北亞熱帶東部次生闊葉林降水過(guò)程中的鎘、鉛、砷含量變化

錢學(xué)詩(shī)，李勇，錢壯壯，葛曉敏，唐羅忠*

1. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 青田縣林業(yè)局，浙江 麗水 323900；3. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所自然保護(hù)與生物多樣性研究中心/國(guó)家環(huán)境保護(hù)生物安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042

近幾十年以來(lái)，隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，人類向大氣排放的污染物種類和數(shù)量不斷增加，其中重金屬因其毒性強(qiáng)、分布廣、降解難、危害周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)（姚琳等，2012）。大氣中的重金屬容易富集在氣溶膠顆粒上，通過(guò)重力沉降、湍流擴(kuò)散、雨雪降淋等作用，以干沉降和濕沉降形式進(jìn)入地球表面（王夢(mèng)夢(mèng)等，2017）。研究表明，大氣沉降占農(nóng)田土壤Cd、Pb和As總輸入量的20%—85%；在南方降水量較大的平原地區(qū)，通過(guò)降雨沉降的As、Cd則可達(dá)總沉降量的90%以上（Hou et al.，2014；李定遠(yuǎn)等，2008）。在重金屬污染中，Cd、Pb和As都是生物毒性很強(qiáng)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)很高的有害重金屬，容易通過(guò)食物鏈侵入人體，對(duì)健康造成威脅，因此已被納入中國(guó)重金屬污染防治規(guī)劃中（田賀忠等，2012）。所以，研究降水中的Cd、Pb和As含量變化規(guī)律對(duì)于評(píng)估區(qū)域環(huán)境的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

森林是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)平衡和改善生態(tài)環(huán)境的重要基礎(chǔ)，它不僅能吸收和滯納大氣污染物，凈化大氣環(huán)境，而且能調(diào)節(jié)和凈化流域水質(zhì)（韓春等，2019）。一些污染物以大氣降水為載體，經(jīng)過(guò)林冠、樹干、凋落物和土壤的截留、吸收和轉(zhuǎn)化后含量會(huì)明顯降低；同時(shí)，森林各個(gè)組分在降水過(guò)程中也會(huì)淋溶和釋放部分污染物（馬明等，2017）?；诓煌貐^(qū)的大氣污染狀況，以及氣象、地形、土壤和森林類型存在差異，森林對(duì)重金屬元素的截留或釋放作用也存在差異。目前，關(guān)于森林降水過(guò)程中Cd、Pb、As變化特征的研究多集中在暖溫帶的秦嶺（張勝利，2009；梁翠萍等，2011）、中亞熱帶的重慶（孫濤等，2016；張淑芬等，2017）和四川（林靜等，2013）以及南亞熱帶的廣東（陳步峰等，2004）等地區(qū)，北亞熱帶森林的相關(guān)研究較少且主要位于生態(tài)保護(hù)區(qū)域，例如康希睿等（2021）在浙江省廟山塢開展了3種林分對(duì)降雨中重金屬調(diào)控作用的研究。江蘇省句容市下蜀鎮(zhèn)毗鄰南京市，人口多，交通發(fā)達(dá)，工礦企業(yè)密集，是江蘇省重要的工業(yè)集中區(qū)。本文通過(guò)對(duì)該區(qū)域大氣降雨、麻櫟+楓香混交林林內(nèi)雨、樹干莖流、地表徑流的Cd、Pb和As含量進(jìn)行調(diào)查與分析，擬揭示森林不同組分對(duì)降水過(guò)程中重金屬的截留能力和凈化作用，解析重金屬污染源，為防治重金屬污染，發(fā)揮森林的環(huán)境凈化功能提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省句容市境內(nèi)的南京林業(yè)大學(xué)下蜀林場(chǎng)空青山（32°13′N，119°20′E）（圖1），屬于寧鎮(zhèn)山脈東段，最高海拔322.6 m，坡度10°—30°；北亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫15.2 ℃，極端最高氣溫39.6 ℃，極端最低氣溫?16.7 ℃，年均降水量1055.6 mm，主要集中在6—8月。土壤類型為黃棕壤，質(zhì)地較粘。地帶性植被為帶有常綠植物的落葉闊葉林，以殼斗科櫟屬落葉樹種為主，屬于北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的植被類型。

圖1 下蜀林場(chǎng)區(qū)位圖Figure 1 The place of Xiashu forest farm

本研究以20世紀(jì)50年代封山育林后恢復(fù)形成的次生落葉闊葉混交林為研究對(duì)象，林分位于空青山東南坡。森林群落保存完好，大喬木主要有麻櫟（Quercus acutissima）和楓香（Liquidambar formosana），并有少量栓皮櫟（Q.variabilis）；小喬木和灌木主要有短柄枹（Q.glandulifera）、白檀（Symplocos paniculata）、刺楸（Kalopanax septemlobus）、杜鵑（Rhododendron simsii）、構(gòu)骨（Ilex cornuta）、絡(luò)石（Trachelospermum jasminoides）和菝葜（Smilax china）等；草本層較少，以麥冬（Ophiopogon japonicus）和蕨類植物為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置和樣品采集

2015年1月，根據(jù)典型性和代表性原則，在麻櫟與楓香天然次生混交林內(nèi)設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的固定樣地。調(diào)查林分及土壤基本情況見(jiàn)表1和表2。

表1 林分優(yōu)勢(shì)木基本情況Table 1 Basic characteristics of dominant trees in stand

表2 林地土壤表層（0—15 cm）理化性質(zhì)Table 2 Physicochemical properties of the surface soil(0–15 cm) in the sample plot

采集的降水類型分別為大氣降雨、林內(nèi)雨、樹干莖流和地表徑流，采樣時(shí)間為2015年1—12月。采樣方法如下。

大氣降雨：在林分外選擇一空曠地，將3個(gè)容積為18.9 L的塑料桶（口徑5 cm）用沙袋固定在空地上，將口徑為27 cm的大塑料漏斗固定在塑料桶口，以承接林外降水。為防止植物碎片、昆蟲等雜物混入桶中，將孔徑為l mm的尼龍網(wǎng)置于漏斗口處進(jìn)行過(guò)濾。

林內(nèi)雨：在固定樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè) 15個(gè)容積為11.3 L的塑料桶（口徑5 cm），用沙袋固定，將口徑為27 cm的大塑料漏斗固定在塑料桶口，以承接林內(nèi)降水。為防止植物碎片、昆蟲等雜物混入桶中，將孔徑為l mm的尼龍網(wǎng)置于漏斗口處進(jìn)行過(guò)濾。在調(diào)查和采集水樣時(shí)，每個(gè)樣地5個(gè)塑料桶的水樣混合后取樣作為1個(gè)混合樣，即形成3個(gè)混合林內(nèi)雨水樣。

樹干莖流：對(duì)固定樣地中的林木進(jìn)行每木檢尺，選擇3株麻櫟平均木和3株楓香平均木，并考慮樹冠的代表性。將內(nèi)徑約3 cm，長(zhǎng)約2 m的塑料軟管對(duì)稱剖開，將塑料管凹槽朝上，S形纏繞固定在選定的樹干上，并用玻璃膠填充塑料管與樹皮之間的縫隙。將塑料管尾部插入容積為70 L的塑料桶中，用以收集樹干莖流。為防止植物碎片、昆蟲等雜物混入桶中，將孔徑為l mm的尼龍網(wǎng)置于塑料管與盛水容器連接處進(jìn)行過(guò)濾。

地表徑流：在固定樣地中選擇3處有代表性的坡面，用硬質(zhì)塑料板在地表圍一個(gè)面積為4 m2大小的小型圍堰，在下坡面埋設(shè)帶蓋的大型塑料桶，通過(guò)三角形引水槽將地表徑流引入塑料桶中。為防止植物碎片、昆蟲、土塊等雜物混入桶中，將孔徑為l mm的尼龍網(wǎng)置于引水槽與塑料桶之間進(jìn)行過(guò)濾。

每次比較大的降水（能收集到各類降水）后及時(shí)測(cè)量和記錄各類降水體積，并用聚氯乙烯塑料瓶采集水樣，放入?18 ℃的冰箱中保存，以待分析。以上器材和集水容器在使用前均用自來(lái)水和蒸餾水洗凈。

1.2.2 樣品測(cè)定

參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì) 65種元素的測(cè)定電感耦合等離子體質(zhì)譜法》（HJ 700—2014），利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，Perkin Elmer NexION300，USA）測(cè)定各類水樣的 Cd、Pb、As質(zhì)量濃度。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

1.2.3.1 降水量、重金屬年均加權(quán)質(zhì)量濃度以及通量的計(jì)算

（1）降水量（P，mm）

大氣降雨量、林內(nèi)雨量根據(jù)收集降水的漏斗口徑面積推算；樹干莖流量根據(jù)單位面積內(nèi)樹木株數(shù)推算；地表徑流量根據(jù)徑流場(chǎng)面積推算。

（2）各類降水中重金屬年均加權(quán)質(zhì)量濃度（C，μg·L?1）

式中：

Ci——單場(chǎng)降雨后測(cè)定的重金屬質(zhì)量濃度（μg·L?1）；

Pi——相應(yīng)的降水量（mm）；

n——測(cè)定的降水次數(shù)。

（3）各類降水中重金屬離子通量（F，g·hm?2）

式中各符號(hào)含義同上。

1.2.3.2 大氣降水中重金屬污染源解析方法

聚類分析和因子分析相結(jié)合是重金屬污染源解析的有效方法（Fu et al.，2013）。本文的聚類分析采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)衡量變量間的相似度，每?jī)蓚€(gè)樣本間采用組間平均法連結(jié)。因子分析采用KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）和Bartlett球形度檢驗(yàn)后，采用主成分分析法提取因子，用最大方差法對(duì)載荷矩陣進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)（Fu et al.，2013）。

1.2.3.3 林內(nèi)降水中淋溶效應(yīng)分析方法

參考方江平等（2010）的研究方法，選用凈淋溶量和淋溶系數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，其中凈淋溶量是林內(nèi)雨或樹干莖流、地表徑流中重金屬質(zhì)量濃度與大氣降雨中重金屬質(zhì)量濃度的差值；淋溶系數(shù)是林內(nèi)雨或樹干莖流、地表徑流中重金屬質(zhì)量濃度與大氣降雨中重金屬質(zhì)量濃度的比值。

以上數(shù)據(jù)分析由 SPSS 24和 Microsoft Excel 2019完成，運(yùn)用Origin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型降水的水量年動(dòng)態(tài)

從2015年1—12月對(duì)大氣降水（林外雨）、林內(nèi)雨、樹干莖流和地表徑流進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（圖2），全年共有 23次較大的降水（無(wú)法收集到水分的降水事件未計(jì)入），年降水量為1763.1 mm（表3），是常年平均降水量（1055.6 mm）的1.7倍左右。不同月份之間差異較大，其中1月份沒(méi)有觀測(cè)到明顯降水，2月的降水量也較小，3—5月有所增多；6月有3次大的降水，累計(jì)降水量達(dá)643.9 mm，占全年的 36.52%；7、8月降水雖有所減少，但仍然較大，分別占全年降水量的8.98%和10.26%；從9—12月降水量減少。所以，大氣降水主要集中在6—8月，其占全年總降水量的55.76%。林內(nèi)雨、樹干莖流和地表徑流的水量動(dòng)態(tài)與大氣降水基本一致。林內(nèi)雨和樹干莖流年累積量分別為1602.49 mm和67.19 mm，分別占大氣降水量的90.89%和3.81%；地表徑流年累積量為240.23 mm（表3）。

圖2 2015年研究地不同類型降水的水量動(dòng)態(tài)Figure 2 Rainfall dynamics of various precipitation types in the study area in 2015

表3 大氣降雨、林內(nèi)雨、樹干莖流和地表徑流的年累積量Table 3 Accumulation of bulk precipitation, throughfall,stemflow and surface runoff in 2015

2.2 不同類型降水中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)

2.2.1 大氣降雨中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)

由圖3可知，大氣降雨中的Cd質(zhì)量濃度變化范圍為 0.071—0.246 μg·L?1，Pb 質(zhì)量濃度的變化范圍為 0—0.452 μg·L?1，As 質(zhì)量濃度的變化范圍為0.222—2.724 μg·L?1。Cd、Pb、As的年加權(quán)平均質(zhì)量濃度分別為 0.114、0.151、0.681 μg·L?1，表現(xiàn)為As>Pb>Cd。Cd和As的質(zhì)量濃度在6—8月較低，2—5月和 9—12月較高；Pb的質(zhì)量濃度在 7—12月較低，2—6月較高。大氣降雨中3種元素基本上都達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）I類要求。

圖3 大氣降雨中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)Figure 3 Dynamics of Cd, Pb and As concentrations in bulk precipitation

2.2.2 林內(nèi)雨中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)

由圖4可知，林內(nèi)雨中Cd質(zhì)量濃度的變化范圍為 0.036—0.293 μg·L?1，Pb 質(zhì)量濃度的變化范圍為 0.074—1.933 μg·L?1，As質(zhì)量濃度的變化范圍為0.461—3.235 μg·L?1。Cd、Pb、As的年加權(quán)平均質(zhì)量濃度分別為 0.097、0.413、0.934 μg·L?1，表現(xiàn)為As>Pb>Cd，與大氣降雨相同。Cd和 As的質(zhì)量濃度在6—8月較低，2—5月和9—12月較高；Pb的質(zhì)量濃度在6—12月較低，2—5月較高。林內(nèi)雨中3種元素基本上都達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）I類要求。

圖4 林內(nèi)雨中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)Figure 4 Dynamics of Cd, Pb and As concentrations in throughfall

2.2.3 樹干莖流中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)

由圖5和圖6可知，麻櫟和楓香樹干莖流中Cd的年加權(quán)平均質(zhì)量濃度分別為0.397 μg·L?1和0.402 μg·L?1，變化范圍分別為 0.031—1.777 μg·L?1和0.039—1.503 μg·L?1；Pb 的年加權(quán)平均質(zhì)量濃度分別為 3.943 μg·L?1和 3.588 μg·L?1，變化范圍分別為0.960—8.738 μg·L?1和 1.120—7.856 μg·L?1；As的年加權(quán)平均質(zhì)量濃度分別為 1.903 μg·L?1和 1.747 μg·L?1，變化范圍分別為 0.593—4.263 μg·L?1和0.566—4.268 μg·L?1。就年加權(quán)平均質(zhì)量濃度而言，表現(xiàn)為 Pb>As>Cd。3種重金屬的質(zhì)量濃度在6月明顯低于其他月份。麻櫟與楓香之間的 Cd、Pb、As質(zhì)量濃度差異較小，且變化趨勢(shì)一致。樹干莖流中3種元素基本上都達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）I類要求。

圖5 麻櫟樹干莖流中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)Figure 5 Dynamics of Cd, Pb and As concentrations in stemflow of Quercus acutissima

圖6 楓香樹干莖流中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)Figure 6 Dynamics of Cd, Pb and As concentrations in stemflow of Liquidambar formosana

2.2.4 地表徑流中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)

由圖7可知，地表徑流中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化與林內(nèi)雨相似，其中Cd質(zhì)量濃度的變化范圍為 0.017—0.301 μg·L?1；Pb 質(zhì)量濃度的變化范圍為 0.052—1.002 μg·L?1；As質(zhì)量濃度的變化范圍為 0.493—2.906 μg·L?1。Cd、Pb、As的年加權(quán)平均質(zhì)量濃度分別為 0.116、0.371、1.069 μg·L?1，表現(xiàn)為 As>Pb>Cd。Cd和 As的質(zhì)量濃度在 6—8月較低，其他月份均較高；Pb的質(zhì)量濃度在6—12月較低，2—5月較高。地表徑流中 3種元素基本上都達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）I類要求。

圖7 地表徑流中Cd、Pb、As的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)Figure 7 Dynamics of Cd, Pb and As concentrations in surface runoff

2.3 Cd、Pb、As質(zhì)量濃度與降雨量的相互關(guān)系

對(duì)各類型降水中的Cd、Pb、As質(zhì)量濃度與相應(yīng)的降雨量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（表4）表明，Cd、Pb、As質(zhì)量濃度與大氣降雨量、林內(nèi)雨量和樹干莖流量基本呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）負(fù)相關(guān)，與地表徑流量呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（P>0.05）。

表4 重金屬質(zhì)量濃度與不同類型降雨量的相關(guān)性Table 4 Correlation between heavy metal concentration and different types of rainfall

2.4 污染源解析及淋溶效應(yīng)分析

2.4.1 大氣降雨污染源解析

基于組間平均連接法的聚類分析結(jié)果（圖8）可以看出，本研究區(qū)大氣降雨中Cd與As的距離是1左右，它們與Pb之間的距離是25左右，因此可以認(rèn)為Cd和As的同源性較高，Pb可被單獨(dú)歸為一類。KMO的檢驗(yàn)系數(shù)為0.666，大于標(biāo)準(zhǔn)值0.50；Bartlett球形度檢驗(yàn)的顯著性為0.021，符合P<0.05的要求，表明重金屬質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)適合做因子分析。結(jié)果（表5）表明，因子分析所提取的2個(gè)主成分能累積解釋總方差的81.746%，說(shuō)明變量的大部分信息沒(méi)有損失，提取效果較好。PC1和PC2顯示重金屬污染源主要有2個(gè)，Cd和As在PC1上具有較高載荷，兩者表現(xiàn)出一致性，它們的方差貢獻(xiàn)率為47.462%；而Pb在PC2上具有較高載荷，方差貢獻(xiàn)率為34.284%。由此可見(jiàn)，聚類分析結(jié)果和因子分析結(jié)果在大氣降雨的重金屬污染源解析中具有較好的一致性。

圖8 大氣降雨重金屬的聚類分析Figure 8 Cluster analysis of heavy metals in bulk precipitation

表5 大氣降雨重金屬的旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 5 Rotational composition matrix of heavy metals in bulk precipitation

2.4.2 林內(nèi)雨、樹干莖流、地表徑流淋溶效應(yīng)分析

大氣降雨進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)后，與林冠、樹干、凋落物、土壤等發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，使降雨中的重金屬質(zhì)量濃度發(fā)生變化。表6為林內(nèi)雨、樹干莖流、地表徑流與大氣降雨的淋溶作用比較，結(jié)果表明，除了林內(nèi)雨的Cd以外，其他類型降水的重金屬年均質(zhì)量濃度均不同程度地高于大氣降雨，所以，除了林內(nèi)雨Cd的凈淋溶量表現(xiàn)為負(fù)值之外，其他類型降水中的重金屬凈淋溶量均表現(xiàn)為正值。麻櫟與楓香樹干莖流的重金屬年均質(zhì)量濃度、凈淋溶量和淋溶系數(shù)基本相同。在不同類型降水中，Cd和As的淋溶系數(shù)大小依次為林內(nèi)雨<地表徑流<樹干莖流，Pb依次為地表徑流<林內(nèi)雨<樹干莖流。在相同類型降水中，林內(nèi)雨和地表徑流的淋溶系數(shù)大小順序?yàn)?Cd

表6 各水文過(guò)程中重金屬的年均質(zhì)量濃度、凈淋溶量和淋溶系數(shù)Table 6 Annual weighted concentration, net leaching amount and leaching coefficient of heavy metals in the hydrologic processes

2.5 Cd、Pb、As輸入量與輸出量

表7為大氣降雨、林內(nèi)雨、樹干莖流、地表徑流中重金屬的年通量?？梢钥闯?，在大氣降雨中As的年通量最大，其次是Pb，而Cd最??；林內(nèi)雨和樹干莖流中 3種重金屬的總量達(dá) 26.429 g·hm?2·a?1，與大氣降雨相比，增加了 57.44%。，但是與大氣降雨相比，林內(nèi)雨的 Cd年通量降低了21.3%，Pb和As分別提高了152.7%和27.0%。樹干莖流和地表徑流中的重金屬質(zhì)量濃度雖然都比較高（表6），但是它們的年通量均小于大氣降水和林內(nèi)雨，其原因主要是樹干莖流量和地表徑流量明顯小于大氣降雨量和林內(nèi)雨量（表3）。

表7 各水文過(guò)程中的重金屬年通量Table 7 Annual fluxes of heavy metals in the hydrologic processes

3 討論

3.1 降水中Cd、Pb、As質(zhì)量濃度的季節(jié)性變化

本研究中的大氣降雨、林內(nèi)雨、樹干莖流和地表徑流等不同類型降水的Cd、Pb、As質(zhì)量濃度總體上表現(xiàn)為雨季低旱季高的趨勢(shì)。6—8月屬于本研究地的雨季，降水量大，對(duì)重金屬產(chǎn)生了稀釋效應(yīng)，導(dǎo)致重金屬質(zhì)量濃度處于較低水平。2—5月和9—12月屬于旱季，降水量小，對(duì)重金屬產(chǎn)生了濃縮效應(yīng)，導(dǎo)致重金屬質(zhì)量濃度處于較高水平（Zang et al.，2021）。此外，2—5月的重金屬質(zhì)量濃度也略高于9—12月，一方面可能是由于2—5月中每次的平均降水量總體低于9—12月，另一方面可能是1月沒(méi)有明顯降水，干沉降時(shí)間較長(zhǎng)，沉降物累積量較大，可供淋溶的重金屬數(shù)量增多（高郯等，2022）。通過(guò)對(duì)各類降水中的重金屬質(zhì)量濃度與其降雨量的相關(guān)性分析可知，與大氣降雨、林內(nèi)雨和樹干莖流相比，地表徑流中重金屬質(zhì)量濃度受降雨量的影響不顯著，這可能是由于地表土壤和凋落物對(duì)降水中的重金屬Cd、Pb和As具有較強(qiáng)的緩沖能力。

3.2 不同類型降水中的Cd、Pb、As質(zhì)量濃度差異

3.2.1 大氣降雨

大氣降雨中的重金屬主要來(lái)源于降水對(duì)氣溶膠的淋溶，其質(zhì)量濃度不僅受元素自身親水性影響，也受降水pH、降雨量以及風(fēng)速等因素的影響。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本研究的大氣降雨重金屬質(zhì)量濃度與南京市北郊（韓紅霞等，2017）相近，低于吉林長(zhǎng)春（楊忠平等，2009）、貴州都勻（趙曉韻等，2014）等城市，高于德國(guó)北部（Lorenz et al.，2021）、甘肅祁連山（趙宇豪等，2017）等地區(qū)。大氣降雨中的Cd、Pb、As等元素質(zhì)量濃度受人類活動(dòng)的影響較大（Abraham et al.，2018；田賀忠等，2012；康希睿等，2021）。As通常被認(rèn)為是燃煤的標(biāo)識(shí)組分（鄧林俐等，2020），Cd與煤、石油的燃燒以及冶煉等工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān)（Xu et al.，2014），Pb主要來(lái)源于燃煤、電鍍等工業(yè)生產(chǎn)以及汽車尾氣排放等交通污染（王楨等，2018）。本研究地位于江蘇鎮(zhèn)江句容市下蜀鎮(zhèn)，該區(qū)域及周邊地區(qū)的發(fā)電、水泥、石油化工等工礦企業(yè)眾多，人口密集，交通發(fā)達(dá)（圖1），大氣降雨中的As、Cd可能與該區(qū)域及周邊地區(qū)大量使用化石燃料有關(guān)。燃煤雖然也是Pb的來(lái)源之一，但與As和Cd的聚類距離較大（圖8），說(shuō)明本研究大氣降雨中 Pb的主要來(lái)源可能不是燃煤，而是該區(qū)域的交通污染。

3.2.2 林內(nèi)雨

林內(nèi)雨中的重金屬質(zhì)量濃度既受大氣降雨的影響，也受干沉降和植物枝葉性狀的影響。大氣中的部分顆粒物和氣體經(jīng)氣流傳輸沉降在植物枝葉表面，經(jīng)大氣降雨的淋溶作用，使林內(nèi)雨中的某些元素質(zhì)量濃度高于大氣降雨；但是枝葉也可能吸收大氣降雨以及干沉降中的某些元素，使之質(zhì)量濃度降低，因此林內(nèi)雨的化學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜（方江平等，2010）。本研究結(jié)果（表6）表明，麻櫟與楓香次生混交林林內(nèi)雨Cd的淋溶系數(shù)小于1，說(shuō)明該次生林林冠對(duì)大氣降雨中的Cd具有一定的吸收和凈化作用，這與大多數(shù)研究結(jié)果（Hou et al.，2005；張勝利，2009；梁翠萍等，2011；李偉等，2016；孫濤等，2016）一致。Gandois et al.（2010）和 Przybysz et al.（2014）研究認(rèn)為，降水中的Cd常以游離態(tài)形式存在于水體中，容易通過(guò)角質(zhì)層被植物葉片吸收，所以林冠對(duì)Cd常表現(xiàn)為凈化作用。劉永杰等（2014）研究發(fā)現(xiàn)秦嶺的銳齒櫟（Quercus alienavar.acuteserrata）林冠對(duì)大氣降雨中的Pb和As具有截留作用；康希睿等（2021）研究發(fā)現(xiàn)杉木（Cunninghamia lanceolata）和青岡（Cyclobalanopsis glauca）林冠可以淋溶Pb，截留As，本研究發(fā)現(xiàn)麻櫟與楓香混交林林冠對(duì)Pb和As的淋溶系數(shù)均大于1（表6），表現(xiàn)為凈淋溶。對(duì)于Pb和As元素的淋溶，不同研究結(jié)果之間的差異較大，難以得出統(tǒng)一結(jié)論。已有研究表明，森林冠層對(duì)重金屬的影響可能更多歸因于降雨對(duì)林冠表面干沉降物的淋溶（Schrijver et al.，2007；Shahid et al.，2017）。而Pb和As常以膠體形式存在于大氣顆粒物中，它們?cè)诹謨?nèi)雨中的含量受顆粒物粒徑大小、與顆粒物的結(jié)合方式、降水的理化性質(zhì)以及植物生理特性等多種因素的共同影響，在不同的環(huán)境下表現(xiàn)出不同的特征。

3.2.3 樹干莖流

樹干莖流是大氣降雨沿著樹枝和樹干流淌到根部的過(guò)程。樹干莖流的化學(xué)性質(zhì)受大氣降雨、林內(nèi)雨以及樹木分枝結(jié)構(gòu)和樹皮性狀的影響（葛曉敏等，2020）。本研究發(fā)現(xiàn)麻櫟和楓香樹干莖流中的Cd、Pb、As淋溶系數(shù)均高于其他類型降水，表現(xiàn)出明顯的淋溶作用，這與劉凱等（2013）對(duì)湖南湘潭錳礦區(qū)欒樹（Koelreuteria panicullata）林的研究結(jié)果相似，但與林靜等（2013）對(duì)四川岷江下游水杉（Metasequoia glyptostroboides）林的研究結(jié)果不同。其原因可能與大氣污染有關(guān)，大氣污染嚴(yán)重時(shí)，干沉降物增多，容易導(dǎo)致樹干莖流中的重金屬質(zhì)量濃度提高；此外，麻櫟和楓香的樹皮均比較粗糙疏松，比表面積大、富集的干沉降物多，在樹干莖流過(guò)程中，樹干表面的干沉降物被淋溶，且樹皮死細(xì)胞中的部分重金屬元素也會(huì)被樹干莖流淋溶，導(dǎo)致樹干莖流的重金屬質(zhì)量濃度明顯較高。

3.2.4 地表徑流

地表徑流中重金屬質(zhì)量濃度的變化主要受凋落物性狀和土壤性狀的影響。與大氣降雨相比，地表徑流中的Cd、Pb、As淋溶系數(shù)均大于1（表6），表現(xiàn)為正淋溶作用，這可能與地表凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的分解有關(guān)。已有研究（Chen et al.，2020；康希睿等，2021）表明，凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)在分解過(guò)程中能形成溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM），DOM含有大量的羧基、羥基等活性功能團(tuán)，能與重金屬產(chǎn)生螯合和絡(luò)合作用，形成可溶性的有機(jī)-金屬配合物，導(dǎo)致地表徑流中重金屬質(zhì)量濃度提高。DOM 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)，本研究地土壤表層富含有機(jī)質(zhì)，含量高達(dá)8.72%，故土壤表層DOM溶解重金屬的能力可能較強(qiáng)。程志輝等（2019）認(rèn)為，質(zhì)地柔軟、薄革質(zhì)化的葉片凋落物容易產(chǎn)生 DOM。本研究地的凋落物主要是麻櫟和楓香落葉，它們的角質(zhì)層較薄，也可能容易產(chǎn)生 DOM，從而導(dǎo)致地表徑流中的重金屬質(zhì)量濃度提高。此外，地表也會(huì)沉積大量的干沉降物（Scudlark et al.，2005），在地表徑流過(guò)程中，干沉降物中的重金屬被淋溶，導(dǎo)致質(zhì)量濃度升高。與林內(nèi)雨相比，地表徑流中Cd和As的質(zhì)量濃度仍然較高，但Pb質(zhì)量濃度略有降低，這可能是由于Pb與DOM間的絡(luò)合程度相對(duì)較弱（Goncalves et al.，2020）。例如，Zia et al.（2018）在有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤中研究發(fā)現(xiàn)，DOM 與土壤溶液中的Pb呈負(fù)相關(guān)。

3.3 Cd、Pb、As的輸入與輸出

不同類型的降水對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、生物生產(chǎn)以及生態(tài)系統(tǒng)的演化具有重要作用。大氣降雨不僅為森林生態(tài)系統(tǒng)提供了水分和養(yǎng)分，同時(shí)也輸入了Cd、Pb、As等污染物。本研究中通過(guò)大氣降雨向森林輸入的 3種重金屬年通量累計(jì)為16.786 g·hm?2·a?1，其中 As年通量最大，其次是 Pb，而 Cd最小，這與李定遠(yuǎn)等（2008）的研究結(jié)果相似。顧家偉（2019）研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)城市大氣重金屬污染水平大致呈Pb>As>Cd的規(guī)律。本研究區(qū)的As通量最高，可能與該區(qū)域工礦企業(yè)多、化石燃料使用量大等因素有關(guān)。王夢(mèng)夢(mèng)等（2017）總結(jié)了1995—2015年所發(fā)表的中國(guó)部分地區(qū)大氣重金屬沉降的研究結(jié)果，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本研究地大氣濕沉降的Pb質(zhì)量濃度位于全國(guó)濕沉降Pb質(zhì)量濃度的5%至 10%分位值之間，屬于輕度污染；Cd和 As位于25%的分位值水平，屬于輕度至中度污染。

林內(nèi)雨和樹干莖流是向林地土壤輸入污染物的直接途徑，本研究通過(guò)林內(nèi)雨和樹干莖流向林地輸入的 3種重金屬年通量累計(jì)為 26.429 g·hm?2·a?1，與大氣降雨相比，增加了 57.44%?？傮w上該次生闊葉混交林對(duì)大氣降雨中重金屬的污染有進(jìn)一步加劇的趨勢(shì)。這與Tan et al.（2019）在云杉（Picea asperata）人工林和 Scudlark et al.（2005）等在天然針闊混交林中的研究結(jié)果有所不同，這可能與樹種不同有關(guān)（Zhang et al.，2021）；此外，與研究區(qū)周圍污染狀況可能也有關(guān)。本研究表明林內(nèi)雨中重金屬輸入量占總輸入量的89.76%，是 3種重金屬的主要輸入形式。樹干莖流輸入量?jī)H占總輸入量的10.24%。有研究者認(rèn)為，與林內(nèi)雨中的元素輸入量相比，樹干莖流中的元素輸入量可以忽略（盛后財(cái)?shù)龋?015），然而張娜等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，樹干莖流量雖然較少，但其所含元素的質(zhì)量濃度較高，且能直接輸送到樹木根基，對(duì)樹木生長(zhǎng)和根際微生物產(chǎn)生較大影響。本研究的樹干莖流重金屬輸入量明顯高于西班牙東北部的冬青櫟（Quercus ilex）林（Avila et al.，2004）、湖南長(zhǎng)沙市楓香人工林（文仕知等，2009）以及黑龍江大興安嶺北部的白樺（Betula platyphylla）次生林（劉茜等，2015）。樹干莖流重金屬的高濃度輸入對(duì)樹木根系以及土壤生物化學(xué)性質(zhì)的影響有待于進(jìn)一步研究。

地表徑流和土壤滲漏是森林生態(tài)系統(tǒng)中重金屬輸出的重要途徑。由本研究可以看出，通過(guò)地表徑流 3 種重金屬的輸出量為 3.036 g·hm?2·a?1，比林內(nèi)雨輸入量下降了87.2%，所以通過(guò)地表徑流流失的重金屬通量較小，表明地表凋落物和表層土壤對(duì)降水重金屬具有明顯的截留作用，這與Huang et al.（2011）、張淑芬等（2017）的研究結(jié)果一致。盡管不同重金屬之間的離子通量存在差異，但總體而言，本研究地3種重金屬離子的輸入大于輸出，呈現(xiàn)凈積累狀態(tài)。其中，Cd的凈累積量（輸入量減去輸出量）為 1.542 g·hm?2·a?1，占該地區(qū)表層土壤 Cd 儲(chǔ)量的 2.2%；Pb 的凈累積量為 7.764 g·hm?2·a?1，占該地區(qū)表層土壤 Pb儲(chǔ)量的 0.04%；As的凈累積量為14.088 g·hm?2·a?1，占該地區(qū)表層土壤 As 儲(chǔ)量的0.61%。土壤中重金屬離子自濕沉降的來(lái)源占比較低。由此可見(jiàn)，通過(guò)濕沉降輸入的重金屬對(duì)該森林土壤不會(huì)產(chǎn)生明顯污染。當(dāng)然，本研究未開展土壤滲漏水的收集與分析工作，所以對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)水文過(guò)程中的重金屬總輸出情況尚不能確定。今后有必要增加對(duì)土壤滲透水和小流域集水區(qū)水量與水質(zhì)的研究，以便于對(duì)森林水文過(guò)程中重金屬收支狀況和森林的凈化功能作出更加綜合和客觀的評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

（1）從2015年1—12月，麻櫟與楓香混交林大氣降水量（林外雨）為1763.1 mm，林內(nèi)雨、樹干莖流和地表徑流分別占大氣降雨的 90.89%、3.81%和13.63%。4種類型的降雨量具有相同的變化趨勢(shì)，即在6—8月較高，2—5月和9—12月較低。

（2）大氣降雨、林內(nèi)雨、樹干莖流和地表徑流中不同重金屬離子質(zhì)量濃度均為As>Pb>Cd。3種元素的質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化基本相似，總體上呈現(xiàn)雨季低，旱季高的趨勢(shì)。大氣降雨、林內(nèi)雨和樹干莖流中的重金屬質(zhì)量濃度隨降雨量的增加顯著降低，地表徑流中重金屬質(zhì)量濃度受降雨量的影響不顯著。

（3）對(duì)大氣降雨的污染源解析表明，研究區(qū)大氣降雨中的Cd和As可能主要來(lái)源于燃煤和工業(yè)污染，而 Pb可能主要來(lái)源于交通運(yùn)輸。根據(jù)林內(nèi)降雨過(guò)程的淋溶效應(yīng)分析，除林內(nèi)雨的Cd表現(xiàn)為負(fù)淋溶外，其余各類降水的重金屬均表現(xiàn)為正淋溶。

（4）從重金屬通量看，大氣降雨中 Pb的污染狀況屬于輕度，Cd和As的污染狀況屬于輕度至中度。降雨經(jīng)過(guò)林冠和樹干后污染有進(jìn)一步加劇的趨勢(shì)，但經(jīng)過(guò)林內(nèi)地表凋落物和表層土壤的截留，3種重金屬離子的輸入大于輸出，呈現(xiàn)凈積累狀態(tài)。