4個(gè)林齡白樺次生林降雨中重金屬化學(xué)性質(zhì)研究

李文影

【摘 要】通過對(duì)涼水國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)4個(gè)林齡白樺次生林林外降雨、穿透雨、樹干莖流和枯透水中的Fe、Mn進(jìn)行測(cè)定，以研究4個(gè)林齡之間重金屬化學(xué)性質(zhì)的差異。結(jié)果表明：兩種元素含量在林外降雨中隨季節(jié)變化較大，其平均含量（以mg/L計(jì)）排列順序?yàn)镸n>Fe；穿透雨中元素Fe含量70年含量較高，25年次之，56年含量較低，元素Mn含量56年含量較高，38年次之，25年含量較低。樹干莖流中Fe元素含量是70年含量最高，38年含量最低，Mn元素含量在56年白樺次生林中最高，25年含量最低。枯透水中Fe元素、Mn元素含量均是56年含量較高，38年含量較低。

【關(guān)鍵詞】4個(gè)林齡；穿透雨；樹干莖流；枯透水；重金屬化學(xué)性質(zhì)

系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要部分便是由降水中化學(xué)元素濃度通過森林植被系統(tǒng)后發(fā)生變化構(gòu)成的。森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)及養(yǎng)分平衡的基礎(chǔ)是降水，要了解森林生態(tài)系統(tǒng)凈化水源的作用機(jī)制[1]，需要依托森林水環(huán)境化學(xué)變化的分析。因此，筆者從大氣降雨、穿透水、樹干莖流、枯透水這4個(gè)層次，對(duì)4個(gè)林齡白樺林降雨中的Fe、Mn元素化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。

1 研究區(qū)概況

標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)在伊春市涼水實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，其地標(biāo)為E128°49′ 18″～128°56′56″；N47°8′ 20″～47°19′45″。地貌屬低山丘陵，海拔平均值近411m。具有多風(fēng)少雨、多雨高溫的夏季、降溫急劇、干燥嚴(yán)寒等明顯的溫帶大陸性氣候特征，年平均氣溫達(dá)-0.4℃，多年平均降水量676mm，無霜期多達(dá)180天以上。保護(hù)區(qū)內(nèi)森林覆蓋率達(dá)91%以上，主要植被類型有紅松原始林、白樺次生林等。地帶性土壤為暗棕壤。

2009年4月，在立地條件基本一致的4個(gè)林齡（26年、40年、55年、70年）白樺次生林中分別設(shè)置20m×30m標(biāo)準(zhǔn)地一塊。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每目檢尺，其主要林分特征如表1。

表1 樣地概況

2 研究方法

2.1 水樣的采集

收集該保護(hù)區(qū)內(nèi)氣象站大氣降雨樣品；采集穿透水的方法為林內(nèi)設(shè)置集水槽；采集樹干徑流的方法是將塑料導(dǎo)管螺旋狀纏繞樹干的基部，末端接一水桶；收集枯透水的方法是將剝離完整的枯落物層放置圓篩中，下面用口徑一致的容器承接。試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間為5月初～9月末。

2.2 水樣的測(cè)定

Fe 、Mn元素含量測(cè)定使用過濾后加入硝酸酸化的樣品。水樣測(cè)定重復(fù)3次，取平均值，重復(fù)間出現(xiàn)差異過大時(shí)，重復(fù)次數(shù)增加，剔除不合理數(shù)據(jù)后取平均值[2]。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣降雨水化學(xué)特征

森林生態(tài)系統(tǒng)林層對(duì)化學(xué)物質(zhì)的影響主要包括截獲與淋溶兩個(gè)作用過程。樹葉對(duì)降水中元素的吸收、吸附以及樹干流的淋洗、淋溶等化學(xué)調(diào)節(jié)作用，使降水中所含元素含量發(fā)生了變化，攜帶著各種化學(xué)物質(zhì)的林內(nèi)雨水，經(jīng)地被物和土壤層時(shí)，同樣會(huì)受到較為復(fù)雜的淋溶和截面濾存作用，從而影響雨水的化學(xué)性質(zhì)[3]。

林外降雨中Fe、Mn元素含量的測(cè)定結(jié)果見表2，可以看出：Mn元素含量最高于Fe元素含量，前者是后者的4.5倍；Mn元素含量變化最大，5月份含量最高為0.083mg/L，9月份最低為0.001mg/L，相差82倍。林外雨中各養(yǎng)分元素平均含量排列順序?yàn)镸n>Fe。

由表2還可知，降雨養(yǎng)分元素的含量在不同月份均不相同，F(xiàn)e元素含量在9月份達(dá)到最高，為0.018mg/L，是因?yàn)槠渲饕獊碓礊榇髿庵械膲m埃及有機(jī)物，供應(yīng)有限，釋放緩慢，因此不會(huì)因?yàn)橛炅吭黾佣尸F(xiàn)顯著的變化。Mn元素含量在5月份含量較高，可能與此時(shí)常常出現(xiàn)大風(fēng)天氣，加之周圍的村民要進(jìn)行開荒備耕等活動(dòng)有關(guān)。

表2 林外降雨中各元素的含量（mg/L）

3.2 穿透雨水化學(xué)特征

由于降雨與林冠表面發(fā)生洗脫、淋洗、吸收或吸附等作用，使得穿透雨化學(xué)特征會(huì)發(fā)生很大變化。經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)不同林齡白樺次生林的穿透雨水樣的化學(xué)分析，并且與林外降雨水樣中各元素含量分析結(jié)果對(duì)比表明（圖1、圖2）：養(yǎng)分元素濃度在經(jīng)過林冠之后的變化總趨勢(shì)基本相同，其中Fe、Mn元素含量增加，總體上表現(xiàn)為7、8月份含量較高。

Fe和Mn是植物體內(nèi)一些酶的組成成分，在氧化還原過程中起著極其重要的作用。由圖1和圖2可以看，元素Fe和Mn表現(xiàn)出相似的季節(jié)動(dòng)態(tài)規(guī)律，即6月份含量達(dá)到最高，隨后逐漸降低。綜合來看，元素Fe含量70年含量較高，25年次之，56年含量較低，38年和56年白樺次生林在個(gè)別月份出現(xiàn)了含量略低于林外雨水樣中含量的現(xiàn)象。元素Mn含量56年含量較高，38年次之，25年含量較低。總體來看，與林外降雨相比較，二者含量有所增加是因?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)中的植物能夠釋放氫離子、還原劑和絡(luò)合劑提高其溶解度，有利于鐵離子的遷移和富集，同時(shí)微生物的代謝活動(dòng)可引起Fe、Mn氧化物離解，致使可溶態(tài)Fe、Mn增加[4-6]（圖1、圖2）。

圖1 穿透雨水樣中Fe元素含量的比較

圖2 穿透雨水樣中Mn元素含量的比較

通過4個(gè)林齡白樺次生林的穿透雨水樣的分析，并與林外降雨水樣中主要營(yíng)養(yǎng)元素分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：

3.3 樹干莖流水化學(xué)特征

樹干莖流在森林對(duì)降水的分配各個(gè)分量中只占一個(gè)較小的比例，但樹干莖流是大氣降水經(jīng)過兩次交換的結(jié)果，其中部分元素含量顯著增加，而也有少數(shù)元素的含量則有所降低，對(duì)其含量增減的比較也相當(dāng)重要。從5月初至9月初止，對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)不同林齡天然次生白樺林內(nèi)的樹干莖流量進(jìn)行定位觀測(cè)，并定期取樣分析其水樣中的主要營(yíng)養(yǎng)元素含量。通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果表明（圖3、圖4）：

樹干莖流中各養(yǎng)分元素變化從總體來看，Mn元素含量均是在5月或6月份較高，因?yàn)榇藭r(shí)樹體顆粒物積累時(shí)間較長(zhǎng)，大氣懸浮物質(zhì)較多，降雨洗脫的干沉降物較多，養(yǎng)分元素含量較高。Fe元素含量在7月或8月份較高，這與降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨前該地區(qū)環(huán)境狀況及兩次降雨的時(shí)間間隔等有關(guān)，而且，樹皮給大氣沉降提供了良好的接受場(chǎng)所，且是植物的非光合器官，它很難直接從水體中吸收營(yíng)養(yǎng)元素，相反，雨水易于淋洗樹干上的附著物，使得樹干莖流中這些元素含量呈增加趨勢(shì)。

在各林齡樹干莖流水樣中，F(xiàn)e、Mn元素含量均高于林外降雨水樣中的含量，4個(gè)林齡比較，元素Fe含量是70年含量最高（除5月和9月份外），出現(xiàn)這種情況的主要原因70年白樺林樹皮較粗糙，能吸附較多的塵埃，且形成的樹干莖流量會(huì)產(chǎn)生養(yǎng)分含量的高度濃縮現(xiàn)象，因此70年各養(yǎng)分含量較高。Fe元素含量是在7月份差別較大，順序排列依次為70年>38年>56年>25年，總體來看，F(xiàn)e元素含量是70年含量最高，為0.22mg/L，38年含量最低，為0.01mg/L，前者是后者的21倍；Mn元素含量是在6月份差別較大，順序排列依次為56年>38年>70年>25年，總體來看，Mn元素含量是56年含量最高，為0.49mg/L，25年含量最低，為0.24mg/L，前者是后者的1.3倍，這可能與林分郁閉度、樹高及林內(nèi)微生物活動(dòng)情況等有關(guān)（圖3、圖4）。

圖3 樹干莖流水樣中 Fe元素含量的比較

圖4 樹干莖流水樣中Mn元素含量的比較

降水流經(jīng)樹干后，會(huì)有部分元素含量增加，也會(huì)有少量元素含量降低[3]，樹干莖流是大氣降水經(jīng)過兩次交換的結(jié)果。

3.4 枯透水水化學(xué)特征

林地枯枝落葉層是大氣降水進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)后的第三個(gè)作用面，與冠層類似，對(duì)隨水分?jǐn)y帶穿過其間的各種物質(zhì)進(jìn)行著兩種相反的過程，即過濾吸附和淋溶。但目前對(duì)枯落物層的研究主要集中在涵養(yǎng)水源、改善土壤理化性質(zhì)以及其本身分解養(yǎng)分歸還土壤等方面，缺乏枯落物層對(duì)林內(nèi)雨的吸附過濾作用研究。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)不同林齡白樺林的枯透水水樣的化學(xué)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并且與林外降雨水樣中主要營(yíng)養(yǎng)元素分析結(jié)果對(duì)比表明（圖5、圖6）：

大氣降雨經(jīng)過枯落物層后，4個(gè)林齡枯透水水樣中各營(yíng)養(yǎng)元素濃度變化從總體來看，F(xiàn)e含量均有所增加，Mn元素含量在5～7月份有所減少。

各林齡段枯透水水樣中Fe、Mn元素含量自6月份開始均逐漸減少。各林齡段Fe元素含量在6月份差別較大，比較6月份，排列順序依次為56年>38年>25年>70年，綜合來看，56年含量較高，38年含量較低；各林齡段Mn元素含量在7月份差別較大，含量大小依次為70年>38年>25年>56年，前者是后者的0.5倍，在9月份，38年含量顯著低于其它3個(gè)林齡段，總體來看，56年含量較高，38年含量較低。

圖5 枯透水水樣中Fe元素含量的比較

圖6 枯透水水樣中Mn元素含量的比較

目前對(duì)枯落物層的研究主要集中在涵養(yǎng)水源、改善土壤理化性質(zhì)以及其本身分解養(yǎng)分歸還土壤[4]等方面，枯落物層對(duì)林內(nèi)雨的吸附過濾作用研究較為缺乏。

4 結(jié)論

林外降雨中的化學(xué)元素經(jīng)過不同林齡林冠后，化學(xué)元素含量發(fā)生變化，且變化程度不一?？偟内厔?shì)是Mn元素含量在56年白樺次生林中最高，F(xiàn)e元素含量是在70年中含量最高，Mn元素含量在25年白樺次生林中最低，F(xiàn)e元素含量是 。

（6）不同林齡樹干莖流中，各養(yǎng)分元素的含量也存在著明顯的不同，總體上是Fe、Mn元素含量均是在70年白樺次生林中最高，F(xiàn)e、Mn元素含量在38年白樺次生林中最低。

（7）大氣降雨經(jīng)過枯落物層后，綜合來看，F(xiàn)e、Mn元素含量在56年最中較高，在38年中較低。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]