秦嶺火地塘3種主要林型林冠層對不同pH值降雨水質的影響

高曉曉, 張勝利, 邱志斌, 潘泰臣, 于金鑫

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 資源環境學院,陜西 楊凌 712100; 3.陜西秦嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站, 陜西 楊凌712100; 4.廣西壯族自治區環境應急與事故調查中心 廣西 南寧 530028; 5.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司 湖南 長沙 410014)

森林生態系統是陸地生態系統的主體，大氣降水是陸地生態系統化學物質的主要來源之一，為森林生態系統養分循環及平衡提供基礎。從大氣降雨進入森林生態系統，到徑流形成的整個過程中，森林林冠層、枯枝落葉層、森林土壤層等各層次均對水質產生影響，林冠層是大氣降雨進入森林生態系統的第一個作用面，林冠層在凈化水質方面起關鍵作用[2]。關于森林林冠層對水質影響方面的研究較多，多數研究只是通過簡單差減法[3-7]或離子交換樹脂法[8]對森林林冠層水質效應進行分析，如張勝利等[3]研究了秦嶺林區天然林冠層的水質效應，均說明了林冠層具有調節和穩定大氣降雨水質作用[3-5]，但缺少研究林冠層影響水質的過程。研究林冠層對降雨水質的影響過程，將有助于進一步了解大氣降雨進入森林生態系統后水質發生變化的機理。

秦嶺南坡中山地帶是秦巴山區水源涵養林的集中分布區[10]，又是南水北調中線工程的重要水源區[11]，其森林水質的好壞，直接影響受水區域的飲水用水質量。近年來，秦嶺周邊河南、陜西、湖北酸雨明顯增加，秦嶺林區雨水有酸化趨勢[12]。酸雨能促進林冠中物質的淋失[13]，不同酸堿度下，離子的可移動性差別很大[14]。為研究不同pH值降雨透過林冠穿透雨水質變化過程，本試驗在地處秦嶺南坡中山地帶中部的火地塘林區選擇3種典型林分：油松林、華山松林和銳齒櫟林，模擬不同pH值降雨淋洗林冠，就其林冠層對降雨水質影響過程進行分析，旨在為研究森林冠層對水質的影響提供理論依據，同時為研究酸沉降對森林生態系統的影響提供基礎。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

火地塘林區(108°25′—108°30′E，33°25′—33°29′N)地處秦嶺南坡中山地帶中部，位于陜西省寧陜縣境內，面積22.25 km2，海拔1 470～2 473 m。林區氣候為暖溫帶濕潤山地氣候，年均氣溫8～12 ℃，降雨主要集中在5—10月，雨季為7—9月，多年平均降水量1 130 mm，降雪從10月末到次年4月初。林區地形陡峻，坡度一般為30°～35°。林區土壤主要為山地棕壤，主要成林樹種有銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)、油松(Pinustabuliformis)、華山松(Pinusarmandii)、紅樺(Betulaalbosinensis)、光皮樺(B．luminifera)、青杄(Piceawilsonii)、巴山冷杉(Abiesfargesii)和山楊(Populusdavidiana)等[9]。

1.2 模擬酸雨制備

酸雨是指pH值在5.60以下的降雨、降雪以及通過其他的形式產生的大氣降雨[15]。近年來，秦嶺周邊地區的重慶、河南、湖北等地酸雨日趨嚴重且主要為硫酸型[12]。硫酸型污染物遠距離輸入，秦嶺林區雨水有酸化的趨勢，且雨季雨水酸化趨勢較為明顯，如2010年雨水平均pH值為5.1，林區存在酸雨現象[12]。

為最大程度模擬林區雨季自然降雨，本研究于2020年7月11日接取林外天然雨水為模擬試驗用水原液，測得雨水平均pH值為7.0。以天然雨水為原液加硫酸，借助酸度計測定，配制成pH值為4.0，5.0的2個梯度的酸雨。模擬降雨設置3個水平，分別為pH值7.0(天然雨水)，4.0，5.0。

1.3 試驗樹種及樹冠模型制作

選擇火地塘林區有代表性的3種林型(油松林、華山松林、銳齒櫟林)作為研究對象，在研究區內選取代表性地段，設置油松、華山松、銳齒櫟20 m×20 m的樣地各1個。每樣地選取能夠代表平均長勢的3株樣樹，實測油松、華山松、銳齒櫟平均葉面積指數分別為4.13，3.79，2.61。按樹高將林冠近似等分為上、中、下3個層次，用高枝剪采集其冠層4個方位3個層次的樹枝，將枝樣混合。

參照高柳威等[16]制作的模擬林冠模型，將葉面積指數作為林冠模型構建的控制性參數，使模擬樹冠接近天然樣地葉面積指數，分別制作油松、華山松、銳齒櫟林冠模型各1個。林冠模型主干采用長1.5 m，直徑110 mm的空心硬質PE管，結合野外試驗條件，在主干PE管上每間隔300 mm錯位鉆孔，孔口向上傾斜，每層根據樹枝大小鉆孔3～4個，共設5層，將樹枝插入孔中固定以模擬枝干。

采用PECVD沉積氧化硅薄膜，研究了在不同條件下制備折射率均勻、應力良好的摻Ge氧化硅薄膜波導.研究發現為了提高薄膜均勻性減小應力，薄膜芯層通過GeH4流量而不是SiH4流量來改變折射率，同時光波導薄膜厚度和折射率均勻性會使傳輸光波在不同的偏振狀態下具有不同的折射率值，即光學薄膜的雙折射效應，從而使器件的PDL值增大，雙折射性能在整個晶圓上的不均勻分布會影響產品的良品率，所以精確控制每個參數并把握其變化規律對提高產品性能及生產良品率至關重要.

1.4 模擬降雨試驗設計

自制模擬降雨裝置，采用單噴頭、下噴式可調噴頭模擬降雨，噴灑直徑約2 m，為使雨滴終點速度接近天然降雨，噴頭固定在樹冠模型正上方2 m[17-18]，利用自吸泵，將水箱中的水通過輸水管送到噴頭出口。

根據實測降雨數據[19]，并結合模擬試驗要求，由于設備限制，較小強度的模擬降雨均勻度達不到試驗要求[20]，試驗模擬降雨強度選定為10 mm/h。試驗開始之前，在林冠四周放置4個直徑為23 cm塑料桶進行雨強率定。模擬降雨歷時60 min，從開始降雨0時刻計，每間隔10 min采集一次水樣，將4個塑料桶中的水樣混合，量取100 ml水樣裝瓶，冷凍保存待測。

1.5 測定項目及方法

表1 水質指標測定方法

1.6 數據統計分析

利用Microsoft Excel和SPSS進行數據分析與制圖。將測定的水質數據求取均值，圖中0時刻水質數據為模擬試驗用水化學物質濃度。采用Person法分析穿透雨中水化學物質濃度與降水pH值的相關性(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 林冠穿透雨中濃度動態變化過程

圖1 火地塘林區3種主要林分林冠穿透雨中濃度

2.2 林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度動態變化過程

林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度動態變化過程如圖2所示。降雨pH值為7.0時，降雨10 min時3種林分林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度均達到峰值，隨后降低，降雨20 min后濃度值變化趨于穩定。降雨pH值為5.0時，降雨10 min時3種林分林冠穿透雨中Ca2+，Mg2+濃度均達到峰值，隨后降低，降雨20 min后濃度值變化趨于穩定。華山松、銳齒櫟林冠穿透雨中K+濃度變化過程表現相似，但油松林冠穿透雨中K+濃度在降雨10 min達到峰值后隨降雨時間延長降低，在降雨50 min后趨于穩定。降雨pH值為4.0時，降雨10 min油松林冠穿透雨中K+，Mg2+濃度達到峰值，降雨20 min時Ca2+濃度達到峰值；華山松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度在降雨10 min時濃度達到峰值，隨后降低，降雨30 min濃度趨于穩定；銳齒櫟林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度在降雨20 min時濃度達到峰值，降雨30 min濃度趨于穩定。整體上看，除pH值4.0降雨淋洗油松林冠，其他模擬降雨試驗下穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度均表現為隨降雨時間延長總體上呈先升高后降低并趨于穩定的規律。降雨pH值為4.0時，油松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度值變化幅度較大，可能是因為油松林冠本身K+，Ca2+，Mg2+濃度高，降雨淋洗量很大程度上和林冠本身含量相關，又因為酸雨促進了林冠中K+，Ca2+，Mg2+淋失。酸雨淋洗，細胞膜受損，促使細胞質中K+，Ca2+，Mg2+濃度發生變化以緩沖酸雨的傷害，從而使得K+，Ca2+，Mg2+淋失量增大。在生理學上Ca2+有防止細胞膜損傷和滲漏、穩定膜結構和維持膜的完整性等作用[21]，許多關于森林林冠礦質離子淋洗量的研究結果都表明Ca2+的淋失量最大[22]。

降雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度分別為0.3 mg/L，3.752 mg/L，0.295 mg/L。相同pH值的降雨淋洗，相較于華山松、銳齒櫟，油松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度值變化幅度大，華山松、銳齒櫟林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度值范圍接近，說明油松林冠中K+，Ca2+，Mg2+淋失量較大，降雨淋洗對華山松、銳齒櫟林冠中K+，Ca2+，Mg2+作用效果相當。

對于同一樹種，不同pH值降雨淋洗，林冠作用效果不同，油松最為明顯。Person相關分析表明林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度與降雨pH值相關(p1=0.020，p2=0.000，p3=0.000<0.05)。由圖2知，降雨pH值為4.0時，油松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度值及其濃度變化幅度明顯大于pH為5.0和7.0的降雨淋洗，油松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度值及其濃度變化幅度大小表現為pH4.0>pH5.0>pH7.0。說明不同pH值淋洗液影響林冠中物質的淋洗效果，酸雨有促進作用。

圖2 火地塘林區3種主要林分林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度

2.3 林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度動態變化過程

由圖3可知，降雨pH值為7.0時，3種林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度在整個模擬降雨過程中隨降雨時間延長無明顯變化，與供水水樣中Pb，Zn，Cd濃度大小基本一致，說明此時降雨淋洗，林冠對穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度幾乎不產生影響。降雨pH值為4.0，5.0時，降雨10 min時3種林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度均達到均值，隨后降低，降雨30 min林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度變化趨于穩定。整體上看，3種林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度整體上隨降雨時間延長總體上呈先升高后降低并趨于穩定的規律。

圖3 火地塘林區3種主要林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度

降雨中Pb，Zn，Cd濃度分別為2.635，72.579，0.148 ug/L。降雨pH值為7.0時，3種林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度值接近，與供水水樣中Pb，Zn，Cd濃度大小基本一致，說明pH值為7.0降雨對3種林分林冠幾乎無淋洗作用。降雨pH值為4.0，5.0時，華山松、油松林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度變化幅度均大于銳齒櫟，表現為針葉林林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度大于闊葉林，說明林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度受針葉林、闊葉林不同的葉組織特性影響。

對于同一樹種，不同pH值降雨淋洗，林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd濃度值及濃度變化幅度大小大體表現為pH4.0>pH5.0>pH7.0，說明降雨pH影響林冠Pb，Zn，Cd淋失，且隨降雨pH值減少，林冠Pb，Zn，Cd淋失量增加。Person相關分析表明林冠穿透雨中Pb，Cd濃度與降雨pH值相關(p<0.05)，但Zn濃度與降雨pH值相關性不顯著(p=0.149，>0.05)。

3 討 論

3.1 林分類型對林冠穿透雨水質的影響

這可能是因為針葉林、闊葉林不同的葉組織特性影響穿透雨水化學物質濃度。針葉樹種由于其葉片具有較厚的蠟質層、較大的葉表面積等結構特征較闊葉樹種葉片有更強的滯留顆粒物能力[23]，并且常綠針葉樹種能夠在全年持續吸附空氣中的顆粒物，降雨淋洗林冠，針葉林林冠穿透雨中溶解較多顆粒物，所以針葉林林冠穿透雨中化學物質濃度較高。

3.2 降雨pH值對林冠穿透雨水質的影響

3.3 林冠層對降雨水質的影響過程

這可能是因為在降雨初期，降雨淋洗林冠表面顆粒物質，所以穿透雨中化學物質濃度升高。多個研究也證實了，降雨淋洗，大多數植物葉表面滯留的顆粒物在降雨初期受到的影響大，在降雨開始的10 min內洗脫率增加的速率較大，在30 min以后逐漸趨于平穩[20,26-27]。隨降雨時間延長，林冠表面物質被淋洗干凈之后，一方面降水淋溶吸附于枝葉表面或枝葉組織中的各種物質，另一方面，林冠發生生理吸收、物理吸附以及與降雨發生化學反應[28]，所以在降雨后期穿透雨中化學物質濃度變化幅度較小，基本趨于穩定。

根據林冠穿透雨水化學物質濃度動態變化過程，將該過程劃分為降雨淋洗和降雨淋溶兩個階段。降雨初期(降雨開始至降雨10 min或20 min)劃分為降雨淋洗階段，該階段特點是降雨迅速淋洗林冠表面顆粒物，林冠穿透雨水化學物質濃度升高達到峰值。降雨后期(約20～30 min以后)劃分為降雨淋溶階段，該階段特點是林冠穿透雨水化學物質濃度變化幅度小而穩定。實際上，在整個降雨過程中，降雨經過林冠層，降雨淋洗、淋溶、林冠的吸收、吸附等現象在一定程度上是同時發生的，穿透雨中化學物質濃度取決于降雨中化學物質向林冠的輸入、降雨對雨前林冠上滯留物的沖洗、降雨對植物組織分泌物的淋溶、林冠截流蒸散發、林冠對降雨中化學物質的輸入量、固體顆粒或氣體的吸附吸收等[29]。這些過程相互聯系，本文將林冠對穿透雨水質影響過程劃分為降雨淋洗和降雨淋溶兩個階段，只是為了簡化分析，并不意味著一次降雨事件中林冠對降雨水質的影響過程可以截然分為降雨淋洗、降雨淋溶兩個階段。

4 結 論