能力來(lái)評(píng)價(jià)尾巨桉對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，可為酸雨地區(qū)的森林經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)指導(dǎo)，具有一定的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃基地內(nèi)進(jìn)行（108°22'E，22°48'N），為亞熱帶季風(fēng)氣候，干、濕季節(jié)分明。1月平均氣溫12.8 ℃，最低氣溫-2.4 ℃；7月平均氣溫28.2 ℃，最高氣溫40.4 ℃；年均氣溫21.6 ℃左右；霜少，幾乎全年無(wú)雪。年均降水量約為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 值為4.4 ～4.7，年均相對(duì)濕度約為78%。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 材料采集和處理

凋落葉采集于廣西南寧市廣西國(guó)有高峰林場(chǎng)。在尾巨桉已郁閉人工林下收集新鮮凋落葉，將采集到的凋落葉分為兩部分，一部分用于林地模擬酸雨凋落葉分解試驗(yàn)，另一部分用于凋落葉初始指標(biāo)測(cè)定。試驗(yàn)所用凋落葉包裝網(wǎng)袋由綠色紗網(wǎng)制成，網(wǎng)眼3.5 mm × 3.5 mm，規(guī)格20 cm × 15 cm，每袋裝8 g凋落葉。

1.2.2 酸雨母液配制

根據(jù)廣西酸性發(fā)生程度、降水中的平均離子組成以及通常模擬酸雨試驗(yàn)中所采用的配比，將硫酸H2SO4和硝酸HNO3溶液按濃度比8∶1調(diào)配成酸雨溶液，取48 mL 濃硫酸和10 mL 濃硝酸，各稀釋10 倍，將稀釋后的硝酸緩慢引流至稀釋后的硫酸中，母液體積配制比為4.8∶1，裝入不透光的玻璃瓶中密封保存。將母液加入到裝有自來(lái)水的大桶中，分別調(diào)制成pH 值為3.0、4.0、5.0、5.6 和6.0 的酸性溶液，將配置好的酸液裝在噴霧器中備用。從2015年5月1日開(kāi)始，采用噴霧法噴灑酸雨，每周?chē)姙? ～4 次，模擬酸雨試驗(yàn)所用酸雨總量相當(dāng)于當(dāng)?shù)啬昃邓浚⒄酆蠘?shù)冠枝葉截留后的70% 左右進(jìn)行計(jì)算，約為910 mm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將試驗(yàn)地分為5 個(gè)區(qū)組，分別布置5 個(gè)不同的苗床，分別進(jìn)行5 種不同濃度的酸雨處理。2015年5月1日，將采集回來(lái)的凋落葉分解袋分別平鋪在5 個(gè)不同苗床的地表上，每處理3 個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)8 袋凋落葉。之后每個(gè)月取各處理凋落葉1 袋進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定，共取6 次，試驗(yàn)起止時(shí)間為2015年5月1日至2015年10月30日。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 凋落葉含水率

凋落葉含水率的測(cè)定采用差重法，稱(chēng)取每月回收的不同酸雨處理的凋落葉樣品2 g，于75 ℃烘干至恒重，并稱(chēng)重，計(jì)算含水率。

1.4.2 凋落葉pH值

分別稱(chēng)取風(fēng)干后并烘至恒重的不同酸雨處理的凋落葉樣品2 g，每處理3 個(gè)重復(fù)。將樣品剪成小于2 mm×2 mm 的小片，裝入密封的玻璃容器瓶，加入100 mL蒸餾水，浸泡24 h后用筆式酸度計(jì)對(duì)溶液的pH值進(jìn)行測(cè)定，取3次重復(fù)所測(cè)結(jié)果的平均值。

1.4.3 凋落葉中的養(yǎng)分元素

將已烘干至恒重的凋落葉于粉碎機(jī)中粉碎（12 000 r/min），取0.3 g 粉末置于100 mL 消煮管中，加入濃硫酸5 mL 消煮4 ～6 小時(shí)。消煮開(kāi)始時(shí)，滴加幾滴高氯酸溶液或過(guò)氧化氫溶液，隨后滴加2～3次，每次加5 ～10滴。消煮管內(nèi)溶液澄清時(shí)停止加熱，將消煮液用蒸餾水洗入50 mL 容量瓶中定容至標(biāo)度，裝瓶。樣品的氮（N）和磷（P）含量用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定，鉀（K）、鈉（Na）、鎂（Mg）和鈣（Ca）含量用火焰分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 軟件進(jìn)行整理，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析，多重比較采用LSD 最小差異顯著法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸雨處理對(duì)凋落葉的影響

凋落葉pH 值在不同酸雨處理下差異顯著（P＜0.05），pH6.0 處理下顯著高于其他處理（P＜0.05），pH3.0 處理下最低（表1）。凋落葉pH 值在不同處理月份間差異顯著（P＜0.05），5月的凋落葉pH 值顯著高于其他月份，9月最低（表2）。凋落葉含水率在不同酸雨處理下差異顯著（P＜0.05），pH6.0 處理下顯著高于其他處理（P＜0.05），pH3.0 處理下最低。凋落葉含水率在不同處理月份間差異顯著（P＜0.05），10月的凋落葉含水率顯著高于其他月份（P＜0.05），5月最低。

凋落葉N 含量在不同酸雨處理下差異不顯著，在不同處理月份間差異顯著（P＜0.05），10月的凋落葉N含量顯著高于8月（P＜0.05）。凋落葉P含量在不同酸雨處理下差異不顯著，在不同處理月份間差異顯著（P＜0.05），5月的凋落葉P 含量顯著高于9 和10月（P＜0.05）。凋落葉K 含量在不同酸雨處理下差異不顯著，在不同處理月份間差異顯著（P＜0.05），5月的凋落葉K 含量顯著高于10月（P＜0.05）。凋落葉Ca、Mg 和Na 含量在不同酸雨處理下差異不顯著，在不同處理月份間差異也不顯著。

表1 凋落葉各指標(biāo)在不同酸雨處理間的差異Tab.1 Differences of indexes of leaf litters among different acid rain treatments

表2 凋落葉各指標(biāo)在不同處理月份間的差異Tab.2 Differences of indexes of leaf litters among different treatment months

2.2 凋落葉各指標(biāo)隨時(shí)間的變化

在相同pH 酸雨處理下，凋落葉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，總體呈W 形（圖1a）。在相同月份下，凋落葉pH 值在pH3.0 處理下最低，隨酸雨pH 值的增大而增大，pH6.0處理下最高。

在相同pH 酸雨處理下，凋落葉含水率在5月最低，隨時(shí)間推移逐漸升高，10月最高（圖1b）。在相同月份下，凋落葉含水率在pH3.0處理下最低，隨酸雨pH值增大而增大，pH6.0處理最高。

在相同pH 酸雨處理下，凋落葉N 含量在5月最低，隨時(shí)間推移逐漸升高，10月最高（圖1c）。在相同月份下，pH5.0處理的凋落葉N含量均最低。

在相同pH 酸雨處理下，凋落葉P 含量在6月最高，10月最低，總體呈下降趨勢(shì)（圖1d）。在相同月份下，凋落葉P含量在pH3.0處理下最高，隨酸雨pH值增大而減少，pH6.0處理下最低。

在相同pH 酸雨處理下，凋落葉K 含量在5月最高，隨著時(shí)間推移逐漸下降，10月最低（圖1e）。在相同月份下，各處理的凋落葉K含量沒(méi)有呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

在相同pH 酸雨處理下，凋落葉Ca 含量在5月較低，6月增長(zhǎng)到最高，7 — 8月逐漸下降，8 — 10月含量穩(wěn)定（圖1f）。在相同月份下，凋落葉Ca含量在pH3.0 處理下最低，隨酸雨pH 值的增大而增加，pH6.0處理下最高。

在相同pH 酸雨處理下，凋落葉Mg 含量在8月最高，隨時(shí)間推移呈W 形（pH4.0 和pH6.0 處理）和近乎曲線（pH3.0、pH5.0和pH5.6處理）變化（圖1g）。在相同月份下，凋落葉Mg 含量在pH6.0 處理下最高（除了7月），pH3.0 處理下最低，總體表現(xiàn)為隨酸雨pH值增大而增加。

在相同pH 酸雨處理下，凋落葉Na 含量在5月最高，隨時(shí)間變化總體呈下降趨勢(shì)，除pH3.0 處理外，其他處理10月的Na 含量均最低（圖1h）。在相同月份下，凋落葉Na含量沒(méi)有呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

圖1 不同pH模擬酸雨處理下凋落葉各指標(biāo)隨時(shí)間變化Fig.1 Time variation of leaf litters under acid rain treatments with different pH simulation

2.3 模擬酸雨pH 值和分解月份與凋落葉各指標(biāo)的關(guān)系

Pearson 相關(guān)性分析表明，酸雨pH 值與凋落葉pH 值呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01)，與其他指標(biāo)相關(guān)性不強(qiáng)。分解時(shí)間與凋落葉pH 值以及P 和K 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與凋落葉含水率呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與凋落葉Ca 和Mg 含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與凋落葉N和Na含量關(guān)系不大。

表3 相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis

3 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)研究模擬酸雨條件下尾巨桉凋落葉分解過(guò)程中凋落葉pH 值的緩沖機(jī)制與養(yǎng)分元素動(dòng)態(tài)，揭示不同酸雨處理下凋落葉的pH 值、含水率和各養(yǎng)分元素含量隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析尾巨桉凋落葉分解在緩解酸雨過(guò)程中的特點(diǎn)和規(guī)律。結(jié)果表明，尾巨桉凋落葉對(duì)不同酸雨處理均有較強(qiáng)的緩沖作用。不同酸雨處理間凋落葉pH 值差異顯著，但大部分處理的凋落葉pH 值在4.4 ～4.8 之間。不同酸雨處理的凋落葉養(yǎng)分元素含量差異也不明顯。由此來(lái)看，模擬酸雨的pH 值不會(huì)引起凋落葉pH值和養(yǎng)分釋放過(guò)程的過(guò)分波動(dòng)，相關(guān)性分析中模擬酸雨pH值與凋落葉pH值以外的其他指標(biāo)沒(méi)有顯著相關(guān)性也可證明這一點(diǎn)。不同酸雨處理的凋落葉含水率差異顯著，其原因目前還不清楚，推測(cè)主要與分解時(shí)間有關(guān)，隨著凋落葉分解的進(jìn)行，凋落葉中的物質(zhì)被微生物分解利用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，凋落葉內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，從而可以容納更多水分。

尾巨桉凋落葉的含水率隨酸雨pH 值的增大而增大，隨時(shí)間推移而提高，偶爾的降雨頻繁或高溫天氣（廣西夏季主要表現(xiàn)為炎熱多雨）對(duì)其變化規(guī)律產(chǎn)生一定的影響。吸收了模擬酸雨的凋落葉pH值應(yīng)下降，但凋落葉分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生緩沖性物質(zhì)緩解pH 值降低，分解強(qiáng)度越大，緩沖越強(qiáng)；凋落葉分解強(qiáng)度還受氣溫、濕度和微生物活動(dòng)等因素的影響，在各因素的綜合影響下凋落葉pH 值變化規(guī)律未呈直線。

凋落物中各養(yǎng)分元素含量與歸還量直接影響土壤肥力，凋落葉在凋落物中所占比例較大，且養(yǎng)分元素含量較高，在營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分元素循環(huán)中扮演主要角色[23-24]。Pearson相關(guān)性分析顯示，凋落葉分解時(shí)間與凋落葉P、K、Ca 和Mg 含量顯著相關(guān)。此外，隨著分解的進(jìn)行，尾巨桉凋落葉的養(yǎng)分元素含量發(fā)生變化，N 含量會(huì)隨分解而累積，K 和Na 則呈現(xiàn)釋放趨勢(shì)，其他養(yǎng)分元素表現(xiàn)為累積-釋放的波動(dòng)。由此可見(jiàn)，在凋落葉對(duì)模擬酸雨處理有較高緩沖性的前提下，其養(yǎng)分元素變化主要與分解時(shí)間有關(guān)，這與前人的研究結(jié)果一致[16]。凋落葉里的N、P、K、Ca、Mg和Na與分解時(shí)間呈不同的相關(guān)性，可能與每個(gè)元素在自然條件下表現(xiàn)出的特點(diǎn)有關(guān)，對(duì)凋落葉分解過(guò)程有較大影響。凋落物分解過(guò)程中，養(yǎng)分動(dòng)態(tài)主要由物理、生物和化學(xué)因素控制[25-27]。在凋落物分解的初期淋溶階段，物理因素起主導(dǎo)作用，最典型的是K 和Na 含量，這兩種元素都不是結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，通常以離子狀態(tài)存在于植物細(xì)胞中，在分解系統(tǒng)中遷移性強(qiáng)，分解初期受到強(qiáng)烈的淋溶損失，后期的動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)為季節(jié)性波動(dòng)，只受林分水文學(xué)特性的影響，與初始養(yǎng)分濃度無(wú)關(guān)[28]。N、P、Mg 和Ca 含量的動(dòng)態(tài)變化通常受生物因素的影響，特別是N 和P，常成為微生物群落生長(zhǎng)發(fā)育的限制性養(yǎng)分而被微生物固定，在分解過(guò)程中產(chǎn)生明顯的富集作用；Ca 是結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，很少以離子狀態(tài)存在，在分解初期幾乎不受物理淋溶作用的影響，其動(dòng)態(tài)變化與凋落物干物質(zhì)的變化密切相關(guān)；Mg 不是結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，在凋落物分解過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化有時(shí)與K 和Na 類(lèi)同，有時(shí)又與Ca 類(lèi)同，其動(dòng)態(tài)變化可能受生物和物理因素的共同控制。

受條件限制，本研究有一些不足之處，酸雨噴灑無(wú)法完全重現(xiàn)自然降雨的效果，植物凋落物的分解是一個(gè)長(zhǎng)期的物理、化學(xué)和生物綜合作用的過(guò)程，其分解特點(diǎn)及規(guī)律需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)觀測(cè)和研究，對(duì)凋落葉分解快慢和養(yǎng)分釋放有重要影響的還包括土壤動(dòng)物、微生物和土壤酶等因素[29-30]，這些因素是否受酸沉降的影響并作用于凋落葉的分解過(guò)程以及養(yǎng)分元素的變化，需進(jìn)一步研究，以更好地揭示凋落葉分解機(jī)制。