栗生枝

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，遼寧 沈陽 110122)

本溪山區(qū)森林枯落物對水質(zhì)的影響

栗生枝

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，遼寧 沈陽 110122)

以本溪山區(qū)主要水源涵養(yǎng)林紅松、落葉松、蒙古櫟、水曲柳、核桃楸純林為研究對象，運用定位觀測法，對5種類型林分的林外雨與枯落物滲透雨(枯透雨)的水質(zhì)進行了研究，以及利用5種類型林分之間枯落物滲透水的水質(zhì)對比，測定林外降雨及各林分枯落物滲透水的pH值、硝酸鹽(以N計)、氨氮(以N計)、硫酸鹽(以SO42-計)、全氮(TN)、全磷(TP)、氟離子(F-)、氯離子(Cl-)、鈣(Ca2+)、鈉(Na+)、鎂(Mg2+)、鉀(K+)等12種指標，結(jié)果表明：大量化學元素和離子通過枯落物后均顯著增加，其中變幅最大的K+，濃度為4.19 mg·L-1，是林外雨20倍。林外雨各指標濃度依次為SO42->TN>Ca2+>Cl->Na+>NH3-N>NO3-N>Mg2+>K+>F->TP;枯透雨各指標濃度依次為SO42->Ca2+>TN>NO3-N>Cl->K+>Mg2+>NH3-N >TP>F->Na+。枯透雨中SO42-濃度最高，為12.59 mg·L-1；TP濃度最小，為0.25 mg·L-1。5種純林在調(diào)查期間林外雨和枯透雨的pH趨于中性，而在經(jīng)過枯枝落葉層的淋溶后，有明顯的酸化現(xiàn)象，pH范圍在5.1～6.6。

枯落物；水質(zhì)；林型

本溪縣是太子河的主要發(fā)源地和集水區(qū)，是遼寧省重要水源涵養(yǎng)區(qū)。區(qū)域內(nèi)的天然次生林是遼寧省重要的水源涵養(yǎng)林基地，是遼寧腹地不可替代的生態(tài)屏障，全縣有林地面積27.5萬hm2，森林覆蓋率76.1%，是保障遼寧省主要用水的綠色水庫，研究本溪山區(qū)天然次生林水源涵養(yǎng)能力具有重要的現(xiàn)實意義。隨著社會的發(fā)展， 人口劇烈增加的壓力以及各種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成環(huán)境污染日趨嚴重， 如何保護和維持優(yōu)質(zhì)水源，已成為世界各國保障人民生活水平及其各種產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要課題。因此，以涵養(yǎng)水源為主要目的的水源涵養(yǎng)林在水土保持、水源涵養(yǎng)、改善水質(zhì)等方面的功能日益受到人們的重視[1]。開展本溪山區(qū)森林涵養(yǎng)水源功能研究，為本溪山區(qū)水源涵養(yǎng)林經(jīng)營提供主要依據(jù)。

枯落物層是除林冠層、下木和層下植物外，大氣與礦質(zhì)土壤層、植物根系層進行物質(zhì)與能量交換的另一個介質(zhì)，在影響林地土壤的水熱狀況、通氣狀況、營養(yǎng)元素的循環(huán)、林地生物種群的類型及數(shù)量、林地水文生態(tài)特性等方面，起著重要作用[2]。大氣降水進入生態(tài)系統(tǒng)時通過冠層交換，雨水對植物體表面滲出物的淋洗和枝葉對雨水中離子的吸收，以及對枝葉表面粉塵、微粒、塵埃等固體沉降物的沖洗等一系列物理化學變化，致使穿透林冠層進入林內(nèi)的雨水中化學成分含量發(fā)生了強烈改變[3]。降水對枯落物的淋溶作用有助于加速養(yǎng)分的再循環(huán)速率，改變養(yǎng)分遷移路徑，影響?zhàn)B分的平衡過程，對加速植物生長和促進養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用[4]。

1 研究地概況

調(diào)查地區(qū)為本溪滿族自治縣清河城林場，地處本溪縣最北端，屬于溫帶濕潤的季風氣候，年降水量750～1 200 mm，年均氣溫5～8 ℃；本區(qū)屬長白山系，毗鄰觀音閣水庫，境內(nèi)主要河流為清河，其支流有望城河、臺后甘河、清河前河、東陽河。

1.1 植被狀況

調(diào)查區(qū)屬于長白植物區(qū)系，物種繁多，木本植物約270多種，草本植物360多種。目前天然次生林已占該地區(qū)森林面積的50%，其中柞木林占44%，雜木林占10%。人工林占46%，以落葉松林、油松林、紅松林為主。

2 材料與方法

2.1 材料

本研究在清河城林場收集與補充調(diào)查了紅松純林(PinuskoraiensisSieb. et Zucc.)、落葉松純林〔Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.〕、蒙古櫟純林(QuercusmongolicaFisch. ex Ledeb)、核桃楸次生林(JuglansmandshuricaMaxim.)、水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)次生林5種類型林分的林外以及林內(nèi)的枯落物水質(zhì)。

2.2 研究方法

2.2.1 林外降雨的采集 在林分附近的空曠地上進行放置3個干凈的收集桶，分別標號1號、2號和3號，用于收集林外降水水樣。為防止污染、植物碎片、昆蟲等，將紗網(wǎng)固定于桶口進行過濾，采集的水樣分別編號為LW-1，LW-2，LW-3，每次采樣后用蒸餾水對塑料桶進行清洗。

2.2.2 枯落物滲透水采集 在每個林內(nèi)地表隨機布置9個凋落物滲透水收集裝置，收集透過凋落物的重力水樣品。采集裝置是將紗網(wǎng)固定在塑料桶上，再將凋落物按層次全部放置紗網(wǎng)上，然后在枯落物上再蓋上一層紗網(wǎng)。將桶放置在提前挖好的坑內(nèi)，防止桶被風吹倒。安裝好枯落物滲透水收集裝置后，將每三個水桶采集的水樣混合為一個樣本，分別貼上相應(yīng)的編號(林型號-KL-1、林型號-KL-2、林型號-KL-3)，每次采樣后對塑料桶進行清洗。

2.2.3 水質(zhì)測定 pH值運用玻璃電極法測定；硝酸鹽(以N計)、氨氮(以N計)、硫酸鹽(以SO42-計)、氯離子(Cl-)、氟離子(F-)、全氮(TN)、全磷(TP)用離子色譜法檢測分析；鈣(Ca2+)、鈉(Na+)、鎂(Mg2+)、鉀(K+)用原子吸收分光光度法檢測。

2.2.4 數(shù)據(jù)分析 根據(jù)實測得的數(shù)據(jù)資料，本研究調(diào)查了5種樹種的12種水化學性質(zhì)，包括pH值、硝酸鹽(以N計)、氨氮(以N計)、硫酸鹽(以SO42-計)、全氮(TN)、全磷(TP)、氟離子(F-)、氯離子(Cl-)、鈣(Ca2+)、鈉(Na+)、鎂(Mg2+)、鉀(K+)。凈淋溶為穿透雨離子濃度與大氣降雨離子濃度的差值，淋溶系數(shù)為穿透雨離子濃度除以大氣降雨離子濃度。對數(shù)據(jù)重復進行處理，分別分析相同層次，不同林分對水質(zhì)的影響。利用SPSS以及Excel進行數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物滲透水化學元素分析

3.1.1 林外雨與枯透雨化學元素組成 大氣降水過程是森林生態(tài)系統(tǒng)輸入養(yǎng)分和其他可溶性離子的主要途徑，降水通過森林不同界面后其化學組成均發(fā)生較大的變化[5]。表1為5種林分在2016年6—10月后林外雨及枯透雨中化學元素平均濃度變化。從表1可以看出，不同元素含量通過枯落物后變化幅度也不同?？萃赣曛兴性氐暮烤哂诹滞庥辏渲凶兎畲笤貫镵+，濃度為4.19 mg·L-1，是林外雨的20倍；其次是Ca2+，濃度為11.82 mg·L-1，是林外雨6.68倍。按含量高低順序是：林外雨，SO42->TN>Ca2+>Cl->Na+>NH3-N> NO3-N>Mg2+>K+>F->TP；枯透雨，SO42-> Ca2+>TN >NO3-N>Cl->K+>Mg2+> NH3-N>TP>F-> NH3-N。由表1可知，不論是林外雨還是枯透雨都是SO42-濃度最高，在枯透雨中的濃度為12.59 mg·L-1。TP元素濃度最小，枯透雨為0.25 mg·L-1，兩者相差50倍。按照枯透雨元素濃度與林外雨元素濃度的倍數(shù)比值，其中排在第1位的K+元素，枯透雨濃度是林外雨濃度的20.95倍，排在最末位的SO42-元素，濃度值的比值則僅有2.22倍。

表1 森林水文過程中化學元素生長季平均濃度 mg·L-1

在上述排序中，SO42-和Ca2+的含量均居前兩位。這是因為SO42-是弱酸性陰離子，而Ca2+呈堿性，可以中和SO42-的酸性，使降雨的pH值趨于中性。另外，Ca2+的濃度增加，可以減少其他陽離子的毒害作用。TP 的含量在林外雨和穿透雨中的含量都是最低的，一般認為，降雨中 TP 的主要來源是大氣塵埃的溶解，降雨過程中TP的淋溶是非常困難的，因此含量較低。

3.1.2 林外降雨水質(zhì)月變化 由表2的觀測數(shù)據(jù)可以看出，同一地點不同月份內(nèi)大氣降水中的各化學元素含量差異較大，SO42-的月際變化較大，10月含量最高，月際變幅3.4～9.39 mg·L-1之間，其中SO42-在6月與10月的濃度差異較小，幾乎持平，在7—8月濃度下降明顯，8月濃度最小。其次為Ca2+，8月含量最高。NH3-N、TP、K+和Na+的輸入量較少。另外，NH3-N元素濃度受降水時的雷電影響，當雷電時空中閃電使雨水中的N含量明顯增加。在每年的6、7月易發(fā)生雷擊，因此表中6、7月的NH3-N含量要比其他月份相對較高，分別為0.839 mg·L-1和1.08 mg·L-1。

6月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>Na+>TN>Cl->Mg2+>NH3-N>NO3-N>K+>TP>F-；7月各化學元素含量順序為：SO42->TN>Cl->Ca2+>NH3-N>NO3-N >Na+>Mg2+>K+>F->TP； 8月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>TN >Cl->Mg2+> NO3-N> NH3-N >Na+>K+>TP>F-；10月各化學元素含量順序為：SO42->TN>Cl->Na+>Ca2+> NO3-N>Mg2+> NH3-N>K+>TP >F-。

表2 林外雨水質(zhì)月變化 mg·L-1

3.1.3 枯透雨水質(zhì)含量月變化 從表 3 的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，在10月多數(shù)元素增幅較大，這可以解釋為樹木每年10月開始枯落，枯落物內(nèi)營養(yǎng)豐富，易被雨水置換出來，另外樹葉上黏附著較多塵埃，鹽粒和小有機物等，降雨時都隨林內(nèi)雨被淋洗到地面，此時林內(nèi)雨的養(yǎng)分濃度較高，除了NH3-N以外。NH3-N從6月到10月，濃度值呈下降趨勢，其中在10月濃度呈現(xiàn)最低值。而SO42-在前3個月保持較為平穩(wěn)的變化，在10月的時候，濃度值增加了一倍多，是雨水中所測元素中含量最大的化學元素。元素濃度變化最小的TP，隨著時間的變化沒有較大波動，Ca2+在枯透雨中的濃度含量也相對較高，在7月和10月呈現(xiàn)了濃度的最高值。

6月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>TN>NO3-N>K+>Cl->NH3-N >Mg2+>Na+>F->TP；7月各化學元素含量順序為：Ca2+>TN>SO42-> NO3-N>K+>Cl-> NH3-N >Na+>Mg2+>F->TP； 8月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>N >Cl-> NO3-N >K+>Mg2+> NH3-N>F->Na+>TP；10月各化學元素含量順序為：SO42->Ca2+>Cl->TN > NO3-N>K+> Mg2+>Na+> NH3-N >TP >F-。

表3 枯透雨水質(zhì)月變化 mg·L

3.1.4 5種林型水質(zhì)變化分析 受季節(jié)、降水量、降水強度、持續(xù)時間、降水間隔、氣象、環(huán)境、植物體生理活動、葉片表面、樹皮表面以及降水中離子、固體顆?；驓怏w的吸附或吸收等因素的影響，使林外雨、枯透雨中各養(yǎng)分元素的含量發(fā)生較大變化。林外雨、枯透雨中養(yǎng)分元素變化系數(shù)最大的元素是 TP，范圍在 0.75～6；變異系數(shù)最小的元素是NH3-N，范圍在 0.58～0.74，這表明枯落物在 6—10月對NH3-N的吸附、吸收、淋溶處于一個相對平衡穩(wěn)定的過程。與林外雨相比，枯透雨中NO3-N、NH3-N、K+的變異系數(shù)大于林外雨，說明這些元素在生長季的月變化較大。NO3-N、Ca2+、Mg2+、Na+的變異系數(shù)小于林外雨，這些元素的變化較為平穩(wěn)。

3.2 降雨對5種林型枯落物的淋溶效應(yīng)

由于降水對枯落物淋溶出來的養(yǎng)分物質(zhì)都是可溶性的，無須經(jīng)過復雜的分解、轉(zhuǎn)化就可以直接被林木吸收，因此降水對樹體養(yǎng)分物質(zhì)的淋洗、淋溶、吸收和吸附作用具有促進植物生長，加速養(yǎng)分循環(huán)的作用[6]。然而降水在形成枯透雨的過程中與枯落物直接接觸，不僅淋洗了枯落物層吸附的塵埃顆粒，而且淋溶了枯枝落葉片上的分泌物質(zhì)，致使枯落物水中養(yǎng)分含量發(fā)生較大變化。

由表4可知，降雨通過枯落物形成枯透雨時，養(yǎng)分含量發(fā)生了變化。NO3-N、Na+為負淋溶，表明植物體對這些元素進行了吸收。而NH3-N、Ca2+、Mg2+、K+等的含量均增加。枯透雨中Na+為負淋溶，這可能因為Na+是比較難溶的元素，而且經(jīng)過滲透后不易被土壤吸收，因此含量較低。淋溶量最大的是Cl-，在降水中Cl-的輸入量并不大，經(jīng)過枯枝落葉淋溶后雨中平均濃度大幅度增大，是林外雨的20倍之多。K和P元素是植物必需的營養(yǎng)元素，在降水中的含量非常小，通過枯落物的淋溶后大幅度增加，促進養(yǎng)分循環(huán)。紅松的Ca2+和Mg2+的淋溶系數(shù)最大分別為4.75和4.74；在核桃楸林中，淋溶系數(shù)最大的元素為NO3-N；在落葉松林中，淋溶系數(shù)最大的是TP；在蒙古櫟林中，淋溶系數(shù)最大的元素為Ca2+；在水曲柳林中，淋溶系數(shù)最大的元素為NO3-N，不同林分對不同元素的淋溶效果是不一樣的。

表4 降雨凈淋溶含量和淋溶系數(shù) mg·L-1

3.3 林外雨與5種林型枯透雨pH特征

一般情況下，正常降雨都是偏酸性的，雨水的弱酸性可以使土壤中的養(yǎng)分溶解，供其中的生物吸收。研究地大氣降雨pH值的統(tǒng)計見表5，研究期間林外降雨pH值的變化范圍在6.00～8.90之間，中位數(shù)為5.76，在此期間，林外雨pH變化相對較大，多數(shù)情況屬微酸性雨。目前，對世界各地區(qū)降水化學特征進行分析后，提出以5.0作為酸雨pH值的界限，低于5.0的降水對環(huán)境酸化有顯著影響，低于4.5的降水對環(huán)境酸化有嚴重影響。在采樣期間這5種林分每種林分共采集九次降雨，其中林外雨pH小于4.5的次數(shù)為0，pH在4.5～5.0的次數(shù)也為0，其余均為5.0以上，說明該地區(qū)幾乎不會受到酸雨的影響。在經(jīng)過5種不同林分后，雨水中的pH值都有所下降，其中落葉松的下降幅度最大，在雨水經(jīng)過落葉松枯落物后雨水的pH值在4.9～5.8，更適合土壤中養(yǎng)分的分解；而水曲柳的pH值幅度變化最小，從6.2～6.6，在經(jīng)過水曲柳枯落物后，雖然變化相較其他林分變化較小，但也趨于更適合土壤方向發(fā)展。根據(jù)表6得知，不同林型pH值的波動較為穩(wěn)定，基本上是基于中位數(shù)上下波動較小，林外降雨相較于林內(nèi)枯透雨的變化較大。而在5種林型中，核桃楸的變化最小，受季節(jié)和時間的影響小，蒙古櫟隨時間和季節(jié)的變化最大。

表5 大氣降雨pH值基本統(tǒng)計表

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本論文結(jié)合室內(nèi)分析和野外調(diào)查等方法，對本溪山區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)林外雨、枯透雨中的化學特征進行了分析，主要得出以下幾點結(jié)論：

4.1.1 枯透雨中化學元素變化 從2016年6—10月，在本溪山區(qū)的5種純林林外雨和枯透雨中的NO3-N、NH3-N、SO42-、TN、TP、F-、Cl-、Ca2+、Na+、Mg2+、K+等化學元素的含量來看，Ca2+的輸入量較大，F(xiàn)-的含量較小。另外大量的化學元素通過枯枝落葉層后均明顯增加。林外雨和枯透雨元素濃度高低排序為：林外雨：SO42->TN>Ca2+>Cl->Na+>NH3-N>NO3-N >Mg2+>K+>F->TP，枯透雨：SO42->Ca2+>TN> NO3-N>Cl->K+>Mg2+>NH3-N >TP>F->Na+。在本次研究林不同月份大氣降水中各化學元素含量存在不同程度的差異，其中枯透雨的養(yǎng)分在10月的變化最大，說明在10月份枯枝落葉的數(shù)量較大，對水體的影響也在提升，進而影響到水體的化學性質(zhì)?？萃赣曛蠳O3-N、NH3-N、K+的變異系數(shù)大于林外雨，說明這些元素在生長季的月變化較大。NO3-N、Ca2+、Mg2+、Na+的變異系數(shù)小于林外雨，說明這些系數(shù)的變化較小，沒有明顯的差異。

4.1.2 林外雨與枯透雨的化學淋溶效應(yīng) NO3-N、Na+為負淋溶，表明植物體對這些元素進行了吸收。而NH3-N、Ca2+、Mg2+、K+等的含量均增加，枯落雨中的Na+為負淋溶，這可能因為Na+是比較難溶的元素，而且經(jīng)過徑流后不易被土壤吸收，因此含量較低?；瘜W元素濃度變化較大的原因可能是：(1)降雨條件如降水的強度、降水量、持續(xù)時間以及次降雨之間時間間隔等對降水中化學元素的含量均有影響，表現(xiàn)為觀測時段內(nèi)不同月份降水中的化學元素含量不同。(2)環(huán)境和氣象條件等因素對降水中的化學元素含量具有一定影響，大氣污染的狀況和大氣環(huán)流攜帶的各種化學物質(zhì)成分具有隨氣象因素而發(fā)生較大變化的隨機性，如水氣來源、風速風向等條件都會使降水中化學元素含量發(fā)生變化，不僅是造成同一地區(qū)大氣降水化學元素含量差異的原因，而且也是造成不同地區(qū)差異的原因。

4.1.3 林外雨與5種林型雨水pH變化 5種純樹林2014年6—10月林外雨和枯透雨的pH值趨于中性，林外降雨的pH趨于中性及弱堿性，而林內(nèi)降雨通過枯枝落葉層后，有明顯的酸化現(xiàn)象，pH范圍在5.1～6.6之間。這就說明經(jīng)過枯枝落葉層以后的雨水更適合植物的生長，也更適合土壤的分解，其中落葉松的變化強度最大，說明落葉松的枯枝落葉層在對雨水pH的酸化方面表現(xiàn)最強。

4.2 討論

Parker G G等人在1983年總結(jié)了全世界不同地區(qū)的大氣降水化學物質(zhì)的輸入量，其研究結(jié)果表明，不同地區(qū)降水化學元素的年輸入量存在較大的差異，同一地點的不同元素之間年輸入量也各不相同，盡管如此，卻表現(xiàn)出一些相同的趨勢。降水輸入量最大的元素分別是Cl、Na等，而對全球降水化學資料的平均結(jié)果表明：在全球范圍內(nèi)降水中化學元素含量的大小順序依次為：Na>Cl>N>Ca>K>P[7]。這與我國一些地區(qū)的研究結(jié)果基本相符，但與我們的測定結(jié)果有一定差異[8]。降雨是生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)和養(yǎng)分循環(huán)的主導因素。降水養(yǎng)分輸入是系統(tǒng)一個十分重要的養(yǎng)分輸入源，特別是生長季降水養(yǎng)分的集中輸入，對本溪山區(qū)的林地生長有重要意義。研究表明，不同月份大氣降水中各化學元素含量存在差異。在論文分析過程中體會到，有關(guān)森林水質(zhì)問題，其森林環(huán)境水化學問題今后將成為研究重點，對于我們而言，還需要進行多方面工作，如林區(qū)大氣降水中的污染物輸入、林地土壤和枯落物中水質(zhì)的變化，林火和采伐等干擾對森林水質(zhì)的影響。

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Effect of Forest Litter on Water Quality in Mountains of Benxi City

Li Shengzhi

(Liaoning Forestry Investigation and Planning Institute, Shenyang 110122, China)

Taking the main water conservation forest--Pinuskoraiensis,Larixgmelinii,Quercusmongolica,Fraxinusmandschurica&Juglansmandshuricain Benxi mountains as the research object, with the method of the locating observation,water quality of rainfall outside the forest and permeating water of litters of five types of forest was studied.Twelve kinds of digital number (DN)--pH value, nitrate (counted by nitrogen), ammonia nitrogen (counted by nitrogen), sulfate (SO42-), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), fluorineion (F-), chlorine (Cl-), calcium (Ca2+), sodium (Na+), magnesium (Mg2+),kalium (K+) of rainfall outside the forest and permeating water were determined.Result show that: mass chemical elements and ions by litter significantly increase. The biggest range is K+, whose concentration being 4.19 mg·L-1,which is 20 times higher than the rainfall outside the forest;concentration of each index for the rainfall outside the forest is: SO42->TN> Ca2+>Cl->Na+>NH3-N> NO3-N>Mg2+>K+>F->TP;each concentration index of rain in filtration chemical element is: SO42->Ca2+>TN>NO3-N>Cl->K+>Mg2+>NH3-N>TP>F->Na+.The concentration of SO42-is the highest, being 12.59 mg·L-1;the concentration of TP is the smallest, being 0.25 mg·L-1.During the survey period, the pH value of rainfall outside the forest and soaker tend to be neutral, but after the leaching of litter layer, there are obvious phenomenon of acidification, the pH range is from 5.1 to 6.6.

litter; water quality; forest type

1005-5215(2017)04-0011-05

2017-02-10

栗生枝(1987-)，男，遼寧沈陽人，大學，工程師，現(xiàn)從事林業(yè)資源調(diào)查和研究工作，Email:85799984@qq.com

TU991.21

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.04.003