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森林對酸沉降之緩衝效能-以臺灣北部文山林場為例

林業試驗所 王秋嫻.陸象豫
國立中興大學森林學系教授 劉瓊霦

一 . 前言

  「酸性沈降」( acid precipitation )可分為「濕沈降」與「乾沈降」兩大類,前者指的是所有氣狀污染物或粒狀污染物,隨著雨、雪、霧或雹等降水型態而落到地面者,後者則是指在不下雨的日子,從空中降下來的落塵所帶的酸性物質而言。自然大氣中含有大量二氧化碳,二氧化碳在常溫時溶解於雨水中並達到氣液相平衡後,雨水之酸鹼值為 5.6 ,因此大自然的雨水是酸的;但是,在大自然中,仍存在其他致酸的物質,例如,火山爆發所噴出的硫化氫,海洋所釋放出的二甲基硫,高空閃電所導致之氮氧化物等,均會使雨水進一步酸化,而酸鹼值會降至 5.0 左右。因此,在 1980 年代後期以來,許多國內外(包含行政院環境保護署研究報告)研究者,已將所謂「酸雨」認知為當雨水酸鹼值在 5.0 以下時,即確定受到人為酸性污染物的影響。因此,在環保署研究報告中,已統一雨水酸鹼值達 5.0 以下時,正式定義為「酸雨」。

  依據中央氣象局酸雨監測資料顯示, 臺灣主要的酸沉降為酸雨, 2011 年臺灣北部雨水酸化的程度仍較中南部顯著。 1995 年我國實施徵收空污費政策後,硫排放已經大幅減少,但來自韓國、日本及中國等工業產能較大的國家,其人為排放物,於東北季風盛行時,很容易將污染物經長程輸送傳送至臺灣,這可能是北臺灣酸雨持續嚴重的原因之一。

  酸性沈降的主要致酸物為二氧化硫及氮氧化物,此等污染物以懸浮微粒的狀態輸送,在都會區會對人體健康造成影響,同樣也會傳送到森林區域而影響到森林生態系。林業試驗所選擇離鄰近臺北都會區(空氣污染地區)的文山林場為試驗地,藉由試驗期間所收集的 16 場酸雨,分析酸雨經過森林樹冠(穿落水)至森林土壤(土壤水),最後至溪水之水化學變化,以探討森林對酸沈降的緩衝效能。

二 . 試驗方法

(一)試驗地

  文山林場為中興大學實驗林場之一,位於新北巿新店區屈尺里,東臨翡翠水庫,西側係直潭及屈尺社區,南臨北勢溪與新店溪,北界粗坑。平均氣溫 21.8 ℃,年降雨量 2,545 mm ,林相構成主要以闊葉樹天然林為主,少部分屬針葉樹人工林,闊葉樹主要為相思樹、楠木類、木油桐及其它雜木。針葉樹種主要為柳杉、杉木。

(二)取樣

於林場內設置林外雨、穿落水及土壤水收集裝置,並收取溪水。

1. 林外雨及穿落水的取樣

  在林場內選擇林外開闊地設置林外雨收集桶,於林內設置 6 個穿落水收集桶 。收集桶材質為 PP ( polypropylene )塑膠桶,桶頂上方裝置 3 組直徑為 19 公分的收集漏斗,為長年開口容器,收集物兼容乾濕沉降(即混沉降)。收集週期以場雨為主,所收集之雨水裝入 500 ml PE ( polyethylene )瓶帶回實驗室分析。(如圖 1 )

2. 溪水的取樣

  於收集林外雨和穿落水之同時 ,以漂掬法取溪水。所取得之水樣裝入 500 ml PE 瓶中帶回實驗室分析。

3. 土壤張力水的取樣

  在試驗林內不同深度土層( 15 、 30 及 60c m )各埋入 3 組事先已作好之張力水取樣裝置(將可維持 0.1M Pa 之壓力的陶瓷杯接於適當長度之硬質南亞塑膠管上)。每次收取張力水時,利用真空幫浦將張力水裝置抽取真空( 約 70kPa ),隔天再收取水樣,所收集之水樣裝入 500 ml PE 瓶中帶回實驗室分析。(如圖 2 )

(三)水化學分析

  水樣自收取後運送至實驗室 後,馬上測定電導度及 pH 值,其餘水樣經 0.45μm 濾膜過濾後,濾紙以 105 ℃烘乾後稱重以定量懸浮固體之濃度。濾液則置於冰箱( 4℃ )以備測定陰離子( F-,Cl-,NO3-,SO42-,HCO3- )、陽離子( Na+,K+,Ca2+,Mg2+ 及 NH4+ )。其中陰、陽離子除 HCO3- 是以 0.005 N H2SO4 滴定到 pH 4.52 定量外,其餘則以離子層析儀測定。

三 . 水化學分析結果

  本區於試驗期間( 98~100 年)共收集了 47 場雨水,其中 16 場雨水達酸雨之標準( pH<5.0 ),約占 34% ,且多發生於冬季和春季(占 81% ),乃因此區位於東北季風迎風地帶,故冬、春季發生酸雨的機會較高。

  分析此 16 場酸雨之水樣發現,林外雨的平均 pH 值為 4.4 ,穿過林冠後之穿落水 pH 提高至 6.7 ,於土壤水 pH 值則稍降至 5.6 ,至溪水 pH 值又提高為 6.9 (如圖 3 )。 酸雨經樹冠層後其 pH 值大為提高,經森林土壤層至溪水 pH 值接近中性,顯示整個森林及土壤層有極大的中和緩衝作用。森林集水區之溪流水其 pH 值多半為弱鹼性,如福山及六龜試驗林的溪水,其所含的碳酸氫根有極大的貢獻。

  一般而言, NO3- 及 SO42- 為主要的致酸物質,由硫氧化物與氮氧化物轉化而來。在人為污染排放方面,前者則與石化燃料使用、火力電廠、含硫有機物燃燒有關;後者主要源自工廠高溫燃燒過程,交通工具排放等因素。雨水酸鹼值為各離子平衡後之氫離子所計算得來,換言之,本區雨水中雖有高濃度之 NO3- 與 SO42- ,但因有其他鹼性離子(如 NH4+ 、 Ca2+ 、 Mg2+ 等)中和之,使得雨水 pH 值不致於太低。雨水酸鹼值無疑地可以作為一項先期指標,但仍須進一步進行雨水化學成分分析,以瞭解其污染物的濃度和來源。

  另外由總陽離子和總陰離子濃度變化可知,酸雨進入森林穿過林冠後(穿落水)不論陽離子或陰離子皆大為增力,顯示自森林冠層淋溶出大量之離子。當其進入土壤後(土壤水),總離子濃度稍微下降,待其進入溪水則又交換或溶出大量的離子。且各水樣陰、陽離子的比率接近於 1 ,顯示水中陰陽離子達到平衡。

  由懸浮固體的濃度可知,穿落水之懸浮固體遠大於林外雨、土壤水和溪水,推測因堆積於林冠葉面的乾沈降及塵土被雨水大量淋洗所致,由其後之離子組成分析得知該沈積物主要為 Ca2+ 和 K+

  酸雨的形成受大氣環境中污染物之種類、濃度與傳輸過程的直接影響,並受氣象條件與地形特性的間接影響。 由 林外雨、土壤水、 溪水 的水化學分析結果顯示 ,林外雨之陽離子以 Na+ (平均值 61 eq L-1 )濃度 最高, Ca2+ (平均值 48 eq L-1 )次之 ,陰離子則以 SO42- (平均值 78 eq L-1 ) 之濃度為最高, Cl- (平均值 64 eq L-1 )次之,再其次為 NO3- (平均值 38 eq L-1 ),顯示雨水中除了有高濃度的致酸物( SO42- 和 NO3- )外,此林場受塵土及海鹽的影響亦大。 由於此林場位於無工業及交通工具排放的森林區域,雨水中的致酸物應是來自長程輸送的結果。

  穿落水之陽離子則以 Ca2+ (平均值 156 eq L-1 ) 之濃度最高 ,其次為 K+ (平均值 129 eq L-1 ) ,陰離子則以 HCO3- ( 平均值 164 eq L-1 ) 之濃度最高, SO42- (平均值 120 eq L-1 )次之 。許多研究顯示 K+ 很容易自葉片淋溶出來,尤其是雨水呈酸性,含大量的 H + ,便容易藉著陽離子交換作用交換出大量的 K+ 。亦有推測由林木冠層溶出大量的 Ca2+ 和 K+ ,乃是雨水將沈積在葉面之塵土和乾沈降淋洗下來所致。由穿落水之陽離子減去林外雨之背景離子可發現,其中之 H+ 呈負值,而 Na+ 、 NH4+ 、 K+ 、 Mg2+ 、 Ca2+ 皆 呈正值,顯示 H+ 被交換吸收並析出其他的陽離子;另穿落水之陰離子減去林外雨之背景離子則發現,大部分的陰離子( Cl - 、 NO3 - 、 SO42- 、 HCO3- )亦 呈正值,顯示樹冠淋溶並析出大部分的陰離子 ,或為保持陰陽離子之平衡而伴隨析出 。

  雨水、土壤水及溪流水彼此間有交互作用關係, Salmon et al. ( 2001 )指出溪流水的來源有三種,分別為直接降水、表層土壤水和深層土壤水;雲、霧、雪、雨等皆可稱之為直接降水,但在臺灣降水形態以雨水為主,當雨水從天空落下經過林冠進入土壤,會在土壤中停留一段時間,這種存於土壤中的水稱為土壤水,所以雨水會影響土壤水和溪水。

  土壤水之化學分析結果顯示,陽離子以 Ca2+ 之濃度為最高(平均值 185 eq L-1 ),其次為 Mg2+ (平均值 85 eq L-1 ) ,其陰離子以 HCO3- 之濃度最高(平均值 123 eq L-1 ), NO3 - 次之(平均值 121 eq L-1 ) ,顯示此類養分離子容易自土壤中流失。

  溪水之陽離子亦以 Ca2+ 之濃度最高(平均值 254 eq L-1 )、 Mg2+ 之濃度 (平均值 171 eq L-1 ) 次之;陰離子亦以 HCO3- 之濃度最高 (平均值 294 eq L-1 ) ,其次為 SO42- (平均值 134 eq L-1 ) 。 一般而言, SO42- 除了來自大氣沉降,為酸雨的主要組成分之一,另一重要來源可能是含硫化鐵岩石風化作用所產生,或是來自土壤有機硫貯積的釋出,在垂直流經森林生態系的過程中,常與 Ca2+ 以硫酸鈣鹽流到溪流中,因此也提高 Ca2+ 在溪水中濃度,也間接證明森林集水區對酸沉降的緩衝效能。此外, HCO3- 對溪水呈鹼性有極大的貢獻,可以做為溪流水的酸中和能力和地區性土壤礦物風化程度的指標。

四 . 結語

(一)雨水的酸度在經過森林生態系的過程中明顯地被中和,其 pH 值由林外雨的 4.4 到穿落水(平均值 6.7 )、土壤水(平均值 5.6 ),至溪水(平均值 6.9 )被中和成中性。

(二)總陰、陽離子的濃度從雨水至穿落水大為增加,至土壤水稍下降,至溪水達最大,顯示森林冠層及森林土壤被交換或淋洗出大量的離子。

(三) 酸雨的離子含量 以 Na+ 、 Ca2+ 、 SO42- 、 Cl- 及 NO3 - 為主,顯示此區的雨水 除了有 人為污染物外,其 受塵土及海鹽飛沫之影響亦大 ,致酸物來源應是長程輸送的結果; 穿落水的離子含量 以 Ca2+ 、 K+ 、 HCO3- 、 SO42- 之含量最大,顯示 Ca2+ 、 K+ 易自葉片淋洗出來。

(四) 溪流水離子含量 以 Ca2+ 、 Mg2+ 、 HCO3- 及 SO42- 為主,其中 HCO3- 能做為溪流水的酸中和能力和地區性土壤礦物風化程度的指標,故也證明森林集水區對酸沉降的緩衝效能。

圖1 林外雨(左)與穿落水(右)收集裝置 圖1 林外雨(左)與穿落水(右)收集裝置

圖 1 林外雨(上)與穿落水(下)收集裝置

圖2 土壤水收集裝置

圖 2 土壤水收集裝置

圖 3 各水樣 pH 平均值

圖 3 各水樣 pH 平均值

 

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