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1、第37卷 第4期 2 0 0 1年7月林业科学 SCIENTIASILVAESINICAEVol137 , No14 Jul. , 2 0 0 1大气氮沉降对森林土壤酸化的影响肖辉林(广东省生态环境与土壤研究所 广州510650)摘 要: 因大气污染而不断增加的大气氮沉降量,在许多地区超过了森林生态系统的氮需求。氮在土壤中的化学和生物化学反应对H+离子的产生与消耗有重要影响。NH+4和NO- 3输入与输出的平衡状态影响着土壤-土壤溶液系统的酸化速率。过剩的氮沉降将增加NH+4的硝化和NO- 3的淋失,加速土壤的酸化。土壤酸化对森林有危害作用。关键词: 大气污染,氮沉降,森林土壤,酸化收稿日期:
2、1999211230。基金项目:广东省农业环境综合治理重点试验室资助项目。EFFECTS OF ATMOSPHERIC NITROGEN DEPOSITIONON FOREST SOIL ACIDIFICATIONXiao Huilin1(1.Guangdong Institute of Eco2environmental and Soil Sciences Guangzhou510650)Abstract: The increased deposition of atmospheric nitrogen due to the air pollution has exceeded the de
3、mands offorest ecosystems in many areas. The chemical and biochemical reactions of nitrogen in soils have significant effectson the production and consumption of H+. The balance between the inputs and outputs of NH+ 4and NO- 3determinesthe rate of acidification of the soil2soil solution system. Exce
4、ssive nitrogen deposition will enhance the nitrification ofNH+ 4and the leachingof NO- 3,which are the processesof strong acidification.An increase in the NO- 3concentrationwill increase the acidity and aluminium concentration in the soil solution.Basic cations will be leached out for ac2companying
5、the NO- 3leaching ,resulting in the acceleration of soil acidification. Soil acidification is harmful to for2est.Key words: Atmospheric pollution , Nitrogen deposition , Forest soil , Acidification由于人类活动的影响,几十年来,大气氮化合物的沉降量已明显增加(Bartnickiet al. ,1989;Brimble2combeet al. ,1982)。大气氮沉降量的增加,已成为许多森林的新生态因子
6、(Aberet al. ,1989;Skeffington ,1990 ;Kazda ,1990)。早期的观点认为,大气氮沉降通常是一种有利且有限的养分来源;但现在这种观点 受到了挑战,大气氮沉降对森林的作用视林地的养分状况和氮输入量大小而定。大气氮沉降对森林生态系统的影响是多方面的,其中,它对森林土壤酸化的影响,是一个不可忽视的重要问题。本文围绕这 方面进行探讨,旨在为森林生态系统的物质循环研究和环境保护提供科学依据。1 大气氮沉降状况大气沉降的氮化合物有干、 湿两种。湿沉降的氮主要是NH+ 4和NO- 3,以及少量的可溶性有机氮。干沉降的氮主要有气态NO、N2O、NH3,以及(NH4)2S
7、O4和NH4NO3粒子,还有吸附在其它粒子上的氮。除了自然来源之外,大气中的氮化合物主要来源于工业(NOX)、 化石燃料的燃烧(NOX)、 农田施肥和集约畜牧业(NHX)。北美和西欧非城市地区的雨水分析显示了19世纪中叶以来,NO- 3的年沉降量有显著的增加,而NH+ 4沉降水平则相对稳定(Brimblecombeet al. ,1982)。北欧和西欧的资料也反映了从本世纪50年代至80年代,雨水中的NO- 3平均浓度明显增加,而NH+ 4平均浓度在大多数地区有所上升,在少数地区则变化趋势不明显(Rodheet al. ,1986)。总的来说,氮沉降量已明显增加。 世界各地大气氮沉降的通量受氮
8、的排放量的支配。氮沉降与氮排放呈线性关系(Bartnickiet al. ,1989)。目前欧洲污染最严重的地区,降雨中的NH+ 4- N平均浓度大于019 mgL- 1,NO- 3- N大于017 mgL- 1,这种浓度向着污染较轻的地区逐渐下降,在大不列颠北部和斯堪的纳维亚中部NH+ 4- N约为013mgL- 1,NO- 3约为01150130 mgL- 1(Grennfeltet al. ,1986)。欧洲大部分地区氮沉降量超过10 kghm- 2a ,在比利时、 荷兰、 卢森堡等3国和中欧的一部分地区,氮沉降量超过30 kghm- 2a ,欧洲边远地区减少至1 kghm- 2a- 1
9、) (Bartnickiet al. ,1989)。近十多年来,我国在南方一些地区对降雨中的氮进行了观测,结果表明,各地雨水中的含氮量和由降雨带入的氮量,都有很大的变幅;就平均而言,雨水中的 含氮量多在12 mgL之间,带入的氮量多在9101915 kghm- 2a- 1之间(朱兆良等,1992)。就森林的大气氮输入而言,目前中欧森林大气氮输入为2560 kghm- 2a- 1,大大超过了森林的年需要量(Kazda ,1990) ;在北美,森林地区大气氮沉降量一般为240 kghm- 2a- 1(Lovettet al. ,1982;Park2er ,1983)。在我国的一些森林中,已发现有很
10、高的氮沉降量,例如在江西分宜县大冈山林场的杉木(Cunninghamia lanceolata)林和马尾松(Pinus massoniana)林中,降雨氮输入分别为6016 kghm- 2a- 1和5710 kghm- 2a- 1(马雪华,1989)。长期而持续的高氮输入可导致森林土壤酸化。为了更好地说明氮在土壤酸化中的作用,有必要先概述氮在土壤中的迁移和转化。2 森林土壤中氮的迁移与转化森林土壤是森林生态系统最大的氮库,通常超过生态系统总氮量的85 %(Coleet al. ,1981)。大部分土壤氮是隋性的且对于植物吸收和土壤氮淋溶是无效的,只有缺乏严格定义的那部分 “可矿化的” 氮库才具
11、有生物学意义上的活动性。虽然NH+ 4强烈地吸附于阳离子交换场所,但在未受扰动的土壤中NH+ 4库很小。土壤中可交换的NH+ 4含量在施肥后的一个较短的时期内(612个月)可被提高,但随着被植物和异养微生物吸收,以及硝化作用、 挥发,而迅速降至低水平(Johnson ,1992)。硝化过程中产生的NO- 3可部分地被植物和微生物吸收,或在一些厌气土壤中被还原为气态氮(N2、N2O)。由于NO- 3难以吸附于大多数土壤中,所以在好气土壤中硝化作用总是导致NO- 3淋失的增加。土壤的低pH值通常不利于硝化作用(朱兆良等,1992) ,但在增加氮的有效性或降低植物氮需求的条件下,低pH土壤中的净硝化
12、也可发生(Jonhnson ,1988 ;McNultyet al. ,1990)。许多研究表明,在高大气氮输入的条件下,低pH土壤 也有显著的硝化率(Aberet al. ,1989;Van Breemenet al. ,1982;1987)。异养菌、 植物和硝化细菌之间对氮的竞争被认为在决定氮保留于生态系统内的程度中起重要作用(Rihaet al. ,1986)。输入森林生态系统的NH+4和NO- 3的去向主要决定于它们的供应动态、 土壤有效氮和有效碳状况,以及土壤中分解者群体对CN比率的要求(Duckworthet al. ,1991)。异养菌是最强的短期的氮竞争者(Schimelet
13、al. ,1989)。在氮成为有限基质的土壤中,异养微生物将对任何有效氮进行 激烈的竞争,导致氮的净固定。有效性氮的较大输入将对这种固定需求起更大的作用。一旦这种需求达到满足,进一步的氮输入将导致生态系统富氮,过剩的NH+ 4将引发硝化作用(Van Miegroetet al. ,1990)。林分年龄是决定森林生态系统中氮吸收量和氮增长率的重要因素(Johnson ,1992)。在生长的早期阶段,林地自瘦迅速,凋落物和养分归还在林分的发育过程中只是逐渐增加(Polglaseet al. ,1992)。在林冠郁闭之后,当富营养的叶片的生物量达到稳定状态时,森林对氮的吸收量和吸收增长率迅速下降 (
14、Turner ,1981)。所以,在氮输入相等的条件下,成熟森林中的NO-3淋失大于幼龄森林中的NO- 3淋失。Johnson(1992)在比较一些施肥试验之后指出,在缺氮的生态系统中,以同样的年施氮量,少量而频 繁的氮输入(类似于大气污染物氮的输入)将比传统的、 一次性施肥引起更多的氮淋溶。如果起初的硝化细菌群体数量低,则少量而频繁的氮输入似乎比一次性施肥更有利于硝化细菌群体数量的迅速增长。 如果硝化细菌的群体数量高,则不论输入的次数如何,硝化作用似乎都可以立即发生,NO- 3淋溶将更有211林业科学37卷 可能与过剩的氮输入成比例地增加。适量的NO- 3的输入可被森林生态系统所利用;过剩的
15、NO- 3将通过淋溶或可能的反硝化作用而从土壤中除去或有少部分在土壤中积累下来。随着氮的继续输入,其它资源(水分、 光、 其它养分)将成为限制因子。当氮通量(矿化和外部输入)与生物和土壤的吸收能力相等时,生态系统可被认为是达到了“氮饱和”(肖辉林等,1995)。3 氮在土壤酸化中的作用NH+ 4和NO- 3的沉降都能导致各种环境中的土壤发生酸化。土壤酸化涉及了包括植被、 土壤溶液和土壤矿物在内的氮迁移的过程。氮转化在酸的生成和消耗中的作用可被定量化(表1)。植物(或微生物)对阳离子的同化可能伴随着H+从植物体内转移到其环境土壤溶液中;而在阴离子同化中,H+可能被转移至植物体内。在离子吸收中,植
16、物通过提高或降低羧化酶的含量来调节细胞溶液的pH。如果植物同化阴离子多于阳离子(例如,当所有的氮以NO- 3供应时) ,则往往可通过CO2(或更确切地说通过H2CO3)的去质子反应就从近乎中性的土壤中实现H+的去除,导致土壤溶液中的HCO- 3的增加。如果同化阳离子多于阴离子(例如,当大多数氮以NH+ 4供应时) ,则往往可通过风化或离子交换反应来中和反应的副产物H+。所以,植物的氮营养在土壤-植被生态系统中质子帐中扮演着关键的角色。如果有机氮矿化为NO- 3和(或)NH+ 4的数量等于原来的同化量,则H+迁移过程达到平衡,整个过程对于生态系统的质子帐没有重要性。但是,当氮以肥料例如,以(NH4)2SO4、NaNO3或尿素或以大气污染物的形式输入时,氮反应在生态系统的H+帐中就显得极为重要。表1 H+迁移及有关过程的反应方程式Tab.1 Reaction equations of H+transfer and related processes从左至右的过程 Process from left to right反应方程
