酸沉降和大气污染对华南典型森林生态系统生物量的影响

1、酸沉降和大气污染对华南典型森林生态系统生物量的影响黄益宗1 *，李志先2，黎向东2，阳文苗2，梁肇永2，李华凤2，刘定朗3，陆必升31. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085；2. 广西大学林学院，广西 南宁 530001；3. 广西国营柳花岭林场，广西 合山 546509摘要：调查酸沉降和大气污染对华南典型森林生态系统植物生物量的影响。结果发现，环境污染对树木的生长以及森林生物量影响较大。采用树干解析方法研究发现，不管是尾叶桉还是马尾松其树高、胸径和材积连年生长量基本趋势是污染地区样地比清洁区样地低。尾叶桉和马尾松林分中的生物量也是污染区样地比清洁区样地低。污染区样地中尾叶桉和马尾

2、松林分总生物量分别为66.89 t·hm-2和77.56 t·hm-2，仅分别为清洁区的78.89%和94.49%。环境污染均促进这两个树种根系的生长，而抑制其干材的生长。尾叶桉和马尾松根系生物量占林木层生物量比例：污染区样地分别为65.16%和15.08%；清洁区分别为40.50%和14.48%。此两个树种干材生物量占林木层生物量比例： 污染区样地分别为19.87%和57.71%；清洁区分别为38.15%和70.33%。本研究结果将为华南地区森林生态系统的保护提供科学依据。关键词：酸沉降；大气污染；尾叶桉；马尾松；生物量中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：

3、1672-2175（2007）01-0060-06酸雨是世界十大环境问题之一。酸雨对陆地生态系统的影响研究在欧洲、北美和日本等工业化发达国家开展较早。我国是继欧洲、北美之后，在世界上出现的第三大酸雨区。随着我国经济建设的迅速发展，能源的消耗量日益增加，我国能源结构以煤为主（约占75%左右），据统计，1990年全国煤炭消耗量为10.52亿吨，1995年增至12.8亿t，燃煤排放的SO2 1995年达2 370万t，超过欧洲和美国，居世界首位1。大量排放的SO2和烟尘，导致越来越严重的酸雨和大气污染。根据国家环保局对全国2 177个环境监测站13 a（1981-1993）的监测结果表明，有62.3

4、%的城市SO2 年平均浓度超过国家二级标准(0.06 mg·m-3)，日平均浓度超过国家三级标准(0.25 mg·m-3)2。因此我国的酸雨是硫酸型的，主要是由人为排放的SO2造成3-5。鉴于酸雨问题在区域和全球生态环境变化中占有的重要位置，我国逐渐加大了对酸雨危害和防治对策的研究：1984年中国科学院组织重点课题“西南地区酸雨成因、危害和防治对策研究”；自1986年起国家在“七五”、“八五”攻关中正式将“酸雨对生态系统的影响和经济损失估计”和“酸雨对生态环境的影响及其经济损失”作为一大专题进行研究6-10。通过试验对酸沉降严重危害地区森林生态系统的恢复和重建，提出了实用配

5、套的生态工程技术和措施。在酸沉降临界负荷研究、相对敏感性区划、酸沉降的控制等方面也有诸多报道11-14。广西壮族自治区柳州地区已成为我国的四大酸雨区之一，该区域分布有华南典型的森林生态系统，有关酸沉降和大气污染对本区域森林生态系统的影响较少有见报道。本文旨在研究酸沉降和大气污染对华南典型的森林生态系统典型树种马尾松(Pinus massoniana)和尾叶桉(Eucalyptus urophylla)生长以及森林生态系统生物量变化的影响，为该地区的环境保护和酸雨防治提供科学依据。1 试验地概况研究地点选在广西柳州地区合山市内的国营柳花岭林场，距离林场1 km左右的西南面坐落有广西最大的火力发电

6、厂合山电厂，林场附近还分布有两个国营小煤矿。国营柳花岭林场位于北纬23º51'25º54'，东经108º49'109º02'之间，地处于广西中部，合山市的东北面，东与来宾市良塘乡毛橄村相邻，南与合山矿务局柳花岭矿交界，西与合山市岭南镇横山村接壤，北与来宾市良塘乡中投林场毗邻，东西长约17.1 km，南北宽约7.6 km。林场林地属丘陵地貌类型，地势东高西低，一般海拔150400 m，海拔最高为四月八岭593 m；海拔最低130 m，坡度一般为15º25º。该地属南亚热带季风气候区。年平均气温为20.7

7、，极高温度39.5 ，极低温度 -2.1 。平均年降雨量1370.9 mm，相对湿度74%83%，年蒸发量16001700 mm，年日照时数1778.2 h，热量充足，雨热同季，干湿明显。春秋季干旱，因而形成干热的气候条件。土壤主要是由砂岩、硅质岩发育而成的赤红壤，其次是石灰岩发育而成的红色石灰土。此地区与柳州市连成一片，其降水酸度1989年可达4.5左右7, 10。据报道，广西合山电厂SO2排放量是居国内前几名的大点源，是湘桂走廊内，也是广西全区最大的SO2排放点源。合山市煤炭含硫高达4.1%8.95%，平均为5%，每天排放SO2达1025 t，烟气中SO2浓度高达3000×10-

8、64000 ×10-6以上。林场内常见松树新生针叶受害后严重失绿呈红棕色，整片林远看似火烧状，不久针叶就变成灰白色死针，严重的可整株死亡。2 调查方法在广西国营柳花岭林场内分别设置马尾松林和尾叶桉林两块样地，样地面积为20 m×20 m，此处样地距离广西合山电厂1 km左右简称为污染区样地。为了便于比较，在距离该电厂20 km左右的地方也分别设置马尾松林和尾叶桉林两块样地，样地面积20 m×30 m，简称为清洁区样地。这两处地方的气候、土壤和植被分布状况基本一致，只是距离广西合山电厂不同导致SO2和酸沉降等环境污染不同而已。马尾松均为1990-1992年用实生苗营

9、造的林分，尾叶桉为1999年的二代萌芽林。几个样地的基本情况见表1和表2。表2 马尾松林分基本情况比较Table 2 Plant growth status in Pinus massoniana stand under non-pollution plots and pollution plots样地株数/（株·hm-2）平均胸径平均树高林下植被/cm(%)/m(%)污染区清洁区1350125012.413.889.6100.010.814.176.6100.0羊奶果、白背桐、灰木(Symplocos paniculata)、马唐、半边旗(Pteris semipinnata)、弓

10、果黍、铁芒萁等桃金娘、三叉苦、单面针(Zanthoxylum dissium)、白背桐、鲫鱼胆、白背算盘子、铁芒萁、弓果黍、东方乌毛蕨、狗脊(Woodwardia japonica)、扇叶铁线蕨(Adiantum flabellulatum)等表1 尾叶桉林分基本情况比较Table 1 Plant growth status in Eucalyptus urophylla stand under non-pollution plots and pollution plots样地株数/（株·hm-2）平均胸径平均树高林下植被/cm(%)/m(%)污染区清洁区195015839.710.

11、295.3100.012.815.085.3100.0桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa)、羊奶果(Elaeagnus conferta)、羊耳菊(1nula cappa)、铁芒萁(Dicranopteris dichotoma)、马唐(Digitaria sanguinalis)等木荷(Schima superba)、三叉苦(Evodia lepta)、大青(Clerodendrum cyrtophyllum)、白背桐(Mallotus apelta)、潺槁树(Litsea glutinosa)、鲫鱼胆(Maesa perlarius)、羊奶果、白背算盘子(Glochidio

12、n wrightii)、弓果黍(Cyrtotollum patens)、东方乌毛蕨(Blechnum orientale)、铁芒萁、五节芒(Miscanthus floridulus)等对样方中所有个体进行每木检尺，根据检尺结果算出平均胸径、平均树高。在样地内选3株平均木。将平均木伐倒，依照树干解析15的方法将树干分段（0 m, 1.3 m, 3.6 m, 5.6 m, 7.6 m）并截取圆盘各两个，其中一个圆盘经刨光后分别按年度测定其东、南、西、北4个方向的年轮宽度，以计算各平均木的胸径生长量（包括总生长量，连年生长量，平均生长量）。再绘树高生长进程曲线，根据各年的树高计算树高生长量。得出每

13、年的胸径和树高后，再根据材积计算公式：V马= 0.7143× 10-4D1.8670H0.9015；V桉=0.3728×10-4D1.7539（DlgD）0.0703H0.7941（HlgH）0.182116计算出各年的材积生长量。另外，采用分层切割法17测定样木各组分的生物量。生物量包括叶、枝、干材、树皮、根（其中叶和枝又分阴叶、阳叶，阴枝、阳枝）。干材是指树干小头直径在四厘米以上可作小径材使用的部分，干材的取样来自区分段的另一个圆盘。梢头及所有活枝作枝条处理，树皮仅包括干材部分的树皮18。根系分根兜、粗根（直径1 cm以上）、小根（直径0.51.0 cm）、细根（0.5

14、 cm以下）等四级统计，挖取根系时，以样木根兜为中心，以平均株行距为边长作样方（即样木的平均营养面积），挖至地下60 cm（因为60 cm以下基本上没有多少可见的根系，只有少数细根），然后分级称量。 样木的生物量由W样=W干+W皮+W枝+W叶+W根求得，其中： W样为样木的生物量。 W干、W皮、W枝、W叶、W根等分别为样木的干材、树皮、枝条、叶和根系的生物量。 在各样地周围分别设5个面积为2 m2的小样方进行凋落物和林下植物（灌木和草本）生物量的测定。林下植物分地上部分和地下部分进行测定，再推算全林的数值。每样地共10 m2。所有生物量的测定，一律采用野外测定鲜质量，取样在恒温箱内用80 烘至

15、恒质量，求得含水率后再换算为干质重。3 结果与讨论3.1 连年生长量 图1 树高连年生长量(a: 尾叶桉; b: 马尾松)Fig. 1 Current annual increment of tree height (a: Eucalyptus urophylla, b: Pinus massoniana) 图2 胸径连年生长量(a: 尾叶桉; b: 马尾松)Fig. 2 Current annual increment of diameter (a: Eucalyptus urophylla, b: Pinus massoniana)环境污染对树木的生长影响较大。图1为污染区和清洁区样地的两

16、种树种的树高连年生长量比较，由图中可以看出，由于尾叶桉和马尾松的生长年限、树种特性不一样，因此它们的树高连年生长量变化规律不一样。尾叶桉生长速度比马尾松快，比如清洁区样地在1999年时尾叶桉树高连年生长量达到3.93 m，2001年有一个生长高峰，达4.57 m，以后生长速度逐渐放慢。而污染区样地尾叶桉树高连年生长量在大部分时间里比清洁区样地生长慢，整个生长期呈现一个下降趋势。不管在污染区样地还是在清洁区样地，马尾松树高连年生长量从19902002年基本保持在0.6 m以上的生长，以后逐渐放慢。污染区样地比清洁区样地生长速度慢。胸径连年生长量也是尾叶桉比马尾松生长速度快，不管在污染区样地还是在

17、清洁区样地，尾叶桉在整个生长期内均超过2 cm左右，而马尾松低于2 cm。在清洁区样地，尾叶桉2002年以前胸径生长较慢，连年生长量仅为2.072.63 cm，2003年迅速增加到4.52 cm；而污染区样地尾叶桉胸径连年生长量在整个生长期内变化不大，为1.992.68 cm（图2）。马尾松胸径连年生长量在不同年份变化较大，清洁区样地和污染区样地马尾松胸径生长规律基本一致，刚开始几年迅速生长，到1993年或1994年达到最大值，以后逐渐放慢生长速度，到2002年以后又迅速生长。在早期马尾松胸径连年生长量在污染区样地比清洁区样地生长慢（图2）。对于材积连年生长量来说，不管在污染区样地还是在清洁区

18、样地，尾叶桉在整个生长期内均迅速提高，污染区样地由1999年的0 m3到2003年的0.03 m3，清洁区样地由1999年的0 m3到2003年的0.05 m3，从2000年以后清洁区样地比污染区样地提高快。马尾松材积连年生长量从19902003年也基本是不断提高的趋势，不过比尾叶桉提高慢一些。清洁区样地的材积连年生长量也基本比污染区样地高（下页图3）。3.2 林分生物量3.2.1 尾叶桉尾叶桉林木层中总生物量，在污染区为65.17 t·hm-2，清洁区为83.05 t·hm-2，污染区仅为清洁区的78.47%（见表3）。尾叶桉林木层各组分生物量构成的大小顺序为：污染区样地

19、：根干材阴叶树皮阳枝阳叶阴枝清洁区样地：根干材树皮阳枝阳叶阴枝阴叶 图3 材积连年生长量(a: 尾叶桉; b: 马尾松)Fig. 3 Current annual increment of volume (a: Eucalyptus urophylla, b: Pinus massoniana)表3 尾叶桉林木层生物量的组成Table 3 Biomass of tree layers in Eucalyptus urophylla stand项目污染区清洁区全林生物量/（t·hm-2）单株生物量/（kg·株-1）比例/(%)全林生物量/（t·hm-2）单株生物量/

20、（kg·株-1）比例/(%)合计65.1733.42100.0083.0552.47100.00阳叶1.010.521.552.771.753.34阴叶3.821.965.860.140.090.17阳枝1.650.852.533.312.093.98阴枝0.810.421.261.480.931.78干材12.956.6419.8731.6920.0238.15树皮2.461.263.7710.036.3412.08根42.4621.7865.1633.6321.2540.50每公顷株数19501583污染区和清洁区两样地中根系生物量在林木层生物量构成中均为最大值，分别为42.46

21、 t·hm-2和33.63 t·hm-2，分别占全林的65.16%和40.50%。两个样地均为同一年砍伐后的二代萌芽林分，部分根系是上一代留下来的，根兜也比较大，因此根系的比重也相对较大。干材生物量在污染区和清洁区中分别为12.95 t/hm2和31.69 t·hm-2，分别占全林的19.87%和38.15%，污染区仅为清洁区样地的一半。立地和环境的影响会使干材生物量显著降低，而处于污染区内的样地，受酸沉降、大气污染等殊多因素的影响，导致林木生物量构成比例大不一样。 林分总生物量包括林木层和林下植被等所有植物成分的地上部分和地下部分的总和。尾叶桉林分生物量构成见表

22、4，从表中可以看出，污染区样地干材在林分总生物量中占的比例为19.36%，而根则占了63.48%；而清洁区样地干材在林分总生物量中占的比例为36.43%，根占38.66%。清洁区样地干材在林分总生物量中占的比例为污染区的1.9倍，而清洁区样地根占的比例仅为污染区的1/2。其他林木层组分中，除了阴叶外，清洁区样地各组分在林分总生物量中占的比例均比污染区的大。死地被物生物量污染区和清洁区分别为1.60 t·hm-2和1.98 t·hm-2，污染区仅为清洁区的80.81%。尾叶桉林分中，林下植物总生物量只占林分总生物量的一小部分，在清洁区样地这部分的生物量为3.95 t·

23、;hm-2，占林分总生物量的4.54%；在污染区样地中生物量更少，为1.72 t·hm-2，占林分总生物量的2.58%。除了草本地下部分以外，草本地上部、灌木地上部和灌木地下部在林分总生物量中所占的比例污染区均比清洁区小。这几部分生物量在污染区中仅分别占清洁区的41.40%、58.62%和16.30%（下页表4）。3.2.2 马尾松同样由回归方程算得两样地马尾松林林木各组分生物量(表5)。在污染区中林木层总生物量为76.05 t·hm-2，清洁区为78.62 t·hm-2，污染区为清洁区的96.73%。林木各组分生物量构成的大小顺序为：表4 尾叶桉林分中生物量的构

24、成Table 4 Biomass of tree, shrub and herbage layers in Eucalyptus urophylla stand项目污染区清洁区生物量/t·hm-2比例/%生物量/t·hm-2比例/%死地被物1.60/1.98/林木层总生物量65.1797.4283.0595.46阳叶1.011.512.773.18阴叶3.825.710.140.16阳枝1.652.473.313.80阴枝0.811.221.481.70干材12.9519.3631.6936.43树皮2.463.6810.0311.53根42.4663.4833.6338.

25、66林下植物总生物量1.722.583.954.54草本地上部0.771.161.862.14草本地下部0.290.440.290.34灌木地上部0.510.750.871.00灌木地下部0.150.230.921.06林分总生物量66.89100.0087.00100.00污染区样地：干材根阳枝阳叶树皮阴枝阴叶清洁区样地：干材根树皮阴枝阳枝阳叶阴叶污染区和清洁区两样地的干材生物量在林木层各组分中均为最大值，分别为43.79 t·hm-2和 55.29 t·hm-2，分别占全林的57.71%和70.33%，清洁区样地干材的比重为污染区样地的1.22倍。根生物量在污染区和清洁

26、区中分别为11.44 t·hm-2 和11.38 t·hm-2，分别占全林的15.08%和14.48%。树冠部分的阳叶和阳枝生物量在污染区均远远大于清洁区，其余部分如阴叶、阴枝和树皮生物量则清洁区样地比污染区样地大。表6 马尾松林分中生物量的构成Table 6 Biomass of tree, shrub and herbage layers in Pinus massoniana stand项目污染区清洁区生物量（t·hm-2）比例（%）生物量（t·hm-2）比例（%）死地被物0.52/1.58/林木层总生物量76.0598.0478.6295.78阳

27、叶5.817.490.510.62阴叶0.450.580.510.62阳枝8.4110.841.652.01阴枝1.401.813.324.04干材43.7956.4555.2967.36树皮4.756.135.977.27根11.4414.7511.3813.87林下植物总生物量1.521.963.474.22草本地上部1.391.791.141.39草本地下部/0.000.430.52灌木地上部0.040.051.251.52灌木地下部0.080.110.650.79林分总生物量77.56100.0082.08100.00马尾松林分生物量构成见表6，从表中得出林分总生物量在污染区和清洁区中

28、分别为77.56 t·hm-2和82.08 t·hm-2，污染区为清洁区的94.49%。在总生物量中，林木层占绝大部分的比例，污染区和清洁区中均超过95%。林下植物总生物量在污染区和清洁区中分别为1.52 t·hm-2和3.47 t·hm-2，分别占林分的1.96%和4.22%。其中除了草本地上部生物量在污染区比清洁区大以外，其它部分如草本地下部、灌木地上部和灌木地下部均为清洁区比污染区大。死地被物生物量在污染区和清洁区中分别为0.52 t·hm-2和1.58 t·hm-2。4 结论1）酸沉降和大气污染明显抑制尾叶桉和马尾松的树高、胸

29、径和材积生长，这两个树种的树高、胸径和材积连年生长量基本趋势是污染区样地比清洁区样地低。表5 马尾松林木层生物量的组成Table 5 Biomass of tree layers in Pinus massoniana stand项目污染区清洁区全林生物量（t·hm-2）单株生物量（kg·株-1）比例（%）全林生物量（t·hm-2）单株生物量（kg·株-1）比例（%）林木层合计76.0556.20100.0078.6262.89100.00阳叶5.834.317.660.510.410.65阴叶0.450.330.590.510.400.64阳枝8.41

30、6.2311.081.651.322.09阴枝1.401.041.853.322.654.22干材43.7932.4457.7155.2944.2370.33树皮4.753.396.035.974.777.59根11.448.4715.0811.389.1114.48每公顷株数135012502）尾叶桉林分中，污染区样地植物总生物量为66.89 t·hm-2，仅为清洁区的78.89%。环境污染促进林木根系的生长而抑制其干材的生长。尾叶桉根系生物量在污染区和清洁区样地中分别占林木层总生物量的65.16%和40.50%；干材生物量分别为19.87%和38.15%。3）同样，马尾松林分总生

31、物量也是污染区样地比清洁区样地稍高，污染区只占清洁区的94.49%。环境污染也不利于马尾松干材的生长。马尾松林分根系生物量和干材生物量占林木层总生物量的比例：污染区分别为15.08%和57.71%；清洁区分别为14.48%和70.33%。参考文献：1 解振华. 中国的酸雨控制对策. 中国酸雨及其控制M. CCA ST- WL Workshop Series, 1997, 78: 7-16.XIE Z H. Countermeasures for acid rain in ChinaC/ Acid Rain and Its Countermeasure in China. CCA ST-WL W

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