天目山不同森林类型林冠对酸雨的缓冲作用

詹 敏，窦云鹏，郭培培，姚兆斌，曹 全，姜小丽，王祖良，俞 遴，余树全，江 洪*

（1. 浙江天目山国家级自然保护区管理局，浙江 临安 311311；2. 浙江林学院国际生态中心，浙江 临安 311300；3. 浙江省临安市林业局，浙江 临安 311300）

天目山不同森林类型林冠对酸雨的缓冲作用

詹 敏1，窦云鹏2，郭培培2，姚兆斌2，曹 全2，姜小丽2，王祖良1，俞 遴3，余树全2，江 洪2*

（1. 浙江天目山国家级自然保护区管理局，浙江 临安 311311；2. 浙江林学院国际生态中心，浙江 临安 311300；3. 浙江省临安市林业局，浙江 临安 311300）

通过在浙江天目山国家级自然保护区不同森林类型中采集酸雨，比较空旷地和6种森林林冠下酸雨的pH值动态变化，研究森林林冠对酸雨的缓冲作用。结果发现，天目山主要森林林冠对酸雨有缓冲作用，受到酸性降水的淋溶后，除了毛竹林，大部分森林类型树冠下截留的雨水pH值普遍升高，说明树冠对酸性降雨具有缓冲作用。不同季节酸雨的pH值有差异，不同森林林冠下的酸雨pH值也不同，反映不同季节森林的缓冲的幅度有差异，春季：空旷地酸雨pH值5.7，森林5.9；夏季：空旷地酸雨pH值5.3，森林5.6；秋季：空旷地酸雨pH值5.1，森林5.3；冬季：空旷地酸雨pH值4.4，森林4.8，森林对酸雨的缓冲作用以冬季最为明显。

天目山；酸雨；森林；林冠缓冲作用

酸雨通常是指pH值小于5.6的雨、雪、雾等形式的酸性降水，包括湿沉降（如酸雨、酸雪、酸雾、酸雹）、干沉降（如SO2、NOx等气体酸性物质）[1～2]。酸雨是世界十大环境问题之一，中国是继欧洲、北美之后出现的世界第三大酸雨区[3～4]。我国酸雨主要分布在长江以南的广大地区，浙江省处于华东沿海酸雨区（江、浙、沪、皖、赣等省、市部分或大部分地区）的东南部。在我国经济建设、工业化迅速发展中，能源耗量不断增加，导致酸雨问题的解决变得越来越迫切[4～5]。从“六五”到“八五”期间浙江省降水pH值平均值从5.0以上降至4.7以下，酸雨率从35%升至63.33%，全省酸雨覆盖率达95%，且酸雨污染开始从城市向农村蔓延[4,7]。

酸雨分布范围广，危害严重，与硫氧化物、氮氧化物并称“森林杀手”[1]。虽然国内外有关酸雨对植物的影响研究已有大量报道[6～9]。但大量研究结果主要报道在酸雨胁迫下植物受到的影响，如随酸雨pH值的降低，植物的株高及地径的生长将会受到抑制，植物光合速率降低，受害程度趋于严重[2,6]。也有报道酸雨对森林生态结构及生理生化方面的影响明显[7～8]。但在酸雨条件下，森林对于其危害的缓冲作用的研究相对较少[9]。中国亚热带森林由于其结构和功能的特点，其林冠对于酸雨胁迫可能具有一定的缓冲作用。但是不同森林类型的作用方式和强度，都不确定[10～12]。本次试验选取了天目山地区典型的森林类型，研究在不同季节的酸雨胁迫下森林林冠对酸雨缓冲作用的特点，并找出规律，为更好的进行天目山地区植被的恢复和生物多样性保护提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究地概括

试验地在浙江天目山国家级自然保护区内（30° 18′ 30″ ～ 30° 24′ 55″ N，119° 23′ 47″ ～ 119° 28′ 27″ E），海拔600 ～ 800 m。该区属亚热带气候，年均温度为8.8 ～ 14.8℃，年均降水为1 390 ～ 1 870 mm，≥10℃年积温为5 100 ～ 2 500℃，相对湿度为76% ～ 81%。土壤为红壤、黄壤、黄红壤或棕黄壤，呈酸性，pH（水浸）4.7 ～ 6.0。

1.2 研究材料

试验材料为浙江天目山国家级自然保护区空旷地、马尾松林、柳杉林、常绿阔叶林、阔叶混交林、毛竹林。

2 研究方法

2.1 样品采集

大气降水的收集器和冠层穿透雨收集器系用直径15 cm的聚乙烯漏斗做成，分别置于空旷地和各林型冠层的下方，6种林型共放置18个，分别以每一场大雨采集一次和二场小雨采集一次进行雨样采集，收集大气降水和林内降水样品经过滤后，分别置于500 mL的聚乙烯塑料瓶内，贴上标签保存，供分析。2007年1－12月在浙江天目山国家级自然保护区内6种不同类型森林中进行样品采集，测定降水量以及获得较多的分析水样。

2.2 水样分析方法

pH值采用pH计测定，电导率采用电导率仪测定，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[13]，总磷采用钼酸铵分光光度法[14]。

3 研究结果

3.1 天目山酸雨沉降的特征

由图1可知，2005－2009年，天目山酸雨pH值为5.2 ～ 6.0，并呈逐年下降的趋势，但是年际间有波动。

3.2 天目山不同森林类型冠层对酸雨胁迫的缓冲作用

3.2.1 针叶林冠层对酸雨胁迫的缓冲作用

图1 天目山酸雨pH值的年际变化Figure 1 Annual change of pH value of acid rain at Tianmu Mountain

3.2.1.1 总的趋势 由图2可知，针叶林对酸雨胁迫有缓冲作用，且3种样地均为春天缓冲能力最强，冬季最弱。相对于大气降水，针叶林内降水穿透雨和树干径流的离子都大大增加。有关资料表明[1]，树干径流的离子富集量高于穿透雨中的离子富集量，是因为树干有机酸和无机酸的淋洗以及树干径流雨量小，不同季节针叶树的缓冲的幅度也不同，有一定的缓冲作用。相对来说马尾松林要比柳杉的缓冲作用强。

图2 天目山针叶林酸雨pH值的季节变化Figure 2 Seasonal change of pH value of acid rain under conifer forest at Tianmu Mountain

3.2.1.2 季节趋势 从图2还可以看出，不同季节酸雨的pH值也不同，以春季最高，为5.7；冬季最低，为4.3；夏秋季节位于二者之间。不同季节针叶林的缓冲的幅度也不同。春季：酸雨pH值5.7，柳杉林5.68；马尾松林6.0；夏季：酸雨pH值5.4，柳杉林5.2；马尾松林5.6；秋季：酸雨pH值5.5，柳杉林5.3；马尾松林5.7；冬季：酸雨pH值4.3，柳杉林4.9；马尾松林4.8。不同季节针叶林对酸雨都有缓冲作用，其中以冬季最为明显。

3.2.2 阔叶林对酸雨胁迫的缓冲作用

3.2.2.1 总的趋势 从图3中可以看出，阔叶林对酸雨有缓冲作用，且树冠大的缓冲能力强的树，抵抗酸雨的能量大，对防止土壤酸化，保护森林作用大。

3.2.2.2 季节的趋势 从图3还可以看出，不同季节酸雨的pH值也不同，酸雨pH值以春季最高，为5.85；冬季最低，为4.6；夏秋季节位于二者之间。不同季节阔叶林的缓冲的幅度也不同。春季：酸雨pH值5.85，常绿阔叶林6.0，混交林6.1；夏季：酸雨pH值5.75，常绿阔叶林5.9，混交林5.8；秋季：酸雨pH值5.1，常绿阔叶林6.2，混交林5.6；冬季：酸雨pH值4.6，常绿阔叶林5.5，混交林5.0。不同季节阔叶林对酸雨都有缓冲作用，其中以冬季最为明显。

3.2.3 毛竹林对酸雨胁迫的缓冲作用

3.2.3.1 总的趋势 由图4可知，毛竹林对酸雨的缓冲作用以春季最强，冬季最低，夏秋季位于二者之间。

3.2.3.2 季节的趋势 从图4还可以看出，不同季节毛竹林酸雨的pH值也不同。酸雨pH值以春季最高，为5.8，冬季最低，为4.35，夏秋季节位于二者之间。不同季节毛竹林的缓冲的幅度也不同。春季：酸雨pH值5.8，毛竹林5.84；夏季：酸雨pH值5.4，毛竹林5.5；秋季：酸雨pH值5.2，毛竹林4.6；冬季：酸雨pH值4.35，毛竹林4.0。不同季节毛竹林对酸雨有缓冲作用，其中以冬季最为明显。

图3 天目山常绿阔叶林酸雨pH值的季节变化Figure 3 Seasonal change of pH value of acid rain under evergreen broad leaf forest at Tianmu Mountain

图4 天目山毛竹林酸雨pH值的季节变化Figure 4 Seasonal change of pH value of acid rain under bamboo forest at Tianmu Mountain

3.2.4 天目山主要森林对酸雨胁迫的缓冲作用

3.2.4.1 总的趋势 天目山主要森林对酸雨有缓冲作用。树冠在受到酸性降水的淋溶后pH值明显升高，说明树冠对酸性降雨的有缓冲作用，树冠在受到酸性降水的淋溶，树叶组织内的盐基阳离子（Ca2＋、Mg2＋、K＋、Mn2＋等）与降水中的H＋发生交换反应，H＋取代盐基离子，使H＋浓度减少，从而使pH值上升，且大气降水经树冠后的pH峰值出现在大气降雨量为520 mm处。

3.2.4.2 季节的趋势 不同季节森林酸雨的pH值也不同，酸雨pH值以春季最高，为5.7，冬季最低，为4.4，夏秋季节位于二值之间。不同季节森林的缓冲的幅度也不同。春季：酸雨pH值5.7，森林5.9；夏季：酸雨pH值5.3，森林5.6；秋季：酸雨pH值5.1，森林5.3；冬季：酸雨pH值4.4，森林4.8。不同季节森林对酸雨有缓冲作用，其中以冬季最为明显。

4 讨论

4.1 天目山酸雨的发展

研究表明，天目山酸雨从2005－2009年，pH值的动态表现下降的趋势。这与长江三角洲地区近年来环境污染加剧密切相关[4,7]。这种变化与湖南和广东观测的结果非常相似[9,11]。这种日益加重的酸雨压力，势必加大对亚热带森林的胁迫，造成森林和土壤的退化[12]。如何利用森林生态系统的结构特点，尽量减少这种影响，是进一步研究的方向。

4.2 不同森林类型对降水pH的缓冲作用

研究表明，由于冠层对大气降水的化学特征，包括pH值会产生改变，形成对酸雨的缓冲或中和作用，所以有必要研究林内降水[9]。从其他大量研究可知，不管是针叶林还是阔叶林内降水都富集中性盐离子的现象，揭示酸雨会促进树木叶片营养离子的大量流失[15]。一般来说冠层淋洗是一种自然现象，它能加速营养元素的循环和生物作用，促进植物生长[12]。然而过度的淋洗会造成营养物质的析出量超过最初叶片的含有量，对林冠层产生负面影响，若森林长期处在酸性降雨的胁迫下，这些离子的流失量越来越加剧，可能会造成森林营养亏损，直接影响森林的生长[11,15]。Croman等人的研究也表明，酸性降水促进中性盐离子在冠层雨的富集造成叶片中营养离子流失[16]。

研究还发现，对于森林林冠对酸雨的缓冲作用不同森林类型具有较大的差异。这些差异可能包括了树冠结构的一些参数，例如叶片是否有绒毛突起、是否革质、表皮光滑度、树干光滑度等；叶片养分状况及不同种类树木生理习性对某种元素的吸收累积和溢泌效应[9,11]。同时昆虫噬性对冠层、树干造成的损伤也是重要的因素，有研究资料表明，和健康正常的林冠相比，受伤冠层穿透雨溶液中营养元素含量显著增加[12]，可能影响林冠的缓冲能力。例如，广东鹤山酸雨地区地针叶林和阔叶林林内降水与大气降水相比除NO3－外其他离子含量显著增加，马尾松林冠穿透雨中离子含量增加倍数最高达34倍，树干径流中离子含量增加倍数最高达12倍，阔叶林穿透雨和树干径流中离子含量增加倍数最高分别为8倍和10倍，针叶林降水比阔叶林降水离子富集程度更为显著，林内降水中马尾松林树干径流离子总含量小于阔叶林树干径流离子总量；不同阔叶林型林内降水中离子含量是不同的，针叶林林内降水有进一步酸化趋势，林内降水离子长期富集将导致森林冠层正负电荷数不平衡，营养离子大量淋失，林冠层养分亏损[12]。另外，与天目山情况相似的湖南韶山地区，大气降水经过树冠后，pH值明显升高，具有明显的林冠缓冲作用[17]。推测这是森林林冠在受到酸性降水的淋溶，树叶组织内的盐基阳离子（Ca2＋、Mg2＋、K＋、Mn2＋）等与降水中的H＋发生交换反应，H＋取代盐基离子，使H＋浓度减少，从而使pH上升。由于韶山地区和天目山地区都属于亚热带气候，降雨量也相差不多，出现相似的规律。

4.3 酸雨对天目山森林的可能影响及管理对策

天目山地处我国酸雨中心之一，酸雨发生频繁。加上天目山受地形的影响，携带污染物的暖湿东南风在此抬升，由此造成的酸雨影响比较强烈。酸雨对森林的直接影响，土壤pH值降低，H＋置换了土壤中的阳离子，导致土壤中Ca2＋、Mg2＋等盐基阳离子和营养元素流失，土壤呼吸速率下降，有机质分解速度下降，会降低古柳杉根系吸收养分的能力[18]。经研究表明，长期的SO2和酸沉降胁迫导致森林呈现出衰退[19]。天目山拥有世界上罕见的巨大柳杉林及各种稀有树种，如果酸雨造成森林衰退，不仅会影响保护区的自然景观，也会对天目山生物多样性构成威胁，因此需进一步开展相关研究和加强相关的管理。

4.3.1 土壤管理 根系的吸收能力取决于土壤中可给态养分的含量，所以施肥不可能替代土壤与植物间矿质的自然交换。只有当土壤环境改善后，加强微生物的活动，促进有机质的分解，才可能正常地进行离子交换，营养成分才可以被根系吸收利用有利于复壮。因此，土壤气相环境的改善较之施肥更为重要。

4.3.2 病虫害防冶 酸雨可以破坏树叶角质层，致使森林中的树木对病虫害的抵抗能力下降，当病虫害严重到一定程度时，就会导致树木生长的衰退。因此，在大气污染尚未得到有效控制的情况下，需要加强对病虫害的防治，减缓林木衰退。

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Canopy Buffering of Different Forest Types under Acid Rain in Tianmu Mountain

ZHAN Min1，DOU Yun-peng2，GUO Pei-pei2，YAO Zhao-bin2，CAO Quan2，JIANG Xiao-li2，WANG Zu-liang1，YU Lin3，YU Shu-quan2，JIANG Hong2*
（1. Tianmu Mountain National Nature Reserve Administration of Zhejiang, Lin’an 311311, China;
2. Zhejiang Forestry University, Lin’an 311300, China; 3. Linan Forestry Bureau of Zhejiang, Lin’an 311300, China）

Canopy buffering of different forest types under acid rain was investigated by comparison of acid precipitation pH at open land and under six forest types canopy by field measurement in Tianmu Mountain National Nature Reserve, Zhejiang province. The results indicated that tested forest canopy had buffering effect of acid rain, but varied with seasons and forest canopy. pH value in the spring was 5.7 at the open land and 5.9 under forest canopy, that was 5.3 in the summer at the open land and 5.6 under forest canopy, and 5.1 in autumn at the open land and 5.3 under forest canopy, and 4.4 in winter at the open land and 4.8 under forest canopy. The result showed that it had the best buffering effect of forest canopy of acid rain in winter.

Tianmu Mountain; acid rain; forest; canopy buffering of forest

S718.5

1001-3776（2010）02-0026-05

2009-11-11；

2010-01-30

国家重点基础研究发展规划项目“中国酸雨沉降机制、输送态势及调控原理”（2005CB422207和2005CB422208），“我国东部沿海城市带的气候效应及对策研究”（2010CB428503），科技部重大国际合作项目“利用加拿大FORECAST生态模型优化管理和提高中国亚热带主要类型森林的生产力、碳储量和生物多样性”（200073819）

詹敏（1975－），女，浙江临安人，从事自然保护和植物生态研究；*通讯作者。