广州帽峰山常绿阔叶林森林生态系统水文环境效应

广州帽峰山常绿阔叶林森林生态系统水文环境效应 广州帽峰山常绿阔叶林森林生态系统水文 环境效应 第38卷第3期 2010年3月 东北林业大学 JOURNALOFNOR1HEASTFORESTRYUNIVERSITY V01.38No.3 Mar.2010 广州帽峰山常绿阔叶林森林生态系统水文环境效应 肖以华陈步峰潘勇军史欣徐猛 (中国林业科学研究院热带林业研究所,广州,510520) 摘要对帽峰山季风常绿阔叶林的穿透雨,树干径流和大气降水及地表总径流水的pH值和Pb,cu,cd, Hg,zn等重金属平均质量浓度进行测定,分析森林对水文的环境效应.结果表明:常绿阔叶林的穿透雨和树干径 流的pH平均值比大气降水高了约1个pH值单位,最高可达2.6个pH值单位.树干径流的pH平均值比穿透雨 的pH平均值要高,说明树干径流对酸雨的中和效应更为明显.大气降水中重金属平均质量浓度基本是旱季大于 雨季,5种重金属的平均质量浓度次序为Zn>Cu>Pb>Cd>Hg.与大气降水相比,穿透雨和树干径流的重金属总体 变化是雨季呈降低趋势,变化幅度一般在8.13%,49.38%;但在旱季这一趋势刚好相反.穿透水,树干径流对大 气降水的淋溶系数的大小排列为:Pb>Cu>Cd>Hg>Zn.穿透雨淋溶系数都大于树干径流的淋溶系数,总体来说,穿 透水对总金属元素的淋溶作用大于树干径流. 关键词帽峰山;季风常绿阔叶林;酸雨;重金属;中和效应;淋溶效应 分类号X171.1:s718.5 Effectsof,m'0l0gicalEnvi~onEvergreenBroad-leavedForestinMaofengshanMountainofGuang zhou/XiaoYihua,ChenBufeng,PanYongiun,ShiXin,XuMeng(theResearchInstituteofTropicalForestry.ChineseAcade- myofForestry,Gnangzhou510520,P.R.China)//JoumalofNortheastForestryUnlvemity.一2010,38(3).一788l AnexperimentwasconductedtostudytheeffectsofforestsonhydrologiealenvironmentintermsofpHvalueandcon. tentsofPb.Cu,Cd,HgandZnelementsinthesamplesofprecipitation,throughfall,stemflowandsurfacerunoffin MaofengshanMountain.GuangdongProvince.ResuhsshowedthattheaveragepHvalueofthrouv_Sfallwas1.0pHunit higherthanthatofrainfall,withthehighestvalueof2.6pHunits.Thatistosay,theeffectofneutralizingacidrainfor forestcanopyissignificant.Theaveragecontentofheavymetalinprecipitationwashigherindryseasonthaninralnvsea. son.andtheaveragecontentsoffivekindsofheavymetalswereinadecreasingorderofZn,Cu,Pb.Cd,andHg.The averagecontentofheavymetalinthroughfallandstemflowinrainyseasonexhibitedadownwardtrendcomparedwiththat inprecipitation,rangingfrom813%to49.38%;buttherewasanupwardtrendindryseason.Theorderofleachinga. bifityofthroughfallandstemflowshowedPb>Cu>Cd>Hg>Zn.Theleachingeoe佑cientandleachingabilityofthroughi'all alehighel"thanthatofsternflowonthewhole. KeywordsMaofengshanMountain;Tropicalevergreenbroad.1eavedforests;Acidrain:Heavymetals:Neutralizing effects;Leachingeffects 森林和水是生态系统中最活跃,最有影响的两个因素. 当大气降水通过林冠时,由于林冠的遮挡作用,使得降水以不 同的形式进入森林生态系统.一部分降水为林冠所截获,被 林冠截获的大部分降水顺着枝,干往下缓慢流入林内,形成树 干径流.另一部分降水直接穿过林冠或林冠空隙进入林内, 形成穿透雨.穿透雨和树干径流构成林内雨,作为森林生态 系统养分平衡的一个重要组成部分J.森林通过能量转 换,吸收同化,物质循环等功能对大气环境,水体环境,土壤环 境等产生显着的影响.由于大气的干湿沉降,使得大气降水 能携带各种化学物质进入森林生态系统,影响到土壤中元素 离子存在状态,促使地球化学循环元素的重新分配. 关于自然森林生态系统中林内雨的养分规律研究较多, 基本发生规律是大气降水通过林冠后,穿透雨和树干径流中 的Na,K,Ca,Mg,有效P和有效N等的平均质量浓度均有所 增加,且树干径流增幅更大,但是这类研究都是针对远离人类 活动区域的自然森林生态系统J.目前,由于经济社会的快 1)国家科技部"十一五"科技支撑项目(2006BAD03A1701);广 州市森林生态效益网络监测研究和国家林业局珠江三角洲森林生态 站资助. 第一作者简介:肖以华,男,1976年7月生,中国林业科学研究院 热带林业研究所,助理研究员. 收稿13期:2009年1O月9日. 责任编辑:任俐. 速发展,城市周边森林负荷更多的酸雨,重金属的污染,在美 国开展了城乡梯度主要生态过程中城市森林对森林水文效应 过程的研究,城乡或城郊森林生态系统对大气降水的影响也 日趋成为研究热点J,这方面的研究在国内开展的较少,肖 以华等曾报道不同结构的城市森林对酸雨的影响.广州 帽峰山南亚常绿阔叶林生态系统处于珠三角地区腹地,其森 林对大气降水的酸雨中和效应和重金属淋溶,储滤效应研究 将有助于揭示城郊森林在区域环境中的环境功能,也为城乡 森林生态系统的养分管理提供理论依据,从而正确指导林业 生态 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 的实施. 1研究地概况 研究地位于广州市帽峰山,距广州市中心23km,是广州 的天然生态屏障.不仅承担着调节和改善广州市生态环境的 重要作用,还是休闲,游憩和度假的好去处.帽峰山2003年 被列为国家林业局珠江三角洲森林生态系统定位研究站的主 站点,位于北纬23.16,23.l9,东经113.22一I13.29,以低 山为主,最高处海拔535m,为广州地区最高峰.帽峰山原生 植被为南亚热带季风常绿阔叶林,经多次破坏及近20a的天 然更新和人工更新,现在的植被为人工群落和天然次生群落 的混合体,主要以黄樟[Cinnamomumparthenoxylon(Jack) Meisner],黧蒴锥[Castanopsiss0(ChampionexBentham)Re— hder&E.H.WilsonI,华润楠IMachiluschinens~(champ.ex 第3期肖以华等:广州帽峰山常绿阔叶林森林生态系统水文环境效应79 Benth)Hems1],锥『Castanopsischinensis(Sprenge1)Hance]为 优势种或建群种的季风常绿阔叶林生态系统.境内地势中间 高,自西分别向西jE和东南倾斜,为广州市区北缘丘陵地带和 九连山脉延伸部分.土壤类型以赤红壤为主,有机质质量分 数高,较肥沃.帽峰山森林地处亚热带湿润季风气候,年平均 气温210C,最冷月(1月)平均气温13.3?,最热月(7月)平 均气温28.4,年大气降水量约1700mm,多集中于4,9月 份,年平均相对湿度76%. 2材料与方法 本研究采取对比对照的试验观测方法,大气降水在距离 林内雨监测50m处的定位站观测楼顶,对每次大气降水进行 收集并现场测定pH值.森林区穿透雨运用随机法,即用不 锈钢规格为长400cm,宽20cm,深25Cm的雨量槽6条(距地 面50cm),然后平行于坡面布置在样地内,接着用连通管及 PVC管把它们相连通,最后接到翻斗式自动化雨量计上,测定 每次穿透雨的雨量.树干径流试验布设:对400m样地里胸 径6.0cm以上的树木全部采用直径为2cm,沿中缝剪开的塑 料管,从树高约1.5ITI处由上往下螺旋状缠绕于树干上,接缝 处用玻璃胶封严,用连通管及PVC管把它们相连通,最后汇 集接到翻斗式自动化雨量计上,测定每次穿透雨的雨量.每 次大气降水采集其全过程水样(降水开始至结束)并且现场 测定其pH值. 分别取大气降水,穿透雨和树干径流水样于用去离子水 洗净且 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的500mL水样瓶中树干径流,将采集水样放入4 ?冰箱保存,24h内送试验室分析.分析cu,zn,cd,Pb和Hg 等重金属的质量浓度.分析方法:pH值的测定用意大利生产 的HI98128型便携式酸度计现场测定;用美国利曼公司产的 等离子体发射光谱议(ps一1000AT)测定金属元素质量浓度. 3结果与分析 3.1森林冠层对酸性大气降水中pH值的中和效应 大气降水穿过树木冠层到达土壤,然后经过土壤渗透进 入水体是物质循环,水循环的一个重要阶段,能够直接或间接 地影响江河水体的水质.通过监测分析发现,大气降水月平 均pH值变化范围为4.44,5.82,平均值为5.02(表1).按酸 雨的评判标准pH5.60衡量,大气降水的酸雨频率为76.92%. 经过森林林冠层叶片作用后的穿透雨pH值均明显上升:常 绿阔叶林的穿透雨月平均pH值变化范围为5.82—7.o4,酸 雨的发生频率为15.38%,平均值为6.03,高于评判酸雨的标 准值5.60约0.40个pH值单位;树干径流月平均pH值比穿 透雨的月平均pH值要高,酸雨的发生频率为7.70%,pH平 均值为6.21,其pH值变化范围为5.15,6.96. 从表1中可看出,雨水穿过森林冠层后,pH平均值为 6.12,与大气降水相比其值升高了约1个pH值单位,最高可 达2.6个pH值单位.经过水一叶片界面交换作用,雨水中 的酸性物质在进入地表以前已被大量中和,说明森林植被在 防止,延缓地表水体的酸化方面具有重要的现实意义.特别 是大气降水经过树干径流后,pH平均值为6.21,与大气降水 相比其pH值升高至穿透雨的1.2倍.导致这一现象主要是 由于大气降水在树干径流截留的时间比穿透雨长,淋溶到干 沉降的物质量更多,增加了阳离子质量浓度,置换更多的H, 从而提高了pH值,起到中和效应. 从表1的pH值变化来看,树干径流和穿透雨在旱季 (10一竖年3月份)中和效应率比雨季(4月份)更高,这个 可用大气及林木表面干沉降物的洗脱机制来解释:大气中 及沉降或吸附于树木表面(树冠,树枝和树干)的尘埃颗粒, 以穿透雨,树干径流的形式带入森林生态系统内,树干径流携 带尘埃颗粒的多少决定了树干径流养分质量浓度的高低.长 时间连续不断且大强度的大气降水(雨季),必定将大气及树 叶表面,树体表面的尘埃颗粒洗脱或稀释,从而导致树干径流 或穿透雨的阳离子质量浓度与大气降水的相对量小.相反, 长时间的天晴干旱(旱季)带来大气及树体表面的尘埃颗粒 富集,期问短时的大气降水洗脱的干沉降物也多,导致树干径 流和穿透雨的阳离子质量浓度升高,提高林内雨中和效应. 按该地区年平均降水量1700mm计算,则帽峰山常绿阔叶林 林冠层和树干径流单位面积年中和酸性大气降水物质量约为 11.17ks?km,?a,.大气降水通过树木林冠后可以改变穿 透雨,树干径流的pH值,降低雨水中的酸性物质及基团向地 表水,地下水的输送负荷,在酸沉降严重地区,植树造林对保 护区域地下水水体生态系统安全和延缓水体酸化危害具有非 常重要的意义. 表1大气降水,穿透雨和树干径流各月份的pH值 注:表内数据为总取样5】次的月平均值. 3.2大气降水和林内雨重金属平均质量浓度变化特征 重金属污染对陆地生态环境构成了严重威胁,不仅影响 环境质量,而且包括水体的重金属污染进入土壤后直接影响 到土壤性质,水质状况,作物生长,农业产量,农产品品质等, 并通过食物链对人体健康造成危害,影响人类的健康.重金 属元素进入森林生态系统有3个主要途径:一是湿沉降,即通 过大气降水中吸收和捕捉的颗粒物;二是干沉降,重金属颗粒 被气溶胶吸附着而沉积在植物,土壤表面;三是土壤,植物直 接吸收. 由表2可看出,大气降水中5种重金属的平均质量浓度 次序为Zn>Cu>Pb>Cd>Hg;Cu,Zn两种重金属的最高月平均 质量浓度都出现在8月份,且cu,zH平均质量浓度范围波动 较大,cu在6—8月份的平均质量浓度比较高,而在其他月份 平均质量浓度较低,波动范围为1.250—5.46g?L,:Zn的 平均质量浓度呈现6月份和8月份平均质量浓度很高,而在 其他月份平均质量浓度很低;Cd的平均质量浓度为0.400— 0.700g?L,;同样,Pb平均质量浓度范围也几乎在同一个 数量级之内,波动范围为1.00—3.10g?L一;Hg的平均质 量浓度虽为5种重金属平均质量浓度中最低的,但其属于? 类国家地面水环境质量标准,Hg9月份平均质量浓度最高达 到0.620Ixg?L一,5月份月平均质量浓度最低. 穿透雨和树干径流中重金属平均质量浓度在不同的月份 东北林业大学第38卷 有较大差异,由表2可知,穿透雨与树干径流中zn的月平均 质量浓度变化很大,7月份树干径流中zn的平均质量浓度最 大达到150.00?L,,而最低月5,12月份平均质量浓度为 12.90?L,;但是cu的月平均质量浓度变化不大,cu的穿 透雨平均质量浓度旱季(3,12月份)大致高于雨季(5…678 月份)的趋势;Pb平均质量浓度除6月份穿透雨平均质量浓 度比较大,为13.467g?L,,旱季3月份穿透雨和树干径流 平均质量浓度整体上大于雨季,但是旱季的I2月份平均质量 浓度最低;Cd平均质量浓度除3,10月份穿透雨平均质量浓 度比较大,为1.333Ixg?L,,其他月份平均质量浓度均变幅 不大;Hg穿透雨和树干径流平均质量浓度变化范围分别为 0.117一O.439g?L,,0.209—0.739g-L,,为国家地面水 环境质量标准?类. 表22005年大气降水,穿透雨和树干径流中各重金属平均质量浓度的月动态峭?L 与大气降水相比,穿透雨和树干径流的重金属平均质量 浓度总体变化是雨季呈降低趋势,变化幅度一般在813%, 49.38%;但在旱季这一趋势刚好相反.导致穿透雨和树干径 流的重金属平均质量浓度旱季增大,这主要是由于旱季的干 沉降时间相对较长,沉降物质量更多,大气降水量减少,淋溶 或洗脱的重金属量更多致使储滤平均质量浓度增大. 3.3林内雨对重金属的淋溶效应 从表3中可以看出,穿透水中Zn,Hg为负淋溶,其余元 素平均质量浓度穿透水较大气降水均为减小,根据淋溶系数 的大小排列穿透水的淋溶序列为:Pb>Cu>Cd>Hg>Zn.树干 径流污染重金属平均质量浓度(除zn外)较大气降水增加, 淋溶效应明显,树干径流淋溶系数序列为:Pb>cu>cd>Hg> zn.从淋溶能力的序列看,穿透雨和树干径流对重金属的淋 溶是一致的.除zn外,各重金属的平均质量浓度在穿透水及 树干径流中大于大气降水,说明大气降水进入森林生态系统 后.对以干沉降方式附着在枝,干,叶片表面上的重金属起到 淋溶作用. 表3大气降水净淋溶的污染重金属平均质量浓度和淋溶系数 总径流是森林生态系统水循环与外界环境交换的最终渠 道.森林生态系统的地被物层,土壤和岩石层对水循环环境效 应的影响,通过总径流平均质量浓度反映.cu,zn和Pb在总 径流中的平均质量浓度均低于大气降水,说明帽峰山常绿阔 叶林生态系统对降水中的重金属通过植物修复,吸收和土壤 过滤,吸附等生态过程具有一定的净化作用,从而达到净化效 果.其净化率分别为:cu(61.87%),zn(97.71%.),Pb (8.70%),而cd,Hg的总径流平均质量浓度相对大气降水平均 质量浓度有所增加(表4),增加的强度分别为6.28%,l3.39%, 这主要是由于植物对这类Cd,Hg吸收率低以及土壤岩石的 溶质化学迁移作用使得平均质量浓度大"3,但总径流水质 仍为?类国家地面水环境质量标准. 表4总径流对大气降水中重金属的净化平均质量浓度及净化率 4结论与讨论 不同森林类型和结构对酸雨的缓解效果是不同的,一般 是阔叶林>针阔混交林>针叶林,郁闭度大的林分比郁闭度小 的林分更强;帽峰山天然次生阔叶林森林冠层相对其他林分 和林型对酸雨的降解效应更强".从分析的结果看:帽峰山 天然次生阔叶林中大气降水的pH值变化范围为4.44—5.82,平 均值为5.02,酸雨发生频率为76.92%.大气降水经过森林 林冠层叶片作用后的穿透雨的pH值均有明显的上升:常绿 阔叶林的穿透雨pH值变化范围为5.82—7.04,酸雨的发生 频率为15.38%,平均值为6.03.由于大气降水在树干径流 截留的时间比穿透雨长,淋溶的物质相比穿透雨更多,从而增 加了阳离子的平均质量浓度,提高了pH值,起到了中和效 应.树干径流的pH平均值比穿透雨的pH平均值要高,酸雨 第3期肖以华等:广州帽峰山常绿阔叶林森林生态系统水文环境效应81 的发生频率为7.70%,pH平均值为6.21,其pH值变化范围 在5.15—6.96. 在森林生态系统中,重金属主要是随冠层淋溶作用和土 壤侵蚀而迁移,从本研究看,大气降水中重金属平均质量浓度 基本是旱季大于雨季,5种重金属的平均质量浓度次序为zn >Cu>Pb>Cd>Hg.与大气降水相比,穿透雨和树干径流的重 金属平均质量浓度总体变化是雨季呈降低趋势,变化幅度一 般为8.13%,49.38%;但在旱季这一趋势刚好相反.导致 穿透雨和树干径流的重金属平均质量浓度旱季增大,主要是 由于旱季的干沉降时间相对较长,沉降物质更多,大气降水量 减少,淋溶或洗脱的重金属量更多,致使储滤质量浓度增大. 穿透水对总金属元素的淋溶作用大于树干径流.由于森 林生态系统通过植物修复,吸收和土壤过滤,吸附等生态过程 对降水中的重金属污染物具有一定的净化能力,其净化率分 别为:cu(61.87%),Zn(97.71%),Pb(8.70%),而Cd,Hg的 总径流平均质量浓度相对大气降水平均质量浓度有所增加, 增加的强度分别为6.28%,13.39%. 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(上接7O页)空气负离子质量密度也相应增加. 表6空气负离子密度与空气温度,相对湿度和风速的相关分析 注:表中表示差异显着. 4结论与讨论 棕榈植物群落内空气离子密度和空气清洁度等级均高于 群落边缘,空气负离子密度是群落边缘的I.74倍,空气清洁 度等级比群落边缘高l,2个等级.植物群落能有效改善环 境空气质量,提高负离子密度,因此建议在滨海城市公园的规 划建设中,可适当布设林问小路,这不仅能提供遮荫环境,也 能维持空气负离子密度,达到生态保健的功效. 在整个试验过程中,离静水5m处的空气负离子密度稍 高于1m处,但并没有达到显着水平(尸=0.374),表明距离水 体1,5m既受到水体形成的空气负离子扩散的影响,又受到 植物群落内形成的空气负离子扩散的影响;在多数观测区内, 空气相对湿度与空气负离子密度存在显着的正相关,空气温 度与空气负离子密度呈负相关,但大都未达到极显着关系,风 速不是影响空气负离子密度的因素. 参考文献 [1]吴怂材,jII5群明,钟林生.森林游憩区空气负离子水平的研究 [J].林业科学,2001,37(5):75—81. [2]范海兰,胡喜生,陈灿,等.福州市空气负离子空问变化特征 [J].福建林学院,2008(I):27—30. [3]rondoR,lchirouK."lheeffectofexposuretonegativeairIonsonthe recoveryofphysiolcalresponsesaftermoderateenduranceexercise [J].InternationalJournalofBiometeoml,1998,41:132—136. [4]邵海荣,贺庆棠,阎海平,等.北京地区空气负离子浓度时空变 化特征的研究[J].北京林业大学,2005,27(3):35—39. [5]章志攀,俞益武,盂明浩,等.旅游环境中空气负离子的研究进 展[J].浙江林学院,2006,23(I):103,108. [6][苏]塔赫他问.世界植物系区划[M].黄观程,译.北京:科学出 版社,1998. [7]潘辉,李永莉,蔡干强,等.棕榈科群落空气离子的时空变化 [J].城市环境与城市生态,2009,22(1):7—10. 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