西安市水源地森林生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)空間變化特征1)

晉建霞 張勝利 陸 斌 馬國(guó)棟

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌，712100)

西安是世界著名的歷史文化名城，位于陜西關(guān)中平原的中部，是我國(guó)中西部地區(qū)重要的科研、高等教育、國(guó)防科技工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地，但人均占有地表水資源量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際公認(rèn)的維持一個(gè)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展人均占有量1 000 m3的臨界值［1］。隨著西安都市圈的加快建設(shè)，西安將建成為國(guó)際大都市［2］，其對(duì)水的需求將與日俱增，因此，優(yōu)質(zhì)的水源對(duì)人類健康、城市發(fā)展至關(guān)重要［3］。西安市城市用水主要從發(fā)源于太白山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的黑河和石頭河取水，特別是近年來實(shí)施的石頭河、黑河引水工程。秦嶺北麓位于秦嶺分水嶺至關(guān)中平原南緣之間，具有重要的生態(tài)功能，是關(guān)中地區(qū)的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)地，對(duì)西安甚至關(guān)中地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。但多年來重開發(fā)輕保護(hù)，尤其是多年來礦產(chǎn)開發(fā)、旅游開發(fā)、污染型“五小企業(yè)”生產(chǎn)［4］，使排污加劇，從而對(duì)水源地水環(huán)境安全構(gòu)成極大威脅。西安市是陜西的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，其供水水源地水質(zhì)安全是陜西省政府十分關(guān)注的重大問題。

森林生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)空間變化及其機(jī)理是森林水文學(xué)研究的重要內(nèi)容，目前在這方面的研究還較少。而太白山蒿坪保護(hù)區(qū)位于秦嶺北麓黑河和石頭河之間林區(qū)的中部，地處陜西省眉縣境內(nèi)，其氣候、土壤、植被、樹種等在水源地林區(qū)具有較好的代表性，因此，文中以該區(qū)天然林為對(duì)象，采用比較分析方法，系統(tǒng)探討雨水進(jìn)去森林生態(tài)系統(tǒng)后水質(zhì)的空間變化及其機(jī)理，理清其影響水質(zhì)的關(guān)鍵過程，以便為西安市供水水源地保護(hù)與生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)域位于陜西省寶雞市眉縣營(yíng)頭鎮(zhèn)的太白山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)蒿坪林區(qū)(圖1)。地理坐標(biāo)為東經(jīng) 107°41'～107°43'、北緯 33°04'～34°05'，海拔1 300～2 800 m，地處我國(guó)西北部暖溫帶，屬典型的暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，有著明顯的氣候垂直帶，海拔1 000～2 000 m區(qū)域的年均溫為11.4℃，海拔2 000 m以上年均溫低于8℃。東、北部的黑河和石頭河基本上流入渭河(圖2)。

區(qū)內(nèi)森林資源豐富，森林面積45 725 hm2，森林覆蓋率81.2%，總蓄積705萬m3。植被垂直帶譜發(fā)育十分典型，自下而上依次為落葉闊葉林帶、針葉林帶和高山灌叢草甸帶。主要樹種有華山松(PinusarmandiiFranch.)、栓 皮 櫟 (QuercusvariabilisBlume)、銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)、油松(Pinustabuliformis)、青榨槭(Acerdavidiifranch)等。土壤類型眾多，有高山草甸土、山地暗棕壤、山地沼澤土等6個(gè)土類，16個(gè)亞類。

圖1 蒿坪林區(qū)位置圖

圖2 蒿坪林區(qū)水系布局圖(圖中黑線代表河流)

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與水樣采集

大氣降水進(jìn)入流域森林生態(tài)系統(tǒng)后，依次通過林冠層、枯枝落葉層到達(dá)土壤層表面，并分別形成林內(nèi)雨和枯透水。在形成林內(nèi)雨過程中，還伴有樹干莖流的產(chǎn)生，但其對(duì)水質(zhì)總體影響較小［5］，本研究不將其單獨(dú)列出。到達(dá)土壤層表面的降水，幾乎全部下滲補(bǔ)充土壤水分或形成壤中流，這是因?yàn)樯滞寥辣韺痈缓袡C(jī)質(zhì)，質(zhì)地疏松，空隙大，利于入滲［6］。

本試驗(yàn)采用對(duì)比大氣降水，林內(nèi)雨，枯透水和土壤 A(0≤H(土壤深)＜20 cm)、B(20 cm≤H＜50 cm)層滲透水，溪流水以及流域出口徑流水的化學(xué)成分質(zhì)量濃度變化，來探討水質(zhì)的空間變化。因此，需要采集的水樣類型為大氣降水，林內(nèi)雨，枯透水，土壤A、B層滲透水，溪流水和流域出口徑流水。降水的收集點(diǎn)設(shè)在蒿坪保護(hù)站的空曠地帶，共布置2個(gè)點(diǎn)，附近無樹木、房屋等。分別在針闊混交林、闊葉混交林和銳齒櫟林內(nèi)布設(shè)林內(nèi)雨收集器，每個(gè)林子布設(shè)2個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)代表的面積基本相同，分別用口徑20 cm、高15 cm的塑料桶接取，其頂部用帶孔的聚氯乙烯薄膜罩住，以防雜物進(jìn)入;枯透水分別用口徑25 cm、高10 cm的塑料盆接取，其頂部用帶孔的聚乙烯薄膜罩住，薄膜上放置與林內(nèi)厚度相似的枯落物，盡量不要破壞枯落物的結(jié)構(gòu)，采樣時(shí)，將平行的水樣混合，裝入聚乙烯塑料瓶中，大概500 mL;土壤A、B層的水樣分別在集水槽的引水管管口接取，同樣裝入聚乙烯塑料瓶中，大概500 mL;另外，在典型支溝口修建復(fù)合式量水槽，并且在其三角出口接取溪流水500 mL;典型的流域出口修建巴歇爾量水槽，并且在其下游出口接取流域出口徑流水500 mL。溪流水和流域出口徑流水樣一般在雨后8～24 h采集。

2.2 水樣測(cè)試項(xiàng)目與方法

pH值采用電位法測(cè)定;NO-3和NH+4采用AA3型連續(xù)流動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定;采用原子吸收分光光度計(jì)火焰法測(cè)定 K+、Na+、Ca2+和 Mg2+，石墨爐法測(cè)定Cu2+和總Cr;采用等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定Cd2+、Zn2+、Pb2+和 Al3+。

2.3 數(shù)據(jù)處理

研究期間，共采集水樣10次，63個(gè)水樣，其中大氣降水6個(gè)、林內(nèi)雨10個(gè)、枯透水10個(gè)、土壤A層滲透水10個(gè)、土壤B層滲透水7個(gè)、溪流水10個(gè)、流域出口徑流水10個(gè)。大氣降水、林內(nèi)雨、枯透水、土壤A層滲透水、土壤B層滲透水、溪流水和流域出口徑流水中化學(xué)成分質(zhì)量濃度分別為各次降水同類水樣測(cè)定結(jié)果的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同層次水樣pH值變化

在研究期間，大氣降水pH的平均值為7.29(表1)，水質(zhì)偏堿性。降水通過林冠層和枯枝落葉層后，pH值依次降低，其中，林內(nèi)雨的pH平均值降低幅度較大;經(jīng)過土壤層后，pH的平均值升高到7.45，并且土壤B層相對(duì)土壤A層的升高幅度最大，為0.54，這是由于H+與黏土礦物或有機(jī)質(zhì)吸附的陽離子發(fā)生交換反應(yīng)，減少了H+的質(zhì)量濃度［7］。流域出口徑流水pH的平均值達(dá)到7.96，這是由降水與土壤基質(zhì)和溝道巖石接觸發(fā)生分解交換作用導(dǎo)致的［8］。

表1 不同層次水樣pH值及各化學(xué)成分質(zhì)量濃度

3.2 不同層次水樣中N、N質(zhì)量濃度變化

3.3 不同層次水樣中 K +、Na+、Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度變化

大氣降水K+的平均質(zhì)量濃度為0.525 mg·L-1(表1)。降水通過林冠層后，K+的質(zhì)量濃度增加了1.016 mg·L-1，且林內(nèi)雨中K+的質(zhì)量濃度為大氣降水中的 3 倍，Cappellato et al.［11］的研究也說明 K+在穿透雨增加很多，因?yàn)镵+是移動(dòng)性極強(qiáng)的元素，在水中極易溶解，極易從林冠的葉子和枝上溶脫［12］;經(jīng)過枯枝落葉層后，K+的質(zhì)量濃度增加了2.027 mg·L-1，薛立等［13］也發(fā)現(xiàn)枯落物為K+源，因此林冠層和枯枝落葉層都對(duì)K+表現(xiàn)為淋溶;通過土壤層后，K+質(zhì)量濃度升高到11.307 mg·L-1，說明土壤中含有豐富的K+;但是在溪流水和流域出口徑流水中的K+質(zhì)量濃度相對(duì)土壤層是非常低，流域出口徑流水K+質(zhì)量濃度為 0.996 mg·L-1，說明 K+在森林中循環(huán)時(shí)，森林生態(tài)系統(tǒng)起重要作用。袁東海等［14］研究表明植被覆蓋度低，無水保措施的試驗(yàn)區(qū)K+流失量最大，而秦嶺北麓植被覆蓋度高(81.2%)，有效地防止K+流失，維持了K+的平衡。

大氣降水 Na+的平均質(zhì)量濃度為0.478 mg·L-1(表1)。當(dāng)降水通過林冠層后，Na+質(zhì)量濃度降為最低值，為0.089 mg·L-1，說明林冠層對(duì) Na+具有吸附作用;通過枯枝落葉層后，Na+質(zhì)量濃度為林內(nèi)雨的2倍多，說明枯落物對(duì)Na+表現(xiàn)為淋溶;經(jīng)土壤層后，Na+升高到最大值，5.589 mg·L-1，尤其是土壤B層(相對(duì)土壤A層增幅達(dá)4.316 mg·L-1)，說明土壤層對(duì)Na+有淋溶作用;但流域出口徑流水Na+的質(zhì)量濃度降為2.680 mg·L-1，這是由于溝道附近樹木少，降水直接進(jìn)入流域出口徑流水中，對(duì)Na+離子產(chǎn)生了稀釋作用。

降水中Ca2+的平均質(zhì)量濃度為4.257 mg·L-1(表1)。Ca2+質(zhì)量濃度變化與Na+相似，也是林冠層吸附，與陳步峰等［12］得出的林冠層對(duì)降水中Ca2+具有吸貯效應(yīng)相一致;枯枝落物層對(duì)Ca2+具有淋溶作用;從土壤層到溪流水后，Ca2+的質(zhì)量濃度升高到14.104 mg·L-1，這主要是由于土壤中的 CaCO3轉(zhuǎn)化為可溶于水的Ca(HCO3)2，從而使溪流水中Ca2+質(zhì)量濃度升高［15］。流域出口徑流水Ca2+的質(zhì)量濃度為10.585 mg·L-1，相對(duì)溪流水有所降低，這可能是因?yàn)閺搅魉腃a2+多以CaCO3存在于巖石中。

大氣降水Mg2+的平均質(zhì)量濃度很低，為0.187 mg·L-1(表1)。降水通過林冠層后，Mg2+的質(zhì)量濃度增加了0.104 mg·L-1，經(jīng)枯枝落葉層后，Mg2+的質(zhì)量濃度為林內(nèi)雨的6倍多，說明林冠層和枯枝落葉層對(duì)Mg2+表現(xiàn)為淋溶，尤其是枯枝落葉層;通過土壤層后，Mg2+的變化不大，說明土壤層對(duì)Mg2+的影響不大，這與張勝利等［5］的研究一致;但是當(dāng)流入支溝溪流后，Mg2+的質(zhì)量濃度升高到4.222 mg·L-1，這與 Mg2+主要來源于巖石［5］有關(guān)。相對(duì)大氣降水來說，Mg2+的質(zhì)量濃度是上升的，各層次對(duì)Mg2+均表現(xiàn)為淋溶。

3.4 不同層次水樣中 C u2+、總 C r、Al3+、Cd2+、Pb2+、Zn2+質(zhì)量濃度變化

大氣降水Cu2+的平均質(zhì)量濃度為3.709μg·L-1(表2)。當(dāng)降水通過林冠層后，Cu2+的質(zhì)量濃度降低了18%，這與梁翠萍等［16］的研究一致;通過枯枝落葉層后，Cu2+的質(zhì)量濃度相對(duì)于林內(nèi)雨增加了1倍多，說明枯枝落葉能夠促進(jìn)Cu2+向水中遷移;通過土壤層后，Cu2+的質(zhì)量濃度相對(duì)枯透水降低了25%，說明土壤對(duì) Cu2+具有固定作用。溪流水中Cu2+的質(zhì)量濃度達(dá)到3.095μg·L-1;流域出口徑流水Cu2+的質(zhì)量濃度又增到5.572μg·L-1，可能是由于枯枝落葉釋放的Cu2+進(jìn)入到流域出口徑流中。從大氣降水到流域出口徑流，Cu2+的質(zhì)量濃度是增加的，但各層次Cu2+質(zhì)量濃度均在我國(guó)生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 000μg·L-1范圍內(nèi)。

大氣降水中總Cr的平均質(zhì)量濃度為0.360μg·L-1(表2)?？侰r質(zhì)量濃度在各層次的變化與Cu2+相似。降水通過林冠層后，總Cr的質(zhì)量濃度降低了42%;經(jīng)過枯枝落葉層后，總Cr的質(zhì)量濃度為林內(nèi)雨的4倍;通過土壤層后，相對(duì)枯透水下降了64%;溪流水中總Cr的質(zhì)量濃度達(dá)到0.257μg·L-1;流域出口徑流水總Cr的質(zhì)量濃度相對(duì)溪流水增加1倍，原因與Cu2+相似。在各層次中總Cr的質(zhì)量濃度都很低，符合我國(guó)生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50 μg·L-1。

大氣降水中Al3+的平均質(zhì)量濃度為92.181μg·L-1(表2)。大氣降水通過林冠層后，Al3+的質(zhì)量濃度增加了25.047μg·L-1，說明林冠層對(duì) Al3+具有釋放作用;通過枯枝落葉層后，Al3+的質(zhì)量濃度相對(duì)林內(nèi)雨降低了46%，說明枯枝落葉層對(duì)Al3+有明顯的固定作用;經(jīng)過土壤層后，Al3+又升高到160.300 μg·L-1，并且土壤A層和B層的質(zhì)量濃度相近，說明土壤層對(duì)Al3+具有釋放作用;流域出口徑流水Al3+的質(zhì)量濃度相對(duì)土壤層降低了12%。歐陽學(xué)軍等［7］對(duì)鼎湖山地表水的研究發(fā)現(xiàn)地表水和30 cm深土壤溶液中的Al3+質(zhì)量濃度分別是大氣降水的5倍和8倍，得出地表水中的Al3+主要來源于酸雨對(duì)土壤的淋溶，而本研究中流域出口徑流水Al3+的質(zhì)量濃度是大氣降水的1.53倍，間接說明了太白山?jīng)]有受到酸雨的影響。

表2 不同層次水樣中各金屬元素質(zhì)量濃度 μg·L-1

大氣降水中Cd2+的平均質(zhì)量濃度很低，為1.864 μg·L-1(表 2)。降水通過林冠層后，Cd2+的質(zhì)量濃度降低1.4%，為1.838μg·L-1;經(jīng)枯枝落葉層后，Cd2+質(zhì)量濃度相對(duì)林內(nèi)雨降低12.2%，成為1.613μg·L-1，說明林冠層和枯枝落葉層對(duì) Cd2+的作用不明顯，這與楊小梅［17］的研究一致;通過土壤層后，Cd2+質(zhì)量濃度增加到 2.281 μg·L-1，這與森林土壤枯枝落葉層和有機(jī)質(zhì)層的淋溶對(duì)土壤重金屬元素有很大的解吸作用有關(guān)［6］;在流域出口徑流水中Cd2+的質(zhì)量濃度卻降到 1.283 μg·L-1(pH=7.96)，這是因?yàn)楫?dāng)pH＞7.50時(shí)，Cd2+主要以氧化物與黏土礦物結(jié)合態(tài)及殘留態(tài)存在［18］。整體來說，各層次水樣的Cd2+都在我國(guó)生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)5μg·L-1范圍內(nèi)。

大氣降水中Pb2+的平均質(zhì)量濃度為26.612μg·L-1(表2)，超過了我國(guó)生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10μg·L-1。降水經(jīng)過林冠層后，Pb2+的質(zhì)量濃度降到6.476 μg·L-1，為大氣降水的 24.3%，因?yàn)橹参锟梢酝ㄟ^枝葉吸收并累積Pb2+［19］;通過枯枝落葉層后，Pb2+又升高到 17.875 μg·L-1，說明枯落物對(duì)Pb2+具有淋溶作用;經(jīng)過土壤層后，Pb2+又降低到5.130 μg·L-1，為枯透水的 28.7%，歐陽學(xué)軍等［7］也得出森林的存在及其土壤對(duì)Pb2+有凈化作用，土壤對(duì)Pb2+的吸附強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量濃度呈正相關(guān)［20］，而秦嶺山區(qū)森林植被下發(fā)育的土壤有機(jī)質(zhì)積累強(qiáng)烈［21］，所以，土壤層對(duì)重金屬的吸附能力較強(qiáng);使得流域出口徑流水的Pb2+質(zhì)量濃度為5.259μg·L-1，符合我國(guó)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

Zn2+在各層次的質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)與Pb2+的相同。通過林冠層后，Zn2+降低到0.803μg·L-1(表2)，為大氣降水的7.7%，幾乎全被林冠層吸收，與田大倫［22］、方晰［23］等研究發(fā)現(xiàn)杉木林林冠對(duì) Zn2+有吸收作用相一致;通過枯枝落葉層后，Zn2+的質(zhì)量濃度增加到11.120μg·L-1，說明枯落物對(duì) Zn2+具有釋放作用;經(jīng)過土壤層后，Zn2+的質(zhì)量濃度降到6.238 μg·L-1，說明土壤層對(duì) Zn2+有固定作用;流域出口徑流水的Zn2+質(zhì)量濃度為5.657μg·L-1，各層次水樣的Zn2+質(zhì)量濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我國(guó)生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1 000μg·L-1。

4 結(jié)束語

通過分析太白山蒿坪保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)空間變化的影響，得出西安市供水水源地森林生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)空間變化特征為：從大氣降水到流域出口徑流，pH值升高，貢獻(xiàn)較大者為土壤層。但是降水通過林冠層和枯枝落葉層后，pH值降低，N的質(zhì)量濃度也降低，枯枝落葉層是吸收N的關(guān)鍵層次，土壤層對(duì)N具有淋溶作用。林冠層和土壤層是吸收或固定N的關(guān)鍵層次，枯枝落葉層對(duì)N具有淋溶作用。相對(duì)大氣降水來說，流域出口徑流水的N質(zhì)量濃度上升，N質(zhì)量濃度降低。森林生態(tài)系統(tǒng)各層次對(duì)K+離子都表現(xiàn)為淋溶，尤其是林冠層和土壤層;林冠層是吸收Na+和Ca2+的關(guān)鍵層次，枯枝落葉層和土壤層則表現(xiàn)為淋溶;林冠層和枯枝落葉層對(duì)Mg2+具有淋溶作用，尤其是枯枝落葉層，土壤層對(duì)其影響不大。相對(duì)大氣降水來說，流域出口徑流 K+、Na+、Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為上升。大氣降水通過林冠層后，Cu2+、總 C r、Cd2+、Pb2+和Zn2+質(zhì)量濃度均降低，Al3+質(zhì)量濃度上升;經(jīng)過枯枝落葉層后，Cu2+、總 C r、Pb2+和 Z n2+質(zhì)量濃度均上升，Cd2+和Al3+質(zhì)量濃度下降;經(jīng)過土壤層后，Cu2+、總 C r、Pb2+和 Z n2+質(zhì)量濃度均下降，Cd2+和 A l3+質(zhì)量濃度上升，整體來說林冠層和土壤層對(duì)重金屬的吸附作用明顯，相對(duì)大氣降水來說，流域出口徑流水的Cu2+、總 Cr和 Al3+質(zhì)量濃度上升，Cd2+、Pb2+和 Zn2+質(zhì)量濃度下降，符合我國(guó)生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

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