重慶酸雨區(qū)典型林分氮濕沉降的分布特征

重慶酸雨區(qū)典型林分氮濕沉降的分布特征

所謂總氮沉淀，是指總氮化合物從總氮中取出并以各種形式從土壤中下降的過程。作為養(yǎng)分和酸的來源，其數(shù)量的急劇變化嚴(yán)重影響了陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。目前,氮沉降已成為繼土地利用和全球氣候變化之后導(dǎo)致生物多樣性喪失的第三大驅(qū)動因子。由于化石燃料的長期使用、氮肥的大量生產(chǎn)使用以及畜牧業(yè)的快速發(fā)展等導(dǎo)致向大氣中排放的含氮化合物越來越多,大氣氮沉降量不斷增加。氮沉降主要包括干沉降(Drydeposition)和濕沉降(Wetdeposition)兩種,氮濕沉降是在降水過程中(雨、雪、霧等),大氣中的可溶性氮被高空水滴或冰晶吸附而降落到地面的過程,是氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一,也是大氣氮沉降的主要部分,約占73%~93%不等。其中,可溶性氮主要包括NH4+-N、NO3--N以及部分可溶性有機(jī)氮(DON,DissolvedOrganicNitrogen)組成。雨水降落到地面時,會通過林冠層、灌草層、枯枝落葉層和土壤層各層次的依次作用,降水通過森林冠層后會形成冠層截留、穿透降雨和樹干徑流三部分。其中,穿透雨是大氣降水經(jīng)穿過林冠進(jìn)入林內(nèi)的降水;樹干徑流主要來源于降雨最終沿樹干向下流動形成。在植物生長季,大氣氮沉降能被森林冠層有效吸收,但其吸收量是有限的。當(dāng)降雨氮輸入超過一定值時,森林冠層不僅不吸收氮濕沉降,反而雨水會沖刷掉依附于植被表面的氮素。氮沉降對生態(tài)系統(tǒng)的過量輸入不僅會影響植物的生長、生態(tài)系統(tǒng)的功能,還會影響生物多樣性。氮沉降對森林植物影響的研究還很不足,特別是闊葉林的研究甚少。早在1876年德國科學(xué)家最先開展了關(guān)于森林養(yǎng)分循環(huán)的研究,挪威于1991年也啟動了為了解氮平衡與氮沉降對部分流域造成影響的跨學(xué)科研究項目。瑞典的“瑞典最適森林營養(yǎng)試驗”(SFONE)持續(xù)時間超30年。歐洲在20世紀(jì)70年代末建立了包含濕沉降量的監(jiān)測的項目EMEP,80年代末又建立了氮飽和試驗(NTREX)和歐洲森林生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗控制(EXMAN)等長期觀測項目,這為歐共體制定大氣質(zhì)量控制與管理政策及其立法提供科學(xué)基礎(chǔ)。美國于1988年在Harvard實(shí)驗林中開展了氮長期改善試驗,而且還建立了全國范圍的大氣沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),對全國干濕沉降進(jìn)行監(jiān)測[12~14],其監(jiān)測點(diǎn)達(dá)200多個。中國關(guān)于大氣氮濕沉降的研究起步較晚,20世紀(jì)90年代末我國才逐步建立氮沉降的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。目前我國建立的氮沉降監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)主要集中分布在城市周邊地區(qū)和部分農(nóng)村地區(qū),但整體來看仍存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)欠缺等問題,尤其在污染嚴(yán)重區(qū)表現(xiàn)更為突出。重慶是我國嚴(yán)重的酸雨區(qū),近年來,酸雨率逐年升高,硝態(tài)氮作為酸雨的主要成分之一,其含量有增無減;而且銨態(tài)氮也成為重慶市水質(zhì)監(jiān)測年均值超標(biāo)最嚴(yán)重的五項指標(biāo)之一。在重慶酸雨區(qū),由降水帶來的氮素沉降特征研究并不多見,因此,本文選擇在重慶縉云山開展試驗,分析該地區(qū)大氣氮濕沉降各組分在三種典型林分中的分布特征,旨在揭示濕沉降向森林生態(tài)系統(tǒng)輸入氮的數(shù)量、形態(tài)及時間變化規(guī)律,不僅有助于了解該地區(qū)大氣氮濕沉降狀況,還可為以后該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程、酸雨形成機(jī)制研究提供理論支持。1農(nóng)業(yè)為主、農(nóng)業(yè)施氮縉云山夏天是避暑勝地,交通狀況良好,有眾多自駕游的游客,旅游業(yè)及交通等帶來的污染不容忽視。當(dāng)?shù)夭糠志用褚约爸苓叺拇蟛糠志用褚詮氖罗r(nóng)業(yè)為主,農(nóng)業(yè)施氮及其它活動向大氣中釋放的氮素不計其數(shù)。同時縉云山居民生活中能源以燒木柴為主,也會使大氣中氮素增加?？N云山下的北碚城區(qū)商業(yè)較發(fā)達(dá),污染更為嚴(yán)重,對于縉云山的環(huán)境也會有一定影響。觀測期間雷電天氣也會對大氣氮素產(chǎn)生影響。2學(xué)習(xí)方法2.1樣地選擇和概況在重慶縉云山保護(hù)區(qū)內(nèi)選取常綠闊葉林、針闊混交林和毛竹林為研究對象(圖1),3個樣地均處于縉云山北部,在3種林分內(nèi)分別選擇一塊大小為20m×20m的標(biāo)準(zhǔn)樣地,各樣地基本信息見表1。2.2干沉降、降水和降水樣品的采集在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)分別按照S形設(shè)置8個穿透雨收集器和樹干流收集器,其中,穿透雨采用自制穿透雨器法(如圖2a)進(jìn)行收集,該裝置由口徑為10cm的聚乙烯漏斗和容積為1000ml的聚乙烯瓶組成,將聚乙烯瓶的瓶蓋鑿開一個比漏斗下端小孔略大的孔,鋪上紗布(防止雜物進(jìn)入聚乙烯瓶中)后再將漏斗插進(jìn)去固定,除開附著在漏斗壁上的極少量干沉降,能夠隔絕其他的大氣干沉降。樹干莖流采用橡膠管纏繞法(如圖2b)進(jìn)行收集,該裝置會用塑料管將樹干莖流直接導(dǎo)入地面上聚乙烯瓶中,收集裝置比穿透雨收集裝置更封閉,防干擾效果更好。大氣降水則采用APS-2A型降水降塵自動采集儀(如圖2c)自動收集[19~21],將其放置在縉云山保護(hù)站的空曠地上,該儀器是微電腦自動控制,其降水的靈敏度是0.2mmh-1雨量,在有降水事件發(fā)生時儀器自動打開,降雨停止10min后自動關(guān)閉,收集的樣品不會受干沉降的影響。每次降水結(jié)束后,立即到各林分中采集穿透雨和樹干莖流的樣品,用雨量杯人工計量降雨量并記錄,然后取樣200ml。同樣在降雨結(jié)束之后及時采集大氣降水樣品200ml。所有樣品采集后立即帶回實(shí)驗室進(jìn)行過濾,將濾液轉(zhuǎn)移到潔凈的聚乙烯塑料瓶中,4℃避光保存,并盡快檢測。采樣時間為2012年5~10月,處于植物生長季,此時段縉云山無降雪、冰雹等事件發(fā)生,氮的濕沉降主要來自降雨。2.3月濕沉降的輸入量可溶性有機(jī)氮(DON)濃度計算公式為:式中,C為各氮組分的月平均濃度(mgL-1),i為各月取樣品的個數(shù),Ci為第i次樣品中相應(yīng)氮組分的濃度(mgL-1),Pi為第i次降雨的降雨量(mm),在計算不同形態(tài)氮濕沉降的輸入量時需按照各降雨體積來計算,D為不同形態(tài)氮的月濕沉降量(kghm-2),100為單位換算系數(shù)。數(shù)據(jù)分析用Excel2007和SPSS18.0完成。3結(jié)果與分析3.1常綠天然林和混交林從圖3亦知,對于穿透雨的NH4+-N和NO3--N濃度,針闊混交林最高,常綠闊葉林比毛竹林稍高。對于DON的濃度變化,則表現(xiàn)為毛竹林>針闊混交林>常綠闊葉林。經(jīng)過顯著性分析進(jìn)一步表明,穿透雨的各含氮組分濃度在不同林分間的差異性不顯著(p>0.05)。3.2不同林冠氮和廢水減少時間的變化特征3.2.1常綠天然林3.2.2針闊葉混交林3.2.3毛竹林4討論4.1常綠森林穿透雨和干莖流的濃度與針葉樹相比,常綠闊葉林的闊葉樹則葉片大,不利于穿透雨的形成,樹干較針葉樹更光滑,較毛竹林粗糙,所以穿透雨和樹干徑流的濃度分配比其他兩種林分更均勻,所以常綠闊葉林穿透雨和樹干莖流的氮濃度相差不是很大,但均高于大氣降水,這與李香云等的研究結(jié)果一致。實(shí)驗中,觀測到闊葉林中穿透雨占總降雨量的74%這與Srinivasan等人在熱帶闊葉林觀測到的75.5%非常接近。氮輸入量與針闊混交林類似:穿透雨(16.45kghm-2)比樹干莖流(0.61kghm-2)大一個數(shù)量級。4.2月份降水中各組分氮素濃度較高的原因分析在重慶縉云山地區(qū),5月份降雨頻發(fā),雨水較多,6月份略微減少,7月份暴雨較多,降雨次數(shù)多但每次降雨量不大,8月份進(jìn)入伏旱期,降雨量明顯減少;過了8月天氣轉(zhuǎn)涼,雨水又漸次增多(表2)。5月份降水中各組分氮素濃度較高的原因可能有:第一,由于冬季早春季節(jié)降水偏少,濕度有所降低,而這期間重慶地區(qū)多霧多輻射,空氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,來自冬季和早春的含氮污染物長期積攢;第二,由于海拔較高的縉云山比北碚城區(qū)氣溫更低,因而氣壓的差異使得城區(qū)的暖氣流流向縉云山,最終使得城區(qū)因衣食住行各方面產(chǎn)生的污染物質(zhì)以及山下農(nóng)民在早春播種耕作帶來的土壤氮素?fù)]發(fā),一同隨暖氣流輸送到縉云山;第三,5月份是重慶降水多發(fā)的季節(jié),經(jīng)過寒冬和初春,5月的降水集中沖刷了空氣中的含氮物質(zhì)。樹干莖流的各含氮組分的濃度變化沒有明顯一致的規(guī)律,這可能與林內(nèi)小氣候、樹種及氣象等因子有關(guān)。4.3森林氮素的分布及危害穿透雨中氮沉降的評估是研究森林生態(tài)系統(tǒng)接收大氣氮沉降的關(guān)鍵,是了解大氣氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)影響作用的重要因子。雖然樹干莖流很少,但能將附著在樹干上的大量養(yǎng)分淋洗下來,在植物根部下滲分布,被根直接吸收利用,因此也是研究森林氮沉降的重要因素。然而在降雨初始,穿透降雨和樹干莖流都較小,較難準(zhǔn)確測量。與大多數(shù)的氮濕沉降實(shí)驗一樣,本實(shí)驗只研究穿透雨和樹干莖流的影響。每種林分內(nèi)設(shè)置一個樣地進(jìn)行樣品采集,短期觀測值已經(jīng)很高,說明該地生長季隨濕沉降輸入到森林的氮素已經(jīng)很多。若能布設(shè)更多的樣地,進(jìn)行更長期的觀測,效果將會更好。研究結(jié)果表明,森林生態(tài)系統(tǒng)中,當(dāng)有過多氮輸入時,氮素會在植物體內(nèi)積累,一定的范圍內(nèi),氮沉降可以使光合速率增加,但過量的氮沉降又會抑制光合作用;過量氮沉降還會造成植物對營養(yǎng)元素的吸收減少,引起植物體營養(yǎng)失衡,碳水化合物水平降低,從而使植物抗寒能力減弱;而且,高氮沉降地區(qū)植物抗蟲害能力減弱;生物多樣性降低。但樹冠中來自濕沉降的氮素存留對森林生產(chǎn)力影響有限。林冠層是穿透雨和樹干莖流開始形成的地方,對二者影響都非常大,其生態(tài)效益受很多因子的影響,除了樹種組成、郁閉度,還有林分起源、林齡、冠層厚度以及物種多樣性等因子。對有多少氮素是來自農(nóng)田氮肥的揮發(fā)損失,又有多少是交通的日益發(fā)達(dá)帶來的氮素,植被能夠進(jìn)行哪些相關(guān)的轉(zhuǎn)化和吸收等,這些問題還可以有更詳細(xì)的研究。國內(nèi)外的研究均認(rèn)為,近些年氮沉降量是有增無減。增加人們的環(huán)保意識,加大保護(hù)和改善的力度,可以轉(zhuǎn)變這一形式。建議重慶市北碚區(qū)在環(huán)境治理方面適度考慮由交通、農(nóng)業(yè)、旅游等給縉云山帶來的影響情況,特別是農(nóng)業(yè)的等對銨態(tài)氮的過量排放,制定更好的規(guī)劃方案和管理措施,引導(dǎo)人們健康生活、綠色出行,更好的保護(hù)縉云山,為北碚區(qū),為重慶帶來更好的生態(tài)效益。5林分及降雨條件本研究為探索縉云山氮濕沉降在典型林分中的分布及變化特征,在縉云山開展實(shí)驗,觀測到有效降水201次,累計降雨量805ml,累計降雨時長24796min,收集實(shí)驗樣品75份,經(jīng)過對樣品中銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)和可溶性有機(jī)氮(DON)的濃度檢驗。結(jié)果表明:(2)相比于大氣降水,三種林分的穿透雨和樹干流的氮濃度都有增加,其在林分間的分布表現(xiàn)為:針闊混交林>常綠闊葉林>毛竹林。(4)降雨量不是決定氮濃度的關(guān)鍵因子,可能大氣中氮濃度的不同及不同林分對氮物質(zhì)吸收能力的大小也很關(guān)鍵,以后可以在該方面開展更深入的研究?？N云山位于重慶市西北部的北碚、沙坪壩、壁山等區(qū)縣境內(nèi)(圖1),屬于華瑩山支脈,總面積76km2,海拔350~951m,地跨東經(jīng)106°17′~106°24′,北緯29°41′~29°52′。屬典型亞熱帶季風(fēng)濕潤性