不同杉木林分凋落物對酸雨的緩沖作用

徐 昪,林開敏,韓亞飛,趙均嶸,魏羽君

(1.鄒城市自然資源和規劃局鄒城市林業保護和發展服務中心,山東鄒城 273500;2.福建農林大學林學院,福建福州 350002)

酸堿度是土壤的重要特性之一[1],長江以南各省是我國酸雨的主要分布區,隨著酸雨的日趨加劇,我國陸地生態系統、農林業生產、經濟發展和人民群眾的生活受到嚴重影響[2]。當前,國內外學者在酸雨對凋落葉的化學特性、生理等方面的影響開展了研究[3-5],有關酸雨對凋落物分解、土壤呼吸、土壤群落、土壤化學性質、植物根系、林木幼苗生長發育等產生的影響也有較多報道[6-14]。針對凋落葉、林冠對模擬酸雨的緩沖能力及酸雨對凋落物分解的影響研究開展較多[15-20]。筆者通過4種林分凋落物對酸雨緩沖性能的比較研究,探討各林分凋落物對酸雨的緩沖性能和凋落物浸提液無機離子含量規律,對我國酸雨背景下凋落物的生態功能研究有重要的現實和生態意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況試驗林位于福建省南平市福建農林大學西芹教學林場花竹溝。西芹教學林場位于福建北部,屬杉木中心產區。地理位置為118°10′E,26°40′N,是武夷山脈東伸支脈的中低山山地,海拔在200～500 m,坡度在25°左右,少部分在35°以上。主要成土母巖是沉積巖和變質巖,土壤為黃紅壤,土層較厚。

1.2 樣點布設與樣品采集在地面隨機選取面積為0.5 m×0.5 m的小樣方3個,將該范圍內所有凋落物全部收回,將樣品放到烘箱內于70 ℃下烘干,粉碎。

1.3 測定項目與方法凋落物pH的測定方法:取4 g樣品在80 mL超純水中浸濕24 h,然后過濾。取25 mL浸提液于100 mL燒杯中,然后測量該溶液的pH。

凋落物在加入模擬酸雨時電導率和無機離子的測定參照鄭文輝等[15]的方法。用0.8 mol/L H2SO4加超純水配成pH 2.70、3.50、5.00的系列模擬酸雨溶液。取不同林分烘干的凋落物樣品50 g,每處理重復3次,分別加入500 mL pH 2.70、3.50和5.00的H2SO4,并浸泡24 h,然后過濾,測定浸提液的pH,殘渣再用上述同樣的程序重復操作2次,形成24、48和72 h 3個梯度。將3次浸提液進行混合,對混合液的電導率、K+、Na+、Ca2+、Mg2+濃度進行測定。電導率用電導率儀測定,K+和Na+用火焰光度計法測定,Ca2+、Mg2+用原子吸收分光光度計法測定。

1.4 數據分析與制圖數據處理與方差分析采用EXCEL 2016和IBM SPSS 23軟件,繪圖由Origin 8.5軟件實現。

2 結果與分析

2.1 不同林分凋落物的pH比較由圖1可知,4種林分凋落物的pH差異顯著。其中,老齡杉木林的pH最大,為4.49,其次是杉木萌芽林,為4.43,天然常綠闊葉林和1993年二代杉木林pH比較相近,分別為4.25和4.23。各林分凋落物pH大小表現為老齡杉木林>杉木萌芽林>天然常綠闊葉林>1993年二代杉木林。

注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant difference among treatments(P<0.05).圖1 不同林分凋落物pH比較Fig.1 Comparison of pH of litter from different forest stands

2.2 不同林分凋落物對酸雨緩沖性能比較由表1可知,不同模擬酸雨條件下,杉木萌芽林(RCF)和老齡杉木林(OCF)凋落物浸提液明顯高于天然常綠闊葉林(NHF)和1993年二代杉木林(SCF)。這可能與各林分凋落物本身的pH有關系。4種林分凋落物在模擬酸雨pH為2.70和3.50時均提高了凋落物浸提液的pH(4.05～5.08),在模擬酸雨pH為5.00時,4種林分均使模擬酸雨進一步酸化。在模擬酸雨pH為2.70、3.50和5.00時,不同林分凋落物浸提液的pH大多隨時間的推移呈現升高的趨勢,由此可以看出,4種林分凋落物均對酸雨有緩沖作用,并且這種緩沖作用隨著時間的推移而增強。在模擬酸雨pH為2.70和3.50時,4種林分凋落物浸提液在24 h升高,24～72 h提升幅度較低;模擬酸雨pH 5.00處理下,4種林分凋落物在24 h內使模擬酸雨進一步酸化,隨后緩慢回升。由此可知,不同林分凋落物對酸雨的緩沖能力與其自身的pH有關,酸度較低時,凋落物的pH越高,緩沖能力越強。

表1 不同pH模擬酸雨處理下各林分凋落物浸提液的pH

2.3 不同模擬酸雨處理下各林分凋落物浸提液無機離子含量比較由表2可知,各林分凋落物浸提液電導率、Na+和Mg2+、K+、Ca2+含量隨模擬酸雨pH的升高總體呈降低趨勢。從各離子含量來看,各林分鹽基離子含量的大小順序均為K+>Mg2+>Ca2+>Na+。

從平均值來看(表2),各林分凋落物浸提液電導率最大的為天然常綠闊葉林(NHF),其次是老齡杉木林(OCF)和1993年二代杉木林(SCF),杉木萌芽林(RCF)最小;Na+、K+含量最大的為天然常綠闊葉林(NHF)。Mg2+和Ca2+含量最高為1993年二代杉木林(SCF)。

3 討論與結論

通過對天然常綠闊葉林、老齡杉木林、杉木萌芽林和1993年二代杉木林凋落物的pH及其對酸雨的緩沖能力進行研究,并測定各林分凋落物浸提液無機離子含量,探討4種林分凋落物的緩沖規律及性能。結果表明:

(1)4種林分凋落物的pH差異顯著,各林分凋落物pH范圍均在4.32～4.49,杉木萌芽林和老齡杉木林相對于其他林分顯現出較高的pH,不同林分pH大小表現為老齡杉木林>杉木萌芽林>天然常綠闊葉林>1993年二代杉木林。隨著時間的變化,不同模擬酸雨條件下,各林分凋落物浸提液均出現緩慢上升,說明各林分凋落物對酸雨具有緩沖作用,這與張艷玲等[11,21]的研究結果相似。

(2)不同模擬酸雨條件下,杉木萌芽林和老齡杉木林浸提液的pH明顯高于天然常綠闊葉林和1993年二代杉木林,這可能與各林分凋落物自身的pH有關系[15,18],杉木萌芽林和老齡杉木林的pH相近,分別為4.49和4.43,且明顯高于天然常綠闊葉林和1993年二代杉木林的4.25和4.23,這表明杉木萌芽林和老齡杉木林的緩沖能力較強。當模擬酸雨的酸度高于凋落物自身的pH時,凋落物會將模擬酸雨進一步酸化,當模擬酸雨的酸度低于凋落物本身pH時,不同林分凋落物的pH越高,說明緩沖能力越強。這與余小龍[18]對亞熱帶地區常見森林凋落葉的研究結果一致。

(3)當杉木林分凋落物pH較接近時,對酸雨的緩沖能力表現出杉木萌芽林大于老齡杉木林,這可能與林分凋落物的質地有關系,杉木萌芽林的質地較軟,其凋落物中各種成分更容易與模擬酸雨產生緩沖效應,其緩沖速度快,緩沖能力強。這與毛友發等[22]的研究結果相似。

(4)不同模擬酸雨條件下,0～24 h凋落物浸提液的pH迅速上升,24～48 h緩慢提升,48～72 h浸提液pH趨于穩定,說明凋落物中的鹽基離子能中和模擬酸雨的成分,在0～24 h與模擬酸雨基本完成緩沖反應,至于0～24 h內基本完成緩沖反應的時間段還需要進一步探討。

(5)各林分凋落物浸提液電導率最大的為天然常綠闊葉林,其次是1993年二代杉木林和老齡杉木林,杉木萌芽林最小,天然常綠闊葉林鹽基離子總含量最高,電導率最大。4種林分凋落物具有相同的鹽基離子含量分布模式,即K+>Mg2+>Ca2+>Na+,這與余小龍[18]的研究結果一致。