亞高山森林溪流鎘儲量與分配的動態變化特征

蔣雨芮,周 蛟,李 晗,譚 波,曹 瑞,袁 吉,楊萬勤

1 四川農業大學生態林業研究所,長江上游林業生態工程省級重點實驗室, 成都 611130 2 臺州學院生命科學學院, 臺州 318000

鎘(Cd)是一種生物毒害性高、難降解、難移動且具有可蓄性的有害重金屬元素[1- 3]。水生生態系統中的Cd不僅會損害魚類、貝類和浮游生物等水生生物體內的蛋白質或抑制酶活性[4-5],而且進入人類食物鏈后會危害人類健康[6]。因此,理解水生生態系統中Cd的儲量與分配動態及其來源特征,可為水生生態系統管理提供科學依據。然而,已有的研究更加關注工業區的溪流和河流重金屬污染物質的濃度及遷移特征[7- 9],有關自然水生態系統Cd儲量及其遷移特征的研究相對較少。盡管Cd不是植物生長發育的必需元素,但植物能夠從土壤和水體中吸收Cd[10-11]。這些被林木等植物吸收的Cd能夠通過凋落物歸還到森林地表并富集在森林表層土壤[12],并通過滲漏水或地表徑流進入森林溪流和對接的水體[8],或者通過凋落物等植物殘體直接輸入到森林溪流或者河流[13],從而影響森林溪流水體和沉積物的Cd儲量與分配特征。因此,研究森林溪流生態系統Cd儲量和分配動態特征,對于理解森林和對接水體的生物地球化學聯系具有重要意義。然而,相關研究報道還相對較少,這限制了我們對森林生態功能的認識。

川西亞高山針葉林是我國第二大林區(西南林區)的主體,是長江流域最為重要的淡水資源核心保護區,不僅在水源涵養、生物多樣性和水土保持等方面具有重要突出的生態戰略地位,而且對于支撐下游水生生態系統結構、過程和功能等方面具有不可替代的生態功能[14]。調查數據顯示,在長江兩岸土壤中存在Cd污染的現象[15],并且長江全流域性的Cd異常也是多目標地球化學調查發現的重大生態環境問題[16- 17]。盡管有研究表明,亞高山針葉林地表徑流對重金屬的遷移可能受到溪流長度、位置、流速等特征的影響,而凋落物的季節性輸入也可能影響到溪流生態系統中的K、Mn、Mg、Cr等重金屬元素的儲量[18],但有關森林溪流生態系統中Cd儲量與分配動態的研究尚未見報道。因此,本研究以岷江上游亞高山林區15條典型的森林溪流為研究對象,采取動態監測和室內分析相結合的方法,研究亞高山森林溪流生態系統Cd儲量及其分配的動態變化特征,對于強化理解森林與水生生態系統之間的生物地球化學聯系具有重要的科學意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于四川省阿壩州理縣畢棚溝的四川農業大學高山森林生態系統定位研究站(31°14′—31°19′N, 102°53′—102°57′E, 海拔2458—4619m)(圖1),地處青藏高原-四川盆地的過渡地帶和長江上游地區。土壤類型包括沖積土、暗棕壤、棕色針葉林土。森林植被為岷江冷杉原始林,喬木層主要由岷江冷杉(Abiesfaxoniana)、方枝柏(Sabinasaltuaria)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)和粗枝云杉(Piceaasperata)組成。林下灌木主要有華西箭竹(Fargesianitida)、高山杜鵑(Rhododendronlapponicum)和三顆針(Serberissargentiana)等；草本植物主要有蟹甲草(Cacaliaspp)、高山冷蕨(Cystopterismontana)和薹草屬(Carex)植物等。氣候屬丹巴-松潘半濕潤氣候,年平均溫度為2—4℃,最高氣溫 23℃(7月),最低氣溫-18℃(1月)。降水分配不均,干濕季節差異顯著,年均降水量約850 mm,降雨主要分布在5—8月,凋落物有春、秋兩次高峰期,主要集中在4—6月和9—11月。該集水區系岷江上游雜谷腦河第二大支流梭羅溝的支流,集水區面積是180km2,河長31km,多年平均流量3.7m3/s。區域內水體有典型的季節性：夏季水量大、冬季水量小甚至干涸。

圖1 研究區及采樣溪流的地理位置[19]Fig.1 The location of the study area and the sampling streams1—15代表15條采樣溪流

1.2 實驗設計

基于前期調查與研究結果,依據采樣可行性和典型性原則,在研究區域海拔3600—3700m的典型亞高山森林集水區內構建亞高山針葉林-溪流集合生態系統研究平臺。依據凋落物產生的物候動態,將采樣時間劃分為3個時期：秋季凋落高峰期(2015年9—11月)、春季凋落高峰期(2016年4—6月)和非凋落高峰期(2016年7、8月)。在兩個凋落高峰期前后約半月采樣一次,非凋落高峰期一個月各采樣一次,實驗為期一年,共計采樣13次。

在研究區域根據溪流長度分別在10—50、50—150、150—260 m區間內選取5條典型高山森林溪流,各溪流相距較遠(0.5—1.0km),共計15條溪流,選取的溪流包含了研究區域集水區的所有徑流。各溪流平均水位深(3.73±3.43)—(11.72±4.88) cm,平均水面寬(33.87±29.64)—(128.87±100) cm,平均流速(0.05±0.08)—(0.36±0.20)m/s,平均流量(0.01±0.02)—(0.15±0.14)m3/s[19]。2015年8月,在每條溪流設置3個凋落物搜集框(規格為0.64m2),同時在每條溪流下游出水口設置凋落物攔截網,測定森林凋落物輸入量。同時,分別在每條溪流上、中、下游設置沉積物和水樣采樣點,每個樣點根據溪流長度約等間距分布,且不互相影響。每個水樣采集500 mL,盛于清潔的塑料取樣瓶中；分別在采集水樣的地方采集3個原始狀態下的沉積物樣品,存于用去離子水洗過并烘干容積為100 mL的聚乙烯瓶中,并用聚乙烯塑料袋封裝。此外,在每次采樣時,測定上、中、下游的水體流速、水面寬度、水位深、沉積物深度等。所有樣品均低溫保存,帶回實驗室盡快完成相關分析。

1.3 室內分析與計算

1.3.1沉積物Cd含量測定與儲量計算

將沉積物樣品收集帶回實驗室后測定其重量,將混合均勻的沉積物樣品放在稱至恒重的瓷坩堝內,先將水分大的樣品放置在水浴鍋上蒸干,然后放進烘箱內稱至恒重,根據公式計算含水量(Mc)。計算公式為：

式中,m1為恒重瓷坩堝的質量 (g)；m2為恒重瓷坩堝加烘干后樣品的質量 (g)。

根據樣品干重及含水量、體積計算沉積物密度(ρs)。參照凋落物重金屬元素測定方法,測定沉積物中Cd含量[20]。將溪流視為長方體[21],計算溪流沉積物現存量(Ms)和單位面積沉積物Cd儲量(Mhs)。具體計算公式如下:

Ms=ρ×(L×W×Hs)

式中,m1為聚乙烯瓶內沉積物干重(g)；Mc為沉積物含水量(%)；v代表樣品體積(m3)；L為溪流長度(m)；W為溪流寬度(m)；Hs為溪流沉積物深(m)；ρs為沉積物密度(g/m3)；c為元素含量(mg/kg)；Ms為溪流沉積物現存量(kg)；S為溪流表面積(m2)。

1.3.2凋落物Cd含量測定與儲量計算

稱取樣品粉末0.5 g(精確到0.0001g),置于消解罐中,加入5mL HNO3和4mL H2O2,放置過夜,用微波消解儀消解樣品,用火焰原子分光光度計測定Cd含量。凋落物Cd儲量計算公式為：

式中,c代表Cd元素含量(mg/kg)；Md代表溪流的凋落物現存量(kg)；S代表溪流的表面積(m2)。

1.3.3水體Cd儲量測定

參照國家規定[22]處理水樣,取5mL均勻樣品,用待測液用HNO3-H2O2(5:4)消解,使用火焰原子吸收分光光度法(LY/T 1228—1999)測定其含量。本次實驗未在溪流水體中檢出Cd元素,說明本區域森林溪流重金屬含量符合中華人民共和國國家標準生活飲用水衛生標準[23]。

1.4 數據處理與統計分析

運用SPSS 20.0對所有數據進行處理和統計分析和Sigmaplot 12.5繪制圖表；區域集水區等數據信息由ArcGIS 10.0軟件對畢棚溝風景區地形圖進行解譯獲得。采用獨立樣本T檢驗檢測凋落物和沉積物Cd儲量的差異性；運用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分別檢驗不同分布位置和不同關鍵時期Cd元素的儲量差異；用雙因素方差分析(two-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)檢驗溪流長度和時間、不同分配位置及二者交互作用對Cd儲量的影響；用Pearson相關系數來評價凋落物、沉積物與不同分布位置Cd儲量與溪流特征之間的相關關系,顯著性水平設定為P< 0.05。

2 結果與分析

2.1 亞高山森林溪流沉積物和凋落物的Cd儲量隨關鍵時期的變化

亞高山森林溪流的Cd儲量介于2.57—128.46 mg/m2之間,所有森林溪流生態系統中,Cd主要存儲于沉積物中,約占森林溪流生態系統的99.97%(圖2)。不同關鍵時期相比,沉積物中的Cd儲量在秋季凋落高峰期最高,在春季凋落高峰期最低；凋落物中的Cd儲量在春季凋落高峰期最高,在非凋落高峰期最低。溪流的縱向分配位置與時間變化極顯著影響了Cd總儲量(表1)。

圖2 亞高山森林集水區Cd總儲量與縱向分配動態變化 Fig.2 Changes in Cd storage and vertical distribution in the subalpine forest streams with critical periods(mean± SE, n=5)不同大寫字母分別代表凋落物或沉積物在不同關鍵時期間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母代表凋落物與沉積物間差異顯著(P<0.05),圖中數據為平均值±標準誤差(n=5)

表1 亞高山森林溪流Cd儲量與不同影響因子的雙因素方差分析

2.2 亞高山森林溪流上中下游的Cd儲量隨關鍵時期的變化

在集水區水平上,亞高山森林溪流上、中、下游的Cd儲量比例分別為37.15%、29.29%和33.56%(圖3)。在不同關鍵時期,上、中、下游的Cd儲量沒有顯著差異。不同關鍵時期相比,森林溪流Cd儲量均以秋季凋落物高峰期最高,春季凋落物高峰期與非凋落物高峰期之間沒有顯著差異。溪流上游Cd儲量與溪流總Cd儲量的占比由34.41%增加為40.61%,中游占比沒有顯著變化,下游Cd儲量占比由37.32%下降為30.11%。

圖3 亞高山森林集水區Cd儲量與分布位置動態變化 Fig.3 Changes in Cd storage and positions in the subalpine forest streams with critical periods(mean± SE, n=5)不同大寫字母分別代表上游、中游或下游在不同關鍵時期間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母代表上中下游間差異顯著(P<0.05),圖中數據為平均值±標準誤差(n=5)

2.3 亞高山森林溪流沉積物和凋落物Cd儲量隨溪流特征的動態變化

不同長度溪流Cd儲量均以沉積物分配最多(圖4),沉積物Cd儲量占總Cd儲量的比例為84.82%—100%,凋落物Cd儲量占總Cd儲量的比例為0—15.18%,沉積物Cd儲量為凋落物Cd儲量的45.11—2425.45倍。不同關鍵時期相比,3種長度范圍的溪流沉積物Cd儲量表現出一致的規律：秋季凋落高峰>非凋落高峰>春季凋落高峰(圖4)。其中,10—50m的溪流沉積物Cd儲量以秋季凋落高峰最高,而其他長度溪流的Cd儲量在不同時期均無顯著差異(圖4)；長度為10—150m的溪流凋落物Cd儲量呈現出春季凋落高峰>非凋落高峰>秋季凋落高峰的變化規律,長度為150—260m的溪流Cd儲量則在春季凋落高峰期最高,在非凋落高峰期最低,在時間動態與縱向分配上均無顯著差異(圖2)。相關性分析表明,沉積物Cd儲量與溪流水文特征相關性不顯著,凋落物的Cd儲量與溪流長、寬、面積以及流量呈極顯著正相關關系(表2)。

圖4 不同長度溪流Cd儲量的縱向分配動態變化Fig.4 Dynamics of vertical distribution of Cd storage in different length streams(mean± SE, n=5)不同大寫字母分別代表凋落物或沉積物在不同關鍵時期間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母代表凋落物與沉積物間差異顯著(P<0.05),圖中數據為平均值±標準誤差(n=5)

表2 亞高山森林溪流不同分布位置Cd儲量與溪流特征的Pearson相關性分析

2.4 亞高山森林溪流上中下游的Cd儲量隨溪流特征的動態變化

在秋季凋落高峰期,長度小于150m的溪流表現出上游>下游>中游的分布規律,大于150m的溪流Cd儲量分布由上游到下游依次增高(圖5)。在春季凋落高峰期,10—50m長度的溪流Cd儲量在中游的分布顯著高于上游和下游；而50—150m的溪流呈現出下游>中游>上游的分布規律,其中下游Cd儲量顯著高于上、中游；150—260m的溪流Cd儲量分布以中游最低,上游最高。在非凋落高峰期,長度為10—150m的溪流Cd儲量從上游到下游的分布依次遞增,150—260m的溪流分布規律表現為上游>下游>中游。相關性分析表明,溪流中游Cd儲量與溪流流量呈顯著負相關關系,下游Cd儲量與溪流流速呈顯著正相關關系(表2)。

圖5 不同長度溪流Cd儲量的分布位置的動態變化Fig.5 Dynamics of lateral distribution of Cd storage in different subalpine forest streams(mean± SE, n=5)不同大寫字母分別代表上游、中游或下游在不同關鍵時期間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母代表上中下游間差異顯著(P<0.05),圖中數據為平均值±標準誤差(n=5)

3 討論

3.1 亞高山森林溪流Cd儲量在不同分配位置的動態變化

本研究表明,在亞高山森林溪流生態系統中,Cd主要存儲在沉積物,這與已知研究結果一致[24-25],即沉積物往往是重金屬最后的歸宿。沉積物動力學包括顆粒物質的夾帶、運輸、沉積和儲存[26],而沉積物重金屬遷移的主要途徑是泥沙顆粒吸附-解吸機械運動[27]。例如,有研究表明,進入溪流的木質殘體遷移能夠顯著增加溪流重金屬元素的輸出量[18],也證明了沉積物重金屬元素的遷移主要依靠外來物質、泥沙顆粒和懸浮物等物質的物理搬運作用。張慧玲等[28]的研究也發現,直徑大于10cm的木質殘體約為高山溪流木質殘體總貯量的87.48%,表明粗木質殘體是森林溪流重金屬的重要來源。本研究還表明,森林溪流生態系統中的凋落物Cd儲量遠遠低于沉積物的Cd儲量。可能的原因是凋落物移動性強,其分解過程中釋放的Cd被直接沉積在溪流底部。此外,凋落物表面積相對于木質殘體等其他物質較小,對于重金屬元素的吸附能力就更弱[29]。這與Liang等[18]對亞高山森林溪流木質殘體的其他幾種重金屬的研究結果相似。在本研究中,森林溪流水體未檢測出Cd元素,符合中華人民共和國國家標準生活飲用水衛生標準[23],表明來源于森林植物殘體、滲漏水和地表徑流輸入溪流的Cd主要存儲于溪流沉積物中,沒有影響溪流水質。

不同關鍵時期相比,亞高山森林溪流的Cd儲量以春季凋落物高峰期最小,秋季凋落物高峰期最高。這是因為森林溪流的Cd儲量受到輸入和輸出動態的控制。有研究表明,重金屬元素的釋放與溫度因子呈顯著正相關關系[30],而11月-翌年4月是本研究區域的冬季凍融期[31],春季凋落高峰則開始進入研究區域的雪被融化期[32],溫度回升,沉積物重金屬元素隨之釋放進入水體流出溪流,因而Cd儲量較低；Cd儲量在本研究采樣的非凋落高峰期(2016年7—8月)緩慢上升,研究表明降雨和地表徑流是重金屬元素的重要來源途徑之一[33],而森林生態系統大氣降水中包含一定質量分數的Cd元素[34],因此降水量最大的8月能夠解釋Cd儲量增高[27],Cd還隨著地表徑流、樹干莖流、穿透水等方式匯入溪流中[35],增加了溪流中的Cd含量,也在一定程度上導致了Cd儲量的增高；秋季凋落高峰期間(2015年9—11月)溪流Cd儲量最大,這與秋季輸入溪流的凋落量最大有關,其吸附一部分Cd元素沉積在溪流底部[18],增加了森林溪流的Cd儲量。這表明,秋季凋落物輸入也是亞高山森林溪流Cd的重要來源之一。

3.2 亞高山森林溪流Cd儲量在不同分布位置的動態變化

亞高山森林溪流上、中、下游的Cd儲量無顯著差異。這是因為水溫、pH等環境因子的改變能夠顯著影響沉積物重金屬含量[31],而本研究區域溪流上、中、下游的環境因子差異較小,溪流pH值偏向中性[36],并且自然沉積物在河流能保持較為穩定的狀態[37]。而且,Cd元素具有相對穩定的化學性質[38]。上中下游Cd儲量均以秋季凋落高峰最高,上、中游以春季凋落高峰最低,長、中游Cd儲量的變化與集水區總Cd儲量變化規律一致。下游Cd儲量在非凋落高峰期最低,這可能是因為溪流下游的水體侵蝕與沖刷作用導致水位更深,使下游流速變慢,而已知溪流流速與下游Cd儲量呈顯著正相關關系,下游Cd儲量也隨之降低,并且非凋落高峰期(2016年7—8月)較大的降水量使溪流下游匯入的外來物質總量更多,一些輸入溪流上游以及中游的物質還未來得及分解,在吸附部分沉積物的Cd元素后,隨水體流出了溪流。本研究對于溪流Cd儲量在不同分布位置的動態變化結果與張俊華等[39]的研究結果不同,張俊華發現城郊河道下游較上游的Cd有顯著增多的趨勢,這是因為其下游流域靠近人工污染區域,這也證明了遠離工業污染與人為干擾的溪流生態系統具有一定的自我凈化能力,呈現出與城郊流域相反的規律。

4 結論

亞高山森林溪流生態系統的Cd主要存儲于沉積物,其次為凋落物；森林溪流上、中、下游的Cd儲量無顯著差異,中游的Cd儲量與溪流流量呈顯著負相關關系,下游的Cd儲量與溪流流速呈顯著正相關關系；秋季凋落物高峰期間,森林溪流的Cd儲量最高,表明凋落物是森林溪流Cd的重要來源之一；亞高山森林溪流具有一定的自我凈化能力且具有穩定性。這些結果為深入理解陸-水生態系統重金屬生物地球化學循環提供了基礎數據,也為亞高山林區生態管理提供了新的思路和科學依據。然而,有關亞高山森林溪流重金屬元素的源-匯-庫格局還有待進一步研究。