酸沉降的森林生態(tài)系統(tǒng)的影響

1、酸沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響蘭浩洋 20084863（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土管（測）08-1 四川 雅安）摘要：“ 酸沉降”是全球關(guān)注的重大環(huán)境問題之一,酸沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響也是生態(tài)學(xué)研究的熱門問題。近年來，人們普遍將大面積的森林死亡歸因于酸雨的危害。本文就對酸沉降作用下森林衰退的狀況，總結(jié)了酸沉降對森林植物的影響，改善酸沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的措施，探討了存在的問題和未來值得研究的方向。關(guān)鍵詞：酸沉降 森林生態(tài)系統(tǒng) 影響 措施 方向酸沉降通常是指pH5.6的大氣化學(xué)物質(zhì)通過降水、擴散和重力作用等過程降落到地面的現(xiàn)象或過程1。酸沉降不但引起大氣酸化、土壤酸化和水體酸化，也對處于這三大環(huán)境因

2、子作用下的森林植物產(chǎn)生直接和間接的影響。森林植物在生物圈中的特殊地位，以及破壞后的難以恢復(fù)和治理，使得對它的研究顯得尤為重要。研究分析酸沉降對森林植物的影響研究有助于了解研究現(xiàn)狀，提高人們對酸沉降及其對森林生態(tài)系統(tǒng)影響方面的認識。1 酸沉降與森林生態(tài)系統(tǒng)1.1我國酸沉降對森林影響現(xiàn)狀由酸沉降引起的森林衰退和死亡約1.14106 hm2。在受酸雨危害最嚴重的四川盆地和貴州省，森林受害面積分別達到2.756105hm2和1.405105 hm2。其中，重慶南山1 800 hm2的馬尾松已死亡46%，峨眉山金頂冷杉死亡率達40%，四川奉節(jié)縣茅草壩林場6000 hm2華山松已死亡96%，柳州市區(qū)和郊區(qū)

3、的一些林木也出現(xiàn)了較嚴重的衰退癥狀2。2酸沉降對森林植物的影響及其機理森林衰退的原因一般認為來自兩個方面：一是對植物的生理生化過程造成直接影響；二是對森林的間接影響，即認為酸沉降經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)和生物過程引起土壤的酸化，造成植物營養(yǎng)不良，有毒元素活化，重金屬釋放，進而影響植物生長和森林衰退3。2.1 直接影響2.1.1 植物體形態(tài)2.1.1.1 傷害葉片葉片是植物與大氣環(huán)境進行氣體交換的主要場所，是大氣污染物最先進入植物體的門戶。因此，植物的傷害癥狀最早出現(xiàn)在葉片上4。干、濕沉降都會改變植物葉片表面蠟被層和角質(zhì)層的物理、化學(xué)特性。這些結(jié)構(gòu)對葉片除了起到保護作用外，還可以調(diào)節(jié)植物的許多生物

4、化學(xué)反應(yīng)。對樹葉表皮的破壞，加速了葉片的老化，使葉片失去活力，變得枯焉甚至掉落、死亡5。 特別是在低pH值的酸沉降作用下，在短期內(nèi)就能對葉片造成可見傷害 6。樹葉的變小，黃葉的增多，數(shù)量的減少，勢必會削弱其一系列的生理生化活動，影響光合作用，導(dǎo)致林業(yè)生產(chǎn)下降，森林退化7。2.1.1.2 傷害根系根系作為植物水分代謝和礦質(zhì)營養(yǎng)的重要器官，是土壤資源的直接利用者和產(chǎn)量貢獻者，它的生長發(fā)育直接影響到地上部莖葉的生長和生物量的高低，并與植物的抗逆性以及森林生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展有關(guān)。根系也是一個重要的碳素庫，其呼吸作用是生態(tài)系統(tǒng)中重要的反饋途徑之一8。植物根系養(yǎng)分吸收性能與土壤養(yǎng)分、水分、pH值和溫度等環(huán)

5、境條件有著密切的關(guān)系，同時又影響著根際土壤中養(yǎng)分的遷移和有效性。酸沉降不但改變了根系周圍的物質(zhì)組成、理化特性，也直接傷害了根系的生長。2.1.2 生長及生產(chǎn)力酸沉降引起森林生產(chǎn)力的下降已成為無可爭辯的事實。但在一定的時空范圍內(nèi)，一定的酸度條件下，酸沉降的的確確也在一定程度上提高了樹木的生長或群落的增長。如在中歐和美國等國家出現(xiàn)的大面積森林衰退之前，其森林生長量比同時期未受酸雨影響的森林的生長量有較大的增加。其原因是錯綜復(fù)雜的，有學(xué)者認為一方面酸沉降中的N、P和S素對植物起到了施肥的作用，另一方面酸沉降中強酸根離子的增加促進了土壤的風(fēng)化，從而使進入土壤溶液中的營養(yǎng)元素含量增加，有利于植物的生長9

6、。至于在有些受害林群中，樹木仍能繼續(xù)增長，是因為死亡的樹木被分解、礦化后為其附近的樹木提供了養(yǎng)料。雖然這種增長能夠持續(xù)幾年，但最終會導(dǎo)致樹木死亡率的增加和生物量的降低10。一些人工模擬實驗也證明了，在輕度酸雨或短時期內(nèi)，酸雨對植物的生長具有促進作用11。2.1.3 植物營養(yǎng)狀況植物的營養(yǎng)狀況主要表現(xiàn)在葉片元素的淋溶和對N、S 及Al 的富集。酸雨對葉片的營養(yǎng)元素有較強的淋溶作用。降水的H+和NH4+在樹冠層與樹葉中的鹽基離子發(fā)生轉(zhuǎn)換反應(yīng)，將Ca2+、Mg2+、K+等營養(yǎng)元素從樹葉內(nèi)部置換出來。其交換量與植物種類，植物所在地理位置、樹冠層的結(jié)構(gòu)、降水的酸度與成分及作用時間有關(guān)12。葉片的淋溶作用

7、有利于提高降水的pH，暫時緩解對土壤的酸化作用，但從長遠來看，這是得不償失的。葉片的淋溶使得葉片的元素失衡，導(dǎo)致植物生長不良，如缺鈣能引起植物暗呼吸速率增加，增加和改變碳的循環(huán)13。另一方面，酸沉降富硫化物和硝酸化合物，在酸沉降高的地區(qū)，植物通過根系和樹冠對其進行吸附和吸收，引起體內(nèi)N、S 元素的富集；而土壤的酸化又引起土壤中Al的活化。植物體內(nèi)營養(yǎng)元素的流失及N、S 和Al的富集共同促進了植株體內(nèi)元素失衡，影響植株正常的物質(zhì)代謝和生理生化過程，降低植株的活力和抗性，最終導(dǎo)致森林衰退和死亡14。2.1.4 呼吸作用在酸雨脅迫狀態(tài)下，植物的呼吸作用提高的現(xiàn)象比較普遍。單運蜂發(fā)現(xiàn)在pH值為2.0的

8、模擬酸雨下，馬尾松、杉木和火力楠幼樹葉子的暗呼吸速率顯著增大，分別增大55.2%，34.8%和110.9%15。呼吸作用增加使植物消耗增多，植物的物質(zhì)和能量的積累相對減少。這可能是酸雨抑制植物生長的一個重要的方面。2.1.5 對酶活性的影響酸沉降對不同類型酶的影響各不相同。就植物防御過氧化損害的系統(tǒng)，如超氧化物歧化酶，過氧化氫酶、精氨酸脫羧酶和抗壞血酸過氧化酶等來說，酸雨的脅迫作用引起這些酶活性升高。植物通過這些酶清除體內(nèi)過多的活性氧，保持植物的正常生長。Velikova等16在模擬酸雨對豆科植物的影響時，發(fā)現(xiàn)通過控制膜脂過氧化反應(yīng)而保持膜的穩(wěn)定性。這一事實從另一側(cè)面證實了植物防御氧化系統(tǒng)對植

9、物受損修復(fù)的成功及其機理。而另一些酶如葡萄-6-磷酸脫氫酶、麥芽糖脫氫酶、葡萄糖酸變位酶和乳酸脫氫酶在酸沉降的脅迫下其活性則表現(xiàn)為下降17。2.2 間接影響相對于酸雨對森林的直接影響而言，酸雨對森林植物的間接影響要深遠得多，人們對它的認識也要晚得多。起初人們一直認為解決酸沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響這一問題很容易對付。只要減少SO2的排放，森林就能恢復(fù)生長，酸化的水體也能恢復(fù)到原來的pH值。然而即使美國、歐洲和加拿大減少SO2的排放，酸化的環(huán)境仍然沒有像人們所期望的那樣得到恢復(fù)。直到1990年仍然有許多的科學(xué)家認為酸雨問題能夠很快得到解決，因為他們依舊堅持酸雨直接作用于植物和湖泊。事實上酸沉降已經(jīng)

10、深刻的影響到土壤的化學(xué)組成和理化特性，并且這種影響還會持續(xù)下去18。一些野外和實驗室的實驗以及計算機模擬的結(jié)果也表明，由酸沉降引起的土壤和水體的酸化已經(jīng)持續(xù)了幾十年19。酸沉降對森林植物的間接影響主要是通過元素的淋溶作用、引起土壤的酸化、有毒元素及重金屬的活化、土壤活力的降低等。2.2.1 土壤酸化土壤酸化是土壤形成過程中的一種自然的生物地球化學(xué)過程，但是酸沉降卻大大的加快了這一進程。由酸沉降引起的土壤酸化和離子淋溶息息相關(guān)，不可分隔，土壤酸化是土壤鹽基離子淋溶的結(jié)果。酸沉降引起的土壤酸化問題在世界范圍內(nèi)發(fā)生，并且在現(xiàn)有酸沉降水平下，這些影響很可能會持續(xù)下去，甚至增加，引起森林的長期衰退20。

11、當然，酸沉降對植被的影響最終取決于堿性離子和酸根離子的平衡。GEORGE等在研究上世紀七八十年代德國和挪威的森林衰退的原因時也指出，由于土壤酸化引起的一種或多種營養(yǎng)元素的缺泛才是導(dǎo)致森林衰退和死亡的首要原因21。2.2.2 有毒元素及重金屬的活化鋁是重要的原生礦物和次生礦物的風(fēng)化產(chǎn)物，可以通過化學(xué)的和生物化學(xué)的風(fēng)化過程從礦物中釋放到土壤和水體環(huán)境中22，酸沉降加速了鋁的風(fēng)化，酸性土壤經(jīng)酸雨淋洗后，酸化加劇，土壤中各種形態(tài)的鋁發(fā)生溶解，成為可溶性鋁進入土壤溶液。并且，隨著酸雨pH值的降低，土壤溶液中的鋁淋出量增多，毒性大的Al3+占單核無機鋁的比例增加，而毒性小的Al-F絡(luò)合物則反而呈下降的趨勢

12、23。2.2.3 土壤酶活性的影響在土壤中，土壤酶進行著各種重要的生物地球化學(xué)的轉(zhuǎn)化作用。土壤酶雖然主要來自土壤中的微生物，但酸沉降和植物的相互影響，會改變土壤的理化特性，從而影響土壤中微生物的組成和活性24。反過來土壤中微生物又會進一步改變土壤的理化特性，并對植物產(chǎn)生影響。長期的酸沉降作用會引起土壤中耐堿性和中性的微生物種類和數(shù)量的減少，如細菌、放線菌等；同時，喜酸性的微生物數(shù)量得到提高，如真菌、青菌和木霉等，但其種類仍然減少了。其結(jié)果是，土壤中氨化作用、硝化作用減弱，纖維素分解作用強度增加，土壤中蛋白酶、轉(zhuǎn)化酶和接觸酶活性下降，磷酸酶活性增大25。2.2.4 對物種組成和生物多樣性影響酸沉

13、降的長期作用可以改變系統(tǒng)的物質(zhì)和能量的格局和動態(tài)，使得各物種的適宜度發(fā)生位移。酸沉降引起森林土壤和植物體內(nèi)營養(yǎng)元素特別是鈣素的流失，長期下去，必然會使系統(tǒng)鈣濃度降低，造成高鈣植物生長不良，而有利于低鈣植物的生長，進而改變森林的物種的種類組成和數(shù)量26。系統(tǒng)進一步酸化的結(jié)果是，結(jié)構(gòu)和功能的不平衡進一步加劇，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。3 酸沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)影響的研究展望3.1 酸沉降在森林生態(tài)系統(tǒng)研究問題近年來,由于對硫氧化物排放的限制,降雨的pH 值有上升的趨勢。然而歐洲和北美的研究表明,酸沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響的趨勢卻依然越來越嚴重。酸沉降對生態(tài)系統(tǒng)的影響仍然是環(huán)境問題研究的重點。研究酸沉降對森

14、林生態(tài)系統(tǒng)的影響機理和森林生態(tài)系統(tǒng)對酸沉降的反饋機制,以及酸沉降影響后酸化問題的恢復(fù)仍是研究的核心問題。在發(fā)展中國家隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展, 氮氧化物對酸雨的貢獻將越來越大,我們應(yīng)該多研究酸沉降下N 的物質(zhì)循環(huán)化學(xué)轉(zhuǎn)化問題,研究其對森林危害的真正機理。建議同位素跟蹤運用于酸沉降導(dǎo)致的物質(zhì)不平衡研究上,揭示物質(zhì)循環(huán)分布途徑,物質(zhì)在整個生態(tài)系統(tǒng)的輸入輸出量。以后的研究應(yīng)該不多局限于單個過程或單個因子的研究。3.2 酸沉降森林生態(tài)系統(tǒng)未來研究方向我們還應(yīng)加強以下幾方面的研究：(1)酸沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響機理和森林生態(tài)系統(tǒng)對酸沉降的反饋機制研究；(2)酸沉降對非優(yōu)勢種、稀有種及低等植物的影響研究；(

15、3)酸沉降與其它環(huán)境因子對森林植物的共同影響研究；(4)加強酸沉降的監(jiān)控、預(yù)測工作，建立適合我國實際情況的研究模型；(5)將常規(guī)分析手段和分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合，加強抗性植物和指示植物的篩選工作；(6)加強受損森林植被的恢復(fù)和重建工作；(7)開展酸沉降對森林植被的格局動態(tài)及森林演替動態(tài)變化研究。3.3 減輕酸沉降土壤恢復(fù)結(jié)合土壤學(xué)，對整個生態(tài)系統(tǒng)進行操縱性研究,進行多因子分析,達到對生態(tài)系統(tǒng)各個組成成分總的研究,對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的全方面的研究。在土壤恢復(fù)方面,建議實施以下措施:（1）繼續(xù)直接施用石灰、草木灰、牲畜糞便等改善土壤。在中國有廣大的農(nóng)村,建議多使用豬糞、牛糞等農(nóng)家肥料,在牲

16、畜少的地方,建議使用綠肥,例如:一年蓬、小飛蓬、豆科植物葉等有機肥料;（2）盡少從森林運走木材及及含Ca 等營養(yǎng)元素豐富的枝、莖和葉;（3）種植對酸沉降不敏感的樹種;（4）研究開發(fā)能分泌堿性次生代謝產(chǎn)物,而自身又對酸沉降不敏感的植物樹種,達到對土壤直接的改善;（5）盡量控制大氣酸沉降的輸入。參考文獻1 陳立民, 吳人堅, 戴星翼. 環(huán)境學(xué)原理. 北京: 科學(xué)出版社,2 李德軍, 莫江明, 方運霆, 等. 氮沉降對森林植物的影響. 生態(tài)學(xué)報,.3 中國林學(xué)會. 酸雨與農(nóng)業(yè). 北京: 中國林業(yè)出版社, 1988.4 國家環(huán)保局. 酸沉降及其影響控制技術(shù). 南京: 河海大學(xué)出版社, 1996: 19

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