酸沉降的森林生态系统的影响.docx

酸沉降对森林生态系统的影响兰浩洋 20084863（四川农业大学资源环境学院土管（测）08-1 四川 雅安）摘要：“ 酸沉降”是全球关注的重大环境问题之一,酸沉降对森林生态系统的影响也是生态学研究的热门问题。近年来，人们普遍将大面积的森林死亡归因于酸雨的危害。本文就对酸沉降作用下森林衰退的状况，总结了酸沉降对森林植物的影响，改善酸沉降对森林生态系统的措施，探讨了存在的问题和未来值得研究的方向。关键词：酸沉降 森林生态系统 影响 措施 方向酸沉降通常是指pH5.6的大气化学物质通过降水、扩散和重力作用等过程降落到地面的现象或过程1。酸沉降不但引起大气酸化、土壤酸化和水体酸化，也对处于这三大环境因子作用下的森林植物产生直接和间接的影响。森林植物在生物圈中的特殊地位，以及破坏后的难以恢复和治理，使得对它的研究显得尤为重要。研究分析酸沉降对森林植物的影响研究有助于了解研究现状，提高人们对酸沉降及其对森林生态系统影响方面的认识。1 酸沉降与森林生态系统1.1我国酸沉降对森林影响现状由酸沉降引起的森林衰退和死亡约1.14106 hm2。在受酸雨危害最严重的四川盆地和贵州省，森林受害面积分别达到2.756105hm2和1.405105 hm2。其中，重庆南山1 800 hm2的马尾松已死亡46%，峨眉山金顶冷杉死亡率达40%，四川奉节县茅草坝林场6000 hm2华山松已死亡96%，柳州市区和郊区的一些林木也出现了较严重的衰退症状2。2酸沉降对森林植物的影响及其机理森林衰退的原因一般认为来自两个方面：一是对植物的生理生化过程造成直接影响；二是对森林的间接影响，即认为酸沉降经过一系列的物理、化学和生物过程引起土壤的酸化，造成植物营养不良，有毒元素活化，重金属释放，进而影响植物生长和森林衰退3。2.1 直接影响2.1.1 植物体形态2.1.1.1 伤害叶片叶片是植物与大气环境进行气体交换的主要场所，是大气污染物最先进入植物体的门户。因此，植物的伤害症状最早出现在叶片上4。干、湿沉降都会改变植物叶片表面蜡被层和角质层的物理、化学特性。这些结构对叶片除了起到保护作用外，还可以调节植物的许多生物化学反应。对树叶表皮的破坏，加速了叶片的老化，使叶片失去活力，变得枯焉甚至掉落、死亡5。 特别是在低pH值的酸沉降作用下，在短期内就能对叶片造成可见伤害 6。树叶的变小，黄叶的增多，数量的减少，势必会削弱其一系列的生理生化活动，影响光合作用，导致林业生产下降，森林退化7。2.1.1.2 伤害根系根系作为植物水分代谢和矿质营养的重要器官，是土壤资源的直接利用者和产量贡献者，它的生长发育直接影响到地上部茎叶的生长和生物量的高低，并与植物的抗逆性以及森林生态系统的持续发展有关。根系也是一个重要的碳素库，其呼吸作用是生态系统中重要的反馈途径之一8。植物根系养分吸收性能与土壤养分、水分、pH值和温度等环境条件有着密切的关系，同时又影响着根际土壤中养分的迁移和有效性。酸沉降不但改变了根系周围的物质组成、理化特性，也直接伤害了根系的生长。2.1.2 生长及生产力酸沉降引起森林生产力的下降已成为无可争辩的事实。但在一定的时空范围内，一定的酸度条件下，酸沉降的的确确也在一定程度上提高了树木的生长或群落的增长。如在中欧和美国等国家出现的大面积森林衰退之前，其森林生长量比同时期未受酸雨影响的森林的生长量有较大的增加。其原因是错综复杂的，有学者认为一方面酸沉降中的N、P和S素对植物起到了施肥的作用，另一方面酸沉降中强酸根离子的增加促进了土壤的风化，从而使进入土壤溶液中的营养元素含量增加，有利于植物的生长9。至于在有些受害林群中，树木仍能继续增长，是因为死亡的树木被分解、矿化后为其附近的树木提供了养料。虽然这种增长能够持续几年，但最终会导致树木死亡率的增加和生物量的降低10。一些人工模拟实验也证明了，在轻度酸雨或短时期内，酸雨对植物的生长具有促进作用11。2.1.3 植物营养状况植物的营养状况主要表现在叶片元素的淋溶和对N、S 及Al 的富集。酸雨对叶片的营养元素有较强的淋溶作用。降水的H+和NH4+在树冠层与树叶中的盐基离子发生转换反应，将Ca2+、Mg2+、K+等营养元素从树叶内部置换出来。其交换量与植物种类，植物所在地理位置、树冠层的结构、降水的酸度与成分及作用时间有关12。叶片的淋溶作用有利于提高降水的pH，暂时缓解对土壤的酸化作用，但从长远来看，这是得不偿失的。叶片的淋溶使得叶片的元素失衡，导致植物生长不良，如缺钙能引起植物暗呼吸速率增加，增加和改变碳的循环13。另一方面，酸沉降富硫化物和硝酸化合物，在酸沉降高的地区，植物通过根系和树冠对其进行吸附和吸收，引起体内N、S 元素的富集；而土壤的酸化又引起土壤中Al的活化。植物体内营养元素的流失及N、S 和Al的富集共同促进了植株体内元素失衡，影响植株正常的物质代谢和生理生化过程，降低植株的活力和抗性，最终导致森林衰退和死亡14。2.1.4 呼吸作用在酸雨胁迫状态下，植物的呼吸作用提高的现象比较普遍。单运蜂发现在pH值为2.0的模拟酸雨下，马尾松、杉木和火力楠幼树叶子的暗呼吸速率显著增大，分别增大55.2%，34.8%和110.9%15。呼吸作用增加使植物消耗增多，植物的物质和能量的积累相对减少。这可能是酸雨抑制植物生长的一个重要的方面。2.1.5 对酶活性的影响酸沉降对不同类型酶的影响各不相同。就植物防御过氧化损害的系统，如超氧化物歧化酶，过氧化氢酶、精氨酸脱羧酶和抗坏血酸过氧化酶等来说，酸雨的胁迫作用引起这些酶活性升高。植物通过这些酶清除体内过多的活性氧，保持植物的正常生长。Velikova等16在模拟酸雨对豆科植物的影响时，发现通过控制膜脂过氧化反应而保持膜的稳定性。这一事实从另一侧面证实了植物防御氧化系统对植物受损修复的成功及其机理。而另一些酶如葡萄-6-磷酸脱氢酶、麦芽糖脱氢酶、葡萄糖酸变位酶和乳酸脱氢酶在酸沉降的胁迫下其活性则表现为下降17。2.2 间接影响相对于酸雨对森林的直接影响而言，酸雨对森林植物的间接影响要深远得多，人们对它的认识也要晚得多。起初人们一直认为解决酸沉降对森林生态系统的影响这一问题很容易对付。只要减少SO2的排放，森林就能恢复生长，酸化的水体也能恢复到原来的pH值。然而即使美国、欧洲和加拿大减少SO2的排放，酸化的环境仍然没有像人们所期望的那样得到恢复。直到1990年仍然有许多的科学家认为酸雨问题能够很快得到解决，因为他们依旧坚持酸雨直接作用于植物和湖泊。事实上酸沉降已经深刻的影响到土壤的化学组成和理化特性，并且这种影响还会持续下去18。一些野外和实验室的实验以及计算机模拟的结果也表明，由酸沉降引起的土壤和水体的酸化已经持续了几十年19。酸沉降对森林植物的间接影响主要是通过元素的淋溶作用、引起土壤的酸化、有毒元素及重金属的活化、土壤活力的降低等。2.2.1 土壤酸化土壤酸化是土壤形成过程中的一种自然的生物地球化学过程，但是酸沉降却大大的加快了这一进程。由酸沉降引起的土壤酸化和离子淋溶息息相关，不可分隔，土壤酸化是土壤盐基离子淋溶的结果。酸沉降引起的土壤酸化问题在世界范围内发生，并且在现有酸沉降水平下，这些影响很可能会持续下去，甚至增加，引起森林的长期衰退20。当然，酸沉降对植被的影响最终取决于碱性离子和酸根离子的平衡。GEORGE等在研究上世纪七八十年代德国和挪威的森林衰退的原因时也指出，由于土壤酸化引起的一种或多种营养元素的缺泛才是导致森林衰退和死亡的首要原因21。2.2.2 有毒元素及重金属的活化铝是重要的原生矿物和次生矿物的风化产物，可以通过化学的和生物化学的风化过程从矿物中释放到土壤和水体环境中22，酸沉降加速了铝的风化，酸性土壤经酸雨淋洗后，酸化加剧，土壤中各种形态的铝发生溶解，成为可溶性铝进入土壤溶液。并且，随着酸雨pH值的降低，土壤溶液中的铝淋出量增多，毒性大的Al3+占单核无机铝的比例增加，而毒性小的Al-F络合物则反而呈下降的趋势23。2.2.3 土壤酶活性的影响在土壤中，土壤酶进行着各种重要的生物地球化学的转化作用。土壤酶虽然主要来自土壤中的微生物，但酸沉降和植物的相互影响，会改变土壤的理化特性，从而影响土壤中微生物的组成和活性24。反过来土壤中微生物又会进一步改变土壤的理化特性，并对植物产生影响。长期的酸沉降作用会引起土壤中耐碱性和中性的微生物种类和数量的减少，如细菌、放线菌等；同时，喜酸性的微生物数量得到提高，如真菌、青菌和木霉等，但其种类仍然减少了。其结果是，土壤中氨化作用、硝化作用减弱，纤维素分解作用强度增加，土壤中蛋白酶、转化酶和接触酶活性下降，磷酸酶活性增大25。2.2.4 对物种组成和生物多样性影响酸沉降的长期作用可以改变系统的物质和能量的格局和动态，使得各物种的适宜度发生位移。酸沉降引起森林土壤和植物体内营养元素特别是钙素的流失，长期下去，必然会使系统钙浓度降低，造成高钙植物生长不良，而有利于低钙植物的生长，进而改变森林的物种的种类组成和数量26。系统进一步酸化的结果是，结构和功能的不平衡进一步加剧，最终导致系统的崩溃。3 酸沉降对森林生态系统影响的研究展望3.1 酸沉降在森林生态系统研究问题近年来,由于对硫氧化物排放的限制,降雨的pH 值有上升的趋势。然而欧洲和北美的研究表明,酸沉降对森林生态系统的影响的趋势却依然越来越严重。酸沉降对生态系统的影响仍然是环境问题研究的重点。研究酸沉降对森林生态系统的影响机理和森林生态系统对酸沉降的反馈机制,以及酸沉降影响后酸化问题的恢复仍是研究的核心问题。在发展中国家随着交通运输业的发展, 氮氧化物对酸雨的贡献将越来越大,我们应该多研究酸沉降下N 的物质循环化学转化问题,研究其对森林危害的真正机理。建议同位素跟踪运用于酸沉降导致的物质不平衡研究上,揭示物质循环分布途径,物质在整个生态系统的输入输出量。以后的研究应该不多局限于单个过程或单个因子的研究。3.2 酸沉降森林生态系统未来研究方向我们还应加强以下几方面的研究：(1)酸沉降对森林生态系统的影响机理和森林生态系统对酸沉降的反馈机制研究；(2)酸沉降对非优势种、稀有种及低等植物的影响研究；(3)酸沉降与其它环境因子对森林植物的共同影响研究；(4)加强酸沉降的监控、预测工作，建立适合我国实际情况的研究模型；(5)将常规分析手段和分子生物学技术相结合，加强抗性植物和指示植物的筛选工作；(6)加强受损森林植被的恢复和重建工作；(7)开展酸沉降对森林植被的格局动态及森林演替动态变化研究。3.3 减轻酸沉降土壤恢复结合土壤学，对整个生态系统进行操纵性研究,进行多因子分析,达到对生态系统各个组成成分总的研究,对生态系统物质循环和能量流动的全方面的研究。在土壤恢复方面,建议实施以下措施:（1）继续直接施用石灰、草木灰、牲畜粪便等改善土壤。在中国有广大的农村,建议多使用猪粪、牛粪等农家肥料,在牲畜少的地方,建议使用绿肥,例如:一年蓬、小飞蓬、豆科植物叶等有机肥料;（2）尽少从森林运走木材及及含Ca 等营养元素丰富的枝、茎和叶;（3）种植对酸沉降不敏感的树种;（4）研究开发能分泌碱性次生代谢产物,而自身又对酸沉降不敏感的植物树种,达到对土壤直接的改善;（5）尽量控制大气酸沉降的输入。参考文献1 陈立民, 吴人坚, 戴星翼. 环境学原理. 北京: 科学出版社,2 李德军, 莫江明, 方运霆, 等. 氮沉降对森林植物的影响. 生态学报,.3 中国林学会. 酸雨与农业. 北京: 中国林业出版社, 1988.4 国家环保局. 酸沉降及其影响控制技术. 南京: 河海大学出版社, 1996: 19.5 冯宗炜. 酸雨对生态系统的影响: 西南地区酸雨研究. 北京:中国科学技术出版, 1993: 177.6 阳含熙. 酸雨与农业. 见: 朱钟杰主编. 酸雨文集. 北京: 中国环境科学出版社, 1989: 191.7 Alcamo J ,Krol M ,Posch M. 1995. 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