高晓晓, 张胜利, 邱志斌, 潘泰臣, 于金鑫

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学 资源环境学院,陕西 杨凌 712100; 3.陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站, 陕西 杨凌712100; 4.广西壮族自治区环境应急与事故调查中心 广西 南宁 530028; 5.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司 湖南 长沙 410014)

森林生态系统是陆地生态系统的主体，大气降水是陆地生态系统化学物质的主要来源之一，为森林生态系统养分循环及平衡提供基础。从大气降雨进入森林生态系统，到径流形成的整个过程中，森林林冠层、枯枝落叶层、森林土壤层等各层次均对水质产生影响，林冠层是大气降雨进入森林生态系统的第一个作用面，林冠层在净化水质方面起关键作用[2]。关于森林林冠层对水质影响方面的研究较多，多数研究只是通过简单差减法[3-7]或离子交换树脂法[8]对森林林冠层水质效应进行分析，如张胜利等[3]研究了秦岭林区天然林冠层的水质效应，均说明了林冠层具有调节和稳定大气降雨水质作用[3-5]，但缺少研究林冠层影响水质的过程。研究林冠层对降雨水质的影响过程，将有助于进一步了解大气降雨进入森林生态系统后水质发生变化的机理。

秦岭南坡中山地带是秦巴山区水源涵养林的集中分布区[10]，又是南水北调中线工程的重要水源区[11]，其森林水质的好坏，直接影响受水区域的饮水用水质量。近年来，秦岭周边河南、陕西、湖北酸雨明显增加，秦岭林区雨水有酸化趋势[12]。酸雨能促进林冠中物质的淋失[13]，不同酸碱度下，离子的可移动性差别很大[14]。为研究不同pH值降雨透过林冠穿透雨水质变化过程，本试验在地处秦岭南坡中山地带中部的火地塘林区选择3种典型林分：油松林、华山松林和锐齿栎林，模拟不同pH值降雨淋洗林冠，就其林冠层对降雨水质影响过程进行分析，旨在为研究森林冠层对水质的影响提供理论依据，同时为研究酸沉降对森林生态系统的影响提供基础。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

火地塘林区(108°25′—108°30′E，33°25′—33°29′N)地处秦岭南坡中山地带中部，位于陕西省宁陕县境内，面积22.25 km2，海拔1 470～2 473 m。林区气候为暖温带湿润山地气候，年均气温8～12 ℃，降雨主要集中在5—10月，雨季为7—9月，多年平均降水量1 130 mm，降雪从10月末到次年4月初。林区地形陡峻，坡度一般为30°～35°。林区土壤主要为山地棕壤，主要成林树种有锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)、油松(Pinustabuliformis)、华山松(Pinusarmandii)、红桦(Betulaalbosinensis)、光皮桦(B．luminifera)、青杄(Piceawilsonii)、巴山冷杉(Abiesfargesii)和山杨(Populusdavidiana)等[9]。

1.2 模拟酸雨制备

酸雨是指pH值在5.60以下的降雨、降雪以及通过其他的形式产生的大气降雨[15]。近年来，秦岭周边地区的重庆、河南、湖北等地酸雨日趋严重且主要为硫酸型[12]。硫酸型污染物远距离输入，秦岭林区雨水有酸化的趋势，且雨季雨水酸化趋势较为明显，如2010年雨水平均pH值为5.1，林区存在酸雨现象[12]。

为最大程度模拟林区雨季自然降雨，本研究于2020年7月11日接取林外天然雨水为模拟试验用水原液，测得雨水平均pH值为7.0。以天然雨水为原液加硫酸，借助酸度计测定，配制成pH值为4.0，5.0的2个梯度的酸雨。模拟降雨设置3个水平，分别为pH值7.0(天然雨水)，4.0，5.0。

1.3 试验树种及树冠模型制作

选择火地塘林区有代表性的3种林型(油松林、华山松林、锐齿栎林)作为研究对象，在研究区内选取代表性地段，设置油松、华山松、锐齿栎20 m×20 m的样地各1个。每样地选取能够代表平均长势的3株样树，实测油松、华山松、锐齿栎平均叶面积指数分别为4.13，3.79，2.61。按树高将林冠近似等分为上、中、下3个层次，用高枝剪采集其冠层4个方位3个层次的树枝，将枝样混合。

参照高柳威等[16]制作的模拟林冠模型，将叶面积指数作为林冠模型构建的控制性参数，使模拟树冠接近天然样地叶面积指数，分别制作油松、华山松、锐齿栎林冠模型各1个。林冠模型主干采用长1.5 m，直径110 mm的空心硬质PE管，结合野外试验条件，在主干PE管上每间隔300 mm错位钻孔，孔口向上倾斜，每层根据树枝大小钻孔3～4个，共设5层，将树枝插入孔中固定以模拟枝干。

采用PECVD沉积氧化硅薄膜，研究了在不同条件下制备折射率均匀、应力良好的掺Ge氧化硅薄膜波导.研究发现为了提高薄膜均匀性减小应力，薄膜芯层通过GeH4流量而不是SiH4流量来改变折射率，同时光波导薄膜厚度和折射率均匀性会使传输光波在不同的偏振状态下具有不同的折射率值，即光学薄膜的双折射效应，从而使器件的PDL值增大，双折射性能在整个晶圆上的不均匀分布会影响产品的良品率，所以精确控制每个参数并把握其变化规律对提高产品性能及生产良品率至关重要.

1.4 模拟降雨试验设计

自制模拟降雨装置，采用单喷头、下喷式可调喷头模拟降雨，喷洒直径约2 m，为使雨滴终点速度接近天然降雨，喷头固定在树冠模型正上方2 m[17-18]，利用自吸泵，将水箱中的水通过输水管送到喷头出口。

根据实测降雨数据[19]，并结合模拟试验要求，由于设备限制，较小强度的模拟降雨均匀度达不到试验要求[20]，试验模拟降雨强度选定为10 mm/h。试验开始之前，在林冠四周放置4个直径为23 cm塑料桶进行雨强率定。模拟降雨历时60 min，从开始降雨0时刻计，每间隔10 min采集一次水样，将4个塑料桶中的水样混合，量取100 ml水样装瓶，冷冻保存待测。

1.5 测定项目及方法

表1 水质指标测定方法

1.6 数据统计分析

利用Microsoft Excel和SPSS进行数据分析与制图。将测定的水质数据求取均值，图中0时刻水质数据为模拟试验用水化学物质浓度。采用Person法分析穿透雨中水化学物质浓度与降水pH值的相关性(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 林冠穿透雨中浓度动态变化过程

图1 火地塘林区3种主要林分林冠穿透雨中浓度

2.2 林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度动态变化过程

林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度动态变化过程如图2所示。降雨pH值为7.0时，降雨10 min时3种林分林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度均达到峰值，随后降低，降雨20 min后浓度值变化趋于稳定。降雨pH值为5.0时，降雨10 min时3种林分林冠穿透雨中Ca2+，Mg2+浓度均达到峰值，随后降低，降雨20 min后浓度值变化趋于稳定。华山松、锐齿栎林冠穿透雨中K+浓度变化过程表现相似，但油松林冠穿透雨中K+浓度在降雨10 min达到峰值后随降雨时间延长降低，在降雨50 min后趋于稳定。降雨pH值为4.0时，降雨10 min油松林冠穿透雨中K+，Mg2+浓度达到峰值，降雨20 min时Ca2+浓度达到峰值；华山松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度在降雨10 min时浓度达到峰值，随后降低，降雨30 min浓度趋于稳定；锐齿栎林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度在降雨20 min时浓度达到峰值，降雨30 min浓度趋于稳定。整体上看，除pH值4.0降雨淋洗油松林冠，其他模拟降雨试验下穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度均表现为随降雨时间延长总体上呈先升高后降低并趋于稳定的规律。降雨pH值为4.0时，油松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度值变化幅度较大，可能是因为油松林冠本身K+，Ca2+，Mg2+浓度高，降雨淋洗量很大程度上和林冠本身含量相关，又因为酸雨促进了林冠中K+，Ca2+，Mg2+淋失。酸雨淋洗，细胞膜受损，促使细胞质中K+，Ca2+，Mg2+浓度发生变化以缓冲酸雨的伤害，从而使得K+，Ca2+，Mg2+淋失量增大。在生理学上Ca2+有防止细胞膜损伤和渗漏、稳定膜结构和维持膜的完整性等作用[21]，许多关于森林林冠矿质离子淋洗量的研究结果都表明Ca2+的淋失量最大[22]。

降雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度分别为0.3 mg/L，3.752 mg/L，0.295 mg/L。相同pH值的降雨淋洗，相较于华山松、锐齿栎，油松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度值变化幅度大，华山松、锐齿栎林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度值范围接近，说明油松林冠中K+，Ca2+，Mg2+淋失量较大，降雨淋洗对华山松、锐齿栎林冠中K+，Ca2+，Mg2+作用效果相当。

对于同一树种，不同pH值降雨淋洗，林冠作用效果不同，油松最为明显。Person相关分析表明林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度与降雨pH值相关(p1=0.020，p2=0.000，p3=0.000<0.05)。由图2知，降雨pH值为4.0时，油松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度值及其浓度变化幅度明显大于pH为5.0和7.0的降雨淋洗，油松林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度值及其浓度变化幅度大小表现为pH4.0>pH5.0>pH7.0。说明不同pH值淋洗液影响林冠中物质的淋洗效果，酸雨有促进作用。

图2 火地塘林区3种主要林分林冠穿透雨中K+，Ca2+，Mg2+浓度

2.3 林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度动态变化过程

由图3可知，降雨pH值为7.0时，3种林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度在整个模拟降雨过程中随降雨时间延长无明显变化，与供水水样中Pb，Zn，Cd浓度大小基本一致，说明此时降雨淋洗，林冠对穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度几乎不产生影响。降雨pH值为4.0，5.0时，降雨10 min时3种林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度均达到均值，随后降低，降雨30 min林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度变化趋于稳定。整体上看，3种林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度整体上随降雨时间延长总体上呈先升高后降低并趋于稳定的规律。

图3 火地塘林区3种主要林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度

降雨中Pb，Zn，Cd浓度分别为2.635，72.579，0.148 ug/L。降雨pH值为7.0时，3种林分林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度值接近，与供水水样中Pb，Zn，Cd浓度大小基本一致，说明pH值为7.0降雨对3种林分林冠几乎无淋洗作用。降雨pH值为4.0，5.0时，华山松、油松林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度变化幅度均大于锐齿栎，表现为针叶林林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度大于阔叶林，说明林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度受针叶林、阔叶林不同的叶组织特性影响。

对于同一树种，不同pH值降雨淋洗，林冠穿透雨中Pb，Zn，Cd浓度值及浓度变化幅度大小大体表现为pH4.0>pH5.0>pH7.0，说明降雨pH影响林冠Pb，Zn，Cd淋失，且随降雨pH值减少，林冠Pb，Zn，Cd淋失量增加。Person相关分析表明林冠穿透雨中Pb，Cd浓度与降雨pH值相关(p<0.05)，但Zn浓度与降雨pH值相关性不显著(p=0.149，>0.05)。

3 讨 论

3.1 林分类型对林冠穿透雨水质的影响

这可能是因为针叶林、阔叶林不同的叶组织特性影响穿透雨水化学物质浓度。针叶树种由于其叶片具有较厚的蜡质层、较大的叶表面积等结构特征较阔叶树种叶片有更强的滞留颗粒物能力[23]，并且常绿针叶树种能够在全年持续吸附空气中的颗粒物，降雨淋洗林冠，针叶林林冠穿透雨中溶解较多颗粒物，所以针叶林林冠穿透雨中化学物质浓度较高。

3.2 降雨pH值对林冠穿透雨水质的影响

3.3 林冠层对降雨水质的影响过程

这可能是因为在降雨初期，降雨淋洗林冠表面颗粒物质，所以穿透雨中化学物质浓度升高。多个研究也证实了，降雨淋洗，大多数植物叶表面滞留的颗粒物在降雨初期受到的影响大，在降雨开始的10 min内洗脱率增加的速率较大，在30 min以后逐渐趋于平稳[20,26-27]。随降雨时间延长，林冠表面物质被淋洗干净之后，一方面降水淋溶吸附于枝叶表面或枝叶组织中的各种物质，另一方面，林冠发生生理吸收、物理吸附以及与降雨发生化学反应[28]，所以在降雨后期穿透雨中化学物质浓度变化幅度较小，基本趋于稳定。

根据林冠穿透雨水化学物质浓度动态变化过程，将该过程划分为降雨淋洗和降雨淋溶两个阶段。降雨初期(降雨开始至降雨10 min或20 min)划分为降雨淋洗阶段，该阶段特点是降雨迅速淋洗林冠表面颗粒物，林冠穿透雨水化学物质浓度升高达到峰值。降雨后期(约20～30 min以后)划分为降雨淋溶阶段，该阶段特点是林冠穿透雨水化学物质浓度变化幅度小而稳定。实际上，在整个降雨过程中，降雨经过林冠层，降雨淋洗、淋溶、林冠的吸收、吸附等现象在一定程度上是同时发生的，穿透雨中化学物质浓度取决于降雨中化学物质向林冠的输入、降雨对雨前林冠上滞留物的冲洗、降雨对植物组织分泌物的淋溶、林冠截流蒸散发、林冠对降雨中化学物质的输入量、固体颗粒或气体的吸附吸收等[29]。这些过程相互联系，本文将林冠对穿透雨水质影响过程划分为降雨淋洗和降雨淋溶两个阶段，只是为了简化分析，并不意味着一次降雨事件中林冠对降雨水质的影响过程可以截然分为降雨淋洗、降雨淋溶两个阶段。

4 结 论