廣州城市森林及不同地表墊面對暴雨徑流與PAHs、TOC的影響

陳步峰，王莘儀，肖以華，吳巧花

中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520

極端性暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇是近年頻發(fā)性災(zāi)害，多硬質(zhì)地表的城市遭遇暴雨、地表產(chǎn)流快而徑流量大，地表匯流量超出排水承載力或應(yīng)急排水不足時，便形成城市內(nèi)澇以及溢流污染的災(zāi)害。中國華南地區(qū)為典型的鋒面暴雨、雷暴雨及臺風(fēng)暴雨多發(fā)地，發(fā)生城市內(nèi)澇的概率相對較大。城市暴雨易發(fā)水患，且地表產(chǎn)流沖刷而攜帶的多環(huán)芳烴（PAHs）是具有“致癌、致畸、致突變”特性，尤以苯并芘（BaP）、熒蒽（FLA）、苯并（b）熒蒽（BbF）、苯并（k）熒蒽（BkF）、茚并（1, 2, 3-cd）芘（IcdP）、苯并（gh, i）苝（BghiP）為代表，被世衛(wèi)組織視為PAHs的 16個組分中的優(yōu)先控制物，其引發(fā)的水體毒性污染危害較大。城市森林是陸地地表重要的天然生態(tài)屏障，應(yīng)對暴雨的截留降能、緩沖降蝕與吸附滯留、持續(xù)下滲及吸儲等生態(tài)水文機能，在消減暴雨產(chǎn)流、抵御水患及水質(zhì)污染等方面有著不可替代的生態(tài)環(huán)境功能（鄒志謹(jǐn)?shù)龋?017）；隨著全球氣候變化導(dǎo)致的極端暴雨的頻發(fā)，相關(guān)城市暴雨-徑流及PAHs負(fù)荷方面的研究逐漸被重視，諸如：美國南卡羅來納州不同城市暴雨徑流中 PAHs研究顯示（Ngabe et al.，2000），城區(qū)哥倫比亞（11測點）暴雨徑流PAHs 14平均含量為5590 ng·L?1，喬治城徑流（2測點）變化范圍為 40—3790 ng·L?1，墨勒爾斯因萊特沿海社區(qū)徑流（15測點）PAH14含量平均為 282 ng·L?1，墨勒爾斯因萊特潮溪河口水（8測點）均值為35 ng·L?1，未開發(fā)地北因萊特河口水（8測點）含量為13 ng·L?1。而植被及多種滲透層材料等生物滯留設(shè)施對城市暴雨P(guān)AHs污染物的去除的試驗測定結(jié)果表明（Diblasi et al.，2009），生物滯留可使PAHs的平均濃度消減在31%—99%間。美國弗吉尼亞的高速公路、加油站及停車場的暴雨地表徑流PAHs通量對比研究顯示（Smith et al.，2000），高車流量的停車場最高（0.0556 g·km?2·a?1）、加油站最低（0.0224 g·km?2·a?1），停車場，公路和加油站的暴雨徑流為環(huán)境中PAHs的一個重要源。國內(nèi)的合肥市針對4次降雨不同地表徑流PAHs研究顯示（謝繼峰等，2015），水泥、瀝青地和水泥交通路面的PAHs負(fù)荷遠大于水泥廣場和草地。上海市高架路地表徑流PAHs源析（邊璐等，2013）發(fā)現(xiàn)，徑流中∑16PAH的質(zhì)量濃度范圍為 1.585—7.523 μg·L?1，交通、石油、燃氣燃燒是主要來源。哈爾濱市春季融雪徑流中 16種 PAHs檢測表明（車麗娜等，2019），城市道路和內(nèi)部道路均超出中國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)2.8 ng·L?1。北京城市道路地表徑流及相關(guān)介質(zhì)中PAHs的源解析指出（張巍等，2008），城市支路和主干路機動車道以機動車排放源為主，行道樹樹冠水中機動車源的貢獻較大。

國內(nèi)外相關(guān)于城市暴雨徑流PAHs研究中，涉及城市不同下墊面暴雨地表產(chǎn)流PAHs的源析、濃度差異對比剖析的研究相對成熟、成果報道相對較多，涉及城市硬質(zhì)或交通道地表與森林林帶地表的降雨地表產(chǎn)流PAHs含量的對比研究也有較多報道，特別有較多的模擬不同降雨量對草被、農(nóng)田及裸地等的地表徑流、大量元素的對比實驗；然而在城市天然林區(qū)專就暴雨（P>50.0 mm/time）在森林、草被、水泥及瀝青地表產(chǎn)流特征、PAHs和TOC質(zhì)量濃度及通量的連續(xù)定位觀測、系統(tǒng)的對比研究的結(jié)果報道是比較少；因此，依托廣東珠三角森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站平臺，針對近年來廣州市多發(fā)暴雨，以及城市區(qū)域分布著大面積的天然次生林資源，開展廣州城市森林應(yīng)對暴雨產(chǎn)流及 PAHs的水文循環(huán)及地球化學(xué)效應(yīng)的研究結(jié)果也相繼有一些報道（陳步峰等，2004；陳步峰等，2011；張娜等，2011；吳巧花等，2018）；本文就廣州市帽峰山森林與草被、硬質(zhì)地表墊面的暴雨地表產(chǎn)流及 PAHs等化學(xué)物質(zhì)量與通量的對比實驗研究結(jié)果，為城市森林在抵御暴雨災(zāi)害的功能方面提供一些依據(jù)。

1 實驗區(qū)自然概況與試驗方法

1.1 試驗地概況

廣州市帽峰山定位觀測實驗林區(qū)位于廣州市東北部（23°16′—23°19′N，113°22′—113°29′E），距市區(qū)約25 km，面積6600 hm2；林區(qū)近5年的平均氣溫為21.2 ℃，年均降雨量1800.0 mm，年均相對濕度約76.5%，干濕季分明；土壤類型為黃紅壤，成土母巖主要為花崗巖。森林植被類型以南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉次生林為主（46 a），優(yōu)勢喬木以潤楠（Machilus pingii）、黃樟（Cinnamomum porrectum）、中華椎（Castanopsis chinensis）、黃杞（Engelhardia roxburghiana）、羅浮柿（Diospyros morrisiana）、鴨腳木（Schefflera octophylla）、楓香（Liquidambar formosana）、山烏桕（Sapium discolor）等為主；部分森林斑塊中間種有馬尾松（Pinus massoniana）和杉木（Cunninghamia lanceolate）人工種群。下層主要以木姜子（Litsea glutinosa）、銀柴（Aporosa dioica）、九節(jié)（Psychotria rubra）、降真香（Dalbergia odorifera）等為主，上層優(yōu)勢喬木的平均胸徑達31.3 cm、平均樹高為18.6 m；林分郁閉度達0.92。

1.2 林區(qū)暴雨及不同地表墊面暴雨地表徑流對比實驗觀測方法

廣州帽峰山林區(qū)暴雨、硬質(zhì)地表及草被地表徑流試驗場均設(shè)置在帽峰山林區(qū)天湖（珠三角森林定位研究站實驗房前）的無林地（40 m×30 m）中間平坦地表，實驗觀測場海拔高295.0m、設(shè)置地面降雨、地表徑流的觀測不受森林及房屋、山丘影響；其實驗場列于示意圖1。

圖1 帽峰山天湖降雨、地表徑流觀測實驗場示意圖Fig. 1 The experimental observation field for rainfall, surface runoff in the Tianhu of Maofeng Mountain

1.2.1 暴雨量觀測

林外降雨量——在地表徑流場及定位站的氣象場（水平距100 m）各設(shè)置1臺Data Logging RG3-M自動雨量計連續(xù)觀測降雨量及暴雨量（日降雨量在50.0—99.9 mm、100.0—249.9 mm、>250.0 mm分別為暴雨、大暴雨及特大暴雨）；設(shè)置口徑0.8 m收集容器收集暴雨水樣品。

1.2.2 硬質(zhì)地表徑流觀測

在天湖的無林場分別設(shè)置2個長方形水泥地表徑流場（面積S=10.5、6.8 m2），采用分流池法（3/4分流）觀測暴雨地表徑流量、分流池采集暴雨地表徑流水樣；因瀝青與水泥地表的降雨產(chǎn)流相近，故僅設(shè)置10 m2的瀝青地表匯流場、匯流池收集暴雨地表徑流水樣。

1.2.3 草被地表徑流觀測

在無林場設(shè)置1個長方形地表徑流場（面積7.4 m2），據(jù)城市草被地表多用種、擇細葉結(jié)縷草（Zoysia tenuifolia）于2016年底在地表徑流場內(nèi)種植；采用分流池法（1/2分流）觀測暴雨地表徑流量、分流池收集暴雨地表徑流水樣。同時采用樣方法（1 m×1 m）對草被群落進行逐年調(diào)查，2018—2020年間的調(diào)查統(tǒng)計，地表草被的年覆蓋度分別為 84.0%、91.0%、93.0%，草被種群的平均高分別為 0.04、0.08、0.12 m。

1.2.4 林內(nèi)暴雨凈降雨觀測

依托定位站在常綠闊葉次生林、針闊葉混交林樣地（各 30 m×30 m），樣地內(nèi)網(wǎng)格法各設(shè)置9臺HOBO自記雨量計觀測暴雨穿透雨量、計量2種林分的暴雨穿透雨量；同時在兩類林分地內(nèi)網(wǎng)格法設(shè)置4個0.6 m口徑的雨量收集器收集暴雨穿透水水樣；樹干莖流量則依據(jù)已有經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎惬@得，干流水樣收集則遴選6株喬木樣株以聚乙烯管粘繞底部收集。

1.2.5 森林的坡面地表徑流觀測

依托定位站的常綠闊葉次生林、針闊葉混交林坡面地表徑流場（各2個），其沿坡面為長方形、水平投影面積20 m×10 m，位于兩個同坡向等海拔坡面上、坡度分別22.3°、23.6°，均采用分流池法（1/2分流）及Data Logging RG-1L翻斗自記雨量計法觀測暴雨地表徑流量；分流池收集暴雨地表徑流水樣。常綠闊葉林坡面地表徑流場的優(yōu)勢喬木以潤楠、中華椎、羅浮柿、黃杞、山烏桕、鴨腳木等為主，其平均高及胸徑分別為18.6 m、28.8 cm，林分郁閉度為0.90；而針闊葉混交林的地表徑流場內(nèi)除有闊葉林喬木種外、則有間種的馬尾松及杉木種群（42 a），優(yōu)勢喬木的平均高及胸徑分別為18.1 m、27.2 cm，林分郁閉度達0.83。兩類林分的土壤與母質(zhì)均相同。

1.3 暴雨徑流水樣的采集處理及水體PAHs、TOC的檢測方法

1.3.1 水樣采集處理

采集暴雨及地表產(chǎn)流的初、中和末段水樣、混合為供試水樣；暴雨水樣采集暴雨收集器水面下 2 cm水體，不同地表墊面的暴雨地表徑流水樣則采取各徑流測池水面下3 cm的水體；各水樣采集量均為1000 mL、采集裝入1 L的棕色樣瓶內(nèi)上蓋、標(biāo)簽標(biāo)記。各水樣的現(xiàn)場處理：采好的水樣樣瓶速放入冷凍樣品箱、并在3 h內(nèi)帶回實驗室進行處理檢測。

1.3.2 水樣PAHs濃度檢測方法

檢測水體中16種優(yōu)先控制的PAH組分溶解相含量（美國國家環(huán)保局列出），萘（NAP）、苊（ACE）、苊烯（ACY）、芴（FLU）、蒽（ANT）、菲（PHE）、熒蒽（FLA）、芘（PYR）、苯并[a]蒽（BaA）、?（CHR）、苯并[b]熒蒽（BbF）、苯并[k]熒蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚并[1, 2, 3-cd]芘（IcdP）、苯并[a, h]蒽（DahA）、苯并[g, h, i]苝（BghiP）。采用日本島津的氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀測試半揮發(fā)性有機化合物，按照EPA3540C—1996、EPA8270D—2007方法檢測。

1.3.3 水樣TOC濃度的檢測方法

水樣TOC含量檢測則采用日本島津TOC-V型總有機碳分析儀，按《水質(zhì)、總有機碳的測定 燃燒氧化—非分散紅外吸收法》HJ 501—2009方法檢測。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及對比分析

統(tǒng)計分析及圖表采用Excel軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林及不同地表暴雨徑流中∑16PAHs、TOC質(zhì)量濃度及差異特征

2.1.1 森林及不同地表的暴雨及徑流∑16PAHs總質(zhì)量濃度及差異

林區(qū) 3年間暴雨及各地表墊面的地表徑流中PAHs質(zhì)量濃度檢測結(jié)果顯示（圖2a），暴雨與各地表下墊面的暴雨地表徑流中∑16PAHs總的質(zhì)量濃度檢出值，與美國南卡羅來納州不同城市暴雨徑流中∑PAHs檢測結(jié)果較接近（Ngabe et al.，2000）。瀝青地表的暴雨徑流中∑16PAHs總的質(zhì)量濃度最高、平均達 (154.4±52.2) ng·L?1，其與水泥、草被、針闊葉混交林林、常綠闊葉林地的表徑流中相應(yīng)濃度間均呈極顯著差異（P=0.0008、0.0001、0.0024、0.0034）、而與暴雨中相應(yīng)的質(zhì)量濃度（平均：(110.39±27.6) ng·L?1）間呈顯著差異（P=0.019）；暴雨與草被地表徑流在∑16PAHs總的質(zhì)量濃度間則極顯著差異（P=0.0009）。盡管暴雨與水泥地表徑流、森林地表徑流在∑16PAHs總質(zhì)量濃度間無顯著差異，但按暴雨與各墊面地表徑流中∑16PAHs總的質(zhì)量濃度的差計量（圖2b），水泥地表暴雨徑流中∑16PAHs總的濃度相對暴雨相應(yīng)含量凈減小9.8%、而在針闊混交林、常綠闊葉林及草被地表徑流中依次凈減小12.1%、6.7%、18.8%，瀝青地表徑流中則相對凈增39.9%；瀝青地表徑流PAHs總濃度的極顯著增加，對于瀝青地表墊面密集區(qū)形成暴雨徑流的水環(huán)境的污染危害性顯著增加。相比于瀝青地表墊面的暴雨地表徑流質(zhì)量濃度，地表草被、針闊葉混交林、常綠闊葉林地表墊面的暴雨地表徑流中∑16PAHs總的質(zhì)量濃度則分別凈減小了 42.0%、37.1%、31.7%，地表植被墊面應(yīng)對暴雨在地表徑流PAHs總濃度上的有效去除效應(yīng)被顯著體現(xiàn)，尤其相對于瀝青地表墊面的去除效應(yīng)更為顯著。

圖2 實驗區(qū)暴雨與森林及不同地表墊面的地表徑流中∑16PAHs濃度Fig. 2 Mass concentration of ∑16PAHs in rainstorm, surface runoff for forest and different surface cushion in test region

2.1.2 森林及不同地表暴雨徑流中TOC質(zhì)量濃度及∑16PAHs/TOC濃度比的差異

暴雨及各下墊面地表徑流中 TOC質(zhì)量濃度的17次檢測結(jié)果圖3a顯示出，暴雨中的平均含量(4.94±1.87) mg·L?1（<5.0 mg·L?1標(biāo)限），分別與水泥、草被、森林地表墊面的暴雨地表產(chǎn)流相應(yīng)的質(zhì)量濃度間呈極顯著差異（P=0.0064、0.0012、1.2E?05、5.8E?06），即 4種地表墊面的地表徑流的 TOC濃度相對暴雨中相應(yīng)的分別凈增了 59.4%和 1.58、1.80、1.71倍；而草被、森林與水泥地表墊面相比，暴雨地表徑流的TOC質(zhì)量濃度分別凈增了61.9%、75.7%、70.2%，草被、森林群落地表富集的有機質(zhì)含量及生物影響，隨暴雨地表產(chǎn)流的遷移并成倍地增加徑流中TOC質(zhì)量濃度。圖3b則是暴雨及各地表墊面的地表徑流中有機污染物（∑16PAHs）占總有機碳（TOC）的質(zhì)量濃度比，暴雨及各地表墊面的地表徑流中∑16PAHs/TOC質(zhì)量濃度比率變幅在0.0268‰—0.0054‰；其中，森林、草被地表的暴雨地表徑流中∑16PAHs總濃度相對較小而TOC質(zhì)量濃度相對較大，其比值極顯著大于暴雨中比值（P=0.0031、0.003、0.0006），而草被、針闊葉混交林、常綠闊葉林地表墊面相對水泥地表在暴雨地表徑流中∑16PAHs/TOC的質(zhì)量濃度比則依次凈減小38.4%、47.8%、62.0%。這進一步表明，草被與森林地表墊面的生物生態(tài)作用使暴雨地表徑流中PAHs被有效儲減、TOC含量則被顯著增加。

圖3 實驗區(qū)暴雨及森林與不同地表墊面地表徑流中TOC質(zhì)量濃度（a）及∑16PAHs/TOC質(zhì)量濃度比（b）Fig. 3 TOC mass concentration and ∑16PAHs/TOC in the rainstorm and surface runoff of different surface cushion in test region

2.1.3 森林及不同墊面的暴雨地表徑流PAHs代表物（優(yōu)防）的質(zhì)量濃度比較

實驗林區(qū)暴雨及不同墊面的地表徑流中 6種PAHs代表物（高環(huán)、毒性大）的質(zhì)量濃度20次檢測結(jié)果中均以瀝青地表徑流中最高（圖4）；暴雨中6組分的平均質(zhì)量濃度和為33.85 ng·L?1、占PAHs總濃度和的30.7%；瀝青地表與暴雨、各下墊面地表徑流在 FLA的質(zhì)量濃度間均呈極顯著差異（P=0.00007、0.000005、0.00006、0.00097、0.000011），而與水泥地表、針闊葉混交林的暴雨地表徑流在BbF、BkF質(zhì)量濃度間分別呈極顯著差異（P=0.0019、0.0095）和顯著差異（P=0.031、0.043），同時與水泥地表、針闊葉混交林、常綠闊葉林地表徑流在 BghiP質(zhì)量濃度間均呈顯著差異（P=0.016、0.023、0.028、0.024）；各地表墊面的暴雨地表徑流在IcdP平均質(zhì)量濃度間的差異表現(xiàn)：瀝青地表與草被地表的徑流濃度間差異極顯著（P=0.008）、與針闊葉林、常綠闊葉林地表墊面的徑流濃度間均呈顯著差異（P=0.024、0.015）。暴雨及瀝青暴雨地表徑流中 BaP平均濃度分別達 3.11、4.71 ng·L?1而在水泥地表、針闊葉林地表徑流的平均含量均小于I類標(biāo)限2.5 ng·L?1、而在常綠闊葉林地表徑流中則小于環(huán)境標(biāo)限2.8 ng·L?1（圖4b）。暴雨與水泥地表、草被地表墊面的地表徑流在BaP平均質(zhì)量濃度間存在顯著差異（P=0.021、0.029），水泥地表與針闊葉混交林、常綠闊葉林下墊面的暴雨地表徑流中 BaP平均質(zhì)量濃度間差異顯著（P=0.036、0.022）；瀝青地表與水泥、草被地表暴雨徑流中 BaP的平均濃度間呈極顯著差異（P=0.0004、0.0015）、則與針闊葉混交林地表徑流的濃度間存在顯著差異（P=0.049）；同時，草被與針闊葉混交林、常綠闊葉林的地表墊面的暴雨地表流中BaP濃度間也呈顯著差異（P=0.015、0.019）。

圖4 實驗區(qū)暴雨及水森林及不同地表墊面的地表徑流中PAHs代表物質(zhì)量濃度比較Fig. 4 Mass concentration of PAHs in the rainstorm and surface runoff of different surface cushion in test region

依據(jù)暴雨、各地表墊面地表徑流PAHs代表組分平均濃度的相對計量，相對于瀝青地表的暴雨徑流中 PAHs代表組分的平均質(zhì)量濃度（圖5a），水泥、草被、針闊混交林及常綠闊葉林地表暴雨徑流中6種PAHs組分的平均質(zhì)量濃度均顯著或極顯著的減??；其中：草被地表徑流中除了BbF濃度凈減29.5%外、其余組分的平均質(zhì)量濃度相對凈減在52.1%—69.0%之間，針闊混交林地表暴雨徑流中6種組分的質(zhì)量濃度相對凈減范圍在 45.2%—57.8%間；常綠闊葉林地表暴雨徑流中除了BbF濃度相對減小 36.2%外、其余組分質(zhì)量濃度相對減小在45.0%—57.1%之間。反映出草被、森林地表墊面相比瀝青地表墊面，對暴雨地表徑流中PAHs代表組分表現(xiàn)出極顯著的生態(tài)儲濾效應(yīng)。而相比暴雨中 6種PAHs代表組分的平均質(zhì)量濃度，水泥、草被地表墊面的暴雨地表徑流中除FLA、BbF的質(zhì)量濃度分別相對增加外、其余組分濃度均相對減小；2類森林地表墊面的暴雨地表徑流中6種PAHs組分的質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為相對減小。其中，草被地表墊面對暴雨中BkF、IcdP、BaP濃度，針闊混交林地表墊面對暴雨中BbF、BaP濃度，常綠闊葉林地表墊面對暴雨中BghiP、BaP的質(zhì)量濃度均表現(xiàn)出較大的凈儲濾效應(yīng)；尤是對暴雨中BaP質(zhì)量濃度的儲減率均較大，從而可有效地防止暴雨地表流水體的毒性污染。

圖5 不同地表徑流中6種PAHs的質(zhì)量濃度相比瀝青地表徑流、暴雨中相應(yīng)的凈增減Fig. 5 Change of 6 kinds PAHs in surface runoff of different surface cushion relative to Asp. R (a) or RS (b) in test area

2.1.4 森林及不同地表墊面暴雨地表徑流中 PAHs其余10組分質(zhì)量濃度比較

林區(qū)暴雨及各下墊面地表徑流中PAHs的其余10組分以2—3環(huán)、4環(huán)PAHs組分為主，其各組分的質(zhì)量濃度15—20次檢測結(jié)果見圖6；暴雨徑流中PHE、NAP質(zhì)量濃度依次較高、平均達25.14、11.37 ng·L?1，占相應(yīng) PAHs總的濃度的 22.8%、10.3%；而暴雨與各地表徑流中 10組分濃度間的差異表現(xiàn)為：瀝青地表徑流與水泥地表、草被及2類森林地表徑流及暴雨在 PYR質(zhì)量濃度間均呈極顯著的差異（P=0.00009、0.00001、0.00006、0.0002、5.8E?08）；與草被、針闊葉混交林地表徑流及暴雨在CHR質(zhì)量濃度間也均呈極顯著差異（P=0.004、0.002、0.002）、而與水泥、常綠闊葉林的地表徑流CHR質(zhì)量濃度間有顯著差異（P=0.026、0.019）。暴雨中 ACE質(zhì)量濃度則與相應(yīng)在水泥地表、針闊葉混交林地表徑流中相應(yīng)濃度間分別呈極顯著、顯著差異（P=0.007、0.024）。瀝青與水泥、草被地表徑流中 PHE質(zhì)量濃度間分別有極顯著、顯著差異（P=0.003、0.045）、與草地、針闊葉混交林地表徑流中BaA質(zhì)量濃度間均有顯著差異（P=0.028、0.036）、而與水泥、草被地表徑流的DahA質(zhì)量濃度間均呈顯著差異（P=0.029、0.045）。

圖6 實驗區(qū)暴雨與森林及不同地表墊面地表徑流中10種PAHs組分質(zhì)量濃度Fig. 6 Mass concentration of 10 kinds PAHs in the rainstorms and surface runoff of different surface cushion in test area

依據(jù)草被及森林的暴雨地表徑流相比暴雨、瀝青地表徑流中這 10種 PAHs組分平均質(zhì)量濃度計量貯減、增加的效率（圖7）：草被、針闊葉混交林、常綠闊葉林地表墊面分別對暴雨中 10種 PAHs的7、6、6種組分的質(zhì)量濃度產(chǎn)生了生態(tài)儲存效應(yīng)（圖7a）；其中，草被地表墊面相對儲率較高的組分有NAP（24.0%）、ANT（31.5%）、ACE（35.2%）、BaA（36.7%），但也相對增加了暴雨地表徑流中 ANA（15.4%）等3種組分的質(zhì)量濃度；針闊混交林地表墊面儲率較高的有CHR（21.8%）、NAP（24.9%）、BaA（45.2%）、ACE（51.7%），相對增加了地表徑流中ANA（33.7%）等4種組分含量；常綠闊葉林儲率較高則有NAP（12.5%）、ACE（12.7%）、NAN（24.5%）、BaA（25.7%）、而地表徑流中相對增加PYR（39.6%）等4種組分含量。

相對于瀝青地表的暴雨徑流中10種PAHs質(zhì)量濃度（圖7b），草被、針闊混交林、常綠闊葉林地表墊面的暴雨地表徑流中極顯著地凈減的組分有：CHR（65.3%、71.5%、56.8%）、PYR（59.5%、60.0%、50.2%）、BaA（53.7%、59.7%、45.6%）。次外，草被地表墊面的暴雨地表徑流PHE、ANT質(zhì)量濃度也分別凈減小32.9%、20.3%而ANA、FLU則分別凈減28.3%、32.8%，但草被地表墊面使暴雨地表徑流中FLU（增32.8%）等3種組分的質(zhì)量濃度增加；針闊混交林地表墊面的暴雨地表徑流中ANT、ACE質(zhì)量濃度也分別相對凈減20.5%、18.4%，但地表徑流中ANA（增48.6%）等3組分質(zhì)量濃度相對增加；常綠闊葉林地表墊面的暴雨地表徑流中PHE、ANA的質(zhì)量濃度也分別相對凈減11.1%、16.0%而FLU、ACE則分別凈增33.5%、47.5%。

圖7 實驗區(qū)草被和森林地表徑流相比暴雨（a）與瀝青地表徑流（b）中10種PAHs質(zhì)量濃度的凈增減Fig. 7 Net change in 10 kinds PAHs in surface runoff of the forest and Gr.R relative to RS (a) and Asp.R (b) in test area

2.2 森林及不同地表下墊面的暴雨地表產(chǎn)流特征

2.2.1 實驗林區(qū)的森林、草被及水泥地表墊面的暴雨地表產(chǎn)流特征

實驗林區(qū) 22次暴雨的水泥地表徑流測定結(jié)果統(tǒng)計（圖8a），暴雨量與水泥地表徑流量間呈極顯著的線性關(guān)系（圖8b、R2=0.996），即水泥地表對暴雨的產(chǎn)流響應(yīng)為線性、極顯著水平；按觀測的暴雨量范圍50.3—81.3、118.9—243.9 mm統(tǒng)計，水泥地表相應(yīng)平均產(chǎn)流率分別達 (89.2%±3.2%)、(91.8%±2.5%)，大暴雨水泥地表產(chǎn)流率較暴雨相應(yīng)的平均高出 2.6%。總觀測暴雨量范圍 50.0—243.9 mm、水泥地表產(chǎn)流率平均達到 (90.0%±3.2%)；其中，大于平均產(chǎn)流率的暴雨次數(shù)占59.0%，水泥地表如此高的暴雨地表產(chǎn)流，易導(dǎo)致暴雨水患的形成。10次暴雨的雨量及特征因素，與水泥地表相應(yīng)徑流量相關(guān)分析，地表徑流量獨與暴雨量極顯著的相關(guān)（R=0.998，P<0.001），而與暴雨歷時呈一定相關(guān)但不顯著（R=0.58、P=0.102）。

圖8 實驗區(qū)3年的暴雨量與水泥地表徑流量（a）及其兩者間的關(guān)系（b）Fig. 8 RS volume and Ce.R for 3 years (a) and the relationship between both (b)

實驗林區(qū) 24次暴雨及草被地表徑流量測定結(jié)果統(tǒng)計（圖9a），暴雨量與草被地表徑流量間存在著極顯著的對數(shù)回歸關(guān)系，即地表徑流量隨暴雨量的遞增則以對數(shù)關(guān)系的遞增。草被地表對應(yīng) 24次暴雨的產(chǎn)流率變化在3.1%—10.3%之間，其中，暴雨、大暴雨地表產(chǎn)流率平均分別為 (6.02%±1.88%)、(7.65%±0.96%)；草被地表墊面顯著地改變了土壤水文特性，尤其是增加對暴雨地表水的持續(xù)下滲機制，使暴雨地表產(chǎn)流率相對水泥地相應(yīng)的成倍降低。而草被增長與覆蓋度也顯著影響其地表產(chǎn)流量（圖9b），據(jù)2020年相比于2018年統(tǒng)計，實驗地表徑流場草被的平均高、覆蓋度分別增加 2.6倍及10.7%，則草被地表的暴雨產(chǎn)流率平均相對下降了1.5%，表現(xiàn)在暴雨、大暴雨產(chǎn)流率平均則相對降低2.6%、0.71%；表明地表草被覆蓋度的提高應(yīng)對暴雨量級的地表產(chǎn)流量消減效率較大。

圖9 草被地表徑流量與暴雨量間的關(guān)系（a）及暴雨徑流率隨草被覆蓋度的變化（b）Fig. 9 Relationship between Gr.R and RS (a) and the change of runoff rate with surface coverage of grass (b)

森林地表墊面的降雨冠截留生態(tài)效應(yīng)是城市地表抵御暴雨的首要屏障功能。據(jù)觀測，帽峰山常綠闊葉天然次生林、針闊葉混交林的暴雨冠層截留率平均分別為12.6%、9.5%、前者高3.1%；且冠截留率隨暴雨量的增加以極顯著的冪關(guān)系特性衰減（圖10）。暴雨冠層截留效應(yīng)不僅截留暴雨量、更顯著地降低了到達林地的雨水能量及侵蝕力（陳步峰等，1998），從而使林地地表徑流效率降低。

圖10 兩種森林類型的暴雨量與相應(yīng)的林冠層截留率間的關(guān)系Fig. 10 The relationship between rainstorm and interception rate by the forest crown for the two types of forest area

森林地表墊面在 20次暴雨的地表徑流量統(tǒng)計（圖11），針闊葉混交林、常綠闊葉林的地表徑流量隨暴雨量的增加均呈極顯著的對數(shù)遞增關(guān)系，在暴雨量級的地表徑流量變化在0.6—4.7 mm間、對應(yīng)的地表產(chǎn)流率范圍分為 1.05%—5.77%、1.15%—5.57%，針闊混交林的地表產(chǎn)流率平均相對高出0.40%；大暴雨量級兩類森林地表徑流量在4.9—9.5 mm間、地表產(chǎn)流率的平均分別為4.5%、4.2%，針闊葉混交林產(chǎn)流率高出 0.3%；整暴雨量觀測范圍內(nèi)，針闊葉混交林及常綠闊葉林的地表徑流率平均分別為3.7%、3.3%，較草被地表徑流率還小的生態(tài)機制在于：森林的冠層截留、喬灌木根系對土壤結(jié)構(gòu)的影響而使林地雨水下滲的生態(tài)水文機制更強。

圖11 針闊混交林（a）、常綠闊葉林（b）的地表產(chǎn)流量與相應(yīng)的暴雨量的關(guān)系Fig. 11 The relationship between rainstorm and CBFR (a), BFR (b) in experimental area

2.2.2 實驗林區(qū)森林及不同下墊面的暴雨產(chǎn)流率及效率比較

依據(jù)實驗林區(qū)2種森林類型、草被、水泥地表下墊面的暴雨地表徑流率的統(tǒng)計（圖12）；水泥地表墊面在暴雨、大暴雨量的地表產(chǎn)流率平均分別為89.2%、91.8%，分別是草被、針闊葉混交林、常綠闊葉林地表產(chǎn)流率的14.8、26.1、29.6倍和12.1、20.6、22.0倍；而整個觀測暴雨范圍內(nèi)，水泥地表的暴雨徑流率平均則是草被、兩類森林相應(yīng)的13.9、24.5及27.2倍；地表墊面的差異而形成暴雨地表產(chǎn)流上的巨大差異。暴雨及大暴雨級，草被地表產(chǎn)流率平均分別為6.0%、7.6%、分別常綠闊葉林相應(yīng)的2.00、1.77倍、針闊葉林混交林相應(yīng)的 1.81、1.70倍；而在整個觀測的暴雨范圍內(nèi)，針闊葉林混交林、常綠闊葉林的地表產(chǎn)流率平均分別是3.7%、3.3%，分別僅為草被地表相應(yīng) 0.57、0.51；表明森林下墊面尤以常綠闊葉林，應(yīng)對暴雨極顯著消減地表徑流的生態(tài)效應(yīng)最為顯著。

圖12 實驗區(qū)不同地表墊面的地表暴雨產(chǎn)流率比較Fig. 12 Rainstorm runoff rate on the different surface cushion in experimental forest area

2.3 城市森林及不同地表墊面對暴雨地表徑流PAHs、TOC通量的生態(tài)影響

2.3.1 森林及各下墊面的年暴雨地表徑流∑16PAHs、TOC通量及生態(tài)儲存效益

選取暴雨多發(fā)及較少的 2018、2020年的暴雨量、各下地表墊面徑流量及PAHs的通量統(tǒng)計（圖13a、b）；兩年里實驗區(qū)分別遭遇了12、8次暴雨、總雨量分別為1025.1、722.4 mm，暴雨攜帶∑16PAHs通量分別為 1054.3、727.9 mg·hm?2·a?1；水泥地表上90.8%的年暴雨量以徑流輸入環(huán)境、年地表徑流中∑16PAHs通量占暴雨相應(yīng)的年均為84.7%。相比水泥地表的年暴雨徑流量及∑16PAHs通量，草被、針闊混交林及常綠闊葉林的地表墊面相應(yīng)的年均減少徑流量92.5%、95.6%、96.1%、減少Σ16PAHs通量的92.3%、95.5%、96.4%。表明地表草被、森林植被墊面首先是對暴雨地表產(chǎn)流量的極大消減、其次是對徑流PAHs濃度有效儲減，進而更大地消減地表徑流PAHs通量；尤在森林地表墊面相對草被地表的年徑流和∑16PAHs通量分別小3.1%、3.6%和3.2%、4.1%；體現(xiàn)在森林的暴雨水文界面即冠層、地被層及土壤層的生態(tài)水文效率更加顯著。

圖13 實驗區(qū)年暴雨量與不同地表墊面年地表徑流量及∑16PAHs通量（a、b）Fig. 13 Annual rainstorm and runoff flux, ∑16PAHs flux for the different surface cushion in test area (a, b)

森林及不同地表墊面的年暴雨與地表徑流TOC的通量統(tǒng)計結(jié)果（圖14a），2年的暴雨TOC通量分別為 50.6、35.7 kg·hm?2·a?1，年水泥地表徑流的TOC通量分別相對暴雨相應(yīng)地凈增加33.1%、46.3%。草被及森林地表下墊面的年地表徑流TOC通量占年暴雨相應(yīng)的平均分別為 16.8%、10.7%、9.4%，其儲存年暴雨 TOC量的生態(tài)效益達到極顯著水平（圖14b）。相比于水泥地表的年暴雨產(chǎn)流TOC通量，草被、2類森林地表墊面的暴雨地表徑流TOC通量分別年均凈減小87.9%、92.3%、93.3%（圖14c）。表明城市森林或草被地表下墊面在暴雨地表徑流過程中，暴雨中總有機碳的通量被植被墊面大量貯存；且相比地表水泥墊面，森林地表墊面對年徑流TOC的生態(tài)儲濾功能更為顯著。

圖14 年暴雨及不同地表墊面地表徑流TOC通量（a）及相對貯存率（b、c）Fig. 14 Annual TOC flux (a) and relative decrease by rainstorm and surface runoff on different surface cushion in test area

2.3.2 森林及草被墊面相對年暴雨、水泥地表徑流中PAHs代表通量的生態(tài)儲存

實驗林區(qū) 2018、2020年暴雨攜 FLA、BbF、BkF、BaP、IcdP、BghiP通量統(tǒng)計，年暴雨中6組分的通量和分別為 307.6、200.5 mg·hm?2·a?1，占相應(yīng)年暴雨中∑16PAHs總的通量的平均為31.9%，水泥地表年暴雨徑流中6組分的通量和占相應(yīng)暴雨通量的平均達91.3%。依據(jù)年暴雨與各地表墊面的地表徑流中6組分PAHs的通量差計量，圖15a結(jié)果反映出，草被及森林地表墊面的年暴雨地表徑流中6組PAHs通量相對相應(yīng)暴雨的凈減率均值分別為：草被為 (93.3%±1.2%)、變幅 90.6%—94.2%（FLA最小、BaP最大）；針闊混交林為 95.3%、變幅93.3%—96.3%（BaP最小、FLA及BbF最大）；常綠闊葉林為 (96.2%±0.7%)、變幅 95.0%—97.2%（BbF最小、FLA最大）；森林地表墊面尤是常綠闊葉林的生態(tài)貯存功能相對最高。同樣，相對于水泥硬質(zhì)地表的年暴雨徑流PAHs的6種代表物通量圖15b，草被及森林地表墊面的年暴雨地表徑流中6組PAHs通量的平均凈減率依次為：草被的相對凈減變幅92.9%—95.9%（FLA最小、BaP最大）、平均為 (94.2%±0.9%)；針闊混交林的相對凈減率變幅95.1%—97.6%（BaP最小、BbF最大）、平均為(95.9%±1.0%)，常綠闊葉林的相對凈減率則在96.2%—97.2%間（BghiP最小、BkF最大）、平均達(96.7%±0.4%)；草被、森林地表墊面同樣便顯出極顯著的生態(tài)貯存功能；故而，森林及草被對極端暴雨及6種優(yōu)先控制PAHs組分在地表流的顯著去除機制，極有利于輸出水環(huán)境的生態(tài)健康安全保護。

圖15 相對年暴雨及水泥地表徑流中PAHs代表物通量、森林及草被地表徑流中的凈減率（a、b）Fig. 15 Relative to annual PAHs representative flux in RS (a)and Ce.R (b), net decrease in Gr.R and BF R of test area

2.3.3 森林及草被下墊面相對年暴雨與水泥地表徑流中PAHs其余組分通量的生態(tài)貯存效應(yīng)

實驗林區(qū)暴雨及森林、草地及硬質(zhì)地表產(chǎn)流中PAHs的其余10種組分的年通量對比反映出，相比于年暴雨10種PAHs組分的通量（圖16a），草被地表徑流相應(yīng)通量年均凈減在 91.5%—95.0%間（PYR最小、ACE及 BaA最大）、平均為(93.4%±1.2%)；針闊葉混交林地表徑流相應(yīng)的通量年均凈減94.3%—96.9%之間（PYR最小、ACE最大）、平均為 (95.7%±0.8%)；而常綠闊葉林年均凈減在95.6%—98.0%之間（PYR最小、ACE最大）、平均為 (96.8%±0.6%)。相比于水泥地表的年暴雨徑流中10種PAHs組分通量（圖16 b），草被地表徑流相應(yīng)的年均凈減在90.6%—95.5%之間（ACE最小、BaA最大）、平均為 (93.1%±1.6%)；針闊葉混交林地表徑流相應(yīng)的年均凈減在 93.6%—97.6%之間（ANA最小、CHR最大）、平均為 (95.1%±1.1%)；而常綠闊葉林地表徑流相應(yīng)的年均凈減則在95.9%—97.1%之間（ANT最小、CHR最大）、平均為 (96.7%±0.6%)；仍以森林地表墊面相應(yīng)的儲濾效應(yīng)相對較高。

圖16 相對于年暴雨量及水泥地表徑流中10種PAHs通量（a、b），草被、森林相應(yīng)的年凈減率Fig. 16 Relative to annual flux of 10 kinds PAHs in RS (a) and Ce.R (b), the decrease of the Gr.R and BF R in test area

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

（1）廣州帽峰山實驗林區(qū)，暴雨及各地表墊面徑流PAHs質(zhì)量濃度檢測結(jié)果，與美國南卡羅來納州不同城市暴雨徑流中 PAHs檢測結(jié)果較接近（Ngabe et al.，2000）；而水泥、瀝青地表暴雨徑流的質(zhì)量濃度，均小于國內(nèi)多個城市相關(guān)硬質(zhì)地表降雨徑流PAHs濃度檢測結(jié)果（張巍等，2008；武子瀾等，2014；謝繼峰等，2015）；原因可能在于：其一，供試檢測點的環(huán)境影響；本文實驗測試點距廣州市25 km且以連綿山林為相隔，林區(qū)供試的水泥、瀝青地表不通行機動車更不受密集機動車排放影響，同時少城市環(huán)境的干擾，為暴雨及各地表產(chǎn)流PAHs濃度較小原因之一。其二，實驗觀測林區(qū)周邊無工業(yè)性或石油類的影響，加之森林地表墊面的蒸騰及小氣候特點，使得林區(qū)測點暴雨濕沉降中PAHs的濃度受到影響呈較低含量。其三，地處華南腹地廣州城市區(qū)，近幾年林區(qū)年雨量均大于1600.0 mm，且雨量的84%集中在雨季5—10月，頻繁的降雨對林區(qū)低層空氣的淋洗效應(yīng)，使得暴雨P(guān)AHs濃度下降成為可能。

（2）草被與森林地表墊面的在影響暴雨水文效應(yīng)差別；已有較多的研究，然對自然大面森林生態(tài)系統(tǒng)的暴雨—徑流效應(yīng)一直作為重點（陳步峰等，1998），特別在城市區(qū)如廣州帽峰山的天然常綠闊葉次生林的暴雨水文響應(yīng)、對降雨 PAHs的儲濾效應(yīng)的系統(tǒng)界面特別是土壤水文界面的影響被逐漸重視（Chen et al，2015；陳步峰等，2010；張娜等，2010；鄒志謹(jǐn)?shù)龋?017）；基于逐漸的定位研究積累，本實驗研究關(guān)注之一是多地表墊面定位應(yīng)對暴雨的地表產(chǎn)流及致癌物質(zhì)PAHs的差異，二則是草被與天然森林地表墊面對暴雨產(chǎn)流影響特性的差異解析：與草被地表墊面相比，森林地表墊面對于暴雨地表產(chǎn)流的生態(tài)水文效應(yīng)相對較大；故認(rèn)為：因喬木根系（根生長過程的空間影響）顯著地改變森林土壤結(jié)構(gòu)以至于影響土壤水分下滲能力，故而在與草被土壤相比存在水分下滲能力上的差異；另外，相對于草被地表墊面，森林的林冠層對暴雨截留效應(yīng)，顯著地改變了到達林地雨水的能量、侵蝕力，加之枯落物層的緩沖、吸儲性能，其個水文界面影響合力表征在—顯著地消減暴雨地表徑流、涵養(yǎng)暴雨化學(xué)物能力較供試的草被地表墊面相對較大。

3.2 結(jié)論

（1）廣州帽峰山林區(qū)3年24次暴雨及森林與不同地表墊面地表徑流的對比實驗，水泥地表的暴雨平均產(chǎn)流率達 (90.0%±3.2%)，分別是草被、針闊葉林及常綠闊葉林地表暴雨產(chǎn)流率的 13.9、24.5、27.2倍；其年徑流量占暴雨量的平均大為90.8%，草被、針闊混交林及常綠闊葉林的年暴雨地表徑流量則相對于水泥地表相應(yīng)減小率平均分別達92.5%、95.6%、96.1%。水泥地表徑流量與暴雨量間存在極顯著的線性關(guān)系，而草被、森林地表徑流量與暴雨量間則均為極顯著的對數(shù)關(guān)系；草被的覆蓋度增長與地表的暴雨產(chǎn)流率存在顯著的負(fù)相關(guān)性。森林的冠截留、土壤持續(xù)滲透特性對暴雨地表產(chǎn)流量消減效應(yīng)顯著。

（2）實驗林區(qū)瀝青地表暴雨徑流中溶解相∑16PAHs總的質(zhì)量濃度平均達 (154.4±52.2) ng·L?1，是的草被、針闊葉林及常綠闊葉林相應(yīng)的1.7、1.6.及1.5倍，而暴雨中∑16PAHs總的平均質(zhì)量濃度較草被、森林地表徑流中相應(yīng)的高出幅度 27.5—14.1 ng·L?1間。因瀝青介質(zhì)對徑流中4環(huán)及高環(huán)PAHs貢獻相對較高，故相對暴雨瀝青地表徑流中6組PAHs代表物濃度平均增加幅度1.5 (BaP)—2.5倍 (FLA)；而草被、針闊葉林及常綠闊葉林地表墊面相對于瀝青地表暴雨徑流中6種代表組分的質(zhì)量濃度均有極其顯著的減少效應(yīng)；同時，草被與針闊葉林地表的暴雨徑流BaP平均質(zhì)量濃度均小于I類標(biāo)限；草被及2類森林地表的暴雨徑流與暴雨中BaP的質(zhì)量濃度相比、則依次凈減小了53.1%、23.5%、16.8%，并對暴雨P(guān)AHs的其余10組分中分別有7、6、6種組分的質(zhì)量濃度均產(chǎn)生顯著的去除效應(yīng)。

（3）實驗林區(qū)草被、針闊葉林及常綠闊葉林地表墊面的暴雨地表徑流中 TOC質(zhì)量濃度分別是暴雨、水泥地表雨徑流相應(yīng)濃度的2.6、2.8、2.7倍和1.6、1.8、1.7倍；表明森林、草被地表墊面尤是森林植被的地被層具相對富集的有機質(zhì)容量且在生化作用下，顯著增加了暴雨地表徑流中 TOC質(zhì)量濃度、減小了PAHs質(zhì)量濃度，使草被、森林地表暴雨徑流∑16PAHs/TOC的質(zhì)量濃度比相對暴雨相應(yīng)的依次凈減小38.4%、47.8%、62.0%。

（4）依據(jù)林區(qū)不同地表墊面在暴雨豐、欠年的地表徑流中PAHs、TOC通量計量對比；草被、森林墊面相對年暴雨∑16PAHs通量分別平均貯存94.2%、96.5%，而相對水泥地表年暴雨徑流∑16PAHs通量則分別凈減少93.2%、96.0%；草被、針闊葉混交林、常綠闊葉林地表下墊面的年地表徑流 TOC通量占年暴雨相應(yīng)的平均分別為 16.8%、10.7%、9.4%，占年水泥地表徑流相應(yīng)的通量的平均分別12.1%、7.7%、6.7%，而相比于年暴雨徑流6種PAHs代表物、其余10組分的通量年均凈減率分別大于93.0%、95.0%、96.0%。森林地表墊面對暴雨及PAHs通量的生態(tài)水文貯存效率更為顯著。