酸沉降影响下蔡家塘森林土壤溶液化学成分特征

刘 湛，张青梅，向仁军，漆 燕，邱亚群，尤翔宇

（湖南省环境保护科学研究院 水污染控制技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004）

酸沉降影响下蔡家塘森林土壤溶液化学成分特征

刘 湛，张青梅，向仁军，漆 燕，邱亚群，尤翔宇

（湖南省环境保护科学研究院 水污染控制技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004）

以湖南省蔡家塘森林土壤溶液的监测数据为基础，分析了该地区土壤溶液中的离子成分分布特征。结果表明，蔡家塘森林土壤已处于酸性状态（pH＜5.00）。土壤溶液中的各种阴阳离子浓度都呈明显的季节性变化，冬季和春季离子浓度高，夏季和秋季离子浓度低，Ca2+、SO42-、Mg2+、Na+的最大浓度出现在春季，K+、NO3-、Cl-、NH4+的最大浓度出现在冬季。蔡家塘森林土壤溶液中的阳离子以Ca2+和K+为主，分别占总离子量的26.67%和24.14 %；阴离子以SO42-和NO3-为主，分别占总离子量的26.67%和24.14 %。

酸沉降；离子；特征；蔡家塘

酸沉降是促进土壤酸化和改变土壤性能的重要途径之一[1-4]，酸沉降影响下土壤中氮、碳、金属元素等的分布特征已见报道[5-9]，研究酸沉降影响下的土壤成分及其分布特征对于恢复土壤生态系统具有十分重要的意义[10-11]。湖南省是中国南方重要的二氧化硫控制区和酸雨控制区[12]。近年来的气象及环境监测数据表明，湖南省酸性大气降水面积在日益扩大，年均pH值最低达到3.35，部分地区的酸雨频率甚至高达100%[13]。蔡家塘于湖南省韶山市，北纬 27°55′，东经 112°53′，年平均降雨量1 200～1 700 mm，属于丘陵地带，海拔292 m，树木主要为松木、杉木、竹木及杂木，植被保护良好；土壤类型主要为黄棕壤和黄壤，为敏感性土壤。本文以“中国酸沉降综合影响观测研究”（ Integrated Monitoring Program on Acidification of Chinese Terrestrial Systems，简称IMPACTS项目）湖南蔡家塘小流域5年的实测数据为基础，分析探讨了该地酸沉降影响下土壤溶液中的离子组分和随季节变化的特征，为阐明酸沉降影响下蔡家塘森林生态系统化学提供科学依据及土壤酸化防治提供必要的理论基础和数据支持。

1 研究方法

1.1 样品采集

流域内土壤溶液样品采集仪器按照IMPACTS项目技术手册所规定的欧洲空气污染物长距离输送监测与评估(简称EMEP)标准装配。连续5年内每周收集土壤溶液样品，在4个采样点（见图1）自然土层中（15，30，60，75 cm）安装过滤式土壤溶液收集器。过滤式土壤溶液收集器（由挪威奥斯陆大学制造）由有机玻璃管、塑料盘和尼龙网组成。过滤式土壤溶液收集器通过有机玻璃管连接到一个容积为5 L的丙烯容器，将收集到的土壤溶液导入此容器中。容器上的刻度用于测量已收集到土壤溶液的体积。

图1 蔡家塘土壤溶液采样点Fig.1 Soil solutionin sampling points in Caijiatang

1.2 分析方法

样品根据欧洲空气污染物长距离输送监测与评估标准提供的分析方法进行测定：取样后测定土壤溶液样品体积并记录，然后将土壤溶液样品密封于干净聚乙烯瓶内并立即送回实验室，在无过滤的情况下用酸度计（PHS-3A型）进行pH值的测定；采用原子吸收分光光度计（AA2600型）测定 Ca2+、Mg2+、Na+、K+的浓度；水样中 的SO42-、NO3-、F-、Cl-、NH4+的浓度则用离子色谱仪（PIC-20型）测定。

2 结果与分析

2.1 土壤离子组分的时间分布特征

蔡家塘小流域春夏秋冬四季的pH均值分别为4.94、5.14、5.04、4.93，春冬季节蔡家塘小流域已处于酸性土壤状态（pH＜5.00）。

不同季节的土壤溶液离子成分浓度特征见图2～图5。从图2～图5可以看出，春季、夏季蔡家塘土壤溶液离子浓度大小顺序均为其中春季含量分别占总离子量的31.7%、26.78%，夏季含量分别占总离子量的33.84%、28.38%。秋季蔡家塘土壤溶液离子浓度大小顺序均为其中含量分别占总离子量的29.12%、21.86%。冬季蔡家塘土壤溶液离子浓度大小顺序均为含量分别占总离子量的26.38%、22.64%。春夏秋冬四季中阳离子以和K+为主，阴离子以SO42-和NO3-为主，在酸沉降过程中，阳离子主要来自地面扬尘和土壤沙粒，而阴离子主要来自工业废气排放和交通污染[13-14]，蔡家塘距离城市区域较近，交通污染可能对蔡家塘大气降水组成的影响较大，进而影响到土壤溶液中离子含量。

图2 春季土壤溶液中离子浓度Fig. 2 Ionic concentrations of soil solution in the spring

图3 夏季土壤溶液中离子浓度Fig. 3 Ionic concentrations of soil solution in the summer

图4 秋季土壤溶液中离子浓度Fig. 4 Ionic concentrations of soil solution in the autum

图5 冬季土壤溶液中离子浓度Fig. 5 Ionic concentrations of soil solution in the winter

土壤溶液中的离子组分随季节呈现不同的分布特征，春季和冬季离子浓度高夏季和秋季离子浓度低。SO42-、Mg2+、Na+的最大浓度出现在春季，分 别 为 17.67、14.93、3.19、0.91 mg·L-1；K+、NO3-、Cl-、NH4+的最大浓度出现在冬季，分别为9.00、8.13、6.80、5.32 mg·L-1。蔡家塘土壤溶液离子浓度在夏季较低，与其对应的pH值较高，这可能是由于蔡家塘所处位置为南方地区，夏季降水量大，大气降水离子浓度在夏季较低[15-16]，且大部分离子组分随径流进入地表水中，因此酸沉降进入土壤溶液中的离子组分也相应减少。

2.2 酸沉降影响下土壤离子组分的空间分布特征

蔡家塘小流域A、B、C、D 4个采样点的pH均值分别为5.28、4.87、5.12、4.79，B采样点和D采样点已处于酸性土壤状态（pH＜5.00）。不同采样点的土壤溶液离子成分浓度特征见图6～图9。从图6～图9可以看出，A采样点土壤溶液离子浓度大小顺序均为B采样点土壤溶液离子浓度大小顺序均为采样点土壤溶液离子浓度大小顺序均为4个采样点阳离子均以和K+为主，阴离子均以和为主。

图6 A采样点土壤溶液中离子浓度Fig. 6 Ionic concentrations of soil solution in the sampling point A

图7 B采样点土壤溶液中离子浓度Fig.7 Ionic concentrations of soil solution in the sampling point B

图8 C采样点土壤溶液中离子浓度Fig. 8 Ionic concentrations of soil solution in the sampling point C

A、B、C、D 4个采样点的土壤溶液离子总量大 小 分 别 为 34.75、62.76、52.05、57.63 mg·L-1，pH值越低，离子总量越高。B、D 2个采样点SO42-浓度明显高于A、C采样点，这可能与土壤含硫量有关。此外，还可能与酸沉降有关。在酸沉降过程中，林冠对酸性降水的缓冲作用使得森林穿透水的pH值有所上升，且阔叶林作用较灌木林和针叶林显著[17-19]。蔡家塘是落叶阔叶林、针叶林与灌木林相间生长的森林地，A、B、C、D 4个采样点pH值的不同可能跟采样点的林木种类不同有关。

图9 D采样点土壤溶液中离子浓度Fig. 9 Ionic concentrations of soil solution in the sampling point D

3 结论与讨论

酸沉降对生态系统的危害是当前世界重大的环境问题之一。酸雨不断地进入土壤，引起土壤酸化，可使地上植物受害，严重酸化土壤渗漏水以及酸雨本身进入水生生态系统后也可引起湖泊河流水体酸化，酸沉降影响下的森林土壤溶液化学成分特征是研究酸沉降对土壤酸化作用的基础。本研究连续5年内对酸沉降影响下的土壤溶液进行采样，并分析了土壤溶液中的各离子组分浓度，初步探讨了土壤溶液化学成分特征，得到以下结论：

（1）监测年份内，在酸沉降的影响下，蔡家塘小流域春夏秋冬四季的土壤溶液pH均值大小顺序为冬季＜春季＜秋季＜夏季，春冬季节土壤酸化相比夏秋季节更为严重，这是因为南方夏秋季节降水量大，本研究观测期间2003年共75个降雨事件中从第11周（3月中旬）至第29周（8月中旬）间的降水量占到了该年降水总量的76%。

（2）监测年份内， 蔡家塘小流域A、B、C、D 4个采样点的土壤溶液pH均值大小顺序为B＜D＜C＜A，B采样点和D采样点SO42-浓度明显高于A采样点和C采样点。已有报道表明，蔡家塘大气降水和森林穿透水中的阴离子均以SO42- 为主[20]，不同采样点酸化程度差别较大，酸沉降与土壤酸化程度的关系有待进一步研究。

（3）土壤溶液中的化学组分浓度随季节呈现不同变化规律，春季和冬季离子浓度高，分别占总量的26.91%和30.95%，夏季和秋季离子浓度低分别占总量的17.68%和24.46%。

（4）蔡家塘小流域土壤溶液中阳离子以Ca2+和K+为主，浓度均值分别为15.44 mg·L-1和5.65 mg·L-1，阴离子以为主，均值分别为12.73 mg·L-1和 7.28 mg·L-1，且总量在5年内呈递增趋势。要降低酸沉降对土壤污染的影响，需减少燃煤烟气、机动车尾气及其他工业废气污染物排放。

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Chemical composition characteristics of forest soil solution under influence of acid precipitation in Caijiatang

LIU Zhan, ZHANG Qing-mei, XIANG Ren-jun, QI Yan, QIU Ya-qun, YOU Xiang-yu

(Hunan Key Lab. of Water Pollution Control Technology, Hunan Research Academy of Environmental Science, Changsha 410004,Hunan, China)

∶ Based on the monitoring data of soil solution in Caijiatang in Changsha city, the distribution characteristics of the ion composition of soil solution were analyzed. The results show that the forest soil in Caijiatang was in an acidic state (pH＜5.00); all kinds of cation and anion concentration in soil solution showed obvious seasonal changes; The ion concentrations in the winter and spring were high, in summer and fall was low; The largest concentrations of Ca2+, SO42-, Mg2+, Na+appeared in the spring and the largest concentrations of K+, NO3-, Cl-, NH4+appeared in winter; The positive ions of the forest soil solution were dominated by Ca2+and K+in Caijiatang, being accounted for 26.67% and 24.14% of the total ion amount respectively; The anion in Caijiatang forest soil solution were primarily dominated by SO42-and NO3-, accounted for 26.67% and 26.67% respectively.

∶ urban acid precipitation; ions in soil solution; distribution characteristics of ionic components; Caijiatang of Xiangtang city

S714.5；X517

A

1673-923X(2013)11-0130-04

2013-08-16

环保公益性行业科研专项（201109005，201209009）；中国酸沉降综合影响观测研究（CHN0030）

刘 湛（1979-），男，河南安阳人，工程师，硕士，主要研究酸沉降及重金属污染控制与治理

[本文编校：吴 毅]