1、第37卷第4期2001年7月林業(yè)科學(xué)SCIE NTI A SI LVAE SI NIC AE V ol 137,N o 14Jul.,2001大氣氮沉降對森林土壤酸化的影響肖輝林(廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所廣州510650摘要:因大氣污染而不斷增加的大氣氮沉降量,在許多地區(qū)超過了森林生態(tài)系統(tǒng)的氮需求。氮在土壤中的化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)對H +離子的產(chǎn)生與消耗有重要影響。NH +4和NO -3輸入與輸出的平衡狀態(tài)影響著土壤-土壤溶液系統(tǒng)的酸化速率。過剩的氮沉降將增加NH +4的硝化和NO -3的淋失,加速土壤的酸化。土壤酸化對森林有危害作用。關(guān)鍵詞:大氣污染,氮沉降,森林土壤,酸化收稿日期:1999

2、211230。基金項目:廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)試驗室資助項目。EFFECTS OF ATMOSPHERIC NITR OGEN DEPOSITIONON FOREST SOI L ACI DIFICATIONX iao Huilin 1(1.Guangdong Institute o f Eco 2environmental and Soil Sciences Guangzhou 510650Abstract :The increased deposition of atm ospheric nitrogen due to the air pollution has exceeded th

3、e demands of forest ecosystems in many areas.The chemical and biochemical reactions of nitrogen in s oils have significant effects on the production and consum ption of H +.The balance between the inputs and outputs of NH +4and NO -3determines the rate of acidification of the s oil 2s oil s olution

4、system.Excessive nitrogen deposition will enhance the nitrification of NH +4and the leaching of NO -3,which are the processes of strong acidification.An increase in the NO -3concentration will increase the acidity and aluminium concentration in the s oil s olution.Basic cations will be leached out f

5、or ac 2com panying the NO -3leaching ,resulting in the acceleration of s oil acidification.S oil acidification is harm ful to for 2est.K ey w ords :Atm ospheric pollution ,Nitrogen deposition ,F orest s oil ,Acidification 由于人類活動的影響,幾十年來,大氣氮化合物的沉降量已明顯增加(Bartnicki et al .,1989;Brimble 2combe et al .,1

6、982。大氣氮沉降量的增加,已成為許多森林的新生態(tài)因子(Aber et al .,1989;Skeffington ,1990;K azda ,1990。早期的觀點(diǎn)認(rèn)為,大氣氮沉降通常是一種有利且有限的養(yǎng)分來源;但現(xiàn)在這種觀點(diǎn)受到了挑戰(zhàn),大氣氮沉降對森林的作用視林地的養(yǎng)分狀況和氮輸入量大小而定。大氣氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響是多方面的,其中,它對森林土壤酸化的影響,是一個不可忽視的重要問題。本文圍繞這方面進(jìn)行探討,旨在為森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)研究和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。1大氣氮沉降狀況大氣沉降的氮化合物有干、濕兩種。濕沉降的氮主要是NH +4和NO -3,以及少量的可溶性有機(jī)氮。干沉降的氮主要

7、有氣態(tài)NO 、N 2O 、NH 3,以及(NH 42S O 4和NH 4NO 3粒子,還有吸附在其它粒子上的氮。除了自然來源之外,大氣中的氮化合物主要來源于工業(yè)(NO X 、化石燃料的燃燒(NO X 、農(nóng)田施肥和集約畜牧業(yè)(NH X 。北美和西歐非城市地區(qū)的雨水分析顯示了19世紀(jì)中葉以來,NO -3的年沉降量有顯著的增加,而NH +4沉降水平則相對穩(wěn)定(Brimblecombe et al .,1982。北歐和西歐的資料也反映了從本世紀(jì)50年代至80年代,雨水中的NO -3平均濃度明顯增加,而NH +4平均濃度在大多數(shù)地區(qū)有所上升,在少數(shù)地區(qū)則變化趨勢不明顯(R odhe et al.,198

8、6。總的來說,氮沉降量已明顯增加。世界各地大氣氮沉降的通量受氮的排放量的支配。氮沉降與氮排放呈線性關(guān)系(Bartnicki et al., 1989。目前歐洲污染最嚴(yán)重的地區(qū),降雨中的NH+4-N平均濃度大于019mgL-1,NO-3-N大于017mg L-1,這種濃度向著污染較輕的地區(qū)逐漸下降,在大不列顛北部和斯堪的納維亞中部NH+4-N約為013 mgL-1,NO-3約為01150130mgL-1(G renn felt et al.,1986。歐洲大部分地區(qū)氮沉降量超過10kghm-2a,在比利時、荷蘭、盧森堡等3國和中歐的一部分地區(qū),氮沉降量超過30kghm-2a,歐洲邊遠(yuǎn)地區(qū)減少至1

9、kghm-2a-1(Bartnicki et al.,1989。近十多年來,我國在南方一些地區(qū)對降雨中的氮進(jìn)行了觀測,結(jié)果表明,各地雨水中的含氮量和由降雨帶入的氮量,都有很大的變幅;就平均而言,雨水中的含氮量多在12mgL之間,帶入的氮量多在9101915kghm-2a-1之間(朱兆良等,1992。就森林的大氣氮輸入而言,目前中歐森林大氣氮輸入為2560kghm-2a-1,大大超過了森林的年需要量(K azda,1990;在北美,森林地區(qū)大氣氮沉降量一般為240kghm-2a-1(Lovett et al.,1982;Park2 er,1983。在我國的一些森林中,已發(fā)現(xiàn)有很高的氮沉降量,例如

10、在江西分宜縣大岡山林場的杉木(Cunninghamia lanceolata林和馬尾松(Pinus massoniana林中,降雨氮輸入分別為6016kghm-2a-1和5710kghm-2a-1(馬雪華,1989。長期而持續(xù)的高氮輸入可導(dǎo)致森林土壤酸化。為了更好地說明氮在土壤酸化中的作用,有必要先概述氮在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化。2森林土壤中氮的遷移與轉(zhuǎn)化森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)最大的氮庫,通常超過生態(tài)系統(tǒng)總氮量的85%(C ole et al.,1981。大部分土壤氮是隋性的且對于植物吸收和土壤氮淋溶是無效的,只有缺乏嚴(yán)格定義的那部分“可礦化的”氮庫才具有生物學(xué)意義上的活動性。雖然NH+4強(qiáng)烈地吸

11、附于陽離子交換場所,但在未受擾動的土壤中NH+4庫很小。土壤中可交換的NH+4含量在施肥后的一個較短的時期內(nèi)(612個月可被提高,但隨著被植物和異養(yǎng)微生物吸收,以及硝化作用、揮發(fā),而迅速降至低水平(Johns on,1992。硝化過程中產(chǎn)生的NO-3可部分地被植物和微生物吸收,或在一些厭氣土壤中被還原為氣態(tài)氮(N2、N2O。由于NO-3難以吸附于大多數(shù)土壤中,所以在好氣土壤中硝化作用總是導(dǎo)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條件下,低pH土壤中的凈硝化也可發(fā)生(Jonhns on,1988;McNulty et al.

12、,1990。許多研究表明,在高大氣氮輸入的條件下,低pH土壤也有顯著的硝化率(Aber et al.,1989;Van Breemen et al.,1982;1987。異養(yǎng)菌、植物和硝化細(xì)菌之間對氮的競爭被認(rèn)為在決定氮保留于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的程度中起重要作用(Riha et al.,1986。輸入森林生態(tài)系統(tǒng)的NH+4和NO-3的去向主要決定于它們的供應(yīng)動態(tài)、土壤有效氮和有效碳狀況,以及土壤中分解者群體對CN比率的要求(Duckw orth et al.,1991。異養(yǎng)菌是最強(qiáng)的短期的氮競爭者(Schimel et al.,1989。在氮成為有限基質(zhì)的土壤中,異養(yǎng)微生物將對任何有效氮進(jìn)行激烈的競爭

13、,導(dǎo)致氮的凈固定。有效性氮的較大輸入將對這種固定需求起更大的作用。一旦這種需求達(dá)到滿足,進(jìn)一步的氮輸入將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)富氮,過剩的NH+4將引發(fā)硝化作用(Van Miegroet et al., 1990。林分年齡是決定森林生態(tài)系統(tǒng)中氮吸收量和氮增長率的重要因素(Johns on,1992。在生長的早期階段,林地自瘦迅速,凋落物和養(yǎng)分歸還在林分的發(fā)育過程中只是逐漸增加(P olglase et al.,1992。在林冠郁閉之后,當(dāng)富營養(yǎng)的葉片的生物量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,森林對氮的吸收量和吸收增長率迅速下降(Turner,1981。所以,在氮輸入相等的條件下,成熟森林中的NO-3淋失大于幼齡森林中的N

14、O-3淋失。Johns on(1992在比較一些施肥試驗之后指出,在缺氮的生態(tài)系統(tǒng)中,以同樣的年施氮量,少量而頻繁的氮輸入(類似于大氣污染物氮的輸入將比傳統(tǒng)的、一次性施肥引起更多的氮淋溶。如果起初的硝化細(xì)菌群體數(shù)量低,則少量而頻繁的氮輸入似乎比一次性施肥更有利于硝化細(xì)菌群體數(shù)量的迅速增長。如果硝化細(xì)菌的群體數(shù)量高,則不論輸入的次數(shù)如何,硝化作用似乎都可以立即發(fā)生,NO-3淋溶將更有211林業(yè)科學(xué)37卷可能與過剩的氮輸入成比例地增加。適量的NO -3的輸入可被森林生態(tài)系統(tǒng)所利用;過剩的NO -3將通過淋溶或可能的反硝化作用而從土壤中除去或有少部分在土壤中積累下來。隨著氮的繼續(xù)輸入,其它資源(水分

15、、光、其它養(yǎng)分將成為限制因子。當(dāng)?shù)?礦化和外部輸入與生物和土壤的吸收能力相等時,生態(tài)系統(tǒng)可被認(rèn)為是達(dá)到了“氮飽和”(肖輝林等,1995。3氮在土壤酸化中的作用NH +4和NO -3的沉降都能導(dǎo)致各種環(huán)境中的土壤發(fā)生酸化。土壤酸化涉及了包括植被、土壤溶液和土壤礦物在內(nèi)的氮遷移的過程。氮轉(zhuǎn)化在酸的生成和消耗中的作用可被定量化(表1。植物(或微生物對陽離子的同化可能伴隨著H +從植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移到其環(huán)境土壤溶液中;而在陰離子同化中,H +可能被轉(zhuǎn)移至植物體內(nèi)。在離子吸收中,植物通過提高或降低羧化酶的含量來調(diào)節(jié)細(xì)胞溶液的pH 。如果植物同化陰離子多于陽離子(例如,當(dāng)所有的氮以NO -3供應(yīng)時,則往往可

16、通過C O 2(或更確切地說通過H 2C O 3的去質(zhì)子反應(yīng)就從近乎中性的土壤中實現(xiàn)H +的去除,導(dǎo)致土壤溶液中的HC O -3的增加。如果同化陽離子多于陰離子(例如,當(dāng)大多數(shù)氮以NH +4供應(yīng)時,則往往可通過風(fēng)化或離子交換反應(yīng)來中和反應(yīng)的副產(chǎn)物H +。所以,植物的氮營養(yǎng)在土壤-植被生態(tài)系統(tǒng)中質(zhì)子帳中扮演著關(guān)鍵的角色。如果有機(jī)氮礦化為NO -3和(或NH +4的數(shù)量等于原來的同化量,則H +遷移過程達(dá)到平衡,整個過程對于生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)子帳沒有重要性。但是,當(dāng)?shù)苑柿侠?以(NH 42S O 4、NaNO 3或尿素或以大氣污染物的形式輸入時,氮反應(yīng)在生態(tài)系統(tǒng)的H +帳中就顯得極為重要。表1H +

17、遷移及有關(guān)過程的反應(yīng)方程式T ab.1R eaction equ ations of H +trans fer and related processes 從左至右的過程Process from left to right反應(yīng)方程式Reaction equation 從右至左的過程Process from right to left N 2固定N 22fixationN 2+H 2O +2R OH =2R NH 2+32O 2-NH 3吸收NH 32uptakeNH 3+R OH =R NH 2+H 2O NH 3揮發(fā)V olatilization of NH 3NH +4吸收Uptake o

18、f NH +4NH +4+R OH =R NH 2+H 2O +H +有機(jī)氮礦化M ineralization of organic N有機(jī)氮礦化與硝化M ineralization +nitrification of organic N R NH 2+2O 2=R OH +NO -3+H +NO -3吸收Uptake of NO -3NH +4硝化Nitrificationof NH +4NH +4+2O 2=NO -3+H 2O +2H +-NO x 硝化Nitrification of NO xNO x +14(5-2x O 2+12H 2O =NO -3+H +反硝化Denitrifi

19、cation N 2硝化Nitrification of N 2N 2+52O 2+H 2O =2NO -3+2H +反硝化Denitrification 在表1的反應(yīng)式中,在分子氮的環(huán)境水平條件下,NO -3具有氮的熱力學(xué)穩(wěn)定性,故那些含有氮的較低氧化態(tài)的化合物可最終被氧化成NO -3,向環(huán)境釋放出H +。這種氧化反應(yīng)大多數(shù)有微生物作中介參與。N 2固定的凈效應(yīng)是一種直接的N 2氧化反應(yīng)。在土壤有機(jī)質(zhì)中那些先前被植物固定的氮可被礦化和硝化。經(jīng)過一個地質(zhì)年代的時間尺度,這些過程可導(dǎo)致土壤和水體的過度酸化。森林生態(tài)系統(tǒng)中,氮轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的凈H +通量可用凈NH +4輸入加上凈NO -3輸出來計算(V

20、an Breemen ,311第4期肖輝林:大氣氮沉降對森林土壤酸化的影響1983H +=(NH +4輸入-NH +4輸出+(NO -3輸出-NO -3輸入。不帶電荷的氣態(tài)氮(NO x 、N 2、NH 3在生態(tài)系統(tǒng)中的輸入和輸出不必列入。不帶電荷的氣態(tài)氮(表1不直接參與質(zhì)子遷移反應(yīng),只有通過NH +4和NO -3的生成或消耗,這些形式的氮最終才參與H +循環(huán)(Van Breemen ,1983。內(nèi)部氮循環(huán)(氮礦化-礦化氮的吸收-凋落物中的氮,等等不需考慮,因為這些循環(huán)是封閉的,伴隨產(chǎn)生的H +或HC O -3將達(dá)到平衡(Nilss on ,et al .,1988。上式中,輸入和輸出項應(yīng)包括所

21、有的輸入和輸出,不能只算濕沉降和淋溶。NH +4和NO -3的輸入與輸出之間的平衡狀態(tài)影響著土壤-土壤溶液系統(tǒng)的酸化速率。實驗表明,當(dāng)?shù)饕訬H +4被植被吸收時,根際pH 下降;當(dāng)NO -3為植物的主要氮源時,可觀察到有相反的pH 效應(yīng)(Nye ,1981。酸雨通常含有較高濃度的可溶性NH +4、NO -3和S O 2-4。NH +4在植物表面往往以(NH 42S O 4的形式存在(Van Breement et al .,1982,被雨水淋溶之后,(NH 42S O 4降落到土壤,并在硝化過程中迅速氧化為H NO 3和H 2S O 4。這個過程可產(chǎn)生極低的pH 值,例如,在荷蘭一處氮沉降

22、量很高并以歐洲白櫟(Quercus robur 和垂枝樺(Betula pendula 為主的林地上,土壤pH 值降至218315,引起了非石灰性土壤和石灰性土壤分別出現(xiàn)高濃度的可溶性鋁和高濃度的NO -3(Van Breemen et al .,1982。由于土壤對NH +4有較強(qiáng)的吸附作用,NH +4淋溶在大多數(shù)土壤中可被忽略。如果土壤中的NH +4超過植被和土壤微生物的需求,硝化細(xì)菌的群體數(shù)量將迅速增長,硝化率將提高。如果NO -3淋失和金屬陽離子伴隨其淋失,則土壤的ANC (酸中和容量將相應(yīng)下降。大氣的NH +4沉降可能比NO -3沉降更能促進(jìn)土壤酸化(Skeffington ,199

23、0,因為在硝化過程中,1m olNH +4被轉(zhuǎn)化為NO -3時可產(chǎn)生2m ol H +。實驗表明,NH +4的硝化和過剩的NO -3的淋失是主要的酸化機(jī)制(Bergkvist et al .,1992。4氮沉降的增加將加速森林土壤酸化如前面所述,在缺氮的森林土壤中,各種生物組分別對有限供應(yīng)的有效氮進(jìn)行激烈的競爭。在有機(jī)分解的過程中釋放的NH +4將被迅速吸收而達(dá)到生物學(xué)上的固定,很少有NH +4基質(zhì)剩下來作為進(jìn)一步的微生物氧化。由于硝化減少,氮通過NO -3淋溶而從土壤中損失將受到限制。在氮沉降量較低的地區(qū),幾乎所有的沉降氮(>95%都被林冠或土壤吸收(G renn felt et al

24、 .,1986,氮沉降將具有施肥作用。在具有充足的氮供應(yīng)的森林土壤中,植物和微生物之間的氮競爭將不那么強(qiáng)烈,大量的NH +4可供給硝化作用。由于氮不再缺乏,且由于NO -3的易移動性質(zhì),NO -3將很可能從土壤剖面中淋出。在氮沉降量較高的地區(qū),氮淋失增加,在一些森林中其淋失量達(dá)到1015kg hm -2a-1,甚至更高(G rennfelt et al .,1986。一些模擬氮沉降的實驗表明,土壤中NO -3的淋溶隨著氮沉降的增加而增加;NO -3的淋溶,不論是由于硝化引起的,還是由于NO -3的加入引起的,都具有強(qiáng)烈的酸化作用;在氮飽和的森林生態(tài)系統(tǒng)中,氮沉降(以NO -3或NH +4的適當(dāng)

25、增加,將導(dǎo)致NO -3淋溶的增加和土壤酸度的提高(Bergkvist et al .,1992。有文獻(xiàn)(G rennfelt et al .,1986指出,在中歐森林生態(tài)系統(tǒng)中,降雨中的氮有30%從徑流水中淋失;當(dāng)降雨中的無機(jī)氮輸入超過13kg hm -2a -1時,一些徑流水中的NO -3的輸出是降雨氮輸入的53%92%。在這些森林生態(tài)系統(tǒng)中,氮飽和可能已經(jīng)發(fā)生。較高的氮沉降量不僅可引起NO -3的大量輸出,而且可引起鹽基陽離子以等價量伴隨著NO -3一起淋失(Fernandez et al .,1990。這將反過來引起土壤鹽基飽和度下降的一些養(yǎng)分缺乏。已有證據(jù)表明,由于土壤中產(chǎn)生了過剩的N

26、O -3,Ca 2+、Mg 2+等鹽基陽離子的淋失隨之增加(F oster et al .,1989;Watm oughet al .,1990;礦質(zhì)土壤中Ca 2+的凈損失對土壤有酸化作用(F oster et al .,1989。土壤酸化將反過來急劇增加土壤中的陽離子特別是Al 、Mn 和Rb 的通量(Bergkvist et al .,1992;F oster et al .,1989。411林業(yè)科學(xué)37卷土壤pH 值和根際Al Ca 比率通常可作森林土壤酸化和潛在的森林危害的指標(biāo)(K ros et al .,1993。Van Breemen 通過比較酸沉降對森林土壤的影響發(fā)現(xiàn),在石灰性

27、土壤中,H NO 3促使Ca 2+活化和淋失;在酸性土壤中,則除了Ca2+,還有Al 3+被活化(Ulrich et al .,1983。Al 3+濃度與NO -3濃度密切相關(guān)。在許多情況下,Al 3+濃度與NO -3濃度的相關(guān)性高于它與S O 2-4濃度的相關(guān)性,這意味著在活化Al 3+方面,H NO 3比H 2S O 4更重要(Ulrich et al .,1983;Van Breemen et al .,1988。NO -3濃度的上升將提高土壤溶液的酸度和Al 3+濃度,使土壤的緩沖范圍由鹽基陽離子向Al 3+離子轉(zhuǎn)移(Bergkvist et al .,1992,即土壤的緩沖性能向著低

28、pH 范圍轉(zhuǎn)移。5土壤酸化對森林的影響由于土壤酸化,Al 形態(tài)組分也可能發(fā)生變化。土壤pH 的下降將可能促使Al 形態(tài)組分朝著無機(jī)形態(tài)占優(yōu)勢的方向轉(zhuǎn)移(Nilss on et al .,1988。這種轉(zhuǎn)移將使酸性的地下水、地表水或森林土壤本身進(jìn)一步惡化。在中歐的一些森林生態(tài)系統(tǒng)中,氮轉(zhuǎn)化導(dǎo)致酸性土壤中的強(qiáng)酸輸入達(dá)310715km ol hm -2a -1;在低pH 條件下,從礦質(zhì)土壤中溶解出來的Al 主要是以水化-Al 3+形式存在(Mulder et al .,1987,土壤溶液中鋁水平的增加可導(dǎo)致土壤中Al -P 化合物的沉淀,引起森林磷素缺乏。當(dāng)酸化達(dá)到一定程度時,土壤中的Al 的可溶性

29、增加,因此可危害植物根系和菌根(T omlins on ,1993。試驗表明,土壤酸化使糖槭的菌根數(shù)量顯著地減少(Hutchins on et al .,1999,削弱了森林的固氮能力。土壤溶液中Al 3+Ca 2+的摩爾比率對Al 3+的毒性起重要作用,如果要避免根的損害,其比率就不應(yīng)超過110(Ulrich et al .,1983。土壤中高濃度的NO -3可直接或間接地引起森林衰退,例如,在北美的一些森林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤中高濃度的NO -3引起了Al 活化和Ca2+、Mg 2+淋失,致使Al 3+Ca 2+比率和Al 3+Mg 2+比率極不平衡,其比率有的高達(dá)3040,有的甚至更高,抑制

30、了森林對Ca 2+和Mg 2+的吸收,導(dǎo)致了森林衰退(T omlins on ,1993。土壤酸化使植株木質(zhì)部中的重金屬元素(Zn 、Cr 、Ni 、Cd 含量顯著提高(Wat 2m ough et al .,1999;Hutchins on et al .,1999,這顯然不利于森林生長。由此可見,高氮沉降量引起的土壤酸化對森林有危害作用。土壤酸化不僅影響土壤的化學(xué)性質(zhì),而且可能影響土壤的物理性質(zhì)。有研究指出,土壤酸化可促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)的分解(Ulrich et al .,1983。腐殖質(zhì)的分解和多價鹽基離子(Ca 2+、Mg 2+等的流失,不利于土壤團(tuán)聚體的形成,有可能造成土壤物理性質(zhì)惡化。

31、這方面有待于深入研究。參考文獻(xiàn)Aber J D ,Nadelhoffer KJ ,S teudler P ,et al .Nitrogen saturation in northern forest ecosystems.BioScience ,1989,39:378386Bartnicki J ,Alcam o J.Caculating nitrogen deposition in Europe.W ater Air S oil P ollut ,1989,47:101123Bergkvist B ,F olkes on L.S oil acidification and element f

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36、沉降對森林土壤酸化的影響116 林 業(yè) 科 學(xué) 37 卷 Hutchinson T C ,Watmough S A ,Sager E P S , et al . The impact of simulated acid rain and fertilizer application on a mature sugar maple ( Acer saccharum Marsh. forest in central Ontario ,Canada. Water Air Soil Pollut ,1999 ,109 :1739 Johnson D W ,T odd D E. Nitrogen fer

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