色季拉山高山松林降雨再分配及重金屬元素的時空特征研究

高 郯 張 鐸 盧 杰 王 超 李江榮

（西藏農牧學院高原生態(tài)研究所，西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室，西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，西藏 林芝 860000）

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，發(fā)揮著水源涵養(yǎng)、水土保持、固碳釋氧等眾多重要的生態(tài)功能[1]。因此，森林生態(tài)系統(tǒng)保持健康狀態(tài)是人類可持續(xù)發(fā)展的基礎，是造福子孫萬代的保障。森林保持健康狀態(tài)離不開養(yǎng)分和水的滋養(yǎng)，也不能過度的遭受到污染，否則超過了自身凈化能力，其生態(tài)功能終將消失。大氣降水是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和水分循環(huán)的主要來源，尤其是養(yǎng)分貧瘠地區(qū)[2]。大氣降雨經過林冠層之后，一部分直接穿過林間空隙到達地表，一部分與林冠層發(fā)生作用后超過葉片的張力而下降至地表，還有一部分沿著樹干下流，分別形成穿透雨和樹干莖流[3-4]。與此同時，雨水與林冠層、樹干發(fā)生相互作用，元素會出現淋溶、吸收、交換等現象，并隨著大氣環(huán)境的改變，元素濃度亦發(fā)生變化[5-6]。同時，大氣降水也能將人類生產生活的其他物質沉降至森林生態(tài)系統(tǒng)中，比如說重金屬。重金屬因自身具有不被微生物降解和難以移動等特點，決定了其污染和危害森林生態(tài)系統(tǒng)的特殊地位[7]。一旦通過降雨等方式進入森林生態(tài)系統(tǒng)中，超過了森林的自凈能力并通過食物鏈進入人體，后果很危險。因此，明晰森林生態(tài)系統(tǒng)對降雨的截留與再分配機制，為理解森林水源凈化機制及科學評價森林生態(tài)水文功能提供理論依據。降水與森林的關系已受到林學、水文學、生態(tài)學等方面專家的關注，成為當前研究的熱點問題[8]。目前已取得一些研究成果，王瓊等[9]報道了遼東山落葉松林（Larix gmelinii）、蒙古櫟林（Quercus mongolica）和槭樹林（Acer miyabei）的雨水養(yǎng)分循環(huán)特征，盧曉強等[10]探討了常綠落葉闊葉混交林的降水分配特征，Amezaga 等[11]研究了西班牙北部的針葉和闊葉林的大氣濕沉降特征，Xu 等[12]描述了日本沖繩亞熱帶森林的降雨養(yǎng)分循環(huán)特征，黃智軍等[13]研究了不同郁閉度下馬尾松林（Pinus massoniana）的降雨水化學特征，辛學兵等[14]分析了西藏急尖長苞冷杉林（Abies georgeivar.smithii）的降水養(yǎng)分輸入特征，盛后財等[6]探究了小興安嶺白樺（Betula platyphylla）次生林的降雨養(yǎng)分動態(tài)，但大都集中在大量養(yǎng)分方面的研究，較少關注微量元素，尤其是重金屬元素的輸入及循環(huán)特征。

高山松（Pinus densata）為油松（P.tabulaeformis）和云南松（P.yunnanensis）自然雜交后代，為我國特有種，主要分布在海拔2 600～3 500 m 的土壤貧瘠的河谷、階地、山地，是色季拉山的主要建群種。高山松林在水源涵養(yǎng)等方面發(fā)揮著重要的生態(tài)功能，并在油脂產量、材木樹種方面具備著極高的經濟價值[15-16]。各領域專家、學者對其病蟲害狀況[17]、種子庫特征[18]、葉片氮素含量估測[19]、生物量[20]、種群結構[21]、光合特性[22]等方面進行了研究，而對于森林水文方面，僅在降雨分配格局和凋落物的持水特性上進行了研究[23-24]。森林水文中降雨能夠促進大氣成分進入森林生態(tài)系統(tǒng)中，尤其是在當今氣候變化的背景下，酸沉降、污染物等影響林木生長狀況[25]。本研究以色季拉山典型地段高山松林為研究對象，定位觀測其微量元素、重金屬元素在林內的分布特征及對環(huán)境變化的響應，旨在闡明大氣降雨中元素的循環(huán)機制，為進一步研究森林水源涵養(yǎng)功能、降水驅動下元素的遷移特征提供基礎，為改善土壤酸化等問題提供科學依據，為構建西藏生態(tài)安全屏障提供參考依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于藏東南典型林區(qū)色季拉山（94°25′～94°45′E，29°25′～29°57′N），該山體海拔為2 100～5 300 m，水平走向大致呈西北向東南，具有明顯的垂直帶譜，自上而下植被類型為高寒草甸、灌叢、暗針葉林、亮針葉林、針闊葉林、闊葉林[17]。土壤類型依次為高山寒漠土、高山草甸土、亞高山草甸土、山地漂灰土、山地酸性棕壤、山地棕壤[26]，氣候類型為典型的亞高山寒溫帶半濕潤氣候。降水主要來自雅魯藏布江暖濕氣流和印度洋的西南季風，干濕季分明，冬季寒冷干燥，夏季涼爽多雨，年平均氣溫4.08 ℃，最高月（7 月）平均氣溫10.77 ℃，最低月（1 月）平均氣溫–3.91 ℃。年均降水量1 134 mm，雨季占全年降水的80%左右，年均相對濕度78.8%，全年日照時數為1 151 h，日照百分率為45%以上，無霜期180 d 左右[27]。

本研究高山松林樣地設在林芝鎮(zhèn)高山松-川滇高山櫟林（94°30′44.93″E，29°33′59.32″N），坡向為東南，坡度為25°，海拔3 117 m。高山松林平均胸徑26.66 cm，平均樹高12.61 m，平均冠幅23.89 m2，平均林齡38 a，郁閉度0.7，密度572 株/hm2林下灌木主要有川滇高山櫟（Quercus aquifolioides）、小葉栒子（Cotoneaster microphyllus）、西南花楸（Sorbus rehderiana）、柳葉忍冬（Lonicera lanceolata）、雅致山螞蝗（Desmodium elegans）、雞骨柴（Elsholtzia fruticosa）等，林下草本主要有多蕊金絲桃（Hypericum hookerianum）、尼泊爾大丁草（Leibnitzia nepalensis）、早熟禾（Poa annua）、西南委陵菜（Potentilla fulgens）、輻冠黨參（Codonopsis convolvulacea）等。

2 研究方法

2.1 樣品監(jiān)測與采集

于研究區(qū)雨季2018 年4—10 月，依照《中國森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測方法》[28]，對實驗樣地內穿透雨、樹干莖流及林外空地大氣降雨進行監(jiān)測與采集。

2.1.1 大氣降雨監(jiān)測與采集

在林外空地上安置1 個自記雨量計測定大氣降雨，同時用3%鹽酸浸泡24 h 并用去離子水清洗3 次的聚乙烯容器收集大氣降雨。每場降雨均收集保存于4 ℃下，月末取足量的混合水樣進行檢測（其他采樣處理下同）。

2.1.2 穿透雨監(jiān)測與采集

在林內按照對角線放置5 個雨水收集器（由PVC 材料制成的寬30 cm、深20 cm、長200 cm的“V”型收集器），為排除地上灌木及較高草本對收集器內水質影響，將收集器安置在離地面約50 cm 高的位置，并與地面形成一定的角度，定期清理凋落物，使雨水能夠從較低的一端流入與之相連的雨水收集容器內，最后以5 個雨水收集器的平均值作為穿透雨量。

2.1.3 樹干莖流監(jiān)測與采集

根據樣地內高山松徑級分布，選擇不同徑級的樣株共10 株，每株標準木用直徑2 cm、沿中縫剪開一段的聚乙烯塑料管，從2 m 處自上而下蛇形纏繞樹干1 圈，用小釘固定塑料管，并用玻璃膠填充樹干與聚乙烯塑料管間的空隙，以使水樣沿塑料管全部流入底端的雨水收集容器內。每次測定的10 株標準木的平均值作為樹干莖流量。

2.2 樣品分析

在測量前，所有水樣都需用定量濾紙（直徑12.5 cm、中速）進行過濾。用pH 計測定水樣pH值。Mn、Fe 采用硝酸-氯化鈣-鹽酸消煮-火焰原子直接吸收光譜法，Zn、Cu、Cd 采用硝酸-高氯酸消煮-火焰原子直接吸收法測定[29]。

2.3 數據處理

運用Excel 2013、SPSS 17 對數據進行整理及統(tǒng)計分析，采用單因素方差法對重金屬元素不同月份的差異性進行分析，使用Pearson 相關系數法對降雨量與降雨分配、截留率及降雨量和pH與重金屬元素間關系進行研究。按公式（1）～（10）計算降雨及重金屬元素輸入量[30-31]。

3 結果與分析

3.1 大氣降雨及其再分配特征

由圖1 可知，大氣降雨量隨時間的變化呈現出“單峰”型，即雨季盛期降雨量較多。6—9 月大氣降雨量占整個雨季大氣降雨量的75.00%；7 月大氣降雨量最多，為162.70 mm。而在雨季初期和雨季末期降雨量較少，10 月降雨量最少，為42.00 mm，占整個雨季的5.50%。大氣降雨經過林冠層后，由于林冠層對雨水的吸收或截留，形成的穿透雨量減少，但其時間變化規(guī)律同大氣降雨量一致，亦呈“單峰”型，且與大氣降雨量無顯著差異。大氣降雨經過林冠層截留后又沿著樹干下流，樹干莖流量極少，僅占大氣降雨量的3.78%～5.09%，樹干莖流量與大氣降雨量、穿透雨量差異顯著（P＜0.05）。大氣降雨量、穿透雨量和樹干莖流量各月分間差異性均為10 月顯著低于其他月份（P＜0.05），而其他月份間差異不顯著。

圖1 高山松林大氣降雨及冠層分配情況Fig. 1 P. densata forest atmospheric precipitation and canopy allocation

3.2 pH 及重金屬元素的時空分布特征

3.2.1 森林生態(tài)系統(tǒng)酸化特征

由圖2 可知，大氣降雨和穿透雨的pH 值隨時間變化較一致，4—9 月pH 值呈波動狀態(tài)，總體上均＜6，為酸性。10 月pH 值急劇增加，為全雨季最大值，分別為8.22 和8.25，呈堿性。樹干莖流pH 值在全雨季表現為先降低后保持不變，最后又增加的趨勢，整個雨季的pH 值差異不顯著，但整個雨季的pH 值均小于5.65，為酸雨，且小于其他2 種雨水pH 值?？傮w上各水相的pH值大小順序為大氣降雨≈穿透雨＞樹干莖流。

圖2 高山松林中大氣降雨、穿透雨、樹干徑流pH 值月特征Fig. 2 Monthly variation in pH for precipitation,throughfall and stemfall at P. densata forest

3.2.2 高山松林中重金屬元素的時空分布特征

由圖3 可知，大氣降雨中重金屬元素濃度隨時間變化特征不同。Fe、Zn、Mn 元素濃度隨時間的變化呈先升高后降低的“單峰”型趨勢，分別在6、7 月、達到最大值，依次為0.154、0.081、0.085 mg/L。Fe 元素濃度在6—7 月間差異不顯著，但除7 月外，6 月與其他月份間差異顯著（P＜0.05）。4、5、6 月Zn 元素濃度顯著小于7 月份（P＜0.05），但又顯著大于8、9、10 月份（P＜0.05）。Mn 元素濃度在6 月顯著高于其他月份（P＜0.05）。Cu、Cd 元素濃度隨時間變化表現為先降低后升高最后又降低的波動趨勢，分別在10、8 月出現最大值，為0.039 和0.018 mg/L。在各月份間，Fe 元素濃度均為最高，5、8 月為Cu元素濃度最低，其他月份均為Cd 元素濃度最低。全雨季大氣降雨中各重金屬元素平均濃度大小為Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Cd。

圖3 高山松林大氣降雨中重金屬元素濃度的月變化Fig. 3 Monthly changes of heavy metal element concentrations in atmospheric precipitation at P. densata forests

由圖4 可知，穿透雨中重金屬元素濃度隨時間變化規(guī)律各異。Fe、Cd 元素濃度隨時間的變化呈升降式波動變化，均在8 月份達到最大值，分別為0.124 mg/L 和0.015 mg/L。Fe 元素濃度在4、6、8 月顯著高于9 月（P＜0.05），Cd 元素濃度10 月顯著小于其他月份（P＜0.05），其他月份間差異不顯著。Cu 元素濃度在整個雨季呈增加趨勢，10 月份出現最大值，0.038 mg/L，4 月份出現最小值，0.006 mg/L，最大值為最小值的6.333倍。Cu 元素濃度10 月份顯著高于4 月和7、8、9 月（P＜0.05）。而Zn 元素濃度在整個雨季則表現出與Cu 元素相反的趨勢，4 月份出現最大值（0.059 mg/L），在10 月份出現最小值（0.008 mg/L）。Zn 元素濃度在6—9 月顯著低于4—5 月份（P＜0.05），顯著高于10 月份（P＜0.05）。Mn 元素濃度呈現“單峰”型，6 月份為最大值，0.125 mg/L。Mn 元素濃度在6 月顯著高于其他月份（P＜0.05）。4、8、10 月，Fe 元素含量最高，而5—7、9 月，Mn 元素含量最高，4、6 月Cu 元素濃度最低，其他月份均為Cd 元素濃度最低。全雨季穿透雨中各重金屬元素平均濃度大小順序同大氣降雨一樣。

圖4 高山松林穿透雨中重金屬元素濃度的月變化Fig. 4 Monthly changes of heavy metal element concentrations in penetration rain of P. densata forests

由圖5 可知，樹干莖流中重金屬元素濃度隨時間變化特征亦不同。Fe、Cu、Zn、Mn、Cd 的月動態(tài)均有一定的波動，最大值分別出現在5、6、6、5、7 月，依次為0.314、0.190、0.479、0.207、0.015 mg/L，除Cu、Zn 元素最小值出現在7 月、Mn 元素最小值出現在4 月外，其他元素最小值均出現在10 月。Fe 元素濃度在除4、6、8 月外，其他月份間差異顯著（P＜0.05）。Cu 元素濃度在6、7、10 月差異顯著（P＜0.05）。Zn元素4、9 月與7、10 月差異不顯著，其他月份間差異顯著（P＜0.05）。Mn 元素各月份間均無顯著差異。Cd 元素在5、10 月顯著低于其他月份（P＜0.05）。6 月，Zn 元素含量最高，9、10 月，Mn 元素含量最高，其他月份均為Fe 元素含量最高，7 月Cu 元素濃度最低，其他月份均為Cd 元素濃度最低。全雨季樹干莖流中各重金屬元素平均濃度大小順序為Fe＞Zn＞Mn＞Cu＞Cd，其中Zn、Mn 元素的順序與大氣降雨及穿透雨中順序略有差異。

圖5 高山松林樹干莖流中重金屬元素濃度的月變化Fig. 5 Monthly changes of the concentration of heavy metal elements in the trunk and stem of P. densata forest

3.3 高山松林水源涵養(yǎng)功能

3.3.1 高山松林淋溶效應

由表1 可知，穿透雨中Mn 元素在各月份中凈淋溶量均為正，而Fe、Cu、Zn、Cd 元素在各月份中變動較大，凈淋溶量時正時負。雨季穿透雨中，各重金屬元素凈淋溶均值大小為Mn＞Cu＞Cd＞Fe＞Zn，其中Cd 凈淋溶為0，Fe、Zn 凈淋溶為負，分別為-0.005 mg/L 和-0.008 mg/L。樹干莖流中，Mn 元素在各月份中凈淋溶量均為正，其他元素各月凈淋溶量時正時負。除Cd 元素外，其他重金屬元素凈淋溶均值表現為：樹干莖流＞穿透雨，各重金屬元素凈淋溶均值大小為Zn＞Mn＞Fe＞Cu＞Cd，其中Cd 凈淋溶為負，-0.001 mg/L。

表1 大氣降水對高山松林凈淋溶量和淋溶系數Table 1 Net leaching amount and leaching coefficient of atmospheric precipitation on P. densata forest

穿透雨中各重金屬元素凈淋溶系數與其凈淋溶均值大小順序一致。但Fe、Zn 淋溶系數略小于1，表明大氣降雨經過林冠層時，Fe、Zn 元素被其吸收或吸附。樹干莖流中重金屬元素淋溶系數大小為Zn＞Cu＞Mn＞Fe＞Cd，Cd 元素淋溶系數略小于1，表明樹干吸收或吸附了Cd 元素。

除Cd 元素外，其他各重金屬元素凈淋溶量和淋溶系數表現為穿透雨＜樹干莖流，表明樹干莖流對元素的遷移有更大的影響。

3.3.2 高山松林重金屬元素輸入特征

由表2 可知，大氣降雨中，各元素在各月輸入林地的輸入量均較低，最高為6 月份的Fe 元素，0.200 kg/hm2，最低為5 月份的Cu 元素和10 月份的Cd 元素，均為0.002 kg/hm2。大氣降雨中，各元素雨季輸入量均值大小為Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Cd。穿透雨中，各元素在各月輸入林地的輸入量與大氣降雨輸入量接近，最高為8 月份的Fe 元素，0.145 kg/hm2，最低為10 月份的Cd，0.001 kg/hm2。穿透雨中，各元素雨季輸入量均值大小為Mn＞Fe＞Zn＞Cu＞Cd。除Mn 元素輸入量略高于大氣降雨外，其他元素輸入量均小于大氣降雨。樹干莖流中輸入量明顯低于大氣降雨和穿透雨，最高僅為0.029 kg/hm2，是6 月份的Zn 元素。樹干莖流中，各元素雨季輸入量均值大小為Fe＞Zn＞Mn＞Cu＞Cd。且各重金屬元素輸入量明顯小于大氣降雨和穿透雨。各水相中不同月份輸入量總體表現為雨季盛期輸入量略高于雨季初期和雨季末期。高山松林中各重金屬元素凈輸入量大小為Mn＞Cu＞Cd＞Zn＞Fe。其中Cd、Zn、Fe 元素凈輸入量為負。

表2 高山松林重金屬元素輸入情況Table 2 Input conditions of heavy metal elements in P. densata forestkg/hm2

續(xù)表2

4 結論與討論

4.1 高山松林對大氣降雨的截留與再分配

森林植被通過對降雨的截留與再分配完成水分及養(yǎng)分的輸送、循環(huán)等過程，對植物生長、繁衍具有重要作用。森林植被對降雨的截留與再分配同氣候類型、降雨特性、樹種差異等有關[32]。高山松林對大氣降雨的截留率為19.70%～38.82%，穿透雨占大氣降雨的71.48%，樹干莖流占大氣降雨的4.53%，高于茂蘭喀斯特地區(qū)亞熱帶常綠落葉闊葉混交林的穿透雨和樹干莖流比率[10]，而低于遼東山溪河岸林落葉松林穿透雨比率[9]。高山松林為針葉林，林冠郁閉度較常綠落葉闊葉混交林小，有利于降雨的穿透，同時也提供更多樹干接觸雨水的機會，因此，高山松林的雨水穿透率及樹干莖流率較高。落葉松的針葉短、林冠稀疏，降雨透過的比率更大，穿透雨比率較高山松就更高。

4.2 重金屬元素在高山松林中的分布規(guī)律

在本研究中，各水相中不同重金屬元素可能由于本身特性、環(huán)境不同，各月動態(tài)變化不一，總體表現為雨季盛期＞雨季初期＞雨季末期，這與盛后財等[6]的研究結果一致，可能是在降雨盛期，隨著降雨量的增加及降雨強度的加深，對林冠、樹干沖洗的較為徹底，各重金屬元素濃度較高；在雨季末期，降雨量減少，加之降雨間隔時間較短，前期對林分沖洗的較為干凈，大氣降雨經過林冠層后，溶質濃度降低；雨季初期，經過一個冬季的吸附積累，在雨季初期的降雨中淋溶下來，因而濃度高于雨季末期。大氣降雨、穿透雨、樹干莖流中各重金屬元素平均濃度大小分別為：Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Cd、Fe＞Mn＞ Zn＞Cu＞Cd、Fe＞Zn＞Mn＞Cu＞Cd，這與盧杰等[33]對高山松林的研究結果不同，可能是研究時間不同導致的年際差異。Zn、Cd 元素在各水相中大小為樹干莖流＜穿透雨，表明高山松林樹干對Zn、Cd 元素具有吸收或吸附作用。樹干莖流中Cd 元素濃度達到國家水質標準中的Ⅴ級水平（劣等）[34]，這是否會對林木生長造成影響，需要進一步研究。大氣降雨對高山松林中Mn、Cu 元素具有淋溶作用，但各水相中Mn 元素含量低于原始紅松林中含量[35]，其Cu 元素濃度高于大興安嶺落葉松中濃度[36]，可能與該時段內研究區(qū)附近公路修建等人類生產生活有關。

4.3 各重金屬元素在高山松林中的輸入特征

穿透雨、樹干莖流中各重金屬元素的輸入量均小于大氣降雨，尤其是樹干莖流，最終Cd、Fe、Zn 元素的凈輸入量為負，這與穿透雨、樹干莖流中元素濃度較低、凈流量較少一致，表明高山松林對Cd、Fe、Zn 元素有吸收或吸附作用，與辛學兵等[14]對急尖長苞冷杉的研究相似，可能是植物的生長發(fā)育除了需要N、P、K 等大量元素外，對于Cd、Fe、Zn 等的微量元素也是必不可少的[37]。穿透雨、樹干莖流量相對較少，但是通過林冠、樹干輸入土壤中的元素為可溶性，是可以直接被土壤吸收的，因此該部分元素在維持森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與健康中也發(fā)揮著重要的作用。

同時，大氣污染物也會以濕沉降的形式進入各類生態(tài)系統(tǒng)，造成河流、湖泊酸化，對人類健康造成威脅[38]。本研究中，除10 月份各水相中pH 值有明顯增加（大氣降雨和穿透雨pH 值達8.00 以上）外，其他月份各水相中pH 值較為接近，均小于6.00，可能是10 月份的降雨與上次降雨間隔時間較長，干性沉降物如CaCO3等積累較多，增加了對H+的消耗有關[39]，以及進入秋季生物生長逐漸停止，分泌有機酸的能力下降有關，需要長期定位監(jiān)測研究。各水相中pH 值大小順序為大氣降雨≈穿透雨＞樹干徑流，可能是生物酸進入樹干莖流中，使雨水pH 降低[40]。這與王瓊等[9]對落葉松林、蒙古櫟林和槭樹林、辛學兵等[14]對急尖長苞冷杉林的研究結果一致，與詹敏等[41]對林冠對于酸雨脅迫有一定的緩沖能力的結果有些出入，這可能與樹種本身生理特性及林木和雨水間的相互作用有關。酸性水質是否會對林木生長造成影響，需要進一步研究。

高山松林林冠層對大氣降雨進行了攔截與再分配，樹干莖流量顯著小于穿透雨量和大氣降雨量。同時大氣降雨經過高山松林后，Zn、Fe、Cd 元素出現了吸收現象，Mn、Cu 元素發(fā)生了淋溶現象。受大氣降雨量的影響，各重金屬元素濃度在雨季不同時期表現為雨季盛期＞雨季初期＞雨季末期。關于降雨在森林地表上的轉移特征還不了解，下一步需要長期對森林生態(tài)系統(tǒng)的枯落物及地表徑流中元素流動特征進行研究，以明確森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)特征。