廣州帽峰山森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨及PAHs、TOC的地球化學(xué)特征

陳步峰，肖以華，王莘儀

中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520

全球氣候變化使得極端暴雨天氣頻發(fā)，暴雨極易使多硬質(zhì)地表的城市形成內(nèi)澇以及溢流水質(zhì)污染的災(zāi)害性危害；中國華南地區(qū)為典型的鋒前暴雨、雷暴雨及臺風(fēng)暴雨多發(fā)地，發(fā)生城市內(nèi)澇及水質(zhì)污染脅迫的概率卻是相對較大，尤是暴雨的快速產(chǎn)流和對城市環(huán)境的沖刷、徑流水體攜帶的多環(huán)芳烴（PAHs）是具有“三致性”特性，增大了徑流水質(zhì)毒性污染及危害性。城市森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體、也是城市地表的天然生態(tài)屏障，應(yīng)對暴雨的截留降能、緩沖降蝕、森林土壤的持續(xù)滲透及吸附滯留、消減緩沖產(chǎn)流等生態(tài)水文機能，在抵御暴雨產(chǎn)流、防止城市水患及水質(zhì)污染等方面有著不可替代的生態(tài)環(huán)境功能（陳步峰等，1998；陳步峰等，2004；陳步峰等，2011；鄒志謹?shù)龋?017）；隨城市極端暴雨頻發(fā)引發(fā)的環(huán)境影響，相關(guān)城市暴雨-徑流及 PAHs負荷方面的研究被愈益關(guān)注，諸如：美國南卡羅來納州不同城市暴雨徑流中PAHs研究顯示，城區(qū)哥倫比亞（11測點）暴雨徑流14種 PAHs的平均含量為 5590 ng·L?1，喬治城徑流（2測點）變化范圍為 40—3790 ng·L?1，墨勒爾斯因萊特沿海社區(qū)徑流（15測點）14種PAHs含量的平均為 282 ng·L?1，墨勒爾斯因萊特潮溪河口水（8測點）均值為35 ng·L?1，未開發(fā)地北因萊特河口水（8 測點）含量為 13 ng·L?1（Ngabe et al.，2000），反映出因流域地表介質(zhì)的徑流含量的差異。植被及多種滲透層材料等生物滯留設(shè)施對城市暴雨 PAHs污染物的去除試驗測定結(jié)果表明，生物滯留可使暴雨 PAHs的平均質(zhì)量濃度消減在 31%—99%間（Diblasi et al.，2009）。國內(nèi)的合肥市針對4次降雨不同地表徑流PAHs研究顯示，水泥、瀝青地和水泥交通路面的 PAHs負荷遠大于水泥廣場和草地（謝繼峰等，2015）。上海市高架路地表徑流PAHs源析發(fā)現(xiàn)，徑流中∑16PAH的質(zhì)量濃度范圍為 1.585—7.523 g·L?1，交通、石油、燃氣燃燒是主要來源（邊璐等，2013）。哈爾濱市春季融雪徑流中16種PAHs檢測表明，城市道路和內(nèi)部道路均超出中國地表水環(huán)境質(zhì)量標準（車麗娜等，2019）。北京城市道路地表徑流及相關(guān)介質(zhì)中PAHs的源解析指出（張巍等，2008），城市支路和主干路機動車道以機動車排放源為主,行道樹樹冠淋洗水中機動車源的貢獻較大。樟樹林生態(tài)系統(tǒng)水文學(xué)過程中PAHs的遷移與轉(zhuǎn)化機理指出，隨地表徑流遷移水中PAHs有5種，總含量為36.866 μg·L?1，與大氣降水相比，PAHs種類減少 50%，質(zhì)量濃度降低 87%；同時闡述了水文學(xué)過程中PAHs遷移轉(zhuǎn)化機理和樟樹林具有較高的凈化效能（閆文德等，2006）。

這些研究重點揭示了城市地表介質(zhì)對暴雨或降水產(chǎn)流PAHs質(zhì)量負荷影響效應(yīng)，以城市環(huán)境的角度剖析了暴雨或降雨徑流PAHs來源及在區(qū)域的質(zhì)量負荷差別、環(huán)境影響的評估；而涉及城市森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨-徑流 PAHs負荷及地球化學(xué)變化特折的系統(tǒng)結(jié)果則報道相對較少。因而，針對廣州市近年來受頻發(fā)極端暴雨的影響，對城市森林應(yīng)對暴雨的產(chǎn)流、PAHs負荷及地球化學(xué)影響效應(yīng)的研究相繼開展并取得了長足的緊張（Chen et al.，2015；張娜等，2010；吳巧花等，2018）；也是基于廣州市區(qū)域分布有大面積的天然常綠闊葉次生林、針闊葉混交林及森林公園等資源；本文則基于帽峰山森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨及PAHs、TOC的地球化學(xué)循環(huán)的連續(xù)4年定位對比觀測；以森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨垂直界面、系統(tǒng)的輸入輸出角度，解析其影響規(guī)律及效率，旨在為城市森林防治暴雨災(zāi)害的功能機制方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況及實驗觀測方法

1.1 試驗地概況

廣州市帽峰山林區(qū)位于廣州市東北部（23°16′—23°19′N，113°22′—113°29′E），距市區(qū)約 25 km，面積6600 hm2；林區(qū)近5年的平均氣溫為21.2 ℃，年均降雨量1800.0 mm，年均相對濕度約76.5%，干濕季分明；土壤類型為黃紅壤，成土母巖主要為花崗巖。主要森林植被類型以南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉次生林為主（46 a），優(yōu)勢喬木有潤楠（Machilus pingii）、黃樟（Cinnamomum porrectum）、中華椎（Castanopsis chinensis）、黃杞（Engelhardia roxburghiana）、羅浮柿（Diospyros morrisiana）、鴨腳木（Schefflera octophylla）、楓香（Liquidambar formosana）、山烏桕（Sapium discolor）等；部分森林斑塊間種有馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolate)種群。下層主要以木姜子（Litsea glutinosa）、銀柴（Aporosa dioica）、九節(jié)（Psychotria rubra）、降真香（Dalbergia odorifera）等為主，上層優(yōu)勢喬木的平均胸徑達31.3 cm、平均樹高為18.6 m；林分郁閉度達0.92。

1.2 實驗觀測方法

（1）暴雨量觀測及水樣收集：帽峰山天湖無林地設(shè)置2個Data Logging RG3-M自動雨量計觀測雨量、設(shè)置1個口徑0.8 m的降水收集容器、收集暴雨的水樣。

（2）林內(nèi)雨觀測及水樣收集：遴選常綠闊葉林樣地（30 m×30 m）、網(wǎng)格法設(shè)置9臺HOBO自記雨量計觀測穿透雨量，用已有的干流經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸浪銟涓蓮搅髁?，兩者的和為暴雨林?nèi)雨量。設(shè)置口徑0.8 m容器收集穿透水樣；設(shè)置6株優(yōu)勢喬木用聚乙烯管（直徑4 cm）繞基部黏貼收集干流水樣。

（3）兩種類型森林土壤滲透水實驗觀測：擇常綠闊葉林內(nèi)坡面（坡度16.6°）設(shè)置剖面實驗觀測平臺（剖面深35 cm）；采用內(nèi)徑20.0 cm圓形PC管長35 cm直接探入供試的針闊葉混交林、常綠闊葉林的土壤中，在保持土壤結(jié)構(gòu)及凋落物完整無損下切取土柱，移置PC管土柱于林區(qū)實驗觀測平臺靠緊剖面（圖1）；供試的土柱上頂部內(nèi)空1.5 cm、底部配套有粘聯(lián)導(dǎo)水管的蓋子，每個森林類型供試6個土柱，每土柱底部導(dǎo)水管接一量桶，全部設(shè)置完成后；對比觀測兩類森林土壤深30 cm處的暴雨滲透水量、且在滲透水觀測的量捅中采集供檢測水樣。

圖1 兩類森林林地的暴雨土壤滲透水實驗測試設(shè)置Fig. 1 Experimental settings for soil permeation with rainstorm in two types of forested land

（4）森林生態(tài)系統(tǒng)的總徑流測定：基于珠三角森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究平臺的常綠闊葉林、針闊葉混交林小集水區(qū)測流堰，以Level 2000自記水位計連續(xù)觀測測堰水位（H—m），采用徑流量計算式Q=1.4H5/2計算瞬時流量（m3·M?1）、再以時間累積計量暴雨總徑流量；在堰口前池中采集暴雨徑流的水樣。

1.3 水樣采集處理及PAHs、TOC檢測方法

（1）水樣采集與處理：水樣采集暴雨及產(chǎn)流的初、中及末期的水混合成供試水樣。采集水樣用1 L棕色玻璃瓶，采樣前用洗液沖洗3次以上、再以無離子水多次沖洗干凈。采集暴雨、暴雨林內(nèi)雨、滲透水及總徑流水樣；采樣時先以被采的水沖洗樣瓶3次后，在被采水的水面下取水、采滿樣瓶上蓋、標記。水樣采集完成立即放置于冷凍溫箱內(nèi)，3 h內(nèi)送往實驗室做處理供檢測。

（2）水樣 PAHs、TOC檢測：檢測水體中 16種 PAH組分溶解相的質(zhì)量濃度（美國國家環(huán)保局列出）即萘（NAP）、苊（ANA）、苊烯（ANY）、芴（FLU）、蒽（ANT）、菲（PHE）、熒蒽（FLT）、芘（PYR）、苯并[a]蒽（BaA）、?（CHR）、苯并[b]熒蒽（BbF）、苯并[k]熒蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚并[1, 2, 3-cd]芘（IcdP）、苯并[a,h]蒽（DahA）、苯并[g, h, i]苝（BghiP）。采用 EPA3510C—1996，EPA8270D—2007方法進行測定。水體TOC質(zhì)量濃度檢測：采用日本島津TOC-V型總有機碳分析儀，按《水質(zhì)、總有機碳的測定 燃燒氧化-非分散紅外吸收法》HJ 501—2009方法檢測。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及對比分析

圖表及方差分析、回歸分析均采用Excel軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨及水文要素中 PAHs、TOC質(zhì)量濃度差異

森林生態(tài)系統(tǒng)可顯著影響暴雨總徑流過程中各水文要素的物理、化學(xué)量；圖 2a的結(jié)果顯示，暴雨中∑16PAHs總的質(zhì)量濃度平均達(105.6±25.9) ng·L?1（<2000 ng·L?1的標限），極顯著的高于常綠闊葉林、針闊混交林的暴雨總徑流中相應(yīng)的平均質(zhì)量濃度（P=0.0021、0.0002）；暴雨林內(nèi)雨中∑16PAHs平均質(zhì)量濃度則極顯著地大于兩類森林的暴雨總徑流中相應(yīng)的平均質(zhì)量濃度（P=0.00021、0.0015）、而分別顯著、極顯著地大于兩類森林土壤深30 cm處滲透水中相應(yīng)的平均質(zhì)量濃度（P=0.022、0.0089）。常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)可分別凈儲暴雨中∑16PAHs總的質(zhì)量濃度的平均達 25.6%、29.8%，林冠層使暴雨林內(nèi)雨中∑16PAHs平均質(zhì)量濃度相對凈增8.1%；兩類森林土壤深30 cm層可分別儲濾暴雨林內(nèi)雨中∑16PAHs質(zhì)量濃度的平均為9.0%、9.9%；結(jié)合暴雨林內(nèi)雨、土壤30 cm處滲透水與暴雨總徑流相對計量，常綠闊葉林、針闊葉混交林的土壤30 cm以下至淺育巖層可分別凈儲濾暴雨林內(nèi)雨中∑16PAHs平均質(zhì)量濃度的22.3%、25.2%。

圖2 兩類森林生態(tài)系統(tǒng)暴雨水文要素中PAHs、TOC質(zhì)量濃度比較Fig. 2 Comparison of PAHs, TOC mass concentration in rainstorm-hydrological factors for the two type’s forest ecosystem

水體TOC含量為水中有機物所含碳的總量、可較全面反映水中有機物污染程度，其數(shù)量愈高、水體受到的有機物污染愈多。圖 2b顯示，帽峰山林區(qū)暴雨中 TOC平均質(zhì)量濃度為 (5.68±3.97)mg·L?1、暴雨林內(nèi)雨、兩種森林土壤深30 cm處暴雨滲透水中TOC平均質(zhì)量濃度在8.6—5.4 mg·L?1間，而兩類森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨總徑流中TOC的平均質(zhì)量濃度均小于標準限值（5 mg·L?1）。森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨水循環(huán)中各水文要素的TOC平均質(zhì)量濃度間均無顯著差異（圖2b）。森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨 TOC生物地球化學(xué)作用，表現(xiàn)在常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)分別貯存暴雨中 TOC平均濃度的15.7%、15.9%：其中，2類森林的冠層對暴雨的淋溶使林內(nèi)雨中 TOC平均質(zhì)量濃度相對暴雨相應(yīng)凈增40.5%；而常綠闊葉林、針闊混交林的土壤深30 cm層吸附和生化作用，分別儲存暴雨林內(nèi)雨中TOC平均質(zhì)量濃度的23.8%、31.8%，以森林土壤30 cm處滲透水與總徑流間水文界面層計量：常綠闊葉林土壤30 cm以下層使總徑流中TOC濃度相對上層凈增9.4%，而針闊葉混交林則相對凈減8.3%；表明森林冠層對暴雨TOC濃度有淋溶增效、土壤地表30 cm層對暴雨中TOC質(zhì)量濃度儲濾顯著。

以暴雨及森林各水文要素中∑16PAHs/TOC質(zhì)量濃度比值衡量，暴雨中 (0.0251‰±0.0134‰)>針闊葉混交林土壤深 30 cm處滲透水中的(0.0245‰±0.0102‰)>常綠闊葉林土壤深30 cm處滲水中的 (0.0224‰±0.0103‰)>針闊葉混交林總徑流中的 (0.0194‰±0.0096‰)>常綠闊葉林總徑流中的 (0.0193‰±0.0093‰)。表明暴雨水體中PAHs質(zhì)量濃度占TOC質(zhì)量濃度比例相對較高，2類森林集水區(qū)暴雨總徑流水體中PAHs質(zhì)量占比相對暴雨減少23.1%、相比2種森林土壤深30 cm處滲透水體 PAHs質(zhì)量占比則依次較少 20.8%、21.2%，森林土壤30 cm以下層對滲漏至徑流水體PAHs質(zhì)量濃度的去除效應(yīng)明顯。

2.2 森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨水文要素中 PAHs代表物質(zhì)量濃度差異及界面影響

暴雨攜帶PAHs的代表物屬高環(huán)且毒性較大的污染物；圖3結(jié)果顯示，暴雨中典型的BaP平均質(zhì)量濃度為2.86 ng·L?1，在兩種森林集水區(qū)暴雨總徑流中的平均質(zhì)量濃度均小于 2.5 ng·L?1（I類標準限）；林冠層及地被物的淋溶與生物化學(xué)作用，使暴雨林內(nèi)雨、土壤深30 cm處滲透水中BaP平均濃度均大于暴雨中相應(yīng)濃度；暴雨林內(nèi)雨中BaP平均濃度顯著地大于兩類森林集水區(qū)總徑流中相應(yīng)濃度（P=0.013、0.014）。暴雨與森林各水文要素中BkF、IcdP及BghiP的平均質(zhì)量濃度間均無顯著差異。暴雨林內(nèi)雨中FLT平均濃度極顯著地大于常綠闊葉林、針闊混交林總徑流中相應(yīng)濃度（P=0.008、0.004）、顯著地大于針闊混交林土壤深30 cm處滲透水中相應(yīng)濃度（P=0.037）；兩類森林集水區(qū)總徑流中BbF平均濃度分別顯著、極顯著的小于暴雨中相應(yīng)的質(zhì)量濃度（P=0.042、0.003）、也分別顯著地小于暴雨林內(nèi)雨的相應(yīng)的質(zhì)量濃度（P=0.043、0.021）。

圖3 兩類森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨水文要素中PAHs組分質(zhì)量濃度比較Fig. 3 Comparison of PAHs mass concentration in the rainstorm-hydrologic elements for the two type’s forest ecosystem

圖4計量出常綠闊葉林、針闊混交林對暴雨P(guān)AHs代表物在質(zhì)量濃度上的生物地球化學(xué)影響效率，森林集水區(qū)暴雨總徑流相對于暴雨中6種PAHs代表組分的質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為凈消減效應(yīng)（圖4a），對暴雨P(guān)AHs代表物的質(zhì)量濃度的凈儲率依次為：BbF>BaP>BkF>FLT>BghiP>IcdP、相對凈去除率在38.7%—10.5%間；其中BbF、BaP質(zhì)量濃度的儲濾率大于30%；而針闊葉混交林的總徑流相對暴雨中6種 PAH雙組分質(zhì)量濃度的凈儲濾依次為：BbF>BkF>BaP>FLT>BghiP>IcdP，相對凈儲濾去除率在51.4%—2.5%間；其中BbF、BkF、BaP質(zhì)量濃度的相對儲濾率大于30%。從兩類森林生態(tài)系統(tǒng)暴雨水文循環(huán)界面層解析，林冠層的暴雨淋溶效應(yīng)使林內(nèi)雨6組PAHs代表物的質(zhì)量濃度均呈增加態(tài)（圖4b）；尤是BaP平均濃度相對暴雨相應(yīng)凈增加39.1%。相對于暴雨林內(nèi)雨、兩類森林的土壤30 cm層均表現(xiàn)出儲濾去除效應(yīng)；其中，常綠闊葉林土壤深30 cm處滲透水相對林內(nèi)雨6種PAHs的平均質(zhì)量濃度凈減小在 15.5%—36.3%間、針闊葉林的凈減小率在1.4%—38.8%間，且均對暴雨中BghiP的平均質(zhì)量濃度的消減率大于 35%。兩種森林土壤30 cm以下至淺育巖層的滲透水匯聚為總徑流中的BaP、BbF質(zhì)量濃度相對森林土壤30 cm處滲透水中的相應(yīng)濃度，其凈減小率分別在 43.3%—46.1%和32.2%—43.1%間、而使BghiP質(zhì)量濃度則相對增加 20.5%—26.6%。揭示出森林土壤表層與下層在暴雨土壤滲流過程對水體6種PAHs代表物在質(zhì)量濃度上生物化學(xué)儲濾效率差別。

圖4 兩類森林生態(tài)系統(tǒng)對暴雨P(guān)AHs平均質(zhì)量濃度的地球化學(xué)影響及界面層效應(yīng)Fig. 4 Geochemical and interfaced impact on mean PAHs concentration in rainstorm for the two type’s forest ecosystem

2.3 森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨水文要素中其余 10種PAHs的質(zhì)量濃度及界面影響

森林的暴雨水文循環(huán)中各水文要素的其余 10種PAHs的平均質(zhì)量濃度見圖5，常綠闊葉林及針闊葉混交林土壤深30 cm處滲透水與暴雨、林內(nèi)雨及總徑流中 NAP平均質(zhì)量濃度間均存在極顯著差異（P=0.0014、2E?05、0.0004，P=8E?07、0.0011、6E?07），同樣在 ANA 平均質(zhì)量濃度間也呈極顯著差異（P=0.0094、0.012、0.008，P=0.01、0.0004、0.0023）；而暴雨與常綠闊葉林的總徑流中 ANA的平均質(zhì)量濃度間則呈顯著差異（P=0.036）。暴雨、針闊葉混交林土壤深30 cm處滲透水與針闊葉混交林總徑流中 PHE的平均質(zhì)量濃度間均存在顯著差異（P=0.046、0.035）；暴雨與暴雨林內(nèi)雨中PYR的平均質(zhì)量濃度間差異顯著（P=0.045），而暴雨林內(nèi)雨中 PYR的平均質(zhì)量濃度與常綠闊葉林總徑流、針闊葉混交林土壤深30 cm處滲透水及總徑流中相應(yīng)的質(zhì)量濃度間均存在極顯著的差異（P=0.0068、0.0012、0.0045），兩類森林土壤深30 cm處的暴雨滲透水中PYR平均質(zhì)量濃度之間有顯著差異（P=0.022）；暴雨林內(nèi)雨與兩類森林的總徑流中 FLU的平均質(zhì)量濃度間均有顯著差異（P=0.031、0.015），而兩類森林的土壤深30 cm處滲透水與對應(yīng)的總徑流中 FLU的平均質(zhì)量濃度間則分別呈顯著、極顯著差異（P=0.023、6E?05）；暴雨與兩類森林的總徑流中ANY的平均濃度間差異顯著（P=0.020、0.027），而常綠闊葉林土壤深30 cm處滲透水與其總徑流中ANY的平均質(zhì)量濃度間則有極顯著差異（P=0.003）；兩類森林土壤深30 cm處滲透水與對應(yīng)的總徑流中ANT的平均質(zhì)量濃度間均存在顯著差異（P=0.016、0.046）。另外，常綠闊葉林、針闊混交林的暴雨總徑流與暴雨中CHR的平均質(zhì)量濃度間分別有極顯著、顯著差異（P=0.0067、0.018），暴雨林內(nèi)雨和兩種森林的總徑流中CHR的平均質(zhì)量濃度間分別有顯著差異（P=0.034、0.021）。

圖5 兩類森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨水文要素中PAHs組分質(zhì)量濃度比較Fig. 5 Comparison of PAHs mass concentration in the rainstorm-hydrologic elements for the two type’s forest ecosystem

常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨總徑流與暴雨中10種PAHs的平均質(zhì)量濃度差均為負值（圖6a），表現(xiàn)出系統(tǒng)的地球化學(xué)儲濾效應(yīng)；其中，相對儲濾率均大于40.0%及30.0%的組分有CHR、ANY、ANT和FLU、ANA，針闊葉混交林對暴雨 NAP儲濾率 37.4%，表明森林生態(tài)系統(tǒng)對暴雨這些組分顯著的質(zhì)量濃度貯存效應(yīng)。以森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨水文界面層解析（圖6b），林冠層對暴雨中 NAP、ANT、ANY、ANA、DahA及 PHE的質(zhì)量濃度產(chǎn)生了有效去除效應(yīng)、尤對前3個組分的相對平均去除率在 25.0%—21.7%間，而對暴雨中 PYR、FLU的質(zhì)量濃度產(chǎn)生了增效、相對平均質(zhì)量濃度的凈增率分別達 43.6%、15.7%。常綠闊葉林及針闊混交林的土壤30 cm層對暴雨林內(nèi)雨中PYR、BaA的質(zhì)量濃度均產(chǎn)生了有效儲濾，其相對平均質(zhì)量濃度的凈儲率分別為 28.8%、57.1%和21.4%、34.8%；而對暴雨林內(nèi)雨中NAP、ANA的質(zhì)量濃度則產(chǎn)生了顯著的增加效應(yīng)，即使土壤 30 cm處滲透水中相應(yīng)平均濃度分別增加 161.5%、214.8%和149.2%、100.4%，而ANT的平均濃度分別凈增 53.6%、33.2%。森林生態(tài)系統(tǒng)的總徑流相對土壤表層（30 cm）滲透水中10種PAHs的質(zhì)量濃度變化顯示：常綠闊葉林土壤30 cm以下至不透水巖層在滲流至徑流中10種PAHs質(zhì)量濃度均產(chǎn)生極顯著儲濾效率，相對顯著儲濾組分依次為：ANA (73.7%)>NAP (61.6%)>CHR (61.5%)>ANT(54.7%)>ANT (52.1%)>FLU( 46.2%)；針闊葉混交林則為：NAP (73.5%)>ANA (60.2%)>FLU(58.6%)>CHR (46.3%)>ANT (42.3%)，但總徑流中PYR、BaA的平均質(zhì)量濃度相對于土壤表層滲透水中相應(yīng)濃度則分別凈增 33.7%、17.6%。森林土壤30 cm以下界面層在暴雨滲透流中6種PAHs質(zhì)量濃度的儲濾效應(yīng)更為顯著。

圖6 兩類森林生態(tài)系統(tǒng)對暴雨P(guān)AHs平均質(zhì)量濃度的地球化學(xué)影響及界面層效應(yīng)Fig. 6 Geochemical and interfaced impact on mean PAHs concentration in rainstorm for the two type’s forest ecosystem

2.4 森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨水循環(huán)過程PAHs、TOC通量變化及影響

兩類森林生態(tài)系統(tǒng)的年暴雨與總徑流及PAHs、TOC通量變化、水文界面層影響見圖7（多暴雨的2018年、少暴雨的2020年）。常綠闊葉林、針闊葉混交林冠層的暴雨截留率年均分別為10.2%和8.1%，森林的林冠層效應(yīng)依次分別減少2018年暴雨 TOC、∑16PAHs通量的 12.7%、10.3%和10.6%、7.8%，而使2020年暴雨林內(nèi)凈降雨TOC、∑16PAHs通量相對暴雨相應(yīng)地增加了6.2%、9.2%和3.1%、6.1%，主要在于2020年暴雨的92.3%集中在 5—6月、故而加大了冠層淋溶使林內(nèi)雨中TOC、PAHs質(zhì)量濃度相對較高而增大了其通量。按照森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨至總徑流及 TOC、∑16PAHs通量的平衡計量，常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)分別貯存 2018、2020年暴雨量的81.3%、77.0%和82.3%、77.3%，暴雨TOC通量的65.5%、77.4%和63.2%、87.4%，暴雨∑16PAHs通量的86.1%、83.5%和84.6%、81.5%；常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)年均貯存暴雨量的81.8%和77.2%、暴雨∑16PAHs通量的85.4%和82.5%、暴雨TOC通量的73.0%和81.7%；常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)的年暴雨及∑16PAHs通量的生物地球化學(xué)儲濾效率相對較高，而貯存年暴雨 TOC通量的效率則較針闊葉混交林相應(yīng)小18.0%。依據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)的界面層在年暴雨林內(nèi)雨—總徑流通量計量，常綠闊葉林、針闊葉混交林的土壤與潛育巖層分別貯存2018—2020年暴雨林內(nèi)雨量的 69.1%—72.2%和68.2%—69.8%、貯存暴雨林內(nèi)雨TOC通量的52.8%—89.6%和 67.1%—96.6%間、貯存暴雨林內(nèi)雨∑16PAHs通量的75.5%—87.5%和75.7%—87.6%；暴雨豐、欠年的TOC、∑16PAHs通量的儲濾率存在一定的差異，主要還是由于 2020年暴雨集中月林內(nèi)凈降雨TOC、PAHs濃度增加的影響。

圖7 帽峰山兩類森林生態(tài)系統(tǒng)的年暴雨TOC、PAHs通量的地球化學(xué)變化Fig. 7 Geochemical change of annual rainstorm and TOC, PAHs flux for the two type’s forest ecosystem of Maofeng mountain

帽峰山常綠闊葉林林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)年暴雨16種PAHs組分通量的地球化學(xué)平衡顯示（表1取2018年），兩類森林的冠層可減小暴雨2—3環(huán)PAHs的通量和、消減效率分別達18.6%、16.4%，而兩類森林冠層對暴雨4環(huán)PAHs通量和表現(xiàn)為淋溶增加，其中冠層淋溶增加 PYR通量最高、分別相對暴雨增69.2、74.0%而FLT則增5.2、8.0%。2種森林冠層對年暴雨BbF、BkF及BghiP的通量均產(chǎn)生吸附去除減小效應(yīng)，而常綠闊葉林冠層僅截留去除掉暴雨BaP、IcdP的通量的極小部分、而針闊葉林則使暴雨林內(nèi)雨2組分通量呈極小量增加。森林生態(tài)系的年暴雨至總徑流輸出PAHs組分通量差顯示：常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)對年暴雨 PAHs每組分通量的貯存率均在 78%以上；前者對年暴雨中 BaP、IcdP、BghiP通量的貯存效率高出后者相應(yīng)的 1.1%、4.1%、2.4%，而對年暴雨中2—3環(huán)、4環(huán)PAHs組分通量和的貯存率也分別較后者大 3.4%、2.3%，后者則在貯存年暴雨BbF、BkF通量上若高出前者。兩類森林生態(tài)系統(tǒng)對年暴雨P(guān)AHs通量的生物地球化學(xué)影響極其顯著，尤是常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)（暴雨16PAHs組分儲濾率均大于 80%）。按生態(tài)系統(tǒng)的貯存率減去冠層淋溶率：常綠闊葉林、針闊葉混交林的地被至土壤淺育巖層分別貯存年暴雨中∑2—3環(huán)PAHs通量和的69.5%、68.3%、暴雨∑4環(huán)PAHs通量的84.6%、82.3%，而兩類森林生態(tài)系統(tǒng)對暴雨P(guān)AHs代表組分通量的儲濾率分別為：BbF（58.0%、60.8%）、BkF（70.5%、74.9%）、BaP（84.7%、84.2%）、IcdP（80.8%、79.0%）、BghiP（76.1%、76.4%）；即森林生態(tài)系統(tǒng)的地被至土壤-淺育巖連續(xù)層在暴雨 PAHs組分的生物地球影響上占主體，尤其是土壤層空隙的吸附滯留、生物化學(xué)作用及淺育巖層的地球化學(xué)效應(yīng)，極顯著地消減了暴雨快速徑流，以至于徑流PAHs含量及通量被極大地限制或抑制，對于輸出至環(huán)境的水環(huán)境的貢獻是極其有益的。

表1 兩類森林生態(tài)系統(tǒng)對暴雨P(guān)AHs組分通量的生物地球化學(xué)效應(yīng)Table 1 Biogeochemical effect on the flux of PAHs components in rainstorm for the two type’s forest ecosystem mg·hm?2·a?1

3 討論及結(jié)論

3.1 討論

（1）暴雨中TOC與PAHs含量的關(guān)系：由于水體總有機碳（TOC）示為有機物的總量，其在水體中含量愈高、則水體有機物含量愈高；水體多環(huán)芳烴（PAHs）屬中影響人體健康的有機污染物，兩者的質(zhì)量濃度間應(yīng)存在著一定的正向關(guān)系。故而在帽峰山林區(qū)暴雨、集水區(qū)總徑流實驗檢測中被同步測定，便于了解兩者在質(zhì)量濃度上相互差異或可能的關(guān)系，達到通過關(guān)系中易檢測的TOC預(yù)估較難檢測的PAHs。圖8的結(jié)果使帽峰山林區(qū)暴雨中TOC質(zhì)量濃度與∑16PAHs總的濃度、BaP質(zhì)量濃度間統(tǒng)計獲得的關(guān)系規(guī)律。其圖 8a反映出，林區(qū)18次暴雨中∑16PAHs總的質(zhì)量濃度隨TOC質(zhì)量濃度的遞增、Σ16PAHs總的質(zhì)量濃度則按指數(shù)規(guī)律遞增（Max-TOC質(zhì)量濃度<10.0 mg·L?1），回歸關(guān)系的決定系數(shù)達0.45、回歸式的F檢驗達到極其顯著程度。而17次暴雨的TOC質(zhì)量濃度檢測值與16種PAHs的每組分的質(zhì)量濃度間，唯一的與BaP質(zhì)量濃度間存在顯著地指數(shù)關(guān)系；即隨暴雨TOC質(zhì)量濃度的遞增、BaP的質(zhì)量濃度則顯著尊隨指數(shù)關(guān)系遞增（圖 8b）；雖然統(tǒng)計量中有 3次暴雨 BaP較高質(zhì)量濃度、且其最低濃度值都高出其余 14次BaP質(zhì)量濃度的最高值，但這3對數(shù)據(jù)也是隨TOC質(zhì)量濃度的增加、BaP質(zhì)量濃度同樣以指數(shù)關(guān)系的遞增趨勢。暴雨中TOC與∑16PAHs、BaP質(zhì)量濃度間統(tǒng)計出的數(shù)量關(guān)系規(guī)律，對于預(yù)估較難測定的暴雨P(guān)AHs總濃度特別典型代表物BaP的質(zhì)量濃度是為極其有益的。

圖8 帽峰山林區(qū)暴雨中TOC與∑16PAHs、BaP質(zhì)量濃度間的關(guān)系Fig. 8 Relationship between TOC and ∑16PAHs, BaP mass concentration in rainstorm for the Maofeng mountain forest area

（2）森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨總徑流中 TOC與PAHs質(zhì)量濃度間的關(guān)系：暴雨攜帶的TOC及PAHs在經(jīng)過森林生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)影響后，其在總徑流中的質(zhì)量濃度均被降低，圖9a、b是常綠闊葉林、針闊葉混交林的暴雨總徑流中 TOC質(zhì)量濃度與對應(yīng)的∑16PAHs總的質(zhì)量濃度間關(guān)系統(tǒng)計結(jié)果，即兩類森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨總徑流中2者質(zhì)量濃度間均存在顯著的線性關(guān)系（圖9a、b），即隨總徑流中TOC質(zhì)量濃度的遞增、暴雨中∑16PAHs總的質(zhì)量濃度則按線性關(guān)系遞增，只是濃度的線性遞增線斜率較小遞增有限。而常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨總徑流TOC與BaP的質(zhì)量濃度間均存在冪回歸關(guān)系（圖9c、d），前者的冪關(guān)系達極顯著、后者冪關(guān)系達顯著程度，即森林的暴雨總徑流中TOC質(zhì)量濃度愈大則BaP質(zhì)量濃度愈小，即隨總徑流中TOC質(zhì)量濃度的遞增而BaP的質(zhì)量濃度以冪關(guān)系遞減；結(jié)合森林集水區(qū)的暴雨總徑流中TOC質(zhì)量濃度愈高、對應(yīng)的∑16PAHs總的濃度愈高、而BaP質(zhì)量濃度則愈低；反映出，森林生態(tài)系統(tǒng)在暴雨產(chǎn)流過程中對 BaP的質(zhì)量濃度產(chǎn)生的生物化學(xué)與地球化學(xué)儲濾效應(yīng)是極顯著的。

圖9 兩類森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨總徑流中TOC與∑16PAHs、BaP在質(zhì)量濃度間的關(guān)系Fig. 9 Relationship between TOC and ∑16PAHs, BaP mass concentration in rainstorm-total runoff for the two type’s forest ecosystem

3.2 結(jié)論

（1）帽峰山林區(qū) 25次暴雨中∑16PAHs、TOC質(zhì)量濃度的平均分別為 (105.6±25.9) ng·L?1、(5.68±3.97) mg·L?1，常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)分別凈儲濾暴雨中∑16PAHs的 25.6%、29.8%、分別凈儲濾暴雨中TOC質(zhì)量濃度的15.7%、15.9%；其中，森林冠層淋溶使暴雨林內(nèi)雨中∑16PAHs、TOC平均質(zhì)量濃度分別凈增 8.1%、40.3%；常綠闊葉林、針闊葉混交林土壤深 30 cm層分別儲濾暴雨林內(nèi)雨中∑16PAHs、TOC平均質(zhì)量濃度的9.0%、9.9%和23.8%、31.8%，而土壤30 cm 以下層分別凈儲濾暴雨林內(nèi)雨中∑16PAHs、TOC平均質(zhì)量濃度的22.3%、25.2%和16.2%、8.3%；森林土壤30 cm以下層對暴雨P(guān)AHs質(zhì)量濃度的儲濾效率相對顯著、而森林土壤30 m層對暴雨TOC質(zhì)量濃度的儲濾效率相對顯著。

（2）暴雨中FLT、BbF、BkF、BaP、IcdP、BghiP平均質(zhì)量濃度分別為11.1—1.89 ng·L?1，經(jīng)常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)到總徑流輸出，兩類森林生態(tài)系統(tǒng)分別儲濾了暴雨中6種PAHs質(zhì)量濃度在 10.5%—38.7%間和 2.5%—51.4%間，尤是BbF、BaP的儲濾率均大于30%、FLT、BkF均大于20%。林冠層淋溶效應(yīng)增加了暴雨林內(nèi)雨6組分的質(zhì)量濃度（增幅在6.9%—39.8%間）；常綠闊葉林、針闊葉混交林土壤深30 cm層滲透水及以下層至總徑流，相對暴雨林內(nèi)雨中6種PAHs質(zhì)量濃度的儲減（正）、虧增（負）：FLT（26.0%、37.7%和6.8%、?3.8%）、BbF（15.5%、20.2%和27.2%、34.4%）、BkF（25.4%、17.8%和9.2%、26.3%）、BaP（15.7%、8.6%和36.6%、42.1%）、IcdP（27.9%、1.4%和?1.6%、18.2%）、BghiP（36.3%、38.8%和?13.1%、?16.3%），表明兩類森林的土壤30 cm層對暴雨林內(nèi)雨中6種PAHs的質(zhì)量濃度均產(chǎn)生了有效的生態(tài)吸儲、滯留等效應(yīng)，尤以FLT、BkF、IcdP及BghiP的質(zhì)量濃度吸儲貢獻顯著；而土壤30 cm以下層則對暴雨林內(nèi)雨BbF、BaP質(zhì)量濃度的儲濾貢獻對顯著，但對BghiP的質(zhì)量濃度則表現(xiàn)為虧增效應(yīng)。

（3）常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨與總徑流中其余10種PAHs的質(zhì)量濃度平衡顯示為系統(tǒng)儲濾效應(yīng)；其中，兩類森林生態(tài)系統(tǒng)的凈儲率均大于 40.0%、30.0%的組分分別有 CHR、ANY、ANT和FLU、ANA、NAP（針闊林）；森林生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)儲濾影響顯著；林冠層截留、吸附滯留暴雨NAP、ANT、ANY的質(zhì)量濃度效率在25.0%—21.7%、ANA、AahA及PHE則在15.9%—1.3%間；常綠闊葉林、針闊葉混交林土壤30 cm層的暴雨滲透水相對暴雨林內(nèi)雨中NAP質(zhì)量濃度分別增加2.6、3.1倍、ANA分別增加2.5、2.0倍、ANT分別增加1.5、1.3倍；常綠闊葉林土壤30 cm以下層相較于相應(yīng)土壤表層（0—30 cm），使徑流中 10種 PAHs質(zhì)量濃度減小在 0.2%—61..6%間，其中。ANA、ANP、CHR、ANY、ANT、ANY、FLU質(zhì)量濃度凈減率依次在73.7%—46.2%間；而針闊葉混交林相應(yīng)土壤層除對 PYR、BaA質(zhì)量濃度有增加外、對其余組分質(zhì)量濃度均產(chǎn)生了有效儲濾效應(yīng)。

（4）林區(qū)暴雨豐年（2018年）與欠少年（2020年）的暴雨通量1025.1、722.5 mm，常綠闊葉林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)分別貯存年暴雨通量的81.3%、77.0%和 82.3%、77.3%，年均為 81.8%、77.2%，分別貯存年暴雨TOC通量的65.5%、77.4%和63.2%、87.4%，年平均為73.0%、81.7%，分別貯存年暴雨∑16PAHs通量的 86.1%、83.5%和84.6%、81.5%，年均為 85.4%、82.5%。其中，2類森林的土壤至不透水巖層的貯存暴雨效率分別占71.1%、69.0%，貯存暴雨∑16PAHs通量效率均達80.8%，貯存暴雨TOC通量效率分別占68.5%、79.8%。表明森林土壤至不透水巖層為暴雨及攜帶TOC、PAHs通量的主要貯存主體。

（5）森林生態(tài)系統(tǒng)在2018年的暴雨與總徑流PAHs各組分的地球化學(xué)通量平衡值反映出，常綠闊葉次生林、針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)的貯存年暴雨中每組分PAHs通量均大于78%，前者對年暴雨中BaP、IcdP、BghiP的通量貯存率較后者相應(yīng)高出1.1%、4.1%、2.4%，而對年暴雨中2—3環(huán)、4環(huán)PAHs組分通量的貯存率也分別高出3.4%、2.3%，而后者則對年暴雨BbF、BkF通量的儲率高出前者。在森林的暴雨水文界面層上，常綠闊葉林、針闊葉混交林的土壤至不透水巖層分別貯存年暴雨∑2—3環(huán)PAHs通量的69.5%、68.3%、暴雨∑4環(huán)PAHs通量的 84.6%、82.3%，而對暴雨 PAHs代表組分通量的貯存率分別為：BbF（58.0%、60.8%）、BkF（70.5%、74.9%）、BaP（84.7%、84.2%）、IcdP（80.8%、79.0%）、BghiP（76.1%、76.4%）；森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤至不透水巖層對暴雨P(guān)AHs組分的生物地球影響效率占主體，其影響機制主要在于森林土壤層空隙的吸附滯留、生物化學(xué)作用及風(fēng)化巖層的地球化學(xué)效應(yīng)，首先極顯著地消減了暴雨快速徑流，其次是對滲透水至徑流PAHs質(zhì)量濃度顯著濾減，使得森林集水區(qū)的暴雨徑流及PAHs好容量顯著地減小。