酸沉降的森林生態(tài)系統(tǒng)的影響

1、酸沉降對(duì)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(cè)）08-1 四川 雅安）摘要：“ 酸沉降”是全球關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題之一,酸沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響也是生態(tài)學(xué)研究的熱門問(wèn)題。近年來(lái)，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(duì)酸沉降作用下森林衰退的狀況，總結(jié)了酸沉降對(duì)森林植物的影響，改善酸沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的措施，探討了存在的問(wèn)題和未來(lái)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(guò)降水、擴(kuò)散和重力作用等過(guò)程降落到地面的現(xiàn)象或過(guò)程1。酸沉降不但引起大氣酸化、土壤酸化和水體酸化，也對(duì)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(duì)它的研究顯得尤為重要。研究分析酸沉降對(duì)森林植物的影響研究有助于了解研究現(xiàn)狀，提高人們對(duì)酸沉降及其對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響方面的認(rèn)識(shí)。1 酸沉降與森林生態(tài)系統(tǒng)1.1我國(guó)酸沉降對(duì)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(yán)重的四川盆地和貴州省，森林受害面積分別達(dá)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(dá)40%，四川奉節(jié)縣茅草壩林場(chǎng)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(yán)重的衰退癥狀2。2酸沉降對(duì)森林植物的影響及其機(jī)理森林衰退的原因一般認(rèn)為來(lái)自兩個(gè)方面：一是對(duì)植物的生理生化過(guò)程造成直接影響；二是對(duì)森林的間接影響，即認(rèn)為酸沉降經(jīng)過(guò)一系列的物理、化學(xué)和生物過(guò)程引起土壤的酸化，造成植物營(yíng)養(yǎng)不良，有毒元素活化，重金屬釋放，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)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(jìn)行氣體交換的主要場(chǎng)所，是大氣污染物最先進(jìn)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(huì)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(duì)葉片除了起到保護(hù)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(duì)樹(shù)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(duì)葉片造成可見(jiàn)傷害 6。樹(shù)葉的變小，黃葉的增多，數(shù)量的減少，勢(shì)必會(huì)削弱其一系列的生理生化活動(dòng)，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(yíng)養(yǎng)的重要器官，是土壤資源的直接利用者和產(chǎn)量貢獻(xiàn)者，它的生長(zhǎng)發(fā)育直接影響到地上部莖葉的生長(zhǎng)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(gè)重要的碳素庫(kù)，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(shí)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(zhǎng)。2.1.2 生長(zhǎng)及生產(chǎn)力酸沉降引起森林生產(chǎn)力的下降已成為無(wú)可爭(zhēng)辯的事實(shí)。但在一定的時(shí)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(shù)木的生長(zhǎng)或群落的增長(zhǎng)。如在中歐和美國(guó)等國(guó)家出現(xiàn)的大面積森林衰退之前，其森林生長(zhǎng)量比同時(shí)期未受酸雨影響的森林的生長(zhǎng)量有較大的增加。其原因是錯(cuò)綜復(fù)雜的，有學(xué)者認(rèn)為一方面酸沉降中的N、P和S素對(duì)植物起到了施肥的作用，另一方面酸沉降中強(qiáng)酸根離子的增加促進(jìn)了土壤的風(fēng)化，從而使進(jìn)入土壤溶液中的營(yíng)養(yǎng)元素含量增加，有利于植物的生長(zhǎng)9

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

7、有利于提高降水的pH，暫時(shí)緩解對(duì)土壤的酸化作用，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(zhǎng)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(guò)根系和樹(shù)冠對(duì)其進(jìn)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(yíng)養(yǎng)元素的流失及N、S 和Al的富集共同促進(jìn)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(guò)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(yùn)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(shù)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(duì)減少。這可能是酸雨抑制植物生長(zhǎng)的一個(gè)重要的方面。2.1.5 對(duì)酶活性的影響酸沉降對(duì)不同類型酶的影響各不相同。就植物防御過(guò)氧化損害的系統(tǒng)，如超氧化物歧化酶，過(guò)氧化氫酶、精氨酸脫羧酶和抗壞血酸過(guò)氧化酶等來(lái)說(shuō)，酸雨的脅迫作用引起這些酶活性升高。植物通過(guò)這些酶清除體內(nèi)過(guò)多的活性氧，保持植物的正常生長(zhǎng)。Velikova等16在模擬酸雨對(duì)豆科植物的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制膜脂過(guò)氧化反應(yīng)而保持膜的穩(wěn)定性。這一事實(shí)從另一側(cè)面證實(shí)了植物防御氧化系統(tǒng)對(duì)植

9、物受損修復(fù)的成功及其機(jī)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(duì)于酸雨對(duì)森林的直接影響而言，酸雨對(duì)森林植物的間接影響要深遠(yuǎn)得多，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)也要晚得多。起初人們一直認(rèn)為解決酸沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響這一問(wèn)題很容易對(duì)付。只要減少SO2的排放，森林就能恢復(fù)生長(zhǎng)，酸化的水體也能恢復(fù)到原來(lái)的pH值。然而即使美國(guó)、歐洲和加拿大減少SO2的排放，酸化的環(huán)境仍然沒(méi)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(rèn)為酸雨問(wèn)題能夠很快得到解決，因?yàn)樗麄円琅f堅(jiān)持酸雨直接作用于植物和湖泊。事實(shí)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(huì)持續(xù)下去18。一些野外和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)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(duì)森林植物的間接影響主要是通過(guò)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(guò)程中的一種自然的生物地球化學(xué)過(guò)程，但是酸沉降卻大大的加快了這一進(jìn)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(wèn)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(huì)持續(xù)下去，甚至增加，引起森林的長(zhǎng)期衰退20。

11、當(dāng)然，酸沉降對(duì)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(jì)七八十年代德國(guó)和挪威的森林衰退的原因時(shí)也指出，由于土壤酸化引起的一種或多種營(yíng)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(guò)化學(xué)的和生物化學(xué)的風(fēng)化過(guò)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(jìn)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(wú)機(jī)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(shì)

12、23。2.2.3 土壤酶活性的影響在土壤中，土壤酶進(jìn)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(lái)自土壤中的微生物，但酸沉降和植物的相互影響，會(huì)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(guò)來(lái)土壤中微生物又會(huì)進(jìn)一步改變土壤的理化特性，并對(duì)植物產(chǎn)生影響。長(zhǎng)期的酸沉降作用會(huì)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(xì)菌、放線菌等；同時(shí)，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(qiáng)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(duì)物種組成和生物多樣性影響酸沉

13、降的長(zhǎng)期作用可以改變系統(tǒng)的物質(zhì)和能量的格局和動(dòng)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(yíng)養(yǎng)元素特別是鈣素的流失，長(zhǎng)期下去，必然會(huì)使系統(tǒng)鈣濃度降低，造成高鈣植物生長(zhǎng)不良，而有利于低鈣植物的生長(zhǎng)，進(jìn)而改變森林的物種的種類組成和數(shù)量26。系統(tǒng)進(jìn)一步酸化的結(jié)果是，結(jié)構(gòu)和功能的不平衡進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。3 酸沉降對(duì)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(wèn)題近年來(lái),由于對(duì)硫氧化物排放的限制,降雨的pH 值有上升的趨勢(shì)。然而歐洲和北美的研究表明,酸沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響的趨勢(shì)卻依然越來(lái)越嚴(yán)重。酸沉降對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響仍然是環(huán)境問(wèn)題研究的重點(diǎn)。研究酸沉降對(duì)森

14、林生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)理和森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)酸沉降的反饋機(jī)制,以及酸沉降影響后酸化問(wèn)題的恢復(fù)仍是研究的核心問(wèn)題。在發(fā)展中國(guó)家隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展, 氮氧化物對(duì)酸雨的貢獻(xiàn)將越來(lái)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(wèn)題,研究其對(duì)森林危害的真正機(jī)理。建議同位素跟蹤運(yùn)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(gè)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(gè)過(guò)程或單個(gè)因子的研究。3.2 酸沉降森林生態(tài)系統(tǒng)未來(lái)研究方向我們還應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的研究：(1)酸沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)理和森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)酸沉降的反饋機(jī)制研究；(2)酸沉降對(duì)非優(yōu)勢(shì)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(duì)森林植物的共同影響研究；(4)加強(qiáng)酸沉降的監(jiān)控、預(yù)測(cè)工作，建立適合我國(guó)實(shí)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(qiáng)抗性植物和指示植物的篩選工作；(6)加強(qiáng)受損森林植被的恢復(fù)和重建工作；(7)開(kāi)展酸沉降對(duì)森林植被的格局動(dòng)態(tài)及森林演替動(dòng)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(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行操縱性研究,進(jìn)行多因子分析,達(dá)到對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)組成成分總的研究,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的全方面的研究。在土壤恢復(fù)方面,建議實(shí)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(guó)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(jī)肥料;（2）盡少?gòu)纳诌\(yùn)走木材及及含Ca 等營(yíng)養(yǎng)元素豐富的枝、莖和葉;（3）種植對(duì)酸沉降不敏感的樹(shù)種;（4）研究開(kāi)發(fā)能分泌堿性次生代謝產(chǎn)物,而自身又對(duì)酸沉降不敏感的植物樹(shù)種,達(dá)到對(duì)土壤直接的改善;（5）盡量控制大氣酸沉降的輸入。參考文獻(xiàn)1 陳立民, 吳人堅(jiān), 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(yùn)霆, 等. 氮沉降對(duì)森林植物的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào),.3 中國(guó)林學(xué)會(huì). 酸雨與農(nóng)業(yè). 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 1988.4 國(guó)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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