全 文 ：第 34 卷第 22 期
2014年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.22
Nov.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家林业行业公益性科研专项(201404316);国家自然科学基金项目(31070410);湖南省自然科学基金创新群体项目(湘基金委字
[2013]7号);城市森林生态湖南省重点实验室运行项目;国家林业局软科学项目 ( 2013鄄R09);中南林业科技大学青年基金重点项目
(QJ2010008A)资助
收稿日期:2014鄄01鄄29; 摇 摇 修订日期:2014鄄08鄄22
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: csfuywd@ hotmail.com
DOI: 10.5846 / stxb201401290208
易浩宇,闫文德,梁小翠,欧阳硕龙,欧阳泽怡,郭津,何丹.酸雨胁迫下樟树林降水中无机阴离子变化特征.生态学报,2014,34(22):6528鄄6537.
Yi H Y,Yan W D,Liang X C,Ouyang S L,Ouyang Z Y,Guo J,He D.Variation of inorganic anions in precipitation in Cinnamomum cam forests. Acta
Ecologica Sinica,2014,34(22):6528鄄6537.
酸雨胁迫下樟树林降水中无机阴离子变化特征
易浩宇1,2,闫文德1,2,3,*,梁小翠1,2,3,欧阳硕龙4,欧阳泽怡1,2,郭摇 津1,2,何摇 丹1,2
(1. 中南林业科技大学,长沙摇 410004; 2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室,长沙摇 410004;
3. 城市森林生态湖南省重点实验室, 长沙摇 410004; 4. 湖南省林业科学院,长沙摇 410004)
摘要:对城市大气降水及城市樟树林穿透水、树干茎流、地表径流中的 SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、NO-2、 F
-、Br-、PO3-4 7种水溶性无机阴离子
进行了定位测定,Br-、PO3-4 未检出;主要的阴离子为 SO2
-
4 、NO
-
3,二者占总阴离子含量比例最大,占到 75.6%—89.0%,且在水文
学各分量中变异系数均值都很稳定,变动幅度在 0.40—0.47;在各分量中 SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、NO-2、F
-含量变化较大:大气降水、树干
茎流中均为 SO2-4 > NO
-
3 > Cl
-> F-> NO-2,穿透水为 SO2
-
4 > NO
-
3 > Cl
-> NO-2 > F
-,地表径流为 NO-3 > SO2
-
4 > Cl
-> F-> NO-2;穿透水
SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、F-、NO-2 淋溶系数分别为 3.83、2.61、4.18、4.32、16.06,树干茎流 SO2
-
4 、NO
-
3、Cl
-、F-、NO-2 淋溶系数分别为 7.52、
3郾 55、4.29、2.76、3.10,地表径流 SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、F-、NO-2 淋溶系数分别为 2.60、4.74、5.00、3.01、3.56,表明阴离子在樟树林水文学
过程中均表现出不同程度的富集效应;大气降水中 PH均值为 4.77,SO2-4 / NO
-
3 当量比值为 1.1,属于硫酸鄄硝酸混合型酸雨;大
气降水 SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、F-与穿透水中 SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、F-对应呈显著性正相关(P<0.01),大气降水 NO-3 与树干茎流 NO
-
3 呈显著
性正相关(P<0.01),地表径流中 SO2-4 、Cl
-与穿透水、树干茎流中 SO2-4 、Cl
-对应呈显著性正相关(P<0.01),说明樟树林能够吸附
大气中的酸性物,让酸性养分于自身系统内部吸收、迁移、络合,从而起到净化大气的效用;穿透水 pH与地表径流 NO-3、NO
-
2 呈
显著性负相关(P<0.01),与地表径流 SO2-4 呈显著性正相关(P<0.05),表明 NO
-
3、NO
-
2 有助于促进地表水的酸化,而 SO2
-
4 有利于
缓解地表水的酸化;穿透水 pH均值 5.62,对酸雨起到中和作用,树干茎流 pH均值 4.61,有被酸化趋势,地表径流 pH均值 7.19,
接近中性。
关键词:樟树; 无机阴离子; 穿透水; 树干茎流; 地表径流
Variation of inorganic anions in precipitation in Cinnamomum cam forests
YI Haoyu1,2, YAN Wende1,2,3,*, LIANG Xiaocui1,2,3, OUYANG Shuolong4, OUYANG Zeyi1,2, GUO Jin1,2,
HE Dan1,2
1 Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China
2 National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China,Changsha 410004,China
3 Key Laboratory of Urban Forest Ecology of Hunan Province, Changsha 410004, China
4 Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China
Abstract: Changes in 7 water鄄soluble ions including SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、NO-2、 F
-、Br-、PO3-4 of rainwater were investigated in
Camphor forest ecosystems in Changsha city, Hunan Province of China. Water samples were taken as rainfall above the
forest canopy, throughfall, stemflow and surface runoff in the forests. The result showed that Br- and PO3-4 were not detected
in all water samples. Both SO2-4 and NO
-
3 were the major inorganic anions in waters under Camphor forests, which accounted
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for 75.6—89.0% of the total anion contents in the forest ecosystems. The contents of anion decreased in an order: SO2-4 >
NO-3 > Cl
-> F-> NO-2 in rainfall and stemflow; SO
2-
4 > NO
-
3 > Cl
-> NO-2 > F
- in throughfall and NO-3 > SO
2-
4 > Cl
-> F-> NO-2
in surface runoff. The leaching coefficients were 3.8, 2.6, 4.2, 4.3 16.1; 7.5, 3.6, 4.3, 2.8 3.1; and 2.6, 4.7, 5.0, 3.0
3.6 for SO2-4 , NO
-
3, Cl
-, F-, NO-2 in throughfall, stemflow and surface runoff, respectively. The pH value averaged 4.77 in
rainwater and the ratio of SO2-4 / NO
-
3 was 1.1 in the study area, which indicated that the rainwater was a sulfuric鄄nitric
mixed acid rain. A significant positive correlation was found between rainfall and throughfall for all anions, except for NO-2 .
The NO-3 in rainfall was significantly and positively related to that in stemflow. There were a positive relationship of SO
2-
4 and
Cl- between throughfall and stemflow and surface runoff. The pH was 5.62, 4.61 and 7.19 in throughfall, stemflow and
surface rounff, respectively.Our results demonstrated that Camphor forest ecosystems had a relative high ability to purify acid
rainfall through adsorbing, uptaking, leaching and neutralizing processes.
Key Words: camphor forest; inorganic anions; through鄄fall; stem鄄flow; surface runoff
摇 摇 近年来,世界已出现了第三大酸雨区,该地区包
括我国长江以南广大地区、台湾岛、日本列岛、朝鲜
列岛,其中中国地区的酸雨面积最大、酸性最强,酸
雨地区占到中国国土面积的 30%。 酸雨对陆地生态
系统以及水生生态系统的影响已越来越严重,引起
了国内外高度关注[1鄄7]。 酸雨对森林生态系统危害
巨大,能加速森林衰退,对树高以及树木材积生长有
抑制作用,还能引起土壤性质的一系列变化,使重金
属活化,从而抑制土壤中微生物的活性,使其数量减
少,导致土壤贫痔化,如酸化的土壤能够使 Ca 大量
流失,又使固态的 Al 溶解释放出来,当土壤溶液中
Al含量上升和 Ca含量减少到一定极限时,能够抑制
植物的生长。 酸雨可使湿地如河流、湖泊等酸化,促
进底泥中重金属 Al 等溶解并进入水环境中毒害生
物、污染饮用水源。 不仅如此,酸雨还会损害文物古
迹,腐蚀、侵蚀建筑物等。
酸雨中起到主要致酸作用的就是酸根离子,而
绝大部分酸根离子都是阴离子,其中 SO2-4 、NO
-
3、Cl
-
最为常见,也是酸雨中最主要组成成分,酸雨之所以
有如此巨大的破坏力,究其根本原因就是这些酸根
阴离子在起作用,如无机阴离子能与重金属离子络
合,直接影响重金属在环境中的迁移以及作物吸
收[8],同时无机阴离子对铁的腐蚀、水解过程均有影
响。 目前我国有关大气、PM2.5、穿透水中水溶性无
机离子的研究报道比较多[9鄄13],对无机离子在森林
降水的研究比较少,特别是树干茎流、地表径流等有
关无机离子养分的研究更少。 本文通过对亚热带地
区大气降水、城市樟树林的穿透水、树干茎流、地表
径流中无机阴离子的特征研究,旨在了解该生态系
统中无机阴离子输入输出的规律,为该林分在今后
酸雨的科学研究、经营管理中提供必要的理论依据
和基础数据。
1摇 研究地概况与研究方法
1.1摇 研究地概况
试验地设在中南林业科技大学内部的城市森林
生态研究站,中南林业科技大学位于长沙市市内,地
理位置为 111毅54忆—114毅15忆E,27毅51忆—28毅40忆N,海
拔 50—200m,属典型的亚热带湿润气候,年均降水
量 1361. 6 mm,集中于 4—7 月,约占全年降水的
45%,年相对湿度为 80%,年平均气温 17.4 益,本试
验区地层古老,母岩以第四纪红壤为主,风化程度比
较深,土壤为森林红壤,呈酸性。 试验林林分是 1984
年人工营造的以樟树(占林地树种面积的 85%)为优
势种(与其它树种一起种植)的混合林,主要植物为
常绿树种,生长有莽草( Illicium lanceolautum)、木莲
(Manglietia fordiana )、 凹叶冬青 ( Ilex championii
Loes)、格药柃(Eurya muricata Dunn)、湿地松(Slash
pine)、枫香(Liquidambar formosana)、杜仲(Eucommia
ulmoides)、醉香含笑(Michelia macclurei Dandy)、桂
花(Osmanthus fragrans)等乔木树种。 造林前进行了
平梯整地,造林后处于半自然状态,现郁闭度为
0郾 7—0. 8。 林 下 植 物 主 要 有 女 贞 ( Ligustrum
lucidum)、小叶女贞 ( Ligustrum quihoui)、凤尾蕨
(Pteris multifida Poir)、菝葜( Smilax china)、山胡椒
(Lindera glauca)、油茶(Camellia oleifera Abel)、木莓
9256摇 22期 摇 摇 摇 易浩宇摇 等:酸雨胁迫下樟树林降水中无机阴离子变化特征 摇
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(Fructus Rubi )、大叶黄杨 ( Buxus megistop Hylla
Levl)、南蛇藤(Celastrus orbiculatus Thunb)、满树星(Ilex
aculcolata Nakai)、铁芒萁(Dicranopteris dichotoma)等。
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 林外降水测定
将标准雨量接收器放置于林内观测塔塔顶,接
收林冠以上的大气降水。 为避免污染物、昆虫等,于
漏斗口处布置一层精制网状塑料纱布,进行过滤,并
对纱布定时清洗。 为防止藻类生长及保持雨量器清
洁,每次水样收集完成后,用去离子水对雨量接收器
进行冲洗。
1.2.2摇 林内穿透水的测定
根据林内林分的分布,选出林分分布均匀、林冠
枝叶结构能够代表树冠平均的位置 3处,每处选出 1
株与标准木相接近的樟树,樟树下方沿等高线选出 3
个具有代表性的采样点,采样点为树冠投影半径的
0.6—0. 65 倍的位置,将雨量接收器放置于各采
样点[14]。
1.2.3摇 树干茎流的测定
根据试验林分树高、林木密度、冠型结构及树干
分枝角度等综合状况对观测样树进行选择。 并按林
木径阶分级挑选出观测样树,每个径级选择 3 株,每
株样树用直径为 2 cm 沿中缝剖开的 PVC 软管由胸
径处从上往下螺旋状缠绕于树干上,用结构玻璃胶
粘牢,基部放置玻璃集水器收集树干茎流[14]。
1.2.4摇 地表径流的测定
林内设置有 20 m伊5 m的径流场 2处,平均坡度
为 25毅,把径流场四周砌成 10 cm 高混凝土围墙,并
在径流场出口处设置测流堰,分别测定收集地表
径流[15]。
1.2.5摇 采样时间及分析方法
根据降雨性质、天气情况及实验目的,分别于
2012年 11、12 月、2013 年 1 月、2 月、3 月、4 月进行
取样,共计取水 24 次,其中穿透水、树干茎流、地表
径流一一对应的降水次数为 20 次。 每次取样后,立
即对水样进行 pH测定,并对过滤处理后的样品通过
离子色谱仪 ICS鄄900进行数据采集,采用 SPSS、Excel
程序进行数据分析、计算。
2摇 结果与分析
2.1摇 林外降水中无机阴离子含量
由表 1可知,大气降水 pH 均值为 4.77,除 4 月
份降雨 pH均值达到 5.38以外,其他月份降水 pH均
值都小于 5.0,表明研究地区降雨为酸雨;5种水溶性
无机阴离子中, SO2-4 含量最高,其范围 17. 77—
120郾 35 滋eq / L,平均含量达到 76.44 滋eq / L;其次是
NO-3 含量,平均为 69.69 滋eq / L;林外降水无机阴离
子含量按大小排序为 SO2-4 > NO
-
3 > Cl
-> F-> NO-2;不
同月份降水阴离子含量有差异,但总体来说,5 种离
子变化规律具有一定相似性,Cl-、F-、NO-2 均在 11
月份出现最大值,SO2-4 、NO
-
3 在 12 月份出现最大值,
5种离子均在 4月份达到最小值;此外,通过对 24 次
林外降水研究分析:SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、F-之间均呈现出
显著正相关(P<0.01),且相关系数均大于 0.58,其中
SO2-4 与 NO
-
3 相关系数更是达到了 0.95;SO2
-
4 、NO
-
3、
Cl-、F-含量与降水量呈显著性负相关(P<0.01),且
相关系数分别为-0.53、-0.50、-0.51、-0.54,说明大
气降水中阴离子受降雨量影响比较大,且表现为随
降雨量减小而增大的趋势,值得注意的是,1 月份降
雨量只有 28.47 mm,但各阴离子含量均比较低,那是
表 1摇 林外降水无机阴离子含量
Table 1摇 Concentrations of inorganic anions of precipitation outside forest
日期 Date F
-
/ (滋eq / L)
Cl-
/ (滋eq / L)
NO-2
/ (滋eq / L)
SO2-4
/ (滋eq / L)
NO-3
/ (滋eq / L)
pH 降雨量Rainfall / mm
2012鄄11 10.31(0.79) 27.15(0.55) 7.15(0.35) 118.46(0.72) 112.47(0.73) 4.98 124.21
2012鄄12 6.95(0.35) 19.21(0.50) 3.98(0.53) 120.35(0.52) 113.73(0.47) 4.66 105.32
2013鄄01 6.79(0.33) 21.21(0.69) 1.09(0.57) 49.54(0.13) 30.44(0.39) 4.36 25.47
2013鄄02 5.16(0.92) 18.11(0.58) 3.37(0.10) 70.33(0.50) 71.32(0.43) 4.64 95.34
2013鄄03 5.89(0.32) 13.86(0.24) 4.17(-) 82.16(0.20) 80.31(0.26) 4.58 138.40
2013鄄04 2.84(0.49) 4.51(0.53) 0.26(1.17) 17.77(0.34) 9.85(0.37) 5.38 246.70
平均 Average 6.32(0.53) 17.34(0.51) 3.34(0.54) 76.44(0.40) 69.69(0.44) 4.77 122.57
摇 摇 括号内数值为变异系数
0356 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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因为 1月份 3.0 mm以上降水事件只发生了 2 次,分
别为 11.42 mm、17.05 mm,从单日降水量来看,算是
雨量比较大的降水事件了。 NO-2 与其它 4 种阴离子
相关性不显著;从变异系数分析发现,NO-2 的变异系
数均值最大,为 0. 54,其次是 F-,为 0. 53;而 SO2-4 、
NO-3 变异系数均值较小,虽然这两种离子含量很高,
但各自内部的变化差异还是较小的。 此外,11 月份
各离子变异系数偏高,F-、SO2-4 、NO
-
3变异系数均达到
最大值,说明这 3种阴离子在 11 月份不仅含量特别
高,而且变化差异也比较大,相比 3 月份,SO2-4 、NO
-
3、
Cl-、F-变异系数均达到最小值,表明 3 月份降水中
阴离子含量变化是最稳定的。 从表 1 中还可以得
出,SO2-4 / NO
-
3当量比值在 0.99—1.80,2 月份最低,4
月份最高,平均当量比值为 1.1,而我们通常把 SO2-4 /
NO-3当量比值作为判断大气降水是硫酸型还是硝酸
型的依据,很明显研究地区酸雨为硫硝酸混合型。
2.2摇 林冠层中穿透水无机阴离子含量
林冠层穿透水与降水的变化有密切关系。 由表
2可知,穿透水中 SO2-4 含量最高,平均 293.10 滋eq /
L;而 F-浓度最低,平均 27.32 滋eq / L;穿透水中无机
阴离子平均含量按大小排序为 SO2-4 > NO
-
3 > Cl
- >
NO-2 > F
-;5 种阴离子均呈现出不同程度的富集现
象,其中 NO-2 表现尤为明显,其浓度为林外雨的 16.1
倍,SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、F-浓度分别为林外雨的 3.8 倍、
2郾 6倍、4.2倍、4.3 倍,这说明樟树林林冠层对含 S、
NOx、Cl、F等酸性物质有较强的吸附能力;通过对 24
次穿透水相关性分析发现:除 SO2-4 与 NO
-
2 之间是显
著相关以外,其它情况均呈现显著正相关(P<0.01),
尤其是 SO2-4 、Cl
-、F-之间相关系数均大于 0. 91,而
SO2-4 与 NO
-
3 相关系数也达到了 0.86;从各离子变化
情况来看,5种阴离子含量在 1 月份均达到最大值,
并且各阴离子含量与林外降水中的含量差距最大:
NO-2、SO2
-
4 、NO
-
3、Cl
-、F-含量分别为同月份林外降水
的 170.1倍、9.6 倍、8.7 倍、6.3 倍、6.3 倍;值得注意
的是,通过相关性分析发现,穿透水 SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、
NO-2、F
-与降雨量相关性不显著,说明降雨量对穿透
水中无机阴离子含量影响不大;除 NO-2 在 12月份变
异系数达到最大的 1.58以外,SO2-4 、NO
-
3、Cl
-、F-变异
系数主要在 11月份数值较大,到了 3 月份各离子变
异系数明显下降;穿透水中 SO2-4 、NO
-
3 变异系数均值
与林外降水的几乎没有差别,分别为 0.43、0.40,但相
比穿透水其它离子变化差异就比较大了。 穿透水
pH均值 5.62,对比林外降水 pH上升明显,说明樟树
林对酸雨起到一定中和作用,这是因为樟树林林冠
层能够与酸性降水发生强烈的相互作用,如 H+与树
叶内部阳离子发生交换,酸沉降对分泌物的淋洗等,
使穿透水化学性质发生改变。
表 2摇 樟树林穿透水无机阴离子含量
Table 2摇 Concentrations of inorganic anions of precipitation inside forest
日期
Date
F- /
(滋eq / L)
Cl- /
(滋eq / L)
NO-2 /
(滋eq / L)
SO2-4 /
(滋eq / L)
NO-3 /
(滋eq / L)
pH
2012鄄11 37.79(0.69) 90.23(0.78) 10.54(0.56) 368.04(0.80) 312.00(0.66) 6.13
2012鄄12 38.47(0.76) 120.11(0.66) 70.41(1.58) 313.98(0.54) 202.77(0.50) 6.00
2013鄄01 42.68(0.50) 134.48(0.42) 185.43(0.28) 477.31(0.39) 265.68(0.95) 5.28
2013鄄02 14.58(0.42) 41.8(0.55) 25.48(1.34) 246.07(0.53) 140.21(0.44) 5.19
2013鄄03 18.16(0.19) 31.89(0.08) 25.07(0.36) 202.81(0.08) 130.05(0.16) 5.43
2013鄄04 12.21(0.32) 16.20(0.05) 4.98(0.41) 150.40(0.69) 40.85(0.53) 5.71
平均 Average 27.32(0.24) 72.45(0.33) 53.65(0.32) 293.10(0.43) 181.93(0.40) 5.62
2.3摇 树干茎流中无机阴离子含量
由表 3可知,树干茎流中 SO2-4 含量最高,最大
值达到了 1141. 51 滋eq / L,平均浓度 574. 59滋eq / L,
NO-2 含量最小,平均 10. 34 滋eq / L,两者之间相差
55郾 6倍;阴离子含量排序为 SO2-4 > NO
-
3 > Cl
- > F- >
NO-2;树干茎流中各离子养分均出现不同水平富集
效应,相对于穿透水,SO2-4 、NO
-
3、Cl
-富集效应更为明
显,这可能与樟树树皮的性质特征有一定的联系;5
种阴离子变化趋势也比较一致,均在 1 月份出现最
大值,4月份均呈现出明显下降;通过对 20次树干茎
流分析发现:F-与其它 4 种离子相关性不显著,NO-3
与 NO-2 相关性也不显著,其它两两离子之间均呈现
1356摇 22期 摇 摇 摇 易浩宇摇 等:酸雨胁迫下樟树林降水中无机阴离子变化特征 摇
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显著正相关(P<0.01),其中 SO2-4 与 NO
-
3 相关系数
更是达到了 0.95;需要注意的是,树干茎流中 SO2-4 、
NO-3、Cl
-、NO-2、F
-含量与降雨量相关性不显著,表明
降雨量对树干茎流无机阴离子影响也不大;从变化
情况来看,SO2-4 、NO
-
3、Cl
-变异系数均在 2 月份最大,
F-变化差异性最小,虽然 1 月份各阴离子含量均达
到最大值,但它们的变异系数普遍都较小,说明樟树
树干在 1月对阴离子的吸附能力最强,4月时降到最
低;另外,SO2-4 、NO
-
3 变异系数均值分别为 0.43、0.40,
对比林外降水、穿透水几乎没有变化。 树干茎流平
均 pH值为 4.61,有被酸化,这可能与樟树树皮有关
系,而 Nakanishi等对日本的雪松研究发现,茎流雨
中 pH值的降低主要是由于生物体内分泌有机酸造
成的[16]。
表 3摇 树干茎流无机阴离子含量
Table 3摇 Content of inorganic anions in stem鄄flow
日期 Date F
- /
(滋eq / L)
Cl- /
(滋eq / L)
NO-2 /
(滋eq / L)
SO2-4 /
(滋eq / L)
NO-3 /
(滋eq / L)
pH
2012鄄11 15.79(0.26) 73.66(0.22) 9.30(0.17) 469.85(0.58) 207.18(0.55) 5.32
2012鄄12 10.42(0.31) 65.63(0.45) 4.87(0.62) 579.43(0.59) 268.65(0.57) 4.98
2013鄄01 26.26(0.23) 193.04(0.19) 38.91(0.35) 1141.51(0.23) 439.31(0.16) 4.15
2013鄄02 20.89(0.15) 72.06(0.63) 3.61(0.12) 752.79(0.70) 299.55(0.62) 4.35
2013鄄03 19.21(0.21) 26.37(0.30) 4.11(-) 269.91(0.20) 158.00(0.24) 4.27
2013鄄04 12.26(0.27) 15.69(0.18) 1.24(0.35) 234.02(0.26) 111.92(0.25) 4.58
平均 Average 17.47(0.24) 74.41(0.33) 10.34(0.32) 574.59(0.43) 247.44(0.40) 4.61
2.4摇 地表径流中无机阴离子含量
由表 4可知,地表径流中 NO-3 含量最高,平均
330.40 滋eq / L,NO-2 含量最低,平均为 11.88 滋eq / L;5
种阴离子含量排序 NO-3 > SO2
-
4 > Cl
- > F- > NO-2;NO
-
3
在 2月份含量最高,达到 840.77 滋eq / L,11 月最低,
其它 4种离子均在 12月份达到最大值,又都在 4 月
份降到最低值;对 21次地表径流水样进行相关性分
析:NO-3 与其它离子之间相关性不显著,而 SO2
-
4 、
Cl-、F-、NO-2 之间均表现为显著正相关(P<0.01);地
表径流中 NO-3、SO2
-
4 、Cl
-、F-、NO-2 受降雨量影响不
大,它们与降雨量相关性不显著;对比穿透水,地表
径流中 F-、SO2-4 、NO
-
2 含量都呈现下降趋势,而 Cl
-、
NO-3 含量则表现为增加,变化差异最大的是 NO
-
2,平
均变异系数为 0.52;SO2-4 、NO
-
3 平均变异系数分别为
0.46、0.47,相对林外降水、穿透水、树干茎流差别不
是很大;地表径流平均 pH值为 7.19,接近中性。
表 4摇 地表径流无机阴离子含量
Table 4摇 Content of inorganic anions in surface runoff
日期 Date F
- /
(滋eq / L)
Cl- /
(滋eq / L)
NO-2 /
(滋eq / L)
SO2-4 /
(滋eq / L)
NO-3 /
(滋eq / L)
pH
2012鄄11 17.95(0.45) 57.24(0.53) 4.33(0.49) 246.29(0.72) 23.4(0.68) 7.77
2012鄄12 31.21(0.60) 260.08(0.54) 24.22(0.75) 339.64(0.54) 68.00(0.36) 7.70
2013鄄01 19.11(0.42) 92.82(0.35) 9.02(0.33) 243.27(0.38) 380.61(0.55) 6.80
2013鄄02 20.47(0.24) 61.13(0.33) 14.57(0.66) 174.22(0.45) 840.77(0.34) 6.97
2013鄄03 16.95(0.16) 35.49(0.18) 14.13(0.32) 135.74(0.13) 586.85(0.24) 6.97
2013鄄04 8.37(0.26) 13.58(0.22) 5.00(0.56) 51.70(0.57) 82.77(0.58) 6.92
平均 Average 19.01(0.36) 86.72(0.36) 11.88(0.52) 198.48(0.47) 330.40(0.46) 7.19
2.5摇 降水中淋溶系数
淋溶系数的计算公式为:
M =
Q - Q0
Q0
2356 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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式中,M 代表水文指标中的目标离子(如穿透水中
NO-3,地表径流中的 SO2
-
4 )淋溶系数;Q 代表水文指
标中目标离子含量;Q0 为林外降水中目标离子含
量。 下表列出的淋溶系数的确定,是按照各水文指
标目标离子所有月份平均含量值确定的,能够反映
各水文指标中目标离子总的淋溶情况。 由表 5 可
知,5种阴离子淋溶系数均大于 1,说明这 5 种阴离
子在本次樟树林水文学过程中没有出现负淋溶现
象,表明植物体本身并没有吸收这 5 种离子;总体来
看,Cl-在水文学过程中变化最小,淋溶系数变化最
稳定;穿透水淋溶系数最大为 NO-2,16. 06,最小为
NO-3,2. 61;树干茎流中淋溶系数最大的是 SO2
-
4 ,
7郾 52,最小是 F-,2.76;地表径流中淋溶系数最大的
是 Cl-,5.00,NO-3 也达到 4郾 74,最小的是 SO2
-
4 ,2.60。
表 5摇 降雨净淋溶离子含量和淋溶系数
Table 5摇 Net leaching ion content and leaching coefficient
项目 Project F- Cl- NO-2 SO2-4 NO-3
穿透水净淋溶量 Net leaching of through鄄fall water / (滋eq / L) 21.00 55.11 50.31 216.66 112.24
树干茎流淋溶量 Net leaching of stem鄄flow / (滋eq / L) 11.15 57.07 7.00 498.15 177.75
地表径流淋溶量 Net leaching of surface runoff / (滋eq / L) 12.69 69.38 8.54 122.04 260.71
穿透水淋溶系数 Leaching coefficient of through鄄fall water 4.32 4.18 16.06 3.83 2.61
树干茎流淋溶系数 Leaching coefficient of stem鄄flow 2.76 4.29 3.10 7.52 3.55
地表径流淋溶系数 Leaching coefficient of surface runoff 3.01 5.00 3.56 2.60 4.74
3摇 结论与讨论
3.1摇 不同城市大气降水中化学性质特征
通过对我国不同城市地区大气降水的特征研究
发现,大部分地区降水中阴离子主要以 SO2-4 、NO
-
3 为
主,普遍表现为 SO2-4 浓度大于 NO
-
3 浓度,而 SO2
-
4 、
NO-3 是降水致酸的首要因子。 SO2
-
4 / NO
-
3 当量比值
不仅可以反映酸雨的特征,还可以用来估算 SO2-4 和
NO-3 对酸雨的相对贡献。 研究区域大气降水中,
SO2-4 / NO
-
3 为 1. 1, 低于临安 ( 2. 36 ) [17]、 深圳
(1郾 72) [18]、宁波天童(1郾 90) [19]、北京(3郾 1) [20]、重
庆(8郾 1) [21],高于美国东部纽约市(0郾 8) [22]。 国内
是以煤炭为主要的能源消费模式,所以 SO2-4 浓度
大,而美国则主要以石油为主,所以 NO-3 浓度大;虽
然 1郾 1的比值并不能代表年均值,但从一定程度上
说明长沙地区酸雨为硫酸-硝酸复合型,并且相对其
他地区来说 NO-3 对酸雨的贡献要大很多,出现这种
情况,与长沙市与日俱增的机动车数量是不无关系
的,加之实验区临近城市道路主干道,校园内部车流
量大,人为影响大。 对于上述情况,从有关报道中可
以看出端倪:蒋益民等[23]对长沙市 1992—2001年大
气降水化学性质作出了研究,结果得出 SO2-4 、NO
-
3、
Cl-、F-平均含量分别为 186郾 83、23郾 86、13郾 43、7郾 89
滋eq / L,SO2-4 / NO
-
3 为 7郾 97,降水 pH 为 4郾 05;对比
1992—2001年的长沙,本次研究地大气降水 SO2-4 下
降 68.83%,NO-3 上升 112.03%;Cl
-变化较小,下降 6.
55%,且 F-下降也比较明显,为 35.87%,SO2-4 / NO
-
3
更是下降 86.20%,pH 上升也非常明显,出现这种情
况,一方面长沙并非全国典型重工业区,加之长沙市
政府出台了关于控制大气污染物的政策措施,自
2000年以来对 SO2的排放作出了严格控制,从而降
低了 SO2-4 含量,另一方面,长沙市机动车数量与日
俱增,加大了 NOX的排放,致使 NO
-
3 对降水的贡献比
例越来越大,使得 SO2-4 与 NO
-
3 当量比下降明显就不
足为奇了;大气环境中主要污染物 SO2、NO2分别是
大气降雨中 SO2-4 、NO
-
3 的主要前身因子,也是引起酸
雨的主要因素。 表 6是 2012 年 11 月—2013 年 4 月
长沙市大气环境中 SO2、NO2含量数据,从表中易知,
大气环境中 SO2、NO2含量均在 1 月出现最高值,分
别为 0.051、0.068 mg / m3,又均在 2月降到最低值,分
别为 0.023、0.033 mg / m3;值得注意的是长沙地属亚
热带典型季风气候,采样期间气象条件以西北风为
主,试验地恰好又处在长沙市中心南部,而 4 月份长
沙主风向并不是西北风,这便正是 4 月份大气环境
中虽然 SO2、NO2含量相对不低,但大气降水中各无
机阴离子含量显著降低的原因。 此外,从大气降水
阴离子含量排列顺序来看,NO-3 含量大于 Cl
-含量,
我国内陆城市一般都满足这个规律。 但由于受海洋
因素的影响,大多数沿海城市 Cl-含量要大于 NO-3 含
量,Cl-含量对沿海地区酸雨的贡献也是很大的,如
3356摇 22期 摇 摇 摇 易浩宇摇 等:酸雨胁迫下樟树林降水中无机阴离子变化特征 摇
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长江三角洲地区[17]、深圳市[18]等。 通过对比我国各
大城市 Cl-含量发现,离海岸线越远的地区 Cl-含量
越小,有研究表明长沙市大气降水 Cl-海洋来源只占
5.3%[23],其它可能原因如气候条件、化工厂和工业
的排放、农药喷洒、垃圾处理等。
表 6摇 长沙市大气环境中 SO2、NO2含量
Table 6摇 The contents of SO2、NO2 in Changsha city atomospHeric environment
指标 Target 2012鄄11 2012鄄12 2013鄄01 2013鄄02 2013鄄03 2013鄄04 平均 Average
SO2 / (mg / m3) 0.033 0.035 0.051 0.023 0.037 0.035 0.036
NO2 / (mg / m3) 0.055 0.052 0.068 0.033 0.050 0.053 0.052
摇 摇 *数据来源于长沙市环保局
3.2摇 穿透水、树干茎流养分特征及其与大气降水的
联系
樟树林穿透水、树干茎流阴离子中 SO2-4 含量均
是最大的,这与原始红松林[24]、马尾松林、木荷
林[25]、落叶松林[26]等研究结果一致,说明 SO2-4 是阴
离子在森林降雨中最主要的组成成分。 樟树林穿透
雨和树干茎流中 NO-3 平均含量是要大于 Cl
-的,这与
以马尾松为主的铁山坪森林[27]情况相似,而大兴安
岭的落叶松林[26]、贵州雷公山森林[27]中 NO-3 平均
含量是要小于 Cl-的。 樟树林穿透雨中 SO2-4 / NO
-
3
当量比值为 1.6,树干茎流中的当量比值为 2.3,这与
马尾松林[25]中穿透雨的 14.1、树干茎流的 15.3,木
荷林[25]中穿透雨的 11.8,树干茎流的 10.8 是相差比
较大的,这可能与不同林分树叶、树皮、树枝等有关
系,也能从侧面反映樟树林对 NO-3 具有比较强的吸
附能力,说明把樟树作为长沙市市树是有很大联系
的。 樟树林穿透雨对比林外降雨 pH有明显提升,马
尾松林穿透雨 pH 变化则有所下降或者变化不
大[27],这是因为针叶冠层主要反应为干沉降,而干
沉降是酸性物质的重要来源,加之针叶植物分泌的
酸性物质随雨水冲刷,从而增强了穿透水酸度。
从表 7可以看出,大气降水对穿透水的影响大
于对树干茎流的影响,大气降水 NO-2 与穿透水 NO
-
2
相关性不显著外,其它情况均呈极显著性相关,表明
穿透水中阴离子含量受大气降水中阴离子含量影响
很大,而树干茎流中除 NO-3 与大气降水 NO
-
3 相关性
显著以外,其它情况相关性均不显著。
表 7摇 大气降水阴离子与穿透水、树干茎流同种阴离子相关关系
Table 7摇 AtmospHeric precipitation anion and throughfall, stemflow anion correlation
项目 Project
无机阴离子 Anion
F- Cl- NO-2 SO2-4 NO-3
穿透水与大气降水同种阴离子
The same anion between through鄄fall and rain fall 0.789
** 0.764** -0.209 0.695** 0.917**
树干茎流与大气降水同种阴离子
The same anion between stem鄄flow and rain fall
-0.153 0.392 -0.347 0.401 0.568*
摇 摇 **在 0.01水平上显著相关; *在 0.05水平上显著相关
3.3摇 地表径流养分特征及其与穿透水、树干茎流的
联系
研究地是以樟树为主的混交林,主要植物为常
绿树种。 樟树林地表径流 pH 值范围在 6.80—7.77
范围内变动,平均值为 7.19,接近中性,这是因为土
壤中含钙和镁的碳酸盐,容易与 H+发生反应,从而
起到中和酸雨的作用;也可能与枯枝落叶层以及土
壤的酸碱度有关系。 樟树林地表径流以 NO-3、SO2
-
4 、
Cl-为主要阴离子,这些与刘鸿雁[28]、郭艳娜[29]对缙
云山常绿阔叶林地表径流研究结果一致。 樟树林地
表径流中 NO-3 含量占到整个阴离子总量的 51.1%,
大于 SO2-4 的含量值,而刘鸿雁[28]、邱清燕[30]对常绿
阔叶林地表径流的研究显示,SO2-4 含量要大于 NO
-
3,
出现这种差异可能与地理位置、气候条件、植被种类
等有很大关系。 樟树林地表径流中 NO-3 浓度达到
330.40 滋eq / L,不难发现樟树林地表径流中 NO-3 是
易于流失的;有关裸露地、针阔混交林和常绿阔叶
林,郭艳娜的研究发现,地表径流中 NO-3 浓度按大小
排列顺序为裸露地>常绿阔叶林>针阔混交林,说明
4356 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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常绿阔叶林比针阔混交林地表径流中的 NO-3 更容易
流失;同时樟树林地表径流中 NO-2、SO2
-
4 浓度都是比
较高的,而郭艳娜研究中 NO-2 的浓度变化为常绿阔
叶林>针阔混交林>裸露地,SO2-4 的浓度变化为常绿
阔叶林>针阔混交林>裸露地,说明常绿阔叶林地表
径流中 NO-2、SO2
-
4 也都是很容易流失的。
此外,由表 8看出,通过对樟树林穿透水与地表
径流分析发现:穿透水的 pH 对地表径流中 NO-2、
SO2-4 、NO
-
3 浓度有影响,其中穿透水 pH 在 4. 75—
6郾 31范围内变化,地表径流 NO-3 浓度与穿透水 PH
呈现极显著性负相关( r= -0.638,N= 24),而 SO2-4 浓
度与穿透水 pH 呈现显著性正相关( r = 0.382,N =
24),这与丘清燕[30]鼎湖山季风常绿阔叶林在酸沉
降模拟条件下对地表径流化学性质影响结果一致,
表明 NO-3 有助于促进地表水的酸化,而 SO2
-
4 有利于
缓解地表水的酸化;穿透水 pH 也与 NO-2 呈极显著
性负相关( r= -0.619,N= 24)。
从表 8中还可以看到,穿透水、树干茎流中 Cl-、
SO2-4 均与地表径流中 Cl
-、SO2-4 呈极显著性正相关,
相关系数分别达到 0.609、0.625、0.644、0.771,这是
因为树冠层、树干树皮中的含 Cl-、SO2-4 沉降物质被
雨水淋洗下来,也可能是大气降水与冠层发生相互
作用,洗脱叶片内含 Cl-、SO2-4 物质。 表明地表径流
中 Cl-、SO2-4 浓度受穿透水、树干茎流的影响较大,而
地表径流中 F-、NO-2、NO
-
3 浓度则与穿透水、树干茎
流相关性不显著,且 NO-2、NO
-
3 相关系数均为负,说
明地表径流中 F-、NO-2、NO
-
3 浓度受穿透水、树干茎
流的影响不大,这可能是因为地表径流中的 F-、
NO-2、NO
-
3 主要来自于枯枝落叶层的分解、土壤表层
的堆积或土壤岩石的风化等。
总之,在樟树林这个森林系统中,穿透水、树干
茎流、地表径流中的无机阴离子都与外部环境有很
大的联系,大气中的污染物质以水溶离子的形态进
入樟树林内部被吸附,进而在森林内部迁移、转化。
所以,樟树林对大气环境具有调节作用,能够减少大
气环境中的酸性污染物质,进而起到净化大气、缓解
酸雨的重大功效。
表 8摇 地表径流阴离子与穿透水、树干茎流同种阴离子、穿透水 pH的相关关系
Table 8摇 Correlation between surface runoff anion and throughfall, stemflow anion, throughfall pH
项目 Project
无机阴离子 Anion
F- Cl- NO-2 SO2-4 NO-3
穿透水 pH与地表径流阴离子
Throughfall PH and surface runoff anion 0.085
-0.08 -0.619** 0.382* -0.638**
穿透水与地表径流同种阴离子
The same anion between throughfall and sueface runoff 0.421 0.609
** -0.064 0.625** -0.135
树干茎流与地表径流同种阴离子
The same anion between stemflow and surface runoff
-0.028 0.644** -0.021 0.771** -0.171
摇 摇 **在 0.01水平上显著相关; *在 0.05水平上显著相关
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