雞公山5種森林水樣的水質(zhì)分析

李月鳳，柳 勇，張宏偉，周亞運(yùn)，馬冠男，張建設(shè)★

（1.河南省信陽市林業(yè)科學(xué)研究所，河南 信陽 464031；2.河南雞公山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，河南 信陽 464031）

地球上的水通過太陽能和大氣環(huán)流等作用在不斷地循環(huán)，同時對地球表面具有一定的凈化作用[1]。在循環(huán)過程中，森林對于水源的涵養(yǎng)和水質(zhì)的改善功能被人們所公認(rèn)。水分輸入森林生態(tài)系統(tǒng)后，其中的一些物質(zhì)可以被生物和土壤固定、吸收或分解，輸出時水中的污染物種類和數(shù)量也相應(yīng)減少[2-3]。例如作為森林生態(tài)系統(tǒng)中重要輸入方式的大氣降水，可以由林冠層至土壤層與森林植被產(chǎn)生互動和作用，通過林冠層、森林枯落物和土壤對水中的雜質(zhì)進(jìn)行過濾、吸收、固定和分解，以及降水淋溶土壤、巖石風(fēng)化物及生物物質(zhì)對水質(zhì)化學(xué)成分的改善，最終使水得到凈化[4]。

大氣降水輸入到森林生態(tài)系統(tǒng)后，主要有以下幾個去向：一部分經(jīng)植被冠層截持在植被表面，通過蒸發(fā)返回大氣；一部分以穿透雨和樹干徑流形式通過林冠層降落到地表，形成林下降水。而林下降水一部分會被森林枯落物截持，另一部分到達(dá)枯落物層下面與礦質(zhì)土壤接觸，通過地表徑流、集水區(qū)等形式的產(chǎn)流和匯流進(jìn)入水文過程[5]。本文通過分別采集2020年3－10月間雞公山森林區(qū)域內(nèi)大氣降水、穿透雨、樹干徑流、地表徑流、集水區(qū)徑流等5種類型水樣，測定其水質(zhì)各類指標(biāo)參數(shù)，分析比較了5種水樣水質(zhì)參數(shù)變化及關(guān)系，模擬了降水穿透森林垂直層次的表現(xiàn)性狀，為闡釋森林凈化水質(zhì)涵養(yǎng)水源功能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究地概況

研究區(qū)位于河南省信陽市南部的河南雞公山國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，地處豫鄂兩省交界處，地理坐標(biāo)為31°46′－31°52′N，114°01′－114°06′E，保護(hù)區(qū)總面積2 917 hm2，森林覆蓋率達(dá)98%。該區(qū)受東亞季風(fēng)氣候影響，具有北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)氣候和山地氣候特征。

2 研究方法

2.1 樣品采集

水質(zhì)采集樣地海拔位于200～400 m之間，坡度30°左右，土壤為黃棕壤，地質(zhì)上屬于華北與華南地臺地層的過渡類型，巖石主要為雞公山混合花崗巖和靈山復(fù)式花崗巖基[6-7]。采樣點的森林植被類型為落葉闊葉林。樣品采集時間為2020年3－10月，先后采樣7次，采樣日期分別為3月18日、4月21日、6月15日、7月10日、8月21日、9月21日和10月16日，其中5月因天氣原因采不到足夠的水樣沒有數(shù)據(jù)。具體采集方式如下：

1）大氣降水水樣：選擇林外空曠處放置雨量桶，雨量桶離地面高度20～30 cm，雨后收集。

2）穿透雨水樣：在落葉闊葉林樣地內(nèi)設(shè)置采樣點，布設(shè)固定架，安裝穿透雨盛接裝置收集。

3）樹干徑流水樣：在樣地內(nèi)選擇樹形高大樹干通直的栓皮櫟樣木，用剖開的聚乙烯管圍纏樹干并固定，連接管道將流經(jīng)樹干的雨水盛接至雨量桶采集。

4）地表徑流水樣：在落葉櫟林樣地內(nèi)建設(shè)地表徑流場，在徑流場集水槽的出水口處放置雨量桶收集水樣。

5）集水區(qū)徑流水樣：在落葉櫟林集水區(qū)測流堰出水口處采集。

樣品采集于降雨過程結(jié)束后立即進(jìn)行，首先用樣品水涮洗不透光的聚乙烯水樣瓶，再用水樣瓶盛取水樣。每種水樣盛取200～500 mL，密封后在0～2℃下避光保存。

2.2 水樣測定

采用長春吉大·小天鵝儀器有限公司生產(chǎn)的;DYS-201M多參數(shù)水質(zhì)分析儀進(jìn)行測定。其中濁度采用福爾馬肼法（;B/T 5750.4－2006）、pH值采用酚紅法、溶解氧（DO）采用DL法、高錳酸鹽指數(shù)（PV）采用微量滴定法、化學(xué)需氧量（COD）采用快速消解法、氨氮（NH4＋）采用納氏試劑法（;B/T 5750.5－2006）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）采用重氮偶合法（;B/T 5750.5－2006）、總磷（TP）采用磷鉬藍(lán)法（;B 11893－89）、磷酸鹽（PO43-）采用磷鉬藍(lán)法（;B/T 5750.5－2006）、錳（Mn2＋）采用過硫酸銨法（;B/T 5750.8－2006）、鋅（Zn2＋）采用PAN法、鐵（Fe2＋）采用二氮雜菲法（;B/T 5750.6－2006）、銅（Cu）采用銅試劑法（HJ 485－2009）、鎂（Mg2＋）采用酸性格蘭K法、鉀（K＋）采用比濁法、礦化度采用CPPI法和ACBK法。在測量過程中，精確度以濃度0.01 mg·L-1進(jìn)行記錄（pH值和濁度除外），低于0.01 mg·L-1的測量結(jié)果按0.01 mg·L-1進(jìn)行記錄，后期計算精確度以濃度0.001 mg·L-1進(jìn)行對比，測量結(jié)果為未檢出的，后期以0計算。

水樣采集后，部分特殊指標(biāo)需在6 h內(nèi)完成測定，全部指標(biāo)測定在1周內(nèi)完成。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 5種水樣的濁度與泥沙濃度對比

從外觀對比，大氣降水、穿透雨和集水區(qū)徑流的水樣內(nèi)含懸浮雜質(zhì)較少，呈無色透明狀態(tài)，樹干徑流與地表徑流的水樣內(nèi)含懸浮雜質(zhì)較多，故而顏色偏深，分別呈黃色、褐色。如表1中所示，5種水樣的濁度和泥沙濃度均值從高到低依次排列的順序相同，均為樹干徑流＞地表徑流＞穿透雨＞大氣降水＞集水區(qū)徑流。這兩個指標(biāo)均在樹干徑流和地表徑流中濃度較高，高于大氣降水，而集水區(qū)徑流的濁度和泥沙濃度均值低于大氣降水，說明在降雨過程中，水對林冠層和樹體的淋溶過程產(chǎn)生了大量可溶或不可溶的懸浮物質(zhì)，通過森林生態(tài)系統(tǒng)對降水的一系列過濾凈化，使得森林區(qū)域徑流基本沒有泥沙流失[8]。

表1 雞公山5種水樣元素和離子質(zhì)量濃度/mg·L-1Tab.1 The mass concentration of five elements and ions in the water samples of Jigong Mountain/mg·L-1

3.2 5種水樣的pH與鎂（Mg2＋）、鉀（K＋）、礦化度的濃度變化規(guī)律

5種水樣pH值最高為7.2，來自9月地表徑流；最低值為5.3，來自樹干徑流水樣中。pH均值排列依次為：地表徑流（6.729）＞穿透雨（6.229）＞大氣降水（5.771）＞集水區(qū)徑流（5.671）＞樹干徑流（5.4）（見表1）。大氣降水的pH值波動較平緩，變化處在5.3～6.4之間，最低值來自7月水樣，最高值6.4來自9月水樣。穿透雨pH值年變化大致呈“M”曲線，全年值在5.7～6.8之間，最高值的兩個“峰頂”在6月和9月。樹干徑流pH值年變化比較平緩，值變化處在5.3～5.6。地表徑流pH值變化處在6.2～7.2，月變化浮動比較頻繁。集水區(qū)徑流pH值變化呈“M”曲線，值在5.4～6之間，最高值在6月和9月，最低值在7月。

5種水樣鎂（Mg2＋）離子、鉀（K＋）離子及礦化度的濃度分別在0～35.6 mg·L-1、0～64.8 mg·L-1、4.623～16.606 mg·L-1之間。3種指標(biāo)濃度普遍為地表徑流最高、穿透雨其次，大氣降水的值最低。礦化度也稱總含鹽量，代表水中各種鹽類的總和，包括但不限于鎂（Mg2＋）、鉀（K＋）、鈣（Ca2＋）等[7]，本試驗只測量了鎂（Mg2＋）、鉀（K＋）、礦化度的值并進(jìn)行初步分析。

由表1可知，大氣降水經(jīng)由森林上層林冠成為穿透雨后，其pH值均值上升了0.458，高于大氣降水pH值均值，這與劉菊秀[9]、張淑芬[10]、劉永杰[11]的研究結(jié)果一致。本試驗區(qū)的大氣降水pH值在5.3～6.4之間，這個范圍內(nèi)的弱酸性雨水會對枯落物及土壤產(chǎn)生相應(yīng)的酸化現(xiàn)象，使其養(yǎng)分及各類元素更容易分解析出并溶于水中[12]，同時鎂（Mg2＋）、鉀（K＋）、礦化度的濃度均值與大氣降水的濃度均值相比也有所提高；樹干徑流pH值全年平均值為5個類型最低值，低于大氣降水pH值，劉菊秀等[9]、溫達(dá)志等[13]的研究結(jié)果中也反映出這一點，此時樹干徑流的鎂（Mg2＋）、鉀（K＋）、礦化度與穿透雨的濃度均值相比有所降低，但還是高于大氣降水的濃度均值。地表徑流pH均值在5個水樣中最高，遠(yuǎn)高于大氣降水的pH值，該現(xiàn)象與劉菊秀[9]、溫達(dá)志[13]的研究結(jié)果相反，與張勝利[14]、任青山[15]的研究結(jié)果一致。此時樹干徑流的鎂（Mg2＋）、鉀（K＋）、礦化度的濃度均值也相應(yīng)為5個水樣中的最高值[10,16-17]，地表徑流的濃度均值又普遍高于穿透雨濃度均值，也與王登芝[18]的結(jié)論一致。

3.3 5種水樣的氨氮（NH4＋）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、總磷（TP）、磷酸鹽（PO43-）濃度對比

5種水樣氨氮（NH4＋）含量最高值來自10月的地表徑流樣本，值為11.85 mg·L-1；最低值來自8月的集水區(qū)徑流樣本，值為0.03 mg·L-1。5種水樣的氨氮（NH4＋）濃度均值從大到小排序依次為：樹干徑流（4.412 mg·L-1）＞地表徑流（4.141 mg·L-1）＞穿透雨（1.869 mg·L-1）＞大氣降水（1.086 mg·L-1）＞集水區(qū)徑流（0.26 mg·L-1）。全年采集的7個集水區(qū)徑流水樣氨氮（NH4＋）含量最高值為0.47 mg·L-1，均達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（;B 3838－2002）Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)[7]。

全年采集的5種水樣亞硝酸鹽氮（NO2-N）含量極低，最高值來自4月的地表徑流樣本，值為0.36 mg·L-1。多數(shù)樣本未檢出。5種水樣均值從大到小排列依次為：地表徑流（0.087 mg·L-1）＞穿透雨（0.066 mg·L-1）＞大氣降水（0.017 mg·L-1）＞樹干徑流（0.005 mg·L-1）＞集水區(qū)徑流（0.003 mg·L-1）。

5種水樣總磷（TP）含量最高值來自4月的地表徑流樣品（0.63 mg·L-1）。均值從大到小排列依次為：地表徑流（0.255 mg·L-1）＞樹干徑流（0.078 mg·L-1）＞穿透雨（0.039 mg·L-1）＞大氣降水（0.021 mg·L-1）＞集水區(qū)徑流（0.018 mg·L-1）。集水區(qū)徑流總磷（TP）含量處于0～0.04 mg·L-1之間，均達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（;B 3838－2002）Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

5種水樣磷酸鹽（PO43-）含量處在0～2.5 mg·L-1之間，最高值為9月的地表徑流樣品。磷酸鹽（PO43-）含量均值從大到小排序依次為：地表徑流（0.807 mg·L-1）＞樹干徑流（0.123 mg·L-1）＞穿透雨（0.056 mg·L-1）＞大氣降水（0.03 mg·L-1）＞集水區(qū)徑流（0.014 mg·L-1）。

3.4 5種水樣的溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（PV）和化學(xué)需氧量（COD）指標(biāo)現(xiàn)狀

由表2可知，5種水樣的溶解氧（DO）濃度處于1.1～11.7 mg·L-1之間，最高值來自3月樹干徑流樣品，最低值為9月地表徑流樣品。其濃度均值從高到低排列依次為：大氣降水（8.057 mg·L-1）＞樹干徑流（7.65 mg·L-1）＞集水區(qū)徑流（7.271 mg·L-1）＞地表徑流（4.986 mg·L-1）＞穿透雨（3.671 mg·L-1）。全年采集的集水區(qū)徑流溶解氧濃度處于5.9～11.4 mg·L-1之間，達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（;B 3838－2002）。

表2 5種水樣的有機(jī)污染物指標(biāo)濃度均值對比/mg·L-1Tab.2 Comparison of the average concentration of organic pollutants in the five water sample/mg·L-1

5種水樣的高錳酸鹽指數(shù)（PV）處于0～196.3 mg·L-1之間，最高值為9月的地表徑流樣品，其濃度均值從大到小排列依次為：樹干徑流（115.7 mg·L-1）＞地表徑流（98.475 mg·L-1）＞穿透雨（74.425 mg·L-1）＞集水區(qū)徑流（43.225 mg·L-1）＞大氣降水（39.65 mg·L-1）。

5種水樣的化學(xué)耗氧量（COD）處于0～127 mg·L-1之間，最高值來自6月的樹干徑流樣本。其濃度均值從大到小依次為：樹干徑流（105 mg·L-1）＞地表徑流（58.25 mg·L-1）＞穿透雨（54 mg·L-1）＞大氣降水（17 mg·L-1）＞集水區(qū)徑流13.75 mg·L-1。集水區(qū)徑流COD濃度全年值在0～37 mg·L-1之間，4、6、10月的采集水樣達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（;B 3838－2002）。

在水污染綜合指標(biāo)中，溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（PV）和化學(xué)需氧量（COD）只能間接地反映出水體的有機(jī)物污染情況，試驗中測量到的結(jié)果只能顯示出有機(jī)物質(zhì)的相對數(shù)值，而不能全面的反映出水體被有機(jī)物污染的真實程度。

3.5 5種水樣的錳（Mn2＋）、鐵（Fe2＋）、鋅（Zn2＋）、銅（Cu2＋）濃度對比

由表3可知，所有樣本中錳離子（Mn2＋）濃度值處在0～1.13 mg·L-1之間，在檢測結(jié)果中，未檢出占全部數(shù)據(jù)的82%。由于錳離子（Mn2＋）易氧化形成MnO2，使水樣變的混濁，本試驗中錳離子濃度含量超低也是試驗區(qū)水體總體清澈的一個佐證。所有樣本中銅離子（Cu2＋）濃度處在0～1.64 mg·L-1，最高值來自9月地表徑流樣品；鋅離子（Zn2＋）濃度處在0～1.18mg·L-1之間，最高值為4月地表徑流；鐵離子（Fe2＋）濃度處在0～0.3 mg·L-1之間，最高值為10月的地表徑流樣本。

表3 5種水樣重金屬均值濃度對比/mg·L-1Tab.3 Comparison of the average concentration of heavy metals in 5 water samples/mg·L-1

5種水樣的銅離子（Cu2＋）濃度均值從高到低排列依次為：樹干徑流（0.572 mg·L-1）＞地表徑流（0.379 mg·L-1）＞穿透雨（0.323 mg·L-1）＞大氣降水（0.063 mg·L-1）＞集水區(qū)徑流（0.037 mg·L-1）；5種水樣的鋅離子（Zn2＋）濃度均值從高到低排列依次為：地表徑流（0.436 mg·L-1）＞穿透雨（0.21 mg·L-1）＞樹干徑流（0.06 mg·L-1）＞大氣降水（0.018 mg·L-1）＞集水區(qū)徑流（0.014 mg·L-1）；5種水樣的鐵離子（Fe2＋）濃度均值從高到低排列依次為：集水區(qū)徑流（0.103 mg·L-1）＞大氣降水（0.091 mg·L-1）＞地表徑流（0.09 mg·L-1）＞穿透雨（0.06 mg·L-1）＞樹干徑流（0.055 mg·L-1）。

作為森林水分輸入的集水區(qū)徑流，錳（Mn2＋）、鐵（Fe2＋）、鋅（Zn2＋）、銅（Cu2＋）濃度均值均達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（;B 3838－2002）。其中錳（Mn2＋）濃度均值與大氣降水同為0 mg·L-1，銅（Cu2＋）和鋅（Zn2＋）濃度均值均低于大氣降水，說明地表枯落物及土壤對銅、鋅具有吸咐作用。

4 結(jié)論

通過對2020年3－10月間雞公山森林區(qū)域內(nèi)大氣降水、穿透雨、樹干徑流、地表徑流、集水區(qū)徑流等5種類型水樣的采集和測定分析，得到以下結(jié)論：

1）大氣降水穿透上層林冠層時，一方面將滯留在葉面的滯塵沖刷帶走，這層滯塵多為空氣中懸浮的污染氣體和鈣質(zhì)灰塵等，在雨水不斷的沖淋下滯塵中的可溶性金屬元素溶解其中，另一方面基于大氣降雨弱酸性水的淋溶，將枝葉等組織內(nèi)的鹽基離子析出，水中鎂（Mg2＋）、鉀（K＋）、礦化度的濃度得以增加，從而穿透雨的pH值有所升高；

2）該區(qū)域時段內(nèi)，大氣降水通過森林林冠層后pH會升高，弱酸性的雨水更有利于樹體及地表枯落物的營養(yǎng)物質(zhì)的析出交換。試驗區(qū)所在的雞公山自然保護(hù)區(qū)因為氣候帶及地質(zhì)構(gòu)造的原因，土壤類型也比較豐富，樣地多為黃棕壤，母質(zhì)多含花崗巖、片麻巖等，鈣鎂礦物豐富，通過弱酸性雨水的溶瀘作用，增加了水中鹽基離子的濃度[6]。在鉀（K＋）、鎂（Mg2＋）、礦化度的濃度變化中，地表徑流和穿透雨的均值均高于大氣降水的均值，就是由于鹽基離子在降雨過程中與水中的H＋發(fā)生了交換反應(yīng)，從而導(dǎo)致pH值升高[19-20]。

3）氮（N）和磷（P）都是生物生長必需的營養(yǎng)元素，磷（P）在天然水中多以各類磷酸鹽（PO43-）的形式存在，而氨氮（NH4＋）和亞硝酸鹽氮（NO2-N）是含氮有機(jī)物在分解過程轉(zhuǎn)化形成的部分產(chǎn)物，氨氮和亞硝酸鹽氮以N計，總磷、磷酸鹽以P計。大氣降雨在通過森林植被后，通過沖刷對樹體表面的各種營養(yǎng)元素及陰、陽離子進(jìn)行了交換和溶解，弱酸性的雨水還通過溶解地表枯落物釋放的腐殖酸及大量的氨氮化合物而攜帶大量的N和P等，使得N、P的濃度逐步升高。這也符合試驗中樹干徑流及地表徑流樣本中的N、P值濃度遠(yuǎn)高于大氣降水的濃度值，而最后作為養(yǎng)分輸出的集水區(qū)徑流中，N、P的濃度值大大降低，比作為養(yǎng)分輸入的大氣降水值還要低，這是因為雨水在透過森林林冠層及枯落物層的過程中，淋溶植物枝葉及樹干的分泌物輸入了大量含氮（N）和磷（P）的有機(jī)物質(zhì)，而在有氧條件和微生物的作用下，這些有機(jī)物質(zhì)不斷發(fā)生氧化及分解作用，最后達(dá)到無機(jī)化的程度，并最終被土壤截留吸收。

4）集水區(qū)徑流水樣的指標(biāo)濃度高于大氣降水的指標(biāo)濃度時稱為正向效應(yīng)，反之稱為反向效應(yīng)，本實驗結(jié)果表明在pH、濁度、泥沙濃度、氨氮（NH4＋）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、總磷（TP）、磷酸鹽（PO43-）、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、錳（Mn2＋）、鋅（Zn2＋）、銅（Cu2＋）這些指標(biāo)呈現(xiàn)出反向效應(yīng)；而在鎂（Mg2＋）、鉀（K＋）、鐵（Fe2＋）、高錳酸鹽指數(shù)（PV）和礦化度等指標(biāo)上呈現(xiàn)出正向效應(yīng)。

5）在降雨過程中，樹干徑流相比穿透雨和大氣降水有大量元素呈濃度上升的趨勢，測試結(jié)果表明在濁度、泥沙濃度、氨氮（NH4＋）、總磷（TP）、磷酸鹽（PO43-）、高錳酸鹽指數(shù)（PV）、化學(xué)需氧量（COD）、錳（Mn2＋）、銅（Cu2＋）指標(biāo)中，其濃度均值均為樹干徑流＞穿透雨＞大氣降水。

6）其中集水區(qū)全部水樣的濁度、鐵（Fe2＋）、錳（Mn2＋）、鋅（Zn2＋）、銅（Cu2＋）指標(biāo)均達(dá)到了生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（;B 5749－2006），pH、溶解氧（DO）、氨氮（NH4＋）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）均達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（;B 3838－2002）。