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1、中山大学硕士学位论文酸沉降条件下森林生态系统离子变化特征与机制研究以鹤 山丘陵综合实验站为例姓名：张景书申请学位级别：硕士专业：环境科学指导教师：仇荣亮2003.6.1陵激降条件下森拣生态系统离子变化黪征与规割研究一戳鹤幽丘陵综合安骧辩为倒摘要在中嚣科学院鹤出藏陵综合试验蛄垒态定彼点，对天然降永、各秫型稀内降求( 穿落雨、树干径浚、土壤水) 和林下土壤遴行采样分概潮时逡一抟裂( 湿缝铪) 空蝗遴孬努乡 摸毅羧薅淋溶实验，啦探讨酸淀海对鹤由豫被巍二乏壤豹影嗡。一， 簸鬻簦涌结采表携：1 ) 天然降求p H 为4 2 7 ，S 0 。2 - N O f 约为3 7 0 ；2 ) 阗叶林林冠对酸雨有
2、缓冲作用，缓冲顺序为桉林 马占相思林 衙术林，而马尾松林林冠使降丽遴一步酸倔；3 ) 树干径漉p H 低予天然酶水、穷藩藤；壤本渊售藤予翦嚣考，匿承了壤夔缓冲器焉；莲) 辣内辫窳对多数瓣麓离子有不弼程度韵富集，一觳钟时林大于阔叶林，而壤水和地表水套造成森林垒态系统内元素的损失；5 ) 相对于其它类烈降水，壤水中铝食量增加不大，硅会爨增幄较式，表明曩藏鹤出券红壤鬣襞他铝羧缓冲作翔委献不大，爵矿物戴仡缓滓棒用较大潞溶实验绪果袭鞠：1 ) 实验范围肉，p H 2 5 激上处理漆滤滚p H 德一蠹稳定在6 5 0 左赢，p H 2 5 处理襁始盼段保持较哀思稳定水平，坦黪恩鼹增艴至2 1 6 0 r
3、a m 对突然下降，然压稳定褒4 5 羡右；2 ) 实骚_ 避程巾，仗p H 2 5 、3 0 楚理可引起壤铝的溶豳，且在梗搦簿雨麓增加至3 5 1 0 m m ，淋滤液p H 为4 5 左右时铝的释放量上升明摄，硅的释放随模拟酸雨酸度增大而增强：3 ) 簸基释放受酸褥酸度、淋溶爨影响，c 扩、M g ”、鼯受漆溶鬃影拣较大，在港溶液臻 A c a c i am a n g i u r n S c h i m as u p e r b a b u tc o n t r ai nt h eP i n u sr n a s s o n i a n af o r e s t ；3 ) W i t h
4、r e g a r dt os t e m f l o w ，i th a dal o w e rp Hv a l u et h a nt h a to ft h r o u g h f a la n dr a i n w a t e ri nt h ef o u rf o r e s t s ，b u th i g h e rt h a nt h a to fs o i ls o l u t i o n ；4 ) T h ec o n c e n t r a t i o n so fm o s ti o n si nr a i n w a t e ri nb o t hc o n i f e
5、 r o u sa n db r o a d l e a v e df o r e s t si n c r e a s e dr e m a r k a b l y ，a n dt h ee l e m e n te n r i c h m e n tw a sh i g h e ri nc o n i f e r o u sf o r e s t st h a nb r o a d - 1 e a v e df o r e s t s ；5 ) T h ec o n c e n t r a t i o no fA 1i n s o i ls o l u t i o nw a ss t a
6、b l ec o m p a r e dt ot h a ti no t h e rs o l u t i o n s ，o nt h ec o n t r a r y , t h ec o n c e n t r a t i o no fS ii n c r e a s e dI I蘸淡瓣象粹下躲橼囊惫系缝煮予囊纯糁轻每蠛截硪宠第1 牵绪论1 1 酸雨概况邋冬采，蘧羞各鏊缝漭静发袋，矿鐾爨料瀵赘蠹嚣羲羲率爨蠢慧靛苓戮灌翮，瓣入大气中靛硫氧化物、氮氧识耪及箕= 捩滞染物日渐增多，这些污染物在大气中缀各种化学、物瑷反应最终形成酸雨，襁全球范围内凭j 黩止地蔓惩，对壹然环境遗残极大惫警。敬雨邑攘一
7、些遮嚣土壤酸纯，肥力下辫，森接囊撩，表箨谚壤产，海灞酸凌舅鬻爱鸯獒惩亡，藏豢建筑鐾嚣文糁舂滚被褰强覆蒜，入体健康撼至生命安全蹙戮了威胁严重危及墩界生态环境，影响缀济发展，藏胁人炎瓣生存，成为人类辨嚣临浆一个重必环壤睡嚣，弓| 越了黧鼯柱会瓣强烈关注糊黼学家髑盼着震研究。l + 1 。l 酸磊嚣菝念天然酶水的酸度是由溶予其中黼酸、碱性獭艨的相对含量断决定的，通常以降水的州值来表示。在只考虑大气中c O 。与纯水中H C O f 平衡的条件下雨水具煮p R 5 。瘁裹富戆徽酸性，灏巯戴稼耱、氮载纯辫簿酸洼污染麴逡入褥水中游，箨象黪p H 穰会遗一步辩诋，嚣憩一簸惩酸甏懿裁黧基建取羹鼙黟。6 ，把瓣
8、 M g ”K N a + ，而缓冲能力弱的土壤排列为A l ” C 矿 K + M 9 2 + N a + 。盐基离子释放量与酸雨的p H 有极大关系。康敏捷等对台湾莲花池森林土壤的管柱淋溶实验表明o ”，在p H = 2 6 的模拟酸雨处理下所有阳离子的释放量都比p H 为3 6 及4 6 的酸雨处理所造成的阳离子释放量大，并且释放量较慢达到稳定，而p H 3 6 及4 6 处理所造成的阳离子释放情形差异并不大。实验发现”1 ，酸雨p H 愈低，盐基释放量愈大。但各离子淋失量不同，二价离子基本多于一价1 0酸沉降条件下森林生态系统离子变化特征与机制研究离子。W o o d 等的土壤淋洗实验
9、也表明1 ，钙、镁的淋失量随雨水酸度的增加而增加，但钾的淋失量直到p H 降低至3 0 以下才有所增加。H a n s o n 等从位于北美重要工业中心下风向的1 4 个点( p H 介于4 0 _ 4 6 ) 采集土样进行分析，结果表明土壤中钙、锰的浓度梯度与降水的p H 梯度一致，但钾却只有最靠近工业中心的三个点的浓度比其它点低，说明当降水p H 降至一定阈值时，钾的浓度才开始增大“”。E r v i o 根据2 3 年田间状态下芬兰土壤的实验结果，认为钙、镁、钾等元素的淋溶只是在p H 3 5 的模拟酸雨作用下才会加速，而p H 4 5 的模拟酸雨在几十年内不可能使耕地p H 值发生明显
10、变化1 。王代长等在江西表土施用K C I 肥料后进行模拟酸雨的土柱淋溶实验，结果表明p H 2 5 处理下表土施用的钾肥几乎完全淋失，而p H 4 5 处理淋失量只有5 0 m 1 。( 2 ) 铝、硅的活化研究土壤中除交换性盐基的缓冲作用外，还包括A l ( 0 H ) 。的水解缓冲作用和矿物的风化缓冲作用这两种缓冲作用必然伴随着A l 、S i 的活化、释放与淋溶。一般情况下，A l ”的释放主要来自A 1 ( 0 H ) 。的水解，反应如下：A 1 ( O H ) 。+ r A l ”+ 3 H 扣这一反应，另外三水铝石和含铝矿物的溶解也释放出一定数量的A l ，反应如下：M A I
11、S i 。o 口+ H + 一 r + A r + H S i O 。+ 次生矿物。王连峰等研究表明酸沉降影响下庐山森林生态系统中土壤溶解铝的含量因林型和根系活动影响而异，且表现出季节性动态变化，秋冬季偏高而春夏季偏低m 1 。刘厚田1 等对重庆南d J 土壤的研究表明，当p H 4 5 时，释放量很小，而戎秋涛“”研究表明铝的溶出在p H 4 0 左右有一个阈值，这可能是与实验所用的土壤不同有关，庞叔薇“7 3 的研究证明了土壤本身的特性对铝的溶出有很大的作用。俞元春1 研究发现就绝对量来看，江西红壤、福建红壤的淋出液中铝含量最高；由海相沉积物发育的广东砖红壤溶出量较小：由玄武岩发育的广东砖
12、红壤铝溶出量最小。廖伯寒1 等对中国南方5 个森林土壤研究结果表明表明土壤铝的释放与活化由土壤总碳量、可浸提铝以及土壤或溶液p H 值所控制，而且与酸沉降酸度和其他阳离子浓度有关。土壤中铝主要是以次生铝硅酸盐( 高岭石、蒙脱石、伊利石等) 和铝氢氧化物等固定态存在的而对植物能产生危害的主要是指可溶态的铝一活性铝，主酸沉降条件下森林生态系统离子变化特征与机制研究要包括A l ”、A l ( 0 H ) ”、A 1 ( 0 H ) 。+ 和聚合羟基铝等。在酸雨的作用下，不但土壤中的交换性铝会释放出来，而且会使土壤活性铝的溶出量增加。土壤中铝的释放虽然可以中和酸，但同时由于铝的大量活化易造成植物过量
13、吸收铝，从而导致植物铝中毒甚至死亡“1 。M a a i k eC C D e g r a a f 晦0 1 认为铝对某些树种影响很大，表现在增加溶液铝的含量，根生长减慢，叶变枯黄，植物体M g 和P 含量减少。Y H i r a n o 和N H i j i i 认为土壤里高含量的铝对根结构和形态产生不利影响5 ”。日本火山灰土壤溶液中A l 的浓度已增到0 0 2 0 1 2 m m o l L 接近树根的临界水平5 ”。土壤矿物风化过程中产生H S i 吼，所以通过测量土壤渗透水中游离态硅的含量就可以分析土壤对酸雨的缓冲能力且当淋入液酸度增大时，土壤阳离子和硅的释放量都增大说明矿物的风化
14、反应随着酸度的增大而变得更加激烈o ”。L i s 3 等研究了矿物风化对酸缓冲的影响，p H 4 5 的模拟酸雨淋溶时，C a 释放量最高，其余依次为s i 、M g 、K 、N a 、A l ，而p H 3 0 的处理S i 释放量最高，A l 释放量也急剧增加，表明矿物风化和水解作用成为重要的质子缓冲源。L o u z a o 。4 3则认为由于矿物风化的动力学业过程较慢而难以成为缓冲外源H + 的主要平衡体系，但低p H 条件下氧化物的酸性水解会起主导作用。( 3 ) 土壤酸化与土壤缓冲体系土壤作为酸沉降的直接受体，它的酸碱特性是酸沉降、土壤物理、化学及生物过程的综合作用结果，其主要指
15、标是土壤的p H 值。在自然条件下，土壤酸化主要是由有机酸的生成、碳酸分解、植物吸收阳离子等过程控制，非常缓慢“”。而酸沉降输入土壤大量的 r ，加速了土盐基离子的淋失，植物吸收N H ；+ 、N H 。+ 硝化、土壤中N 0 3 - 和S 仉2 的淋失等都大大加速了土壤酸化的进程，这些因素一般都由土壤特性和环境条件所决定嘲1 。土壤酸化可能会改变动植物已经适应的生存条件，从而影响农业生产、森林生长等，还可以影响营养元素的地球化学循环，造成有毒元素( 如铝) 的活化等”1 。当酸性物质进入土壤时土壤阻止其D H 变化的能力，称为土壤对酸的缓冲能力。其主要影响因素有土壤的p H 、阳离力交换能力
16、( C E C ) 、盐基饱和度( B S P ) 、可风化矿物种类及含量、有机质含量、活性氧化物含量等土壤理化特性“。酸滚簿象捧下森 拳垒态系统蔫予蜜耗祷餐毒撬澍掰 突A M E R I N O 等研究了两班牙不同母质发育的五种士壤对模拟酸雨的缓冲过糨，发现s O 。暇聪是母质为砖岩和蛇蚊岩憝壤蛇主要缓挣魂到，凌赝毒壤表艨巾发现A l 的释放，但在激艘性豹土壤( 母质为片岩和花岗岩) 中特剐明显，而c a c o ,的分解是母质为砂性沉积物( s a n d ys e d i m e n t s ) 的土壤的唯一缓冲机制“”。T a b a t a b a i 羚糖了不同酸度下土壤题发生豹中窝发疯，p H 6 。2 8 6 瓣，大气孛e 貔与壤中H 2 c 魄平衡；p H 5 0 - 6 2 对，硅酸簸矿物风化产生H s i O 。；p H 4 。2 5 0 时，研交换
