广州市城区典型树种垂直结构对酸雨的再分配和缓冲作用研究

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酸雨进入生态系统后,会造成建筑材料和文物的腐蚀、地表水的酸化和土壤的酸化,同时酸雨也会造成财产的破坏以及对人类的健康产生威胁,这种威胁在城市区域内更为显著。城市森林作为酸雨与土壤和水体之间的天然屏障,对酸雨具有缓冲作用,其一方面通过森林垂直结构对降雨进行截留使降雨进行再分配,另一方面对降雨污染物进行过滤、吸附、净化等,能够改变降雨的化学成分和浓度,减少流入地表水的酸性程度,对酸雨起到良好的缓冲作用。然而以往关于森林酸雨的研究多集中在单一层次对酸雨的缓冲性能分析,没有系统性的将森林各垂直层次对酸雨的缓冲性能进行研究探讨,且研究区域多集中于郊区森林地区,对城市森林地区的研究少有涉足。目前关于森林垂直结构对酸雨的响应研究多为室内理想化实验,难以体现真实样地环境下森林垂直结构对酸雨的响应,除此之外,森林对于酸雨的缓冲作用也缺乏相应的量化指标。因此本研究选取广州市城区常绿阔叶林、落叶阔叶林、针叶林3大林型7种典型树种作为研究对象,基于野外定点实验的方法,于2021年4月—9月对广州市城区大气降水和各树种的穿透雨、枯透雨、土壤渗漏液中的雨量、p H值、化学组分进行采集和分析,探讨不同林型典型树种垂直结构降雨的化学组分动态分配特征,构建一个定量化评估酸雨缓冲能力的指标方法,同时结合广州市区域的Landsat植被指数数据、凋落物数据、土壤数据等对广州市森林酸雨缓冲性能时空演变特征进行评估和分析,以期为广州市污染控制、森林资源保护等提供参考策略。主要研究结果如下:(1)广州市城区大气降水pH均值为5.24,呈弱酸性,降水经过各林型树种垂直结构层后,常绿阔叶林和落叶阔叶林树种各层降水的p H值的大小为,土壤渗漏液>冠层穿透雨>枯透雨>大气降雨;针叶林树种中,冠层穿透雨>枯透雨>土壤渗透液>大气降雨。表明3种林型树种的冠层均对酸雨有良好的缓冲作用,凋落物则对酸雨有酸化的作用,落叶阔叶林与常绿阔叶林林下土壤表现出较强的酸雨缓冲性能,而针叶林林下土壤却表现出进一步酸化酸雨的特征。(2)广州市城区大气降水阴离子中SO42-和NO3-含量最高,其酸雨类型整体趋势已由硫酸型酸雨向硫酸-硝酸型酸雨转变。整体而言大气降雨在经过三种林型树种林冠层、凋落物层后离子浓度往往都有增加,到达土壤层后,大部分离子浓度则有少量的下降,这主要是因为降雨对于冠层和凋落物层的淋溶作用,以及土壤吸附作用。降雨通过三种林型树种垂直结构后,阳离子的淋溶系数普遍较高,主要是来自各层降雨对于干沉降的淋洗以及降水中H+与各层盐基阳离子的交换作用。(3)森林各垂直结构降雨的酸度由酸根离子和盐基离子间的综合效应决定,阳离子的增加和阴离子的减少是森林生态系统缓解酸雨的主要原因。酸雨p H值过低时,森林生态系统中和降水酸度的能力基本不会增加,但却会引起盐基离子的大量流失,这对森林生态系统健康造成影响。(4)充分考虑森林对于酸雨的截留以及p H中和能力,构建了酸雨缓冲能力指数,3种林型树种对酸雨缓冲能力大小表现为,落叶阔叶林>常绿阔叶林>针叶林。(5)通过分析森林垂直结构酸雨缓冲性能与各垂直结构生理形状特征指标的关系,发现森林冠层酸雨缓冲性能随着林木叶面积指数LAI的增加而增强。林下凋落物含量越多,其对于凋落物层的酸雨缓冲性能的增强越明显。随着土壤孔隙率的增加,土壤层酸雨缓冲性能增加,当土壤孔隙率达到一定范围后,此时土壤层的酸雨缓冲性能达到峰值,随着土壤孔隙率的继续增加,土壤层的酸雨缓冲性能则出现下降的趋势。(6)结合广州市植被指数遥感数据、凋落物量数据、土壤孔隙率数据以及上述酸雨缓冲指数和森林各垂直结构生理形状特征指标之间的关系得到广州市30m分辨率的林冠层、凋落物层、土壤层酸雨缓冲性能的时空分布格局图。广州市森林冠层酸雨缓冲性能指数在2005-2020年间整体呈上升趋势,空间上存在较大的异质性,增城和从化区域常年处于酸雨高缓冲区域(森林冠层酸雨缓冲性能>0.38),荔湾、南沙等区域的森林冠层酸雨缓冲指数较小,基本处于中缓冲区域(0.3<森林冠层酸雨缓冲性能<0.38),越秀近些年森林冠层酸雨缓冲性能有所上升,已由原来的低缓冲区上升为中缓冲区,白云、花都、番禺、黄埔近些年来的森林冠层对酸雨缓冲性能发生较大改变,由中酸雨区向高酸雨缓冲区转变,海珠区则由中酸雨区向低酸雨区转变。广州市各区森林凋落物层酸雨缓冲性能存在较大的差异,随着年份逐渐增加,在从化、增城和南沙区域的森林凋落物层酸雨缓冲性能最大,荔湾、海珠等地的凋落物对于酸雨的缓冲性能最低,整体而言,森林凋落物酸雨缓冲性能与林下凋落物量密切相关,这种相关性除了与森林长势有关外,人员流动等人为因素对于凋落物的干扰也是一项重大原因。广州市各区域森林土壤层酸雨缓冲指数的范围在0.185-0.205之间,除荔湾和番禺以及南沙区域的缓冲性能较低外,其余区域的土壤层酸雨缓冲性能指数都大于0.2,处于相对较高的水平。
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