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大气氮沉降对丛林土壤酸化影响剖析
大气氮沉降对丛林土壤酸化影响剖析
第37卷第4期
2001年7月林业科学SCIENTIASILVAESINICAEVol137,No14Jul.,2001
大气氮沉降对丛林土壤酸化的影响
肖辉林
(广东省生态环境与土壤研究所
广州510650
纲要:因大气污染而不停增添的大气氮沉降量,在很多地区超出了丛林生态系统的氮需求。氮在土壤中的化学和生物化学反响对H+离子的产生与耗费有重要影响。NH+4和NO-3输入与输出的均衡状态影响着土壤-土壤溶液系统的酸化速
率。节余的氮沉降将增添NH+4的硝化和NO-3的淋失,加快土壤的酸化。土壤酸化对丛林有危害作用。
要点词:大气污染,氮沉降,丛林土壤,酸化
收稿日期:1999211230。
基金项目:广东省农业环境综合治理要点试验室资助项目。EFFECTSOF
ATMOSPHERICNITROGENDEPOSITION
ONFORESTSOILACIDIFICATION
XiaoHuilin1
(
510650
Abstract:+.ThebalancebetweentheinputsandoutputsofNH+4andNO-
+4andtheleachingofNO-3,--3leaching,.
Keywords:Atmosphericpollution,Nitrogendeposition,Forests
oil,Acidification因为人类活动的影响,几十年来,大气氮化合物的沉降量已明显增添(Bartnickietal.,1989;Brimble2combeetal.,1982。大气氮沉降量的增添,已成为很多丛林的重生态因子(Aberetal.,1989;Skeffington,1990;Kazda,1990。初期的看法认
为,大气氮沉降平时是一种有益且有限的养分本源;但此刻这类看法遇到了挑战,大气氮沉降对丛林的作用视林地的养分状况和氮输入量大小而定。大气氮沉降对丛林生
态系统的影响是多方面的,此中,它对丛林土壤酸化的影响,是一个不可以忽视的重要问题。本文环绕这方面进行商讨,旨在为丛林生态系统的物质循环研究和环境保护供应科学依照。
大气氮沉降状况
大气沉降的氮化合物有干、湿两种。湿沉降的氮主假如NH+4和NO-3,以及
少许的可溶性有机氮。干沉降的氮主要有气态NO、N2O、NH3,以及(NH42SO
4和NH4NO3粒子,还有吸附在其余粒子上的氮。除了自然本源以外,大气中的氮
化合物主要本源于工业(NOX、化石燃料的燃烧(NOX、农田施肥和集约畜牧业
(NHX。
北美和西欧非城市地区的雨水剖析显示了19世纪中叶以来,NO-3的年沉降量有明显的增添,而NH+4沉降水平则相对坚固(Brimblecombeetal.,1982。北欧和西欧的资料也反响了从本世纪50年月至80年月,雨水中的NO-3均匀浓度明显增添,
而NH+
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4均匀浓度在大多数地区有所上涨,在少许地区则变
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化趋向不明显(Rodheetal.,1986。总的来说,氮沉降量已明显增添。
世界各地大气氮沉降的通量受氮的排放量的支配。氮沉降与氮排放呈线性关系(Bartnickietal.,1989。目前欧洲污染最严重的地区,降雨中的NH+4-N均匀浓度大
于019mg?L-1,NO-3-N大于017mg?L-1,这类浓度向着污染较轻的地区逐渐下降,
在大不列颠北部和斯堪的纳维亚中部NH+4-N约为013mg?L-1,NO-3约为0115~0130mg?L-1(Grennfeltetal.,1986。欧洲大多数地区氮沉降量超出10kg?
hm-2?a,在比利时、荷兰、卢森堡等3国和中欧的一部分地区,氮沉降量超出30kg
hm-2?a,欧洲边远地区减少至1kg?hm-2a-1(Bartnickietal.,1989。近十多年来,我
国在南方一些地区对降雨中的氮进行了观察,结果表示,各地雨水中的含氮量和由降雨带入的氮量,都有很大的变幅;就均匀而言,雨水中的含氮量多在1~2mgΠL之间,带
入的氮量多在910~1915kg?hm-2a-1之间(朱兆良等,1992。
就丛林的大气氮输入而言,目前中欧丛林大气氮输入为25~60kg?hm-2a-1,大大超出了丛林的年需要量(Kazda,1990;在北美,丛林地区大气氮沉降量一般为2~40kg
hm-2a-1(Lovettetal.,1982;Park2er,1983。在我国的一些丛林中,已发现有很高的氮沉降量,比方在江西分宜县大冈山林场的杉木(Cunninghamialanceolata林和马尾松
(Pinusmassoniana林中,降雨氮输入分别为6016kg?hm-2a-1和5710kg?hm-2a-1(马
雪华,1989。长久而连续的高氮输入可以致丛林土壤酸化。为了更好地说明氮在土
壤酸化中的作用,有必需先归纳氮在土壤中的迁徙和转变。
丛林土壤中氮的迁徙与转变
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丛林土壤是丛林生态系统最大的氮库,平时超出生态系统总氮量的al.,1981。大多数土壤氮是隋性的且对于植物汲取和土壤氮淋溶是无效的
85%(Coleet
,只出缺少
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严格定义的那部分“可矿化的”氮库才拥有生物学意义上的活动性。固然
NH+
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4激烈地吸附于阳离子交换场所,但在未受扰动的土壤中NH+4库很小。土壤中可交换的NH+4含量在施肥后的一个较短的时期内(6~12个月可被提升,但跟着被植物和异养微生物汲取,以及硝化作用、挥发,而迅速降至低水平(Johnson,1992。硝化
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过程中产生的NO-3可部分地被植物和微生物汲取,或在一些厌气土壤中被还原为气
态氮(N2、N2O。因为NO-3难以
吸附于大多数土壤中,所以在好气土壤中硝化作用老是以致NO-
3淋失的增添。土壤的低pH值平时不利于硝化作用(朱兆良等,1992,但在增添氮的有效性或降低植物氮需求的条件下,低pH土壤中的净硝化也可发生(Jonhnson,1988;McNultyetal.,1990。很多研究表示,在高大气氮输入的条件下,低pH土壤也有明显的硝化率(Aberetal.,1989;VanBreemenetal.,1982;1987。
异养菌、植物和硝化细菌之间对氮的竞争被以为在决定氮保存于生态系统内的
程度中起重要作用(Rihaetal.,1986。输入丛林生态系统的NH+4和NO-3的去处主
要决定于它们的供应动向、土壤有效氮和有效碳状况,以及土壤中分解者集体对
CΠN比率的要求(Duckworthetal.,1991。异养菌是最强的短期的氮竞争者(Schimeletal.,1989。在氮成为有限基质的土壤中,异养微生物将对任何有效氮进行激烈的竞
争,以致氮的净固定。有效性氮的较大输入将对这类固定需求起更大的作用。一旦这类需求
达到满足,进一步的氮输入将以致生态系统富氮,节余的NH+
4
将引起硝化作用(VanMiegroetetal.,1990。
林分年龄是决定丛林生态系统中氮汲取量和氮增添率的重要要素(Johns
on,1992。在生长的初期阶段,林地自瘦迅速,凋谢物和养分归还在林分的发育过程中
但是逐渐增添(Polglaseetal.,1992。在林冠郁闭今后,当富营养的叶片的生物量达到
坚固状态时,丛林对氮的汲取量和汲取增添率迅速下降(Turner,1981。所以,在氮输入相等的条件下,成熟丛林中的NO-3淋失大于幼龄丛林中的NO-3淋失。
Johnson(1992在比较一些施肥试验今后指出,在缺氮的生态系统中,以相同的年施氮量,少许而屡次的氮输入(近似于大气污染物氮的输入将比传统的、一次性施肥
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引起更多的氮淋溶。假如开初的硝化细菌集体数目低,则少许而屡次的氮输入忧如
比一次性施肥更有益于硝化细菌集体数目的迅速增添。
假如硝化细菌的集体数目高,则无论输入的次数如何,硝化作用忧如都可以马上
发生,NO-
淋溶将更有
211林业科学37卷
可能与节余的氮输入成比率地增添。
合适的NO-3的输入可被丛林生态系统所利用;节余的NO-
将经过淋溶或可能的反硝化作用而从土壤中除去或有少部分在土壤中累积下来。跟着氮的连续输入,其余资源(水分、光、其余养分将成为限制因子。当氮通量
(矿化和外面输入与生物和土壤的汲取能力相等时,生态系统可被以为是达到了
“氮饱和”(肖辉林等,1995。3氮在土壤酸化中的作用
NH+4和NO-
的沉降都能以致各种环境中的土壤发生酸化。土壤酸化涉及了包含植被、土壤溶液和土壤矿物在内的氮迁徙的过程。氮转变在酸的生成和耗费中的作用可被定量化(表1。植物(或微
生物对阳离子的同化可能陪伴着H+从植物体内转移到其环境土壤溶液中;而在阴离子同化中,H+可
能被转移至植物体内。在离子汲取中,植物经过提升或降低羧化酶的含量来调理细胞溶液的pH。假如
植物同化阴离子多于阳离子(比方,当全部的氮以NO-3供应时,则常常可经过C
2(或更的确地说经过
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H2CO3的去质子反响就从近乎中性的土壤中实现H+的去除,以致土壤溶液
中的HCO-
3的增添。假仿佛化阳离子多于阴离子(比方,当大多数氮以NH+
4供应时,则常常可经过风化或离子交换反响来中和反响的副产物H+。所以,植
物的氮营养在土壤-植被生态系统中质子帐中饰演着要点的角色。假如
有机氮矿化为NO-3和(或NH+4的数目等于本来的同化量,则H+迁徙过程达到均衡,整个过程对于生
态系统的质子帐没有重要性。但是,当氮以肥料[比方,以(NH42SO4、NaNO3或尿素]或以大气污染物的形式输入时,氮反响在生态系统的H+帐中就显得极为重要。
表1H+迁徙及相关过程的反响方程式
+transferandrelatedprocesses从左至右的过程
Processfromlefttoright
反响方程式Reactionequation从右至左的过程ProcessfromrighttoleftN2固定
N22fixation
N2+H2O+2R?OH=2R?NH2+32O2-NH3汲取
NH32uptake
NH3+R?OH=R?NH2+H2ONH3挥发VolatilizationofNH3NH+4汲取
UptakeofNH+4NH+4+R?OH=R?NH2+H2O+H+有机氮矿化MineralizationoforganicN
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有机氮矿化与硝化Mineralization+nitrificationoforganicNR?NH2+2O2=R
?OH+NO-3+H+NO-3汲取
UptakeofNO-
3NH+4硝化
NitrificationofNH+
4NH+4+2O2=NO-3+H2O+2H+-NOx硝化
NitrificationofNOx
NOx+14(5-2xO2+12H2O=NO-3+H+反硝化DenitrificationN2硝化
NitrificationofN2N2+52O2
+H2O=2NO-3+2H+
反硝化Denitrification在表1的反响式中,在分子氮的环境水平条件下,NO-3拥有氮的热力学坚固性,故那些含有氮的较
低氧化态的化合物可最后被氧化成NO-3,向环境开释出H+
。这类氧化反响大多数有微生物作中介参加。N2固定的净效应是一种直接的N2氧化反响。在土壤有机质中那些先前被植物固定的氮可被矿化和硝化。经过一个地质年月的时间尺度,这些过程可以致土壤和水体的过分酸化。
丛林生态系统中,氮转变产生的净H+通量可用净NH+4输入加上净NO-3输出来计算(VanBreemen,311第4期肖辉林:大气氮沉降对丛林土壤酸化的影响
1983
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H+=(NH+4输入-NH+4输出+(NO-3输出-NO-3输入。
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不带电荷的气态氮(NOx、N2、NH3在生态系统中的输入和输出不用列入。
不带电荷的气态氮(表1不直接参加质子迁徙反响,只有经过NH+4和NO-3的生成
或耗费,这些形式的氮最后才参加H+循环(VanBreemen,1983。内部氮循环(氮矿化
-矿化氮的汲取-凋谢物中的氮,等等不需考虑,因为这些循环是封闭的,陪伴产生的H
+或HCO-
3将达到均衡(Nilsson,etal.,1988。
上式中,输入和输出项应包含全部的输入和输出,不可以只算湿沉降和淋溶。NH+4和NO-3的输入与输出之间的均衡状态影响着土壤-土壤溶液系统的酸化速率。实验表示,当氮主要以NH+4被植被汲取时,根际pH下降;当NO-3为植物的主要氮源时,可观察到有相反的pH效应(Nye,1981。
酸雨平时含有较高浓度的可溶性NH+4、NO-3和SO2-4。NH+4在植物表面常常以(NH42SO4的形式存在(VanBreementetal.,1982,被雨水淋溶今后,(NH42SO4下降到土壤,并在硝化过程中迅速氧化为HNO3和H2SO4。这个过程可产生极低的pH值,比方,在荷兰一处氮沉降量很高并以欧洲白栎(Quercusrobur和垂枝桦(Betulapendula为主的林地上,土壤pH值降至218~315,引起了非石灰性土壤和石灰性
土壤分别出现高浓度的可溶性铝和高浓度的NO-3(VanBreemenetal.,1982。因为土壤对NH+4有较强的吸附作用,NH+4淋溶在大多数土壤中可被忽视。假如土壤中的NH+
4超出植被和土壤微生物的需求,硝化细菌的集体数目将迅速增添,硝化率将提升。假如NO-3淋失和金属阳离子陪伴其淋失,则土壤的ANC(酸中和容量将相应下降。
大气的NH+4沉降可能比NO-3沉降更能促使土壤酸化(Skeffington,1990,因为在硝化过程中,1mol
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NH+4被转变成NO-3时可产生2molH+。实验表示,NH+4的硝化和节余的
NO-3的淋失是主要的酸化系统(Bergkvistetal.,1992。
氮沉降的增添将加快丛林土壤酸化
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如前面所述
,在缺氮的丛林土壤中
,各种生物组分别对有限供应的有效氮进行激
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烈的竞争。在有机分解的过程中开释的
NH+4
将被迅速汲取而达到生物学上的固
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定,极罕有
NH+4
基质剩下来作为进一步的微生物氧化。因为硝化减少
,氮经过
NO-
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3淋溶而从土壤中损失将遇到限制。在氮沉降量较低的地区,几乎全部的沉降氮
(>95%都被林冠或土壤汲取(Grennfeltetal.,1986,氮沉降将拥有施肥作用。
在拥有充分的氮供应的丛林土壤中,植物和微生物之间的氮竞争将不那么激烈,大批的NH+4可供应硝
化作用。因为氮不再缺少,且因为NO-3的易挪动性质,NO-3将很可能从土壤剖面中淋出。在氮沉降量较高的地区,氮淋失增添,在一些丛林中其淋失量达到
10~15kg?hm-2a
-1,甚至更高(Grennfeltetal.,1986。
一些模拟氮沉降的实验表示,土壤中NO-
3的淋溶跟着氮沉降的增添而增添;NO-3的淋溶,无论是因为硝化引起的,还是因为NO-3的加入引起的,都拥有激烈的酸化作用;在氮饱和的丛林生态系统中,
氮沉降(以NO-3或NH+4的合适增添,将以致NO-3淋溶的增添和土壤酸度的提升(Bergkvistetal.,
1992。有文件(Grennfeltetal.,1986指出,在中欧丛林生态系统中,降雨中的氮有
30%从径流水中淋失;当降雨中的无机氮输入超出13kg?hm-2a-1时,一些径流水中
的NO-
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3的输出是降雨氮输入的53%~92%。在这些丛林生态系统中,氮饱和可能已经
发生。较高的氮沉降量不只可引起NO-3的大批输出,并且可引起盐基阳离子以等
价量陪伴着NO-
3一起淋失(Fernandezetal.,1990。这将反过来引起土壤盐基饱和度下降的一些
养分缺少。已有凭据表示,
因为土壤中产生了节余的NO-3,Ca2+、Mg2+等盐基阳离子的淋失随之增添
(Fosteretal.,1989;Watmough
etal.,1990;矿质土壤中Ca2+的净损失对土壤有酸化作用(Fosteretal.,1989。
土壤酸化将反过来急
剧增添土壤中的阳离子特别是Al、Mn和Rb的通量(Bergkvistetal.,1992;F
osteretal.,1989。411林业科学37卷
土壤pH值和根际AlΠCa比率平时可作丛林土壤酸化和暗藏的丛林危害的指
标(Krosetal.,1993。
VanBreemen经过比较酸沉降对丛林土壤的影响发现,在石灰性土壤中,HNO3
促使Ca2+活化和淋失;在
酸性土壤中,则除了Ca
2+,还有Al3+被活化(Ulrichetal.,1983。Al3+浓度与NO-3浓度亲近相关。在很多状况下,Al3+浓度与NO-3浓度的相关性高于它与SO2-4浓度的相关性,这意味着在活化Al3+方面,
HNO3比H2SO4更重要(Ulrichetal.,1983;VanBreemenetal.,1988。NO-3
浓度的上涨将提升土壤溶液
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的酸度和Al3+浓度,使土壤的缓冲范围由盐基阳离子向Al3+
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