高曉曉, 張勝利, 邱志斌, 潘泰臣, 于金鑫

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 3.陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 陜西 楊凌712100; 4.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境應(yīng)急與事故調(diào)查中心 廣西 南寧 530028; 5.中國電建集團(tuán) 中南勘測設(shè)計研究院有限公司 湖南 長沙 410014)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，大氣降水是陸地生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)物質(zhì)的主要來源之一，為森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)及平衡提供基礎(chǔ)。從大氣降雨進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)，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(zhì)產(chǎn)生影響，林冠層是大氣降雨進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)的第一個作用面，林冠層在凈化水質(zhì)方面起關(guān)鍵作用[2]。關(guān)于森林林冠層對水質(zhì)影響方面的研究較多，多數(shù)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(zhì)效應(yīng)進(jìn)行分析，如張勝利等[3]研究了秦嶺林區(qū)天然林冠層的水質(zhì)效應(yīng)，均說明了林冠層具有調(diào)節(jié)和穩(wěn)定大氣降雨水質(zhì)作用[3-5]，但缺少研究林冠層影響水質(zhì)的過程。研究林冠層對降雨水質(zhì)的影響過程，將有助于進(jìn)一步了解大氣降雨進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)后水質(zhì)發(fā)生變化的機(jī)理。

秦嶺南坡中山地帶是秦巴山區(qū)水源涵養(yǎng)林的集中分布區(qū)[10]，又是南水北調(diào)中線工程的重要水源區(qū)[11]，其森林水質(zhì)的好壞，直接影響受水區(qū)域的飲水用水質(zhì)量。近年來，秦嶺周邊河南、陜西、湖北酸雨明顯增加，秦嶺林區(qū)雨水有酸化趨勢[12]。酸雨能促進(jìn)林冠中物質(zhì)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(zhì)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(qū)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(zhì)影響過程進(jìn)行分析，旨在為研究森林冠層對水質(zhì)的影響提供理論依據(jù)，同時為研究酸沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

火地塘林區(qū)(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(nèi)，面積22.25 km2，海拔1 470～2 473 m。林區(qū)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(qū)地形陡峻，坡度一般為30°～35°。林區(qū)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(chǎn)生的大氣降雨[15]。近年來，秦嶺周邊地區(qū)的重慶、河南、湖北等地酸雨日趨嚴(yán)重且主要為硫酸型[12]。硫酸型污染物遠(yuǎn)距離輸入，秦嶺林區(qū)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(qū)存在酸雨現(xiàn)象[12]。

為最大程度模擬林區(qū)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(shè)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(qū)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(qū)內(nèi)選取代表性地段，設(shè)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(shù)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(shù)作為林冠模型構(gòu)建的控制性參數(shù)，使模擬樹冠接近天然樣地葉面積指數(shù)，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(zhì)PE管，結(jié)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(jù)樹枝大小鉆孔3～4個，共設(shè)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(yīng)力良好的摻Ge氧化硅薄膜波導(dǎo).研究發(fā)現(xiàn)為了提高薄膜均勻性減小應(yīng)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(dǎo)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(tài)下具有不同的折射率值，即光學(xué)薄膜的雙折射效應(yīng)，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(chǎn)品的良品率，所以精確控制每個參數(shù)并把握其變化規(guī)律對提高產(chǎn)品性能及生產(chǎn)良品率至關(guān)重要.

1.4 模擬降雨試驗設(shè)計

自制模擬降雨裝置，采用單噴頭、下噴式可調(diào)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(jù)實測降雨數(shù)據(jù)[19]，并結(jié)合模擬試驗要求，由于設(shè)備限制，較小強(qiáng)度的模擬降雨均勻度達(dá)不到試驗要求[20]，試驗?zāi)M降雨強(qiáng)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(jìn)行雨強(qiáng)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(zhì)指標(biāo)測定方法

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用Microsoft Excel和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與制圖。將測定的水質(zhì)數(shù)據(jù)求取均值，圖中0時刻水質(zhì)數(shù)據(jù)為模擬試驗用水化學(xué)物質(zhì)濃度。采用Person法分析穿透雨中水化學(xué)物質(zhì)濃度與降水pH值的相關(guān)性(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 林冠穿透雨中濃度動態(tài)變化過程

圖1 火地塘林區(qū)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(tài)變化過程

林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度動態(tài)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(dá)到峰值，隨后降低，降雨20 min后濃度值變化趨于穩(wěn)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(dá)到峰值，隨后降低，降雨20 min后濃度值變化趨于穩(wěn)定。華山松、銳齒櫟林冠穿透雨中K+濃度變化過程表現(xiàn)相似，但油松林冠穿透雨中K+濃度在降雨10 min達(dá)到峰值后隨降雨時間延長降低，在降雨50 min后趨于穩(wěn)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(dá)到峰值，降雨20 min時Ca2+濃度達(dá)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(dá)到峰值，隨后降低，降雨30 min濃度趨于穩(wěn)定；銳齒櫟林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度在降雨20 min時濃度達(dá)到峰值，降雨30 min濃度趨于穩(wěn)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(xiàn)為隨降雨時間延長總體上呈先升高后降低并趨于穩(wěn)定的規(guī)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(guān)，又因為酸雨促進(jìn)了林冠中K+，Ca2+，Mg2+淋失。酸雨淋洗，細(xì)胞膜受損，促使細(xì)胞質(zhì)中K+，Ca2+，Mg2+濃度發(fā)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(xué)上Ca2+有防止細(xì)胞膜損傷和滲漏、穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)和維持膜的完整性等作用[21]，許多關(guān)于森林林冠礦質(zhì)離子淋洗量的研究結(jié)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(dāng)。

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(guān)分析表明林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+濃度與降雨pH值相關(guān)(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(xiàn)為pH4.0>pH5.0>pH7.0。說明不同pH值淋洗液影響林冠中物質(zhì)的淋洗效果，酸雨有促進(jìn)作用。

圖2 火地塘林區(qū)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(tài)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(chǎn)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(dá)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(wěn)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(wěn)定的規(guī)律。

圖3 火地塘林區(qū)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(xiàn)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(xiàn)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(guān)分析表明林冠穿透雨中Pb，Cd濃度與降雨pH值相關(guān)(p<0.05)，但Zn濃度與降雨pH值相關(guān)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(zhì)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(xué)物質(zhì)濃度。針葉樹種由于其葉片具有較厚的蠟質(zhì)層、較大的葉表面積等結(jié)構(gòu)特征較闊葉樹種葉片有更強(qiáng)的滯留顆粒物能力[23]，并且常綠針葉樹種能夠在全年持續(xù)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(xué)物質(zhì)濃度較高。

3.2 降雨pH值對林冠穿透雨水質(zhì)的影響

3.3 林冠層對降雨水質(zhì)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(zhì)，所以穿透雨中化學(xué)物質(zhì)濃度升高。多個研究也證實了，降雨淋洗，大多數(shù)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(nèi)洗脫率增加的速率較大，在30 min以后逐漸趨于平穩(wěn)[20,26-27]。隨降雨時間延長，林冠表面物質(zhì)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(zhì)，另一方面，林冠發(fā)生生理吸收、物理吸附以及與降雨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[28]，所以在降雨后期穿透雨中化學(xué)物質(zhì)濃度變化幅度較小，基本趨于穩(wěn)定。

根據(jù)林冠穿透雨水化學(xué)物質(zhì)濃度動態(tài)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(xué)物質(zhì)濃度升高達(dá)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(xué)物質(zhì)濃度變化幅度小而穩(wěn)定。實際上，在整個降雨過程中，降雨經(jīng)過林冠層，降雨淋洗、淋溶、林冠的吸收、吸附等現(xiàn)象在一定程度上是同時發(fā)生的，穿透雨中化學(xué)物質(zhì)濃度取決于降雨中化學(xué)物質(zhì)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(fā)、林冠對降雨中化學(xué)物質(zhì)的輸入量、固體顆?；驓怏w的吸附吸收等[29]。這些過程相互聯(lián)系，本文將林冠對穿透雨水質(zhì)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(zhì)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(jié) 論