20世纪80年代初, 北美和欧洲就有酸雨造成森林衰退和死亡的报道。我国近些年也出现了酸雨, 已是继北美和欧洲之后世界第三大酸雨区, 且降水的酸度仍在升高, 地域仍在扩大(王文兴, 1987)。酸雨轻者会引起叶部的失绿和局部坏死, 重者会引起叶落枝枯, 通过土壤pH值和土壤溶液, 酸雨则会造成营养离子的损失和树木抗性的降低, 并导致木材化学成分的改变(宾克利, 1993; 秦特夫, 1996; 马连祥, 2000)。为了研究酸雨对杨树的危害机理和杨树的抗性, Cox-rm等采用模拟酸雨研究了受酸雨危害杨树叶片的形态、化学组成及杨树对酸雨的敏感性(Cox, 1988)。通过这些研究可以探明生长在酸雨危害地区树木木材材性的变化程度, 并为这些树木的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 材料

试验用树种为欧美杨南方型无性系I-72杨[Populus×euramericana], 选择地理、气候和土壤条件相同, 仅降水的酸度不同的林区进行试材采集。样本观察采集点共设7个, 其中受害材采集点4个, 正常健康对照点3个, 在每个采集点选一标准木供采集, 采集时间为1999年1月。受酸雨危害的试材采于江苏徐州(以下称受害材), 海拔高度约8~20 m, 年降水量944.3 mm, 降水最低pH值3.7, 酸雨频率大于60%, 年平均温度14.1 ℃, 沙壤, 株行距4×4 m, 树龄13年, 采4株标准木, 树木表现生长缓慢, 叶部出现酸雨危害症状。未受酸雨危害的试材采于江苏涟水(以下称健康材), 海拔高度8~15 m, 年降水量960.1 mm, 无酸雨危害, 年平均温度14.1 ℃, 沙壤, 株行距4×4 m, 树龄13年, 采3株标准木, 树木生长状态良好。

试材经剥皮, 将原木基部、中部和梢部各截取5 cm的等厚圆盘, 气干后劈成小薄片充分混合, 按四分法取样500 g, 将小薄片试样用植物粉碎机粉碎成40~60目的木粉, 用于木材化学性质的测定。

1.2 试验方法

年轮宽度:用显微镜测量。木材pH值:按GB6043-85标准方法测定。缓冲容量:参照相亚明研究论文中的测定方法进行测定(相亚明, 1987)。化学组成:按GB2677.2~2677.10-81标准方法测定。矿物元素含量:用等离子发射光谱(ICP)测定; 游离糖和淀粉:称取40~60目试样5 g, 用甲醇一水溶液(4:1)作为混合溶剂在室温下震荡抽提12 h, 经过滤后用高效液相色谱仪测定滤液中水溶性游离糖的含量, 用比色法测定木材中的淀粉含量(秦特夫, 1996)。

2 结果与讨论 2.1 年轮宽度

酸雨对树木生长的直接影响是通过树木的叶片, 破坏叶片角质层, 表皮组织和气孔, 影响光合作用, 间接影响是通过树木的根部和土壤, 造成营养离子的损失, 降低形成层的活性, 导致树木生长的减缓。Pozgaj等研究捷克斯洛伐克受酸雨危害大云杉(Picea excelsa)的报告指出, 受酸雨严重危害者, 生长速度减慢, 年轮变窄(Pozgaj, 1986)。舒俭民等在研究酸沉降对马尾松生长的影响时指出, 酸雨和大气污染会使林木生长受到抑制, 表现为生物量减少, 材积生长量降低, 且降水的酸度越高, 对树木生长的危害就越大。从图 1可以看出:受酸雨危害的杨树生长较慢, 平均年轮宽度为10.42 mm, 而未受酸雨危害的杨树生长较快, 平均年轮宽度为11.83 mm, 受害材的年轮宽度较健康材相对降低12.67%。酸雨引起树木年轮变窄, 主要表现为树木形成层细胞分裂减慢, 年轮内细胞数目的减少和细胞体积减小。经双因素方差分析, 可得:受害材的年轮宽度与健康材的年轮宽度有显著差异, 不同年份的年轮宽度有极为显著的差异。

通过大量样本的统计分析, Fritts.等认为年轮宽度与树龄呈指数函数关系(Fritts, 1976; Wellburn, 1988)。根据以上观点, 用y=ae^-bx对数进行回归, 再采用比值法(年轮宽度实测值除以回归预测值)对测定的结果进行标准化处理, 可得年轮宽度指数。从图 2可以看出, 健康材的年轮宽度指数均接近于1, 表示未受到酸雨的危害, 处于正常生长状态。受害材1992年至1995年的年轮指数偏低, 表示树木受到酸雨的严重危害, 这与降水的酸度相一致。

2.2 pH值及缓冲容量

木材的pH值及缓冲容量是木材重要的化学性质之一, 它不仅反映了木材的酸碱性, 而且反映木材对酸碱的缓冲能力。了解pH值及缓冲容量对木材加工利用有着重要的意义。

采用“单因素方差分析”对结果进行分析可得:受害材与健康材的pH值无差异, 缓冲容量呈显著差异。受害材与健康材的pH值差异并不显著, 这是因为树木在生长过程中具有克服外界因素的干扰、对生理进行自我调节的能力和植物体本身具有抗拒pH值变化的能力(Wellburn, 1988)。树木在生长过程中长期处于酸雨条件下, 则碱的缓冲容量产生明显的下降, 且与酸雨的酸度呈正相关。杨木的缓冲容量较大, 表现为杨木中的碱性物质较多, 这些碱性物质能与脲醛树脂的酸性固化剂发生反应, 降低脲醛树脂的酸性, 使脲醛树脂固化速度减慢或不发生固化, 不能形成网状结构, 降低交联度, 则会对胶合质量产生明显的影响, 表现为胶合强度下降或开胶。

2.3 主要化学组成

试验结果表明:受害材中的抽提物含量明显高于健康材(表 2), 热水抽提物相对增高14.9%, 苯-醇抽提物相对增高16%, 1%NaOH抽提物相对增高10.5%。

Pozgaj等在研究中发现, 受酸雨危害的树木由于受到细菌的作用, 细胞壁部分溶解, 这就能清楚的解释受害材中抽提物含量较高的原因(Pozgaj, 1986)。受害材中的灰分较健康材低, 差异相对值为8.43%。木素和半纤维素的含量升高3.72%和1.43%, 而综纤维素相对减少3.45%, 这是因为树木在生长期间要保持pH值恒定必将消耗一定的能量, 从而使树木的纤维素低于健康材(Wellburn, 1988)。

2.4 矿物元素的含量

年轮分析法在近年来已被广泛地用来监察酸雨及大气污染对树木生长的危害。为了研究酸雨及大气污染对树木生长的影响轨迹, 可通过树木年轮化学(Dendrochemistry)测定木材年轮中元素的含量来确定酸雨及大气污染对树木生长影响的历史轨迹(Fritts, 1976; Wellburn, 1988; 宾克利, 1993)。

2.4.1 矿物元素的含量

酸雨能加速营养物质从林冠和土壤中淋失, 无机离子钾、钙、镁和锰的淋失量最大, 有机化合物(如糖类、有机酸、维生素等)也会淋失。Cronan等对高海拔针叶冷杉和低海拔阔叶硬木冠层雨溶液化学的比较研究表明, 在酸性降雨的作用下, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, SO₄^2-, 等离子在冠层雨溶液中富集, 造成叶片中营养离子的大量淋失, 阔叶林的淋失量大于针叶林。长期处于酸性降雨的森林, 营养离子的吸出量就会超出最初叶片的含有量, 在这种情况下, 促进了根部营养离子吸收和迁移, 同时重新吸收的营养离子从树木体内析出量就增大, 就会造成营养亏损。

对测定的结果(表 3)进行方差分析可得, 多种元素有显著差异。受害材中的钾、镁、锶、钡、锰、锌均低于健康材, 差异相对值在7.59%~120%之间, 这与木材化学组成中灰分含量降低的结果相一致。受害材中铜、硫含量高于健康材。

从树皮往髓心按年轮取样, 每两年为一树龄段, 共取五段。按年轮段取样, 钾、镁和硫的测定结果见图 3, 心材中的钾和镁的含量较高, 边材中硫的含量较高。无论是哪一树龄段, 受害材中钾和镁的含量均低于健康材, 硫的含量均高于健康材。

2.4.2 木质部矿物元素的富集

生态系统中硫离子的形态是氧化态硫酸根(SO₄^2-), 它一旦被植物吸收, 在进入有机分子以前首先被还原, 还原过程中要消耗电子和H⁺, 所以硫酸根的吸收也使酸度得到中和。少量的硫可能以硫酸根的形式存在, 或以酯键(C—O—S)与有机分子结合。从实验结果可以看出, 受害材木质部中的硫高于健康材, 相对增加14.3%。如果土壤层内与其土壤溶液之间的硫酸根达到平衡, 则不会产生吸附和净解吸作用, 但是如果土壤溶液中的硫酸根消耗尽或浓度过高, 则会产生明显的不平衡。有关森林中硫循环, 只有很少的数据资料。有研究认为, 单位面积森林的硫循环的需求量为一恒定值, 其中约10%的硫来自枯枝落叶, 生物量中的每年累积量也为恒定值(宾克利, 1993)。如果硫的沉降量超过森林生物量中的累积率, 则硫过量。硫的过量沉降一方面破坏森林中硫循环, 另一方面在生物量中产生富集。除此以外, 酸沉降通过影响土壤的pH值和土壤溶液中离子组成, 引起微量元素铜的有效性上升, 并在森林植物中富集。

2.5 游离糖和淀粉

由于酸雨的危害, 树木生长过程中的生理特性会发生变化, 不仅表现在pH值和缓冲容量、纤维素和矿物元素含量的变化, 而且树干各部分的水分和可溶性碳水化合物的含量也发生了变异。有研究表明, 受害材中的可溶性游离糖(葡萄糖glucose, 果糖fructose, 蔗糖sucrose等)明显高于健康材, 而边材中的淀粉仅为健康材的30%左右(Bauch, 1986)。

图 4为受害材与健康材中可溶性游离糖和淀粉的含量对比。可以看出, 受害材中的可溶性碳水化合物总量低于健康材18.1%, 其中淀粉低于健康材36.1%, 而可溶性糖高于健康材37.9%。可溶性游离糖和淀粉是植物生长过程中的产物, 它们之间存在着相互平衡, 并会相互转换。当糖的浓度高时, 积累淀粉, 反之当糖浓度低时淀粉转化为糖, 这些碳水化合物的主要作用是维护植物的生长和呼吸。

3 总结

通过对杨树年轮宽度和木材化学性质的测定, 可以看出酸雨对杨树生长和木材化学性质产生了较为显著的影响。主要表现为: (1)酸雨导致树木生长减缓, 年轮宽度变窄, 生长量下降, 受害材的年轮宽度较健康材相对下降12.67%。(2)与健康材相比, 受害材的缓冲容量有显著差异, 碱缓冲容量相对降低20.15%, 酸缓冲容量相对升高9.62%。综纤维素的相对降低3.45%, 木质素升高3.72%, 抽提物的含量则产生明显的上升。酸雨造成树木生长过程中营养离子(钾, 钠, 钙, 镁)的损失, 这些元素在木材中的含量也相对较少, 其差异相对值在3.3%~96.4%之间。铜和硫的含量相对升高, 且在树干中产生富集。受害材中的可溶性碳水化合物的总量低于健康材, 可溶性糖含量较健康材要高, 而淀粉的含量低于健康材。这些研究结果对木材的加工利用(木制品、人造板和制浆造纸)有着十分重要的意义。