本溪山區森林枯落物對水質的影響

栗生枝

(遼寧省林業調查規劃院，遼寧 沈陽 110122)

本溪山區森林枯落物對水質的影響

栗生枝

(遼寧省林業調查規劃院，遼寧 沈陽 110122)

以本溪山區主要水源涵養林紅松、落葉松、蒙古櫟、水曲柳、核桃楸純林為研究對象，運用定位觀測法，對5種類型林分的林外雨與枯落物滲透雨(枯透雨)的水質進行了研究，以及利用5種類型林分之間枯落物滲透水的水質對比，測定林外降雨及各林分枯落物滲透水的pH值、硝酸鹽(以N計)、氨氮(以N計)、硫酸鹽(以SO42-計)、全氮(TN)、全磷(TP)、氟離子(F-)、氯離子(Cl-)、鈣(Ca2+)、鈉(Na+)、鎂(Mg2+)、鉀(K+)等12種指標，結果表明：大量化學元素和離子通過枯落物后均顯著增加，其中變幅最大的K+，濃度為4.19 mg·L-1，是林外雨20倍。林外雨各指標濃度依次為SO42->TN>Ca2+>Cl->Na+>NH3-N>NO3-N>Mg2+>K+>F->TP;枯透雨各指標濃度依次為SO42->Ca2+>TN>NO3-N>Cl->K+>Mg2+>NH3-N >TP>F->Na+。枯透雨中SO42-濃度最高，為12.59 mg·L-1；TP濃度最小，為0.25 mg·L-1。5種純林在調查期間林外雨和枯透雨的pH趨于中性，而在經過枯枝落葉層的淋溶后，有明顯的酸化現象，pH范圍在5.1～6.6。

枯落物；水質；林型

本溪縣是太子河的主要發源地和集水區，是遼寧省重要水源涵養區。區域內的天然次生林是遼寧省重要的水源涵養林基地，是遼寧腹地不可替代的生態屏障，全縣有林地面積27.5萬hm2，森林覆蓋率76.1%，是保障遼寧省主要用水的綠色水庫，研究本溪山區天然次生林水源涵養能力具有重要的現實意義。隨著社會的發展， 人口劇烈增加的壓力以及各種產業的發展造成環境污染日趨嚴重， 如何保護和維持優質水源，已成為世界各國保障人民生活水平及其各種產業持續穩定發展的重要課題。因此，以涵養水源為主要目的的水源涵養林在水土保持、水源涵養、改善水質等方面的功能日益受到人們的重視[1]。開展本溪山區森林涵養水源功能研究，為本溪山區水源涵養林經營提供主要依據。

枯落物層是除林冠層、下木和層下植物外，大氣與礦質土壤層、植物根系層進行物質與能量交換的另一個介質，在影響林地土壤的水熱狀況、通氣狀況、營養元素的循環、林地生物種群的類型及數量、林地水文生態特性等方面，起著重要作用[2]。大氣降水進入生態系統時通過冠層交換，雨水對植物體表面滲出物的淋洗和枝葉對雨水中離子的吸收，以及對枝葉表面粉塵、微粒、塵埃等固體沉降物的沖洗等一系列物理化學變化，致使穿透林冠層進入林內的雨水中化學成分含量發生了強烈改變[3]。降水對枯落物的淋溶作用有助于加速養分的再循環速率，改變養分遷移路徑，影響養分的平衡過程，對加速植物生長和促進養分循環具有重要作用[4]。

1 研究地概況

調查地區為本溪滿族自治縣清河城林場，地處本溪縣最北端，屬于溫帶濕潤的季風氣候，年降水量750～1 200 mm，年均氣溫5～8 ℃；本區屬長白山系，毗鄰觀音閣水庫，境內主要河流為清河，其支流有望城河、臺后甘河、清河前河、東陽河。

1.1 植被狀況

調查區屬于長白植物區系，物種繁多，木本植物約270多種，草本植物360多種。目前天然次生林已占該地區森林面積的50%，其中柞木林占44%，雜木林占10%。人工林占46%，以落葉松林、油松林、紅松林為主。

2 材料與方法

2.1 材料

本研究在清河城林場收集與補充調查了紅松純林(PinuskoraiensisSieb. et Zucc.)、落葉松純林〔Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.〕、蒙古櫟純林(QuercusmongolicaFisch. ex Ledeb)、核桃楸次生林(JuglansmandshuricaMaxim.)、水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)次生林5種類型林分的林外以及林內的枯落物水質。

2.2 研究方法

2.2.1 林外降雨的采集 在林分附近的空曠地上進行放置3個干凈的收集桶，分別標號1號、2號和3號，用于收集林外降水水樣。為防止污染、植物碎片、昆蟲等，將紗網固定于桶口進行過濾，采集的水樣分別編號為LW-1，LW-2，LW-3，每次采樣后用蒸餾水對塑料桶進行清洗。

2.2.2 枯落物滲透水采集 在每個林內地表隨機布置9個凋落物滲透水收集裝置，收集透過凋落物的重力水樣品。采集裝置是將紗網固定在塑料桶上，再將凋落物按層次全部放置紗網上，然后在枯落物上再蓋上一層紗網。將桶放置在提前挖好的坑內，防止桶被風吹倒。安裝好枯落物滲透水收集裝置后，將每三個水桶采集的水樣混合為一個樣本，分別貼上相應的編號(林型號-KL-1、林型號-KL-2、林型號-KL-3)，每次采樣后對塑料桶進行清洗。

2.2.3 水質測定 pH值運用玻璃電極法測定；硝酸鹽(以N計)、氨氮(以N計)、硫酸鹽(以SO42-計)、氯離子(Cl-)、氟離子(F-)、全氮(TN)、全磷(TP)用離子色譜法檢測分析；鈣(Ca2+)、鈉(Na+)、鎂(Mg2+)、鉀(K+)用原子吸收分光光度法檢測。

2.2.4 數據分析 根據實測得的數據資料，本研究調查了5種樹種的12種水化學性質，包括pH值、硝酸鹽(以N計)、氨氮(以N計)、硫酸鹽(以SO42-計)、全氮(TN)、全磷(TP)、氟離子(F-)、氯離子(Cl-)、鈣(Ca2+)、鈉(Na+)、鎂(Mg2+)、鉀(K+)。凈淋溶為穿透雨離子濃度與大氣降雨離子濃度的差值，淋溶系數為穿透雨離子濃度除以大氣降雨離子濃度。對數據重復進行處理，分別分析相同層次，不同林分對水質的影響。利用SPSS以及Excel進行數據處理。

3 結果與分析

3.1 枯落物滲透水化學元素分析

3.1.1 林外雨與枯透雨化學元素組成 大氣降水過程是森林生態系統輸入養分和其他可溶性離子的主要途徑，降水通過森林不同界面后其化學組成均發生較大的變化[5]。表1為5種林分在2016年6—10月后林外雨及枯透雨中化學元素平均濃度變化。從表1可以看出，不同元素含量通過枯落物后變化幅度也不同。枯透雨中所有元素的含量均高于林外雨，其中變幅最大元素為K+，濃度為4.19 mg·L-1，是林外雨的20倍；其次是Ca2+，濃度為11.82 mg·L-1，是林外雨6.68倍。按含量高低順序是：林外雨，SO42->TN>Ca2+>Cl->Na+>NH3-N> NO3-N>Mg2+>K+>F->TP；枯透雨，SO42-> Ca2+>TN >NO3-N>Cl->K+>Mg2+> NH3-N>TP>F-> NH3-N。由表1可知，不論是林外雨還是枯透雨都是SO42-濃度最高，在枯透雨中的濃度為12.59 mg·L-1。TP元素濃度最小，枯透雨為0.25 mg·L-1，兩者相差50倍。按照枯透雨元素濃度與林外雨元素濃度的倍數比值，其中排在第1位的K+元素，枯透雨濃度是林外雨濃度的20.95倍，排在最末位的SO42-元素，濃度值的比值則僅有2.22倍。

表1 森林水文過程中化學元素生長季平均濃度 mg·L-1

在上述排序中，SO42-和Ca2+的含量均居前兩位。這是因為SO42-是弱酸性陰離子，而Ca2+呈堿性，可以中和SO42-的酸性，使降雨的pH值趨于中性。另外，Ca2+的濃度增加，可以減少其他陽離子的毒害作用。TP 的含量在林外雨和穿透雨中的含量都是最低的，一般認為，降雨中 TP 的主要來源是大氣塵埃的溶解，降雨過程中TP的淋溶是非常困難的，因此含量較低。

3.1.2 林外降雨水質月變化 由表2的觀測數據可以看出，同一地點不同月份內大氣降水中的各化學元素含量差異較大，SO42-的月際變化較大，10月含量最高，月際變幅3.4～9.39 mg·L-1之間，其中SO42-在6月與10月的濃度差異較小，幾乎持平，在7—8月濃度下降明顯，8月濃度最小。其次為Ca2+，8月含量最高。NH3-N、TP、K+和Na+的輸入量較少。另外，NH3-N元素濃度受降水時的雷電影響，當雷電時空中閃電使雨水中的N含量明顯增加。在每年的6、7月易發生雷擊，因此表中6、7月的NH3-N含量要比其他月份相對較高，分別為0.839 mg·L-1和1.08 mg·L-1。

6月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>Na+>TN>Cl->Mg2+>NH3-N>NO3-N>K+>TP>F-；7月各化學元素含量順序為：SO42->TN>Cl->Ca2+>NH3-N>NO3-N >Na+>Mg2+>K+>F->TP； 8月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>TN >Cl->Mg2+> NO3-N> NH3-N >Na+>K+>TP>F-；10月各化學元素含量順序為：SO42->TN>Cl->Na+>Ca2+> NO3-N>Mg2+> NH3-N>K+>TP >F-。

表2 林外雨水質月變化 mg·L-1

3.1.3 枯透雨水質含量月變化 從表 3 的變化趨勢發現，在10月多數元素增幅較大，這可以解釋為樹木每年10月開始枯落，枯落物內營養豐富，易被雨水置換出來，另外樹葉上黏附著較多塵埃，鹽粒和小有機物等，降雨時都隨林內雨被淋洗到地面，此時林內雨的養分濃度較高，除了NH3-N以外。NH3-N從6月到10月，濃度值呈下降趨勢，其中在10月濃度呈現最低值。而SO42-在前3個月保持較為平穩的變化，在10月的時候，濃度值增加了一倍多，是雨水中所測元素中含量最大的化學元素。元素濃度變化最小的TP，隨著時間的變化沒有較大波動，Ca2+在枯透雨中的濃度含量也相對較高，在7月和10月呈現了濃度的最高值。

6月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>TN>NO3-N>K+>Cl->NH3-N >Mg2+>Na+>F->TP；7月各化學元素含量順序為：Ca2+>TN>SO42-> NO3-N>K+>Cl-> NH3-N >Na+>Mg2+>F->TP； 8月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>N >Cl-> NO3-N >K+>Mg2+> NH3-N>F->Na+>TP；10月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>Cl->TN > NO3-N>K+> Mg2+>Na+> NH3-N >TP >F-。

表3 枯透雨水質月變化 mg·L

3.1.4 5種林型水質變化分析 受季節、降水量、降水強度、持續時間、降水間隔、氣象、環境、植物體生理活動、葉片表面、樹皮表面以及降水中離子、固體顆粒或氣體的吸附或吸收等因素的影響，使林外雨、枯透雨中各養分元素的含量發生較大變化。林外雨、枯透雨中養分元素變化系數最大的元素是 TP，范圍在 0.75～6；變異系數最小的元素是NH3-N，范圍在 0.58～0.74，這表明枯落物在 6—10月對NH3-N的吸附、吸收、淋溶處于一個相對平衡穩定的過程。與林外雨相比，枯透雨中NO3-N、NH3-N、K+的變異系數大于林外雨，說明這些元素在生長季的月變化較大。NO3-N、Ca2+、Mg2+、Na+的變異系數小于林外雨，這些元素的變化較為平穩。

3.2 降雨對5種林型枯落物的淋溶效應

由于降水對枯落物淋溶出來的養分物質都是可溶性的，無須經過復雜的分解、轉化就可以直接被林木吸收，因此降水對樹體養分物質的淋洗、淋溶、吸收和吸附作用具有促進植物生長，加速養分循環的作用[6]。然而降水在形成枯透雨的過程中與枯落物直接接觸，不僅淋洗了枯落物層吸附的塵埃顆粒，而且淋溶了枯枝落葉片上的分泌物質，致使枯落物水中養分含量發生較大變化。

由表4可知，降雨通過枯落物形成枯透雨時，養分含量發生了變化。NO3-N、Na+為負淋溶，表明植物體對這些元素進行了吸收。而NH3-N、Ca2+、Mg2+、K+等的含量均增加。枯透雨中Na+為負淋溶，這可能因為Na+是比較難溶的元素，而且經過滲透后不易被土壤吸收，因此含量較低。淋溶量最大的是Cl-，在降水中Cl-的輸入量并不大，經過枯枝落葉淋溶后雨中平均濃度大幅度增大，是林外雨的20倍之多。K和P元素是植物必需的營養元素，在降水中的含量非常小，通過枯落物的淋溶后大幅度增加，促進養分循環。紅松的Ca2+和Mg2+的淋溶系數最大分別為4.75和4.74；在核桃楸林中，淋溶系數最大的元素為NO3-N；在落葉松林中，淋溶系數最大的是TP；在蒙古櫟林中，淋溶系數最大的元素為Ca2+；在水曲柳林中，淋溶系數最大的元素為NO3-N，不同林分對不同元素的淋溶效果是不一樣的。

表4 降雨凈淋溶含量和淋溶系數 mg·L-1

3.3 林外雨與5種林型枯透雨pH特征

一般情況下，正常降雨都是偏酸性的，雨水的弱酸性可以使土壤中的養分溶解，供其中的生物吸收。研究地大氣降雨pH值的統計見表5，研究期間林外降雨pH值的變化范圍在6.00～8.90之間，中位數為5.76，在此期間，林外雨pH變化相對較大，多數情況屬微酸性雨。目前，對世界各地區降水化學特征進行分析后，提出以5.0作為酸雨pH值的界限，低于5.0的降水對環境酸化有顯著影響，低于4.5的降水對環境酸化有嚴重影響。在采樣期間這5種林分每種林分共采集九次降雨，其中林外雨pH小于4.5的次數為0，pH在4.5～5.0的次數也為0，其余均為5.0以上，說明該地區幾乎不會受到酸雨的影響。在經過5種不同林分后，雨水中的pH值都有所下降，其中落葉松的下降幅度最大，在雨水經過落葉松枯落物后雨水的pH值在4.9～5.8，更適合土壤中養分的分解；而水曲柳的pH值幅度變化最小，從6.2～6.6，在經過水曲柳枯落物后，雖然變化相較其他林分變化較小，但也趨于更適合土壤方向發展。根據表6得知，不同林型pH值的波動較為穩定，基本上是基于中位數上下波動較小，林外降雨相較于林內枯透雨的變化較大。而在5種林型中，核桃楸的變化最小，受季節和時間的影響小，蒙古櫟隨時間和季節的變化最大。

表5 大氣降雨pH值基本統計表

4 結論與討論

4.1 結論

本論文結合室內分析和野外調查等方法，對本溪山區的森林生態系統林外雨、枯透雨中的化學特征進行了分析，主要得出以下幾點結論：

4.1.1 枯透雨中化學元素變化 從2016年6—10月，在本溪山區的5種純林林外雨和枯透雨中的NO3-N、NH3-N、SO42-、TN、TP、F-、Cl-、Ca2+、Na+、Mg2+、K+等化學元素的含量來看，Ca2+的輸入量較大，F-的含量較小。另外大量的化學元素通過枯枝落葉層后均明顯增加。林外雨和枯透雨元素濃度高低排序為：林外雨：SO42->TN>Ca2+>Cl->Na+>NH3-N>NO3-N >Mg2+>K+>F->TP，枯透雨：SO42->Ca2+>TN> NO3-N>Cl->K+>Mg2+>NH3-N >TP>F->Na+。在本次研究林不同月份大氣降水中各化學元素含量存在不同程度的差異，其中枯透雨的養分在10月的變化最大，說明在10月份枯枝落葉的數量較大，對水體的影響也在提升，進而影響到水體的化學性質。枯透雨中NO3-N、NH3-N、K+的變異系數大于林外雨，說明這些元素在生長季的月變化較大。NO3-N、Ca2+、Mg2+、Na+的變異系數小于林外雨，說明這些系數的變化較小，沒有明顯的差異。

4.1.2 林外雨與枯透雨的化學淋溶效應 NO3-N、Na+為負淋溶，表明植物體對這些元素進行了吸收。而NH3-N、Ca2+、Mg2+、K+等的含量均增加，枯落雨中的Na+為負淋溶，這可能因為Na+是比較難溶的元素，而且經過徑流后不易被土壤吸收，因此含量較低。化學元素濃度變化較大的原因可能是：(1)降雨條件如降水的強度、降水量、持續時間以及次降雨之間時間間隔等對降水中化學元素的含量均有影響，表現為觀測時段內不同月份降水中的化學元素含量不同。(2)環境和氣象條件等因素對降水中的化學元素含量具有一定影響，大氣污染的狀況和大氣環流攜帶的各種化學物質成分具有隨氣象因素而發生較大變化的隨機性，如水氣來源、風速風向等條件都會使降水中化學元素含量發生變化，不僅是造成同一地區大氣降水化學元素含量差異的原因，而且也是造成不同地區差異的原因。

4.1.3 林外雨與5種林型雨水pH變化 5種純樹林2014年6—10月林外雨和枯透雨的pH值趨于中性，林外降雨的pH趨于中性及弱堿性，而林內降雨通過枯枝落葉層后，有明顯的酸化現象，pH范圍在5.1～6.6之間。這就說明經過枯枝落葉層以后的雨水更適合植物的生長，也更適合土壤的分解，其中落葉松的變化強度最大，說明落葉松的枯枝落葉層在對雨水pH的酸化方面表現最強。

4.2 討論

Parker G G等人在1983年總結了全世界不同地區的大氣降水化學物質的輸入量，其研究結果表明，不同地區降水化學元素的年輸入量存在較大的差異，同一地點的不同元素之間年輸入量也各不相同，盡管如此，卻表現出一些相同的趨勢。降水輸入量最大的元素分別是Cl、Na等，而對全球降水化學資料的平均結果表明：在全球范圍內降水中化學元素含量的大小順序依次為：Na>Cl>N>Ca>K>P[7]。這與我國一些地區的研究結果基本相符，但與我們的測定結果有一定差異[8]。降雨是生態系統水分循環和養分循環的主導因素。降水養分輸入是系統一個十分重要的養分輸入源，特別是生長季降水養分的集中輸入，對本溪山區的林地生長有重要意義。研究表明，不同月份大氣降水中各化學元素含量存在差異。在論文分析過程中體會到，有關森林水質問題，其森林環境水化學問題今后將成為研究重點，對于我們而言，還需要進行多方面工作，如林區大氣降水中的污染物輸入、林地土壤和枯落物中水質的變化，林火和采伐等干擾對森林水質的影響。

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Effect of Forest Litter on Water Quality in Mountains of Benxi City

Li Shengzhi

(Liaoning Forestry Investigation and Planning Institute, Shenyang 110122, China)

Taking the main water conservation forest--Pinuskoraiensis,Larixgmelinii,Quercusmongolica,Fraxinusmandschurica&Juglansmandshuricain Benxi mountains as the research object, with the method of the locating observation,water quality of rainfall outside the forest and permeating water of litters of five types of forest was studied.Twelve kinds of digital number (DN)--pH value, nitrate (counted by nitrogen), ammonia nitrogen (counted by nitrogen), sulfate (SO42-), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), fluorineion (F-), chlorine (Cl-), calcium (Ca2+), sodium (Na+), magnesium (Mg2+),kalium (K+) of rainfall outside the forest and permeating water were determined.Result show that: mass chemical elements and ions by litter significantly increase. The biggest range is K+, whose concentration being 4.19 mg·L-1,which is 20 times higher than the rainfall outside the forest;concentration of each index for the rainfall outside the forest is: SO42->TN> Ca2+>Cl->Na+>NH3-N> NO3-N>Mg2+>K+>F->TP;each concentration index of rain in filtration chemical element is: SO42->Ca2+>TN>NO3-N>Cl->K+>Mg2+>NH3-N>TP>F->Na+.The concentration of SO42-is the highest, being 12.59 mg·L-1;the concentration of TP is the smallest, being 0.25 mg·L-1.During the survey period, the pH value of rainfall outside the forest and soaker tend to be neutral, but after the leaching of litter layer, there are obvious phenomenon of acidification, the pH range is from 5.1 to 6.6.

litter; water quality; forest type

1005-5215(2017)04-0011-05

2017-02-10

栗生枝(1987-)，男，遼寧沈陽人，大學，工程師，現從事林業資源調查和研究工作，Email:85799984@qq.com

TU991.21

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.04.003