生态学报  2014, Vol. 34 Issue (22): 6528-6537

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易浩宇, 闫文德, 梁小翠, 欧阳硕龙, 欧阳泽怡, 郭津, 何丹
YI Haoyu, YAN Wende, LIANG Xiaocui, OUYANG Shuolong, OUYANG Zeyi, GUO Jin, HE Dan
酸雨胁迫下樟树林降水中无机阴离子变化特征
Variation of inorganic anions in precipitation in Cinnamomum cam forests
生态学报, 2014, 34(22): 6528-6537
Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(22): 6528-6537
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201401290208

文章历史

收稿日期:2014-1-29
修订日期:2014-8-22
酸雨胁迫下樟树林降水中无机阴离子变化特征
易浩宇1, 2, 闫文德1, 2, 3 , 梁小翠1, 2, 3, 欧阳硕龙4, 欧阳泽怡1, 2, 郭津1, 2, 何丹1, 2    
1. 中南林业科技大学, 长沙 410004;
2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室, 长沙 410004;
3. 城市森林生态湖南省重点实验室, 长沙 410004;
4. 湖南省林业科学院, 长沙 410004
摘要:对城市大气降水及城市樟树林穿透水、树干茎流、地表径流中的SO42-、NO3-、Cl-、NO2-、 F-、Br-、PO43-7种水溶性无机阴离子进行了定位测定,Br-、PO43-未检出;主要的阴离子为SO42-、NO3-,二者占总阴离子含量比例最大,占到75.6%-89.0%,且在水文学各分量中变异系数均值都很稳定,变动幅度在0.40-0.47;在各分量中SO42-、NO3-、Cl-、NO2-、F-含量变化较大:大气降水、树干茎流中均为SO42- > NO3- > Cl- > F- > NO2-,穿透水为SO42- > NO3- > Cl- > NO2- > F-,地表径流为NO3- > SO42- > Cl- > F- > NO2-;穿透水SO42-、NO3-、Cl-、F-、NO2-淋溶系数分别为3.83、2.61、4.18、4.32、16.06,树干茎流SO42-、NO3-、Cl-、F-、NO2-淋溶系数分别为7.52、3.55、4.29、2.76、3.10,地表径流SO42-、NO3-、Cl-、F-、NO2-淋溶系数分别为2.60、4.74、5.00、3.01、3.56,表明阴离子在樟树林水文学过程中均表现出不同程度的富集效应;大气降水中PH均值为4.77,SO42-/NO3-当量比值为1.1,属于硫酸-硝酸混合型酸雨;大气降水SO42-、NO3-、Cl-、F-与穿透水中SO42-、NO3-、Cl-、F-对应呈显著性正相关(P <0.01),大气降水NO3-与树干茎流NO3-呈显著性正相关(P <0.01),地表径流中SO42-、Cl-与穿透水、树干茎流中SO42-、Cl-对应呈显著性正相关(P <0.01),说明樟树林能够吸附大气中的酸性物,让酸性养分于自身系统内部吸收、迁移、络合,从而起到净化大气的效用;穿透水pH与地表径流NO3-、NO2-呈显著性负相关(P <0.01),与地表径流SO42-呈显著性正相关(P <0.05),表明NO3-、NO2-有助于促进地表水的酸化,而SO42-有利于缓解地表水的酸化;穿透水pH均值5.62,对酸雨起到中和作用,树干茎流pH均值4.61,有被酸化趋势,地表径流pH均值7.19,接近中性.
关键词樟树    无机阴离子    穿透水    树干茎流    地表径流    
Variation of inorganic anions in precipitation in Cinnamomum cam forests
YI Haoyu1, 2, YAN Wende1, 2, 3 , LIANG Xiaocui1, 2, 3, OUYANG Shuolong4, OUYANG Zeyi1, 2, GUO Jin1, 2, HE Dan1, 2    
1. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;
2. National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, China;
3. Key Laboratory of Urban Forest Ecology of Hunan Province, Changsha 410004, China;
4. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China
Abstract:Changes in 7 water-soluble ions including SO42-、NO3-、Cl-、NO2-、 F-、Br-、PO43- of rainwater were investigated in Camphor forest ecosystems in Changsha city, Hunan Province of China. Water samples were taken as rainfall above the forest canopy, throughfall, stemflow and surface runoff in the forests. The result showed that Br- and PO43- were not detected in all water samples. Both SO42- and NO3- were the major inorganic anions in waters under Camphor forests, which accounted for 75.6-89.0% of the total anion contents in the forest ecosystems. The contents of anion decreased in an order: SO42- > NO3- > Cl- > F- > NO2- in rainfall and stemflow; SO42- > NO3- > Cl- > NO2- > F- in throughfall and NO3- > SO42- > Cl- > F- > NO2- in surface runoff. The leaching coefficients were 3.8, 2.6, 4.2, 4.3 16.1; 7.5, 3.6, 4.3, 2.8 3.1; and 2.6, 4.7, 5.0, 3.0 3.6 for SO42-, NO3-, Cl-, F-, NO2- in throughfall, stemflow and surface runoff, respectively. The pH value averaged 4.77 in rainwater and the ratio of SO42-/NO3- was 1.1 in the study area, which indicated that the rainwater was a sulfuric-nitric mixed acid rain. A significant positive correlation was found between rainfall and throughfall for all anions, except for NO2-. The NO3- in rainfall was significantly and positively related to that in stemflow. There were a positive relationship of SO42- and Cl- between throughfall and stemflow and surface runoff. The pH was 5.62, 4.61 and 7.19 in throughfall, stemflow and surface rounff, respectively.Our results demonstrated that Camphor forest ecosystems had a relative high ability to purify acid rainfall through adsorbing, uptaking, leaching and neutralizing processes.
Key words: camphor forest    inorganic anions    through-fall    stem-flow    surface runoff    

近年来,世界已出现了第三大酸雨区,该地区包括我国长江以南广大地区、台湾岛、日本列岛、朝鲜列岛,其中中国地区的酸雨面积最大、酸性最强,酸雨地区占到中国国土面积的30%。酸雨对陆地生态系统以及水生生态系统的影响已越来越严重,引起了国内外高度关注[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。酸雨对森林生态系统危害巨大,能加速森林衰退,对树高以及树木材积生长有抑制作用,还能引起土壤性质的一系列变化,使重金属活化,从而抑制土壤中微生物的活性,使其数量减少,导致土壤贫痔化,如酸化的土壤能够使Ca大量流失,又使固态的Al溶解释放出来,当土壤溶液中Al含量上升和Ca含量减少到一定极限时,能够抑制植物的生长。酸雨可使湿地如河流、湖泊等酸化,促进底泥中重金属Al等溶解并进入水环境中毒害生物、污染饮用水源。不仅如此,酸雨还会损害文物古迹,腐蚀、侵蚀建筑物等。

酸雨中起到主要致酸作用的就是酸根离子,而绝大部分酸根离子都是阴离子,其中SO2-4、NO-3、Cl-最为常见,也是酸雨中最主要组成成分,酸雨之所以有如此巨大的破坏力,究其根本原因就是这些酸根阴离子在起作用,如无机阴离子能与重金属离子络合,直接影响重金属在环境中的迁移以及作物吸收[8],同时无机阴离子对铁的腐蚀、水解过程均有影响。目前我国有关大气、PM2.5、穿透水中水溶性无机离子的研究报道比较多[9, 10, 11, 12, 13],对无机离子在森林降水的研究比较少,特别是树干茎流、地表径流等有关无机离子养分的研究更少。本文通过对亚热带地区大气降水、城市樟树林的穿透水、树干茎流、地表径流中无机阴离子的特征研究,旨在了解该生态系统中无机阴离子输入输出的规律,为该林分在今后酸雨的科学研究、经营管理中提供必要的理论依据和基础数据。

1 研究地概况与研究方法 1.1 研究地概况

试验地设在中南林业科技大学内部的城市森林生态研究站,中南林业科技大学位于长沙市市内,地理位置为111°54′—114°15′E,27°51′—28°40′N,海拔50—200m,属典型的亚热带湿润气候,年均降水量1361.6 mm,集中于4—7月,约占全年降水的45%,年相对湿度为80%,年平均气温17.4 ℃,本试验区地层古老,母岩以第四纪红壤为主,风化程度比较深,土壤为森林红壤,呈酸性。试验林林分是1984年人工营造的以樟树(占林地树种面积的85%)为优势种(与其它树种一起种植)的混合林,主要植物为常绿树种,生长有莽草(Illicium lanceolautum)、木莲(Manglietia fordiana)、凹叶冬青(Ilex championii Loes)、格药柃(Eurya muricata Dunn)、湿地松(Slash pine)、枫香(Liquidambar formosana)、杜仲(Eucommia ulmoides)、醉香含笑(Michelia macclurei Dandy)、桂花(Osmanthus fragrans)等乔木树种。造林前进行了平梯整地,造林后处于半自然状态,现郁闭度为0.7—0.8。林下植物主要有女贞(Ligustrum lucidum)、小叶女贞(Ligustrum quihoui)、凤尾蕨(Pteris multifida Poir)、菝葜(Smilax china)、山胡椒(Lindera glauca)、油茶(Camellia oleifera Abel)、木莓(Fructus Rubi)、大叶黄杨(Buxus megistop Hylla Levl)、 南蛇藤(Celastrus orbiculatus Thunb)、满树星(Ilex aculcolata Nakai)、铁芒萁(Dicranopteris dichotoma) 等。

1.2 研究方法 1.2.1 林外降水测定

将标准雨量接收器放置于林内观测塔塔顶,接收林冠以上的大气降水。为避免污染物、昆虫等,于漏斗口处布置一层精制网状塑料纱布,进行过滤,并对纱布定时清洗。为防止藻类生长及保持雨量器清洁,每次水样收集完成后,用去离子水对雨量接收器进行冲洗。

1.2.2 林内穿透水的测定

根据林内林分的分布,选出林分分布均匀、林冠枝叶结构能够代表树冠平均的位置3处,每处选出1株与标准木相接近的樟树,樟树下方沿等高线选出3个具有代表性的采样点,采样点为树冠投影半径的0.6—0.65倍的位置,将雨量接收器放置于各采样点[14]

1.2.3 树干茎流的测定

根据试验林分树高、林木密度、冠型结构及树干分枝角度等综合状况对观测样树进行选择。并按林木径阶分级挑选出观测样树,每个径级选择3株,每株样树用直径为2 cm沿中缝剖开的PVC软管由胸径处从上往下螺旋状缠绕于树干上,用结构玻璃胶粘牢,基部放置玻璃集水器收集树干茎流[14]

1.2.4 地表径流的测定

林内设置有20 m×5 m的径流场2处,平均坡度为25°,把径流场四周砌成10 cm高混凝土围墙,并在径流场出口处设置测流堰,分别测定收集地表径流[15]

1.2.5 采样时间及分析方法

根据降雨性质、天气情况及实验目的,分别于2012年11、12月、2013年1月、2月、3月、4月进行取样,共计取水24次,其中穿透水、树干茎流、地表径流一一对应的降水次数为20次。每次取样后,立即对水样进行pH测定,并对过滤处理后的样品通过离子色谱仪ICS-900进行数据采集,采用SPSS、Excel程序进行数据分析、计算。

2 结果与分析 2.1 林外降水中无机阴离子含量

表 1可知,大气降水pH均值为4.77,除4月份降雨pH均值达到5.38以外,其他月份降水pH均值都小于5.0,表明研究地区降雨为酸雨;5种水溶性无机阴离子中,SO2-4含量最高,其范围17.77—120.35 μeq/L,平均含量达到76.44 μeq/L;其次是NO-3含量,平均为69.69 μeq/L;林外降水无机阴离子含量按大小排序为SO2-4 > NO-3 > Cl-> F-> NO-2;不同月份降水阴离子含量有差异,但总体来说,5种离子变化规律具有一定相似性,Cl-、F-、NO-2均在11月份出现最大值,SO2-4 、NO-3在12月份出现最大值,5种离子均在4月份达到最小值;此外,通过对24次林外降水研究分析:SO2-4、NO-3、Cl-、F-之间均呈现出显著正相关(P<0.01),且相关系数均大于0.58,其中SO2-4与NO-3相关系数更是达到了0.95;SO2-4、NO-3、Cl-、F-含量与降水量呈显著性负相关(P<0.01),且相关系数分别为-0.53、-0.50、-0.51、-0.54,说明大气降水中阴离子受降雨量影响比较大,且表现为随降雨量减小而增大的趋势,值得注意的是,1月份降雨量只有28.47 mm,但各阴离子含量均比较低,那是因为1月份3.0 mm以上降水事件只发生了2次,分别为11.42 mm、17.05 mm,从单日降水量来看,算是雨量比较大的降水事件了。NO-2与其它4种阴离子相关性不显著;从变异系数分析发现,NO-2的变异系数均值最大,为0.54,其次是F-,为0.53;而SO2-4、NO-3变异系数均值较小,虽然这两种离子含量很高,但各自内部的变化差异还是较小的。此外,11月份各离子变异系数偏高,F-、SO2-4、NO-3 变异系数均达到最大值,说明这3种阴离子在11月份不仅含量特别高,而且变化差异也比较大,相比3月份,SO2-4、NO-3、Cl-、F-变异系数均达到最小值,表明3月份降水中阴离子含量变化是最稳定的。从表 1中还可以得出,SO2-4/NO-3 当量比值在0.99—1.80,2月份最低,4月份最高,平均当量比值为1.1,而我们通常把SO2-4/NO-3 当量比值作为判断大气降水是硫酸型还是硝酸型的依据,很明显研究地区酸雨为硫硝酸混合型。

表 1 林外降水无机阴离子含量 Table 1 Concentrations of inorganic anions of precipitation outside forest
日期DateF- /(μeq/L)Cl- /(μeq/L)NO-2 /(μeq/L)SO2-4 /(μeq/L)NO-3 /(μeq/L)pH降雨量 Rainfall/mm
括号内数值为变异系数
2012-1110.31(0.79)27.15(0.55)7.15(0.35)118.46(0.72)112.47(0.73)4.98124.21
2012-126.95(0.35)19.21(0.50)3.98(0.53)120.35(0.52)113.73(0.47)4.66105.32
2013-016.79(0.33)21.21(0.69)1.09(0.57)49.54(0.13)30.44(0.39)4.3625.47
2013-025.16(0.92)18.11(0.58)3.37(0.10)70.33(0.50)71.32(0.43)4.6495.34
2013-035.89(0.32)13.86(0.24)4.17(-)82.16(0.20)80.31(0.26)4.58138.40
2013-042.84(0.49)4.51(0.53)0.26(1.17)17.77(0.34)9.85(0.37)5.38246.70
平均Average6.32(0.53)17.34(0.51)3.34(0.54)76.44(0.40)69.69(0.44)4.77122.57
2.2 林冠层中穿透水无机阴离子含量

林冠层穿透水与降水的变化有密切关系。由表 2可知,穿透水中SO2-4含量最高,平均293.10 μeq/L;而F-浓度最低,平均27.32 μeq/L;穿透水中无机阴离子平均含量按大小排序为SO2-4> NO-3> Cl- > NO-2 > F-;5种阴离子均呈现出不同程度的富集现象,其中NO-2表现尤为明显,其浓度为林外雨的16.1倍,SO2-4、NO-3、Cl-、F-浓度分别为林外雨的3.8倍、2.6倍、4.2倍、4.3倍,这说明樟树林林冠层对含S、NOx、Cl、F等酸性物质有较强的吸附能力;通过对24次穿透水相关性分析发现:除SO2-4与NO-2之间是显著相关以外,其它情况均呈现显著正相关(P<0.01),尤其是SO2-4、Cl-、F-之间相关系数均大于0.91,而SO2-4与NO-3相关系数也达到了0.86;从各离子变化情况来看,5种阴离子含量在1月份均达到最大值,并且各阴离子含量与林外降水中的含量差距最大:NO-2、SO2-4、NO-3、Cl-、F-含量分别为同月份林外降水的170.1倍、9.6倍、8.7倍、6.3倍、6.3倍;值得注意的是,通过相关性分析发现,穿透水SO2-4、NO-3、Cl-、NO-2、F-与降雨量相关性不显著,说明降雨量对穿透水中无机阴离子含量影响不大;除NO-2在12月份变异系数达到最大的1.58以外,SO2-4、NO-3、Cl-、F-变异系数主要在11月份数值较大,到了3月份各离子变异系数明显下降;穿透水中SO2-4、NO-3变异系数均值与林外降水的几乎没有差别,分别为0.43、0.40,但相比穿透水其它离子变化差异就比较大了。穿透水pH均值5.62,对比林外降水pH上升明显,说明樟树林对酸雨起到一定中和作用,这是因为樟树林林冠层能够与酸性降水发生强烈的相互作用,如H+与树叶内部阳离子发生交换,酸沉降对分泌物的淋洗等,使穿透水化学性质发生改变。

表 2 樟树林穿透水无机阴离子含量 Table 2 Concentrations of inorganic anions of precipitation inside forest
日期 DateF-/ (μeq/L)Cl-/ (μeq/L)NO-2/ (μeq/L)SO2-4/ (μeq/L)NO-3/ (μeq/L)pH
2012-1137.79(0.69)90.23(0.78)10.54(0.56)368.04(0.80)312.00(0.66)6.13
2012-1238.47(0.76)120.11(0.66)70.41(1.58)313.98(0.54)202.77(0.50)6.00
2013-0142.68(0.50)134.48(0.42)185.43(0.28)477.31(0.39)265.68(0.95)5.28
2013-0214.58(0.42)41.8(0.55)25.48(1.34)246.07(0.53)140.21(0.44)5.19
2013-0318.16(0.19)31.89(0.08)25.07(0.36)202.81(0.08)130.05(0.16)5.43
2013-0412.21(0.32)16.20(0.05)4.98(0.41)150.40(0.69)40.85(0.53)5.71
平均Average27.32(0.24)72.45(0.33)53.65(0.32)293.10(0.43)181.93(0.40)5.62
2.3 树干茎流中无机阴离子含量

表 3可知,树干茎流中SO2-4含量最高,最大值达到了1141.51 μeq/L,平均浓度574.59μeq/L,NO-2含量最小,平均10.34 μeq/L,两者之间相差55.6倍;阴离子含量排序为SO2-4> NO-3> Cl- > F-> NO-2;树干茎流中各离子养分均出现不同水平富集效应,相对于穿透水,SO2-4、NO-3、Cl-富集效应更为明显,这可能与樟树树皮的性质特征有一定的联系;5种阴离子变化趋势也比较一致,均在1月份出现最大值,4月份均呈现出明显下降;通过对20次树干茎流分析发现:F-与其它4种离子相关性不显著,NO-3与NO-2相关性也不显著,其它两两离子之间均呈现显著正相关(P<0.01),其中SO2-4与NO-3相关系数更是达到了0.95;需要注意的是,树干茎流中SO2-4、NO-3、Cl-、NO-2、F-含量与降雨量相关性不显著,表明降雨量对树干茎流无机阴离子影响也不大;从变化情况来看,SO2-4、NO-3、Cl-变异系数均在2月份最大,F-变化差异性最小,虽然1月份各阴离子含量均达到最大值,但它们的变异系数普遍都较小,说明樟树树干在1月对阴离子的吸附能力最强,4月时降到最低;另外,SO2-4、NO-3变异系数均值分别为0.43、0.40,对比林外降水、穿透水几乎没有变化。树干茎流平均pH值为4.61,有被酸化,这可能与樟树树皮有关系,而Nakanishi等对日本的雪松研究发现,茎流雨中pH值的降低主要是由于生物体内分泌有机酸造成的[16]

表 3 树干茎流无机阴离子含量 Table 3 Content of inorganic anions in stem-flow
日期Date F-/ (μeq/L)Cl-/ (μeq/L)NO-2/ (μeq/L)SO2-4/ (μeq/L)NO-3/ (μeq/L)pH
2012-1115.79(0.26)73.66(0.22)9.30(0.17)469.85(0.58)207.18(0.55)5.32
2012-1210.42(0.31)65.63(0.45)4.87(0.62)579.43(0.59)268.65(0.57)4.98
2013-0126.26(0.23)193.04(0.19)38.91(0.35)1141.51(0.23)439.31(0.16)4.15
2013-0220.89(0.15)72.06(0.63)3.61(0.12)752.79(0.70)299.55(0.62)4.35
2013-0319.21(0.21)26.37(0.30)4.11(-)269.91(0.20)158.00(0.24)4.27
2013-0412.26(0.27)15.69(0.18)1.24(0.35)234.02(0.26)111.92(0.25)4.58
平均Average17.47(0.24)74.41(0.33)10.34(0.32)574.59(0.43)247.44(0.40)4.61
2.4 地表径流中无机阴离子含量

表 4可知,地表径流中NO-3含量最高,平均330.40 μeq/L,NO-2含量最低,平均为11.88 μeq/L;5种阴离子含量排序NO-3 > SO2-4> Cl-> F-> NO-2;NO-3 在2月份含量最高,达到840.77 μeq/L,11月最低,其它4种离子均在12月份达到最大值,又都在4月份降到最低值;对21次地表径流水样进行相关性分析:NO-3与其它离子之间相关性不显著,而SO2-4、Cl-、F-、NO-2之间均表现为显著正相关(P<0.01);地表径流中NO-3、SO2-4、Cl-、F-、NO-2受降雨量影响不大,它们与降雨量相关性不显著;对比穿透水,地表径流中F-、SO2-4、NO-2含量都呈现下降趋势,而Cl-、NO-3含量则表现为增加,变化差异最大的是NO-2,平均变异系数为0.52;SO2-4、NO-3平均变异系数分别为0.46、0.47,相对林外降水、穿透水、树干茎流差别不是很大;地表径流平均pH值为7.19,接近中性。

表 4 地表径流无机阴离子含量 Table 4 Content of inorganic anions in surface runoff
日期Date F-/ (μeq/L)Cl-/ (μeq/L)NO-2/ (μeq/L)SO2-4/ (μeq/L)NO-3/ (μeq/L)pH
2012-1117.95(0.45)57.24(0.53)4.33(0.49)246.29(0.72)23.4(0.68)7.77
2012-1231.21(0.60)260.08(0.54)24.22(0.75)339.64(0.54)68.00(0.36)7.70
2013-0119.11(0.42)92.82(0.35)9.02(0.33)243.27(0.38)380.61(0.55)6.80
2013-0220.47(0.24)61.13(0.33)14.57(0.66)174.22(0.45)840.77(0.34)6.97
2013-0316.95(0.16)35.49(0.18)14.13(0.32)135.74(0.13)586.85(0.24)6.97
2013-048.37(0.26)13.58(0.22)5.00(0.56)51.70(0.57)82.77(0.58)6.92
平均Average19.01(0.36)86.72(0.36)11.88(0.52)198.48(0.47)330.40(0.46)7.19
2.5 降水中淋溶系数

淋溶系数的计算公式为:

式中,M代表水文指标中的目标离子(如穿透水中NO-3,地表径流中的SO2-4)淋溶系数;Q代表水文指标中目标离子含量;Q0为林外降水中目标离子含量。下表列出的淋溶系数的确定,是按照各水文指标目标离子所有月份平均含量值确定的,能够反映各水文指标中目标离子总的淋溶情况。由表 5可知,5种阴离子淋溶系数均大于1,说明这5种阴离子在本次樟树林水文学过程中没有出现负淋溶现象,表明植物体本身并没有吸收这5种离子;总体来看,Cl-在水文学过程中变化最小,淋溶系数变化最稳定;穿透水淋溶系数最大为NO-2,16.06,最小为NO-3,2.61;树干茎流中淋溶系数最大的是SO2-4,7.52,最小是F-,2.76;地表径流中淋溶系数最大的是Cl-,5.00,NO-3也达到4.74,最小的是SO2-4,2.60。

表 5 降雨净淋溶离子含量和淋溶系数 Table 5 Net leaching ion content and leaching coefficient
项目 ProjectF-Cl-NO-2SO2-4NO-3
穿透水净淋溶量 Net leaching of through-fall water/(μeq/L)21.0055.1150.31216.66112.24
树干茎流淋溶量 Net leaching of stem-flow/(μeq/L)11.1557.077.00498.15177.75
地表径流淋溶量 Net leaching of surface runoff/(μeq/L)12.6969.388.54122.04260.71
穿透水淋溶系数 Leaching coefficient of through-fall water4.324.1816.063.832.61
树干茎流淋溶系数 Leaching coefficient of stem-flow2.764.293.107.523.55
地表径流淋溶系数 Leaching coefficient of surface runoff3.015.003.562.604.74
3 结论与讨论 3.1 不同城市大气降水中化学性质特征

通过对我国不同城市地区大气降水的特征研究发现,大部分地区降水中阴离子主要以SO2-4、NO-3为主,普遍表现为SO2-4浓度大于NO-3浓度,而SO2-4、NO-3是降水致酸的首要因子。SO2-4/ NO-3当量比值不仅可以反映酸雨的特征,还可以用来估算SO2-4和NO-3对酸雨的相对贡献。研究区域大气降水中,SO2-4/ NO-3为1.1,低于临安(2.36)[17]、深圳(1.72)[18]、宁波天童(1.90)[19]、北京(3.1)[20]、重庆(8.1)[21],高于美国东部纽约市(0.8)[22]。国内是以煤炭为主要的能源消费模式,所以SO2-4浓度大,而美国则主要以石油为主,所以NO-3浓度大;虽然1.1的比值并不能代表年均值,但从一定程度上说明长沙地区酸雨为硫酸-硝酸复合型,并且相对其他地区来说NO-3对酸雨的贡献要大很多,出现这种情况,与长沙市与日俱增的机动车数量是不无关系的,加之实验区临近城市道路主干道,校园内部车流量大,人为影响大。对于上述情况,从有关报道中可以看出端倪:蒋益民等[23]对长沙市1992—2001年大气降水化学性质作出了研究,结果得出SO2-4、NO-3、Cl-、F-平均含量分别为186.83、23.86、13.43、7.89 μeq/L,SO2-4/ NO-3为7.97,降水pH为4.05;对比1992—2001年的长沙,本次研究地大气降水SO2-4下降68.83%,NO-3上升112.03%;Cl-变化较小,下降6.55%,且F-下降也比较明显,为35.87%,SO2-4/ NO-3更是下降86.20%,pH上升也非常明显,出现这种情况,一方面长沙并非全国典型重工业区,加之长沙市政府出台了关于控制大气污染物的政策措施,自2000年以来对SO2的排放作出了严格控制,从而降低了SO2-4含量,另一方面,长沙市机动车数量与日俱增,加大了NOX的排放,致使NO-3对降水的贡献比例越来越大,使得SO2-4与NO-3当量比下降明显就不足为奇了;大气环境中主要污染物SO2、NO2分别是大气降雨中SO2-4、NO-3的主要前身因子,也是引起酸雨的主要因素。表 6是2012年11月—2013年4月长沙市大气环境中SO2、NO2含量数据,从表中易知,大气环境中SO2、NO2含量均在1月出现最高值,分别为0.051、0.068 mg/m3,又均在2月降到最低值,分别为0.023、0.033 mg/m3;值得注意的是长沙地属亚热带典型季风气候,采样期间气象条件以西北风为主,试验地恰好又处在长沙市中心南部,而4月份长沙主风向并不是西北风,这便正是4月份大气环境中虽然SO2、NO2含量相对不低,但大气降水中各无机阴离子含量显著降低的原因。此外,从大气降水阴离子含量排列顺序来看,NO-3含量大于Cl-含量,我国内陆城市一般都满足这个规律。但由于受海洋因素的影响,大多数沿海城市Cl-含量要大于NO-3含量,Cl-含量对沿海地区酸雨的贡献也是很大的,如长江三角洲地区[17]、深圳市[18]等。通过对比我国各大城市Cl-含量发现,离海岸线越远的地区Cl-含量越小,有研究表明长沙市大气降水Cl-海洋来源只占5.3%[23],其它可能原因如气候条件、化工厂和工业的排放、农药喷洒、垃圾处理等。

表 6 长沙市大气环境中SO2、NO2含量 Table 6 The contents of SO2、NO2 in Changsha city atomospHeric environment
指标Target2012-112012-122013-012013-022013-032013-04平均Average
*数据来源于长沙市环保局
SO2/(mg/m3)0.033 0.035 0.051 0.023 0.037 0.035 0.036
NO2/(mg/m3)0.055 0.052 0.068 0.033 0.050 0.053 0.052
3.2 穿透水、树干茎流养分特征及其与大气降水的联系

樟树林穿透水、树干茎流阴离子中SO2-4含量均是最大的,这与原始红松林[24]、马尾松林、木荷林[25]、落叶松林[26]等研究结果一致,说明SO2-4是阴离子在森林降雨中最主要的组成成分。樟树林穿透雨和树干茎流中NO-3平均含量是要大于Cl-的,这与以马尾松为主的铁山坪森林[27]情况相似,而大兴安岭的落叶松林[26]、贵州雷公山森林[27]中NO-3平均含量是要小于Cl-的。樟树林穿透雨中SO2-4/ NO-3当量比值为1.6,树干茎流中的当量比值为2.3,这与马尾松林[25]中穿透雨的14.1、树干茎流的15.3,木荷林[25]中穿透雨的11.8,树干茎流的10.8是相差比较大的,这可能与不同林分树叶、树皮、树枝等有关系,也能从侧面反映樟树林对NO-3具有比较强的吸附能力,说明把樟树作为长沙市市树是有很大联系的。樟树林穿透雨对比林外降雨pH有明显提升,马尾松林穿透雨pH变化则有所下降或者变化不大[27],这是因为针叶冠层主要反应为干沉降,而干沉降是酸性物质的重要来源,加之针叶植物分泌的酸性物质随雨水冲刷,从而增强了穿透水酸度。

表 7可以看出,大气降水对穿透水的影响大于对树干茎流的影响,大气降水NO-2与穿透水NO-2相关性不显著外,其它情况均呈极显著性相关,表明穿透水中阴离子含量受大气降水中阴离子含量影响很大,而树干茎流中除NO-3与大气降水NO-3相关性显著以外,其它情况相关性均不显著。

表 7 大气降水阴离子与穿透水、树干茎流同种阴离子相关关系 Table 7 AtmospHeric precipitation anion and throughfall,stemflow anion correlation
项目 Project无机阴离子Anion
F-Cl-NO-2SO2-4NO-3
**在0.01水平上显著相关; *在0.05水平上显著相关
穿透水与大气降水同种阴离子
The same anion between through-fall and rain fall
0.789* * 0.764* *-0.209 0.695* *0.917* *
树干茎流与大气降水同种阴离子
The same anion between stem-flow and rain fall
-0.1530.392-0.3470.4010.568*
3.3 地表径流养分特征及其与穿透水、树干茎流的联系

研究地是以樟树为主的混交林,主要植物为常绿树种。樟树林地表径流pH值范围在6.80—7.77范围内变动,平均值为7.19,接近中性,这是因为土壤中含钙和镁的碳酸盐,容易与H+发生反应,从而起到中和酸雨的作用;也可能与枯枝落叶层以及土壤的酸碱度有关系。樟树林地表径流以NO-3、SO2-4、Cl-为主要阴离子,这些与刘鸿雁[28]、郭艳娜[29]对缙云山常绿阔叶林地表径流研究结果一致。樟树林地表径流中NO-3含量占到整个阴离子总量的51.1%,大于SO2-4的含量值,而刘鸿雁[28]、邱清燕[30]对常绿阔叶林地表径流的研究显示,SO2-4含量要大于NO-3,出现这种差异可能与地理位置、气候条件、植被种类等有很大关系。樟树林地表径流中NO-3浓度达到330.40 μeq/L,不难发现樟树林地表径流中NO-3是易于流失的;有关裸露地、针阔混交林和常绿阔叶林,郭艳娜的研究发现,地表径流中NO-3浓度按大小排列顺序为裸露地>常绿阔叶林>针阔混交林,说明常绿阔叶林比针阔混交林地表径流中的NO-3更容易流失;同时樟树林地表径流中NO-2、SO2-4浓度都是比较高的,而郭艳娜研究中NO-2的浓度变化为常绿阔叶林>针阔混交林>裸露地,SO2-4的浓度变化为常绿阔叶林>针阔混交林>裸露地,说明常绿阔叶林地表径流中NO-2、SO2-4也都是很容易流失的。

此外,由表 8看出,通过对樟树林穿透水与地表径流分析发现:穿透水的pH对地表径流中NO-2、SO2-4、NO-3浓度有影响,其中穿透水pH在4.75—6.31范围内变化,地表径流NO-3浓度与穿透水PH呈现极显著性负相关(r=-0.638,N=24),而SO2-4浓度与穿透水pH呈现显著性正相关(r=0.382,N=24),这与丘清燕[30]鼎湖山季风常绿阔叶林在酸沉降模拟条件下对地表径流化学性质影响结果一致,表明NO-3有助于促进地表水的酸化,而SO2-4有利于缓解地表水的酸化;穿透水pH也与NO-2呈极显著性负相关(r=-0.619,N=24)。

表 8 地表径流阴离子与穿透水、树干茎流同种阴离子、穿透水pH的相关关系 Table 8 Correlation between surface runoff anion and throughfall,stemflow anion,throughfall pH
项目 Project无机阴离子Anion
F-Cl-NO-2SO2-4NO-3
**在0.01水平上显著相关; *在0.05水平上显著相关
穿透水pH与地表径流阴离子
Throughfall PH and surface runoff anion
0.085-0.08-0.619* *0.382*-0.638* *
穿透水与地表径流同种阴离子
The same anion between throughfall and sueface runoff
0.4210.609* *-0.0640.625* *-0.135
树干茎流与地表径流同种阴离子
The same anion between stemflow and surface runoff
-0.0280.644* *-0.0210.771* *-0.171

表 8中还可以看到,穿透水、树干茎流中Cl-、SO2-4均与地表径流中Cl-、SO2-4呈极显著性正相关,相关系数分别达到0.609、0.625、0.644、0.771,这是因为树冠层、树干树皮中的含Cl-、SO2-4沉降物质被雨水淋洗下来,也可能是大气降水与冠层发生相互作用,洗脱叶片内含Cl-、SO2-4物质。表明地表径流中Cl-、SO2-4浓度受穿透水、树干茎流的影响较大,而地表径流中F-、NO-2、NO-3浓度则与穿透水、树干茎流相关性不显著,且NO-2、NO-3相关系数均为负,说明地表径流中F-、NO-2、NO-3浓度受穿透水、树干茎流的影响不大,这可能是因为地表径流中的F-、NO-2、NO-3主要来自于枯枝落叶层的分解、土壤表层的堆积或土壤岩石的风化等。

总之,在樟树林这个森林系统中,穿透水、树干茎流、地表径流中的无机阴离子都与外部环境有很大的联系,大气中的污染物质以水溶离子的形态进入樟树林内部被吸附,进而在森林内部迁移、转化。所以,樟树林对大气环境具有调节作用,能够减少大气环境中的酸性污染物质,进而起到净化大气、缓解酸雨的重大功效。

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