全 文 ： 1997—07—22收稿。
王彦辉副研究员(中国林业科学研究院森林生态环境研究所 北京 100091) ; Peter Rademacher, Hors t F o¨ lster ( Th e
Inst itute of S oil Sciences an d Forest N ut rition , 37077 Go¨ t t ingen , Germany) .
* 本文为第一作者在德国所作博士论文中的部分内容。
水分和温度对挪威云杉林枯枝落叶层
浸提液 pH 值的影响*
王彦辉 Peter Rademacher Horst Fo¨lster
摘要 在室内控制条件下研究了含水量和温度对富含 NH+4 的严重酸化挪威云杉林枯枝落叶
层物质饱和浸提液 pH 值的影响,包括未分解层 OL、半分解层 O F 和已分解层 O H, 在为期 1 a 的实
验期间内没有元素的输入、淋失和根系吸收, 但可相对自由地进行气体交换。实验分 4 个水分处理
(从几乎风干到各种被分解物的饱和含水量)和 3 个温度处理 (年均温度分别为 11. 6、12. 3、14. 5
℃)。干旱使枯枝落叶浸提液 pH 值明显下降, 极端干旱条件下 H+饱和浸提量为初始值的 2. 2～2.
7 倍。为避免pH 值急剧下降, 枯枝落叶层的含水饱和度应维持在 60%～80%。如果O L 的含水饱和
度小于 30% , OF 和 O H小于 50% , 则浸提液pH 值低于初始值。干旱条件下, 富含NH+4 的酸化枯枝
落叶也会发生氨挥发, 并且在 pH 值下降中起着十分重要的作用。在应用温度范围内, 温度差别对
pH 值变化的影响很小。
关键词 挪威云杉 枯枝落叶层 土壤酸化
气候变化最重要的后果是全球变暖和夏季干旱。据预测, 100 a 内全球平均近地面气温将
升高 1. 5～4. 5 ℃。气候变暖会使全球整体降水量增加(每升高 1℃增加 2%～3%的降水) ,然
而一般来说, 陆地夏季降水量会减少,并由此造成土壤干旱[ 1]。
酸沉降使土壤酸化和森林受害, 也是一个长期性的全球环境问题。近些年来日益明显的气
候变化将会对土壤酸化、土壤化学性质和森林受害产生什么影响, 是一个到目前为止尚未得到
足够研究的重大问题。另外,研究气候和水分环境条件与土壤酸化的关系,将有助于合理地进
行森林管理, 减轻森林受害。为此,于 1993年 3月底开始,进行了为期 1 a 的严重酸化挪威云
杉( Picea abies Karst . )林枯枝落叶层的分解实验。
1 试验地点
试验地点设在德国下萨克森州 Hochsolling ( 51°40′N , 9°30′E)的 60年生挪威云杉林内,
Solling 计划 [ 2～4]的试验区就在这里, 行政上隶属格廷根( G o¨t t ing en)西北 50 km 的 Neuhaus。
研究地点为一广阔平地,海拔高度500 m,年均气温6. 4℃, 年均降水量1 088 mm [ 2]。地质特征
为由两层土壤剖面覆盖的中斑砂岩,上层土壤厚度达 50～70 cm, 起源于非常松散的黄土, 在
其上面发育了酸性的、中等灰化的松散褐土。第二层土壤是紧实的、弱度积水的中斑砂岩风化
物。
林业科学研究 1998, 11( 1) : 16～23
For es t R esear ch
2 材料和方法
将枯枝落叶按未分解层 OL、半分解层 OF 和已分解层 OH 分别采样并手工混匀,在 60℃通
风条件下烘干至恒定质量。将一定质量的烘干样品装到容积为 1 L 的塑料容器中。为避免灰尘
落入和强烈蒸发, 整个实验过程中容器都加盖。容器内样品和周围环境的空气交换通过容器侧
壁上部(距上缘 1 cm) 2个直径为 3 mm 的小孔来实现。实验分 4个水分(从几乎风干到饱和:
W 1、W 2、W 3、W 4)和 3个温度处理( T 1、T 2、T 3) ,即每种枯枝落叶共有 3×4= 12个处理, 每个处
理都重复。用双去离子水将样品均匀拌湿后,将容器分别放置到 3个避光的人工气候箱中。人
工气候箱内的温度随季节而变化,它们之间的温度差别由可调节冷却装置维持。各个处理的含
水量和温度年平均值见表 1。
表 1 各个处理的年均含水量和温度
枯枝落叶
层次
枯枝落叶
质量( g)
年 均含 水量 ( g/ kg) 年均温度(℃)
W 4 W 3 W 2 W 1 T3 T 2 T 1
OL 78 3 570～3 760 2 480～2 550 1 280～1 310 170～180 14. 5 12. 3 11. 6
OF 119 3 250～3 320 2 190～2 250 1 150～1 180 150～170 14. 5 12. 3 11. 6
OH 187 2 010～2 030 1 360～1 390 720～740 120～130 14. 5 12. 3 11. 6
为求得分解 1 a 后枯枝落叶的质量损失,实验结束后将分解剩余物通风烘干( 60℃)并称
量。按各层枯枝落叶物质的饱和含水量( OL : 3. 4 kg / kg ; O F: 3. 2 kg / kg; OH: 2. 0 kg/ kg ) ,将双
去离子水和枯枝落叶放入躺放着的塑料瓶内,于室温条件下振荡 24 h。之后,先将瓶内清液倾
倒出来, 再通过离心机( 3 000转/ m in, 30～60 min)离心出剩余溶液, 将所有浸提液混合即可
得到平衡浸提液。然后进行初次过滤(滤纸类型: 589,无灰分,黑带标志, Schleicher und Schu¨
ll, Dassel ,德国) , 并马上用玻璃电极量测浸提液 pH 值。在化学分析之前,所有样品都在暗室
里低温( 4 ℃)保存。
用双去离子水稀释浸提液并进一步过滤(孔径为 0. 2 m 的硝酸纤维素滤纸, Sartorius
AG, Go¨ tt ingen, 德国)后, 在德国格廷根大学土壤和森林营养研究所按照标准方法测定元素浓
度[ 5, 6]。用 ICP-AES 方法测定Na、K、Mg、Ca、Mn、Al、Fe、S、P 和Si的浓度。用比色法测定 N t
(用紫外线消化后)、NH4-N、NO 3-N 和 Cl的浓度。有机氮 DON 用差值法求得。燃烧样品后用
C/ N 分析仪以气相色谱的原理测定总碳含量(因浸提液 pH 值很低, 认为测定值是有机碳含量
DOC)。
元素浓度乘以饱和含水量即可得到元素浸提量。根据枯枝落叶的分解速率,将分解剩余物
的元素浸提量换算为单位质量初始枯枝落叶的元素浸提量。在本文的分析比较中,只利用了单
位质量初始枯枝落叶的元素浸提量。作为比较的基础,对预先保留的初始枯枝落叶同时进行了
相同的浸提, 枯枝落叶可浸提元素量的初始状态见表 2。
表 2 挪威云杉林枯枝落叶(初始状态)的生物元素饱和浸提量和浸提液 pH 值
枯枝落
叶层次 pH
H + Na+ K+ Mg 2+ Ca2+ Mn2+ Fe3+ Al 3+ Cl- SO 2-4 NH+4 NO-3 HPO2-4 DON DOC
( cmolc/ k g) (cmol/ k g)
OL 3. 82 0. 51 1. 06 2. 83 0. 46 1. 56 0. 12 0. 31 0. 71 2. 56 10. 78 26. 28 10. 46 10. 68 2. 93 254. 1
OF 3. 55 0. 90 1. 21 1. 68 0. 60 1. 28 0. 08 0. 50 1. 34 2. 34 8. 91 21. 99 13. 74 4. 70 3. 39 250. 2
OH 3. 25 1. 12 0. 71 1. 03 0. 72 0. 73 0. 08 1. 02 3. 27 1. 34 6. 56 11. 32 7. 65 0. 55 4. 60 201. 6
171 期 王彦辉等: 水分和温度对挪威云杉林枯枝落叶层浸提液 pH 值的影响
3 结果和分析
3. 1 温度和含水量对浸提液 pH值的影响
不同水分处理条件下的枯枝落叶浸提液pH 值差别很大(表 3)。与初始枯枝落叶浸提液的
pH 值相比,依枯枝落叶层次不同, 非干旱处理能不同程度地提高浸提液pH 值。例如,W 4处理
使 O L 的 H+浸提量降低到初始值的 0. 3倍, O F 为 0. 8倍, OH为 0. 9倍(图 1)。
表 3 分解 1 a后挪威云杉林枯枝落叶层物质饱和浸提液的 pH 值及与初始值比较
枯枝落叶
层次
初始
pH 值 温度处理
不同水分处理的浸提液 pH 值
W 1 W 2 W 3 W 4
T1( 11. 6℃) 3. 47 3. 96 4. 09 4. 19
OL 3. 82 T2( 12. 3℃) 3. 48 3. 96 4. 18 4. 20
T3( 14. 5℃) 3. 48 3. 97 4. 27 4. 38
T1( 11. 6℃) 3. 14 3. 47 3. 40 3. 64
OF 3. 55 T2( 12. 3℃) 3. 13 3. 50 3. 48 3. 62
T3( 14. 5℃) 3. 08 3. 57 3. 64 3. 62
T1( 11. 6℃) 2. 91 3. 20 3. 35 3. 28
OH 3. 25 T2( 12. 3℃) 2. 90 3. 22 3. 35 3. 25
T3( 14. 5℃) 2. 90 3. 23 3. 28 3. 28
图 1 单位质量初始枯枝落叶的分解剩余物的 H+ 浸提量与
分解期间含水量和温度的关系
一般认为枯枝落叶的微生物分解可以
升高 pH 值。但极端干旱和干旱处理出人
意料地降低了浸提液pH 值。在本实验中,
W 1处理使 H+ 浸提量提高到初始值的 2. 2
～2. 7倍。
同水分处理导致的非常明显的 pH 值
差别相比,在应用温度范围内,温度差别对
浸提液 pH 值影响非常小。升高温度能微
弱地提高浸提液 pH 值,在较高含水量条
件下这种提高作用更稍微强些。OL 的温度
作用最明显, O F 次之, 对 OH 则几乎不再
存在了。
为维持森林生态系统的稳定性, 应该避免森林土壤 pH 值的急剧降低。为此, 枯枝落叶层
的水分饱和度应维持在 60%～80%。如果枯枝落叶层水分饱和度低于 50%, 则浸提液 pH 值
随饱和度减少几乎呈线性降低。如果 O L的饱和度小于 30% , OF 和 OH的饱和度小于 50% ,则
浸提液的pH 值会低于其初始值。
3. 2 对浸提液 pH值升高起重要作用的 H+ 汇
有很多过程影响土壤溶液酸度, 各种过程所起的作用也不相同。为了找到本实验条件下使
浸提液 pH 值升高的主要原因,在图 2中展示了各种生物元素的浸提量。另外,进行了浸提液
pH 值升高的主要原因, 在图 2中展示了各种生物元素的浸提量。另外,进行了浸提液 pH 值和
各种可能的影响因子之间的相关分析(表 4)。
18 林 业 科 学 研 究 11 卷
表 4 挪威云杉林枯枝落叶层物质分解剩余物饱和浸提液 pH 值和温度、含水量、生物元素浸提量、
分解造成的质量损失之间的相关系数( n= 12)
枯枝落
叶层次 T W Gv Cv N v Na + K+ Mg 2+ Ca2+ Mn2+ Fe 3+ A l3+ Cl- SO2-4 NH +4 NO-3 DON HPO 2-4 DOC
OL 0. 1 0. 9 1. 0 1. 0 0. 8 - 1. 0 - 0. 9 - 1. 0 - 0. 9 - 0. 9 0. 8 0. 7 0. 6 1. 0 1. 0 - 0. 1 0. 8 0. 9 0. 8
OF 0. 1 0. 8 1. 0 0. 9 0. 5 - 0. 9 - 0. 9 - 1. 0 - 1. 0 - 1. 0 - 0. 3 - 0. 9 0. 4 0. 4 0. 8 - 0. 1 - 0. 6 0. 7 - 0. 8
OH 0 0. 8 1. 0 0. 6 0. 3 - 0. 6 - 0. 9 - 1. 0 - 1. 0 - 1. 0 - 0. 9 - 1. 0 0 0. 2 0. 9 0. 3 - 0. 6 - 0. 9 - 0. 8
注: T 为温度, W 为含水量,Gv 为总质量损失,Cv 为碳质量损失,N v 为氮质量损失。
能降低溶液中活性 H+ 数量的物质叫作 H+汇。一般来说, 重要的 H+汇包括: ( 1)碳酸盐;
( 2)硅酸盐; ( 3)具有阳离子交换性能的土壤胶体; ( 4)氧化物和氢氧化物。此外,反硝化作用、铵
化作用和植物吸收 NO -3 均能提高 pH 值 [ 7～11]。
但对本实验中的酸化森林枯枝落叶层而言, 第 1、2个 H +汇不起很大作用,也不存在硝酸
根的植物吸收。通过比较分解实验前后生物元素浸提量的变化,发现在 pH值提高的情况下并
未发生显著的 NO -3 浸提量降低,而且浸提液 pH 值和NO -3 浸提量相关并不紧密,这表明反硝
化作用的影响也不是很大。因此, 在本实验条件下,使浸提液pH值升高的重要的 H+汇为铵化
作用、土壤胶体、氧化物和氢氧化物。
H
+ 同交换性阳离子的交换是非常重要的缓冲机制。因此,盐基离子浸提量和 H+浸提量高
度正相关。可根据每种盐基离子的浸提量来判断其作用大小。对于O L, 由大到小的顺序为K +、
Ca
2+、Na+ 、Mg2+ ; 对于 O F 大小顺序为 Ca2+、K +、Mg 2+、Na+ ; 对于 OH 大小顺序为 Ca2+、
Mg2+ 、K +、Na+ 。
H
+ 浸提量和所有枯枝落叶层物质的 Mn2+ 浸提量都高度正相关,但只和 O F 和OH 的 Al3+
浸提量及OH 的Fe3+ 浸提量高度正相关。这表明, H+ 同这些非盐基阳离子的交换(也可能包括
这些生物元素的有机态分解、氧化物和氢氧化物的氢化)也是有效的缓冲机制。根据浸提量大
小(表 2) , Al 3+是其中的主体。
NH
+
4 的产生必定会使 pH 值升高, 因此 NH+4 浸提量和 pH 值之间高度正相关。NH+4 是浸
提液阳离子中的主要组成部分, 同初始值相比, NH+4 的变化也最大。在有利的水分条件下, OL
明显产生了大量 NH+4 , 使浸提液 pH 值升高可达 0. 4～0. 5个单位。瑞典的皆伐云杉林枯枝落
叶层中也有这样的现象 [ 12]。
盐基离子 Mb ( Na+ 、K + 、Mg2+ 、Ca2+ )、非盐基阳离子 M a( Mn2+、Al3+、Fe3+ )和 NH +4 浸提
量的由大到小的顺序对O L 和 O F为 NH+4 、M b、M a,对 OH则为 NH+4、M a、M b。因此可以得出结
论,在本实验这样没有植物吸收的严重酸化的枯枝落叶分解实验中,铵化反应在提高 pH 值方
面的作用要比 M b和 M a 大得多。从 O L、O F 到 OH, NH+4 和盐基离子的作用逐渐减小, 相反,非
盐基阳离子的作用逐渐增强。在极端干旱处理 W 1条件下, N H+4、M b和 M a浸提量之间的大小
顺序有所不同, 主要是 NH+4 浸提量相对变小了,其原因是干旱条件下较弱的铵化反应和下面
要讨论的较强的氨挥发过程。
3. 3 对浸提液 pH值降低起重要作用的 H+ 源
能够产生 H +的物质叫作 H+ 源。一般而言,最重要的 H+ 源包括: ( 1)土壤呼吸产生的碳
酸; ( 2)植物的离子吸收; ( 3)酸沉降 [ 13～14] ; ( 4)被结合或吸附在土壤矿物或有机质中的非盐基
阳离子( M n2+、Al 3+、Fe3+ ) , 当它们形成氢氧化物时会产生 H+ ; ( 5)土壤内部过程产生的有机
20 林 业 科 学 研 究 11 卷
酸和无机酸; ( 6)来自肥料和大气的NH+4 和NH3的氧化。此外,氨挥发也是一个H +源,但一般
只发生在碱性土壤中[ 4, 8, 10, 15, 16]。
本实验中并不是所有上述 H+ 源都起很大作用。首先不存在第2、3、6个 H+ 源。因浸提液
pH 值低于 4. 5,第 1个 H+源也不起什么作用。在pH 下降情况下, pH值和非盐基阳离子浸提
量之间的较高负相关只能被解释为非盐基阳离子对 H +的缓冲,这就是说, 第 4个 H+ 源也不
是造成 pH 值下降的主要原因。从而只有第 5个H +源和氨挥发是最重要的。
pH 值、SO 2-4 和 NO -3 浸提量之间相关不紧密, 所以, 土壤内部产生无机酸的过程不是本
实验干旱处理造成pH 值剧烈下降的主要原因。曾分别用饱和含水量和10倍饱和含水量浸提
过初始状态的枯枝落叶层材料, O L 饱和浸提液的 H+ 浓度为 82. 83 molc/ L , 10倍饱和浸提液
的 H+浓度不是 82. 83÷10= 8. 28 mo lc/ L ,而是 12. 28 mo lc/ L。实测浓度和计算浓度的比例
为 12. 28÷8. 28= 1. 48, 这就是说, 稀释作用被有机酸的解离缓冲了。O F和 OH 相对应的浓度
比值分别为 2. 88和 3. 02。分解实验后, O L 的浓度比值上升为 4. 84(变化范围 3. 02～6. 03) ,
O F 上升为4. 21( 2. 95～5. 25) , OH基本上未变(平均值为2. 90,变化范围2. 29～3. 80)。这就是
说, OL 和 O F 产生了有机酸, 有机酸作为H+ 源的作用得到了加强。因为在分解开始前 OH的有
机酸H +源作用已经很强, 所以 1 a 后没有什么变化。
从图2中可以看出, 极端干旱处理W 1条件下的pH 值总是伴随着NH +4 浸提量的减少(和
初始值相比)而下降,因此认为, N H+4 减少是 pH 值下降的一个重要原因。硝化作用和氨挥发
都会减少NH+4 。但极端干旱处理 W 1的NO -3 浸提量变化并不能解释NH+4 的减少,进一步说,
经过反硝化作用导致的 NH +4 减少并不会使 pH 值下降。因此认为,即使是严重酸化的枯枝落
叶层,如果它们富含 NH+4 , 在非常干旱的条件下也会发生氨挥发,并导致 pH 值下降。
4 结 论
本实验条件下,即分解过程中不存在水分和元素的淋失、根系吸收和降水输入, 但可相对
自由地进行气体交换, 挪威云杉林严重酸化的枯枝落叶层经过 1 a 的分解, 其剩余物的浸提液
pH 值明显受环境条件的影响。水分条件的影响是决定性的, 在有利水分条件下浸提液 pH 值
会不同程度地升高,但干旱会使浸提液 pH 值明显下降, 极端干旱处理使 H+ 的饱和浸提量上
升为初始值的 2. 2～2. 7倍。为避免 pH 值急剧下降, 将枯枝落叶层的水分饱和度维持在 60%
～80%最好。如果 O L 的水分饱和度低于 30% , O F和 OH的水分饱和度低于 50% ,则浸提液的
pH 值低于初始值。
NH
+
4 是所有枯枝落叶层浸提液阳离子中的主要组成部分,并对 pH 值的升降起着决定性
作用。铵化作用导致了非极端干旱条件下O L 浸提液pH 值的升高。出人意料的是,极端干旱条
件下富含 NH+4 的酸化枯枝落叶层也会发生氨挥发, 并且这个过程是 pH 值下降的最重要原
因。
减少酸沉降和施用碱性肥料(如石灰)毫无疑问是防治土壤酸化和森林受害的最根本性措
施。然而,避免采用会导致枯枝落叶层含水量过分降低的营林措施(如过度疏伐、排水等) ,将会
有益于避免富含 NH+4 的酸化枯枝落叶层因为氨挥发而造成的土壤急剧酸化及由此而产生的
森林受害。
211 期 王彦辉等: 水分和温度对挪威云杉林枯枝落叶层浸提液 pH 值的影响
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22 林 业 科 学 研 究 11 卷
Influence of Water Content and Temperature on the
pH-values of Solution Extracted from Acidified Forest
Floor Materials of Norway Spruce
Wang Yanhui P eter R ademacher H orst F o¨lster
Abstract The influence of temperature and w ater content during incubat ion on the pH-
values o f so lut ions ex t racted w ith saturated w ater content f rom the st rong ly acidif ied and
NH+4 -r iched fo rest flo or materials ( O L-, O F-and OH-layer s) o f Norway spruce was investig at-
ed under manipulated condit ions for one year . During the incubat ion there w ere no element
input, element leaching and plant uptake, but the gas exchange w ith the atmospher e w as r ela-
tiv ely f ree. There w er e 3 temperatur e tr eatments ( with annual average air temperature o f
11. 6, 12. 3 and 14. 5 ℃ r espect ively) and 4 w ater content tr eatments ( from near ly air dr y to
the saturat ion o f each material) . Drought led to a signif icant decrease of pH-value. In the
ext reme drought t reatment , the ext racted H
+
amounted to 2. 2～2. 7 t imes of that o f the
start ing-phase. In order to avo id a sharp decrease of pH-value, a saturat ion degree of 60%～
80% for the for est f loor mater ials should be maintained. If it is smaller than about 30% for
the O L and 50% for the OF-and OH-material, the pH-value w ill be low ered compar ed w ith the
start ing-phase. Surprisingly , ammonia volat ilizat ion can take place under dr ought condit ions,
even in the str ong ly acidif ied forest flo or materials w hich have a high content of NH
+
4 . Fur-
thermo re, ammonia volat ilization plays the most impo rtant r ole in the decrease o f pH-value.
On the contr ary the influence of w arming w as not signif icant in the applied temperature
range.
Key words Norw ay spruce forest flo or materials so il acidif icat ion
Wang Yanhu i, As sociate Profess or ( Th e Inst itute of Fores t Ecology and E nvironmental Sciences , CAF Beijin g
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231 期 王彦辉等: 水分和温度对挪威云杉林枯枝落叶层浸提液 pH 值的影响