城市蒙古櫟人工林對降雨中金屬元素遷移的影響1)

任斯宇 張金威 盛后財(cái) 琚存勇

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

森林與水的關(guān)系是當(dāng)今林學(xué)、水文學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的核心問題[1-3]。大氣降水不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)水分的重要來源，同時(shí)也是養(yǎng)分的重要來源[4]；而森林植被，通過對降雨的分配(林冠截留、穿透雨、樹干莖流)影響進(jìn)入林地的水量和養(yǎng)分的空間分布[5]。大氣降雨到達(dá)林地，其養(yǎng)分含量發(fā)生改變主要取決于2個(gè)過程：①大氣降雨洗滌了林冠枝葉的分泌物及其表面的粉塵、固體微粒等物質(zhì)；②樹木枝葉與雨水的離子交換作用，如浸出和吸收。穿透雨穿過植被冠層或從植被冠層滴下而到達(dá)地面，并導(dǎo)致林窗、林緣和林下穿透雨中養(yǎng)分含量發(fā)生改變[6]。樹干莖流則可沿著植物莖干直達(dá)植物根部[7]，直接為樹木生長發(fā)育提供所需的養(yǎng)分物質(zhì)，在維持森林生產(chǎn)力、調(diào)節(jié)生物地球化學(xué)循環(huán)起著重要作用[8]。針對不同區(qū)域、不同森林類型伴隨水文過程的養(yǎng)分分配，已有較多研究，但對城市人工林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的研究較少[9]。

金屬元素作為降雨中養(yǎng)分物質(zhì)的一部分，是植物生長必需的營養(yǎng)元素，對于植物生長代謝起著重要作用[10]。例如：Na、K普遍存在于植物體內(nèi)，具有維持組織細(xì)胞滲透平衡的功能；Ca能穩(wěn)定生物膜結(jié)構(gòu)，保持細(xì)胞的完整性；Mg是葉綠素合成的必要元素，對植物的光合作用、呼吸作用意義重大[11]。Fe、Cu、Mn、Zn是許多酶的成分和酶的活化劑，在植物的光合作用、呼吸作用和有機(jī)物代謝過程中均起重要作用。在水循環(huán)過程中，金屬元素以可溶性離子形式存在，其能夠直接與植物交互作用，因此研究金屬元素在降雨分配過程中的遷移變化，對于深入了解森林生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。但目前關(guān)于金屬元素在森林生態(tài)系統(tǒng)中的遷移，尤其關(guān)于城市森林水文過程中金屬元素的遷移研究較少。

蒙古櫟(Quercusmongolica)，殼斗科，櫟屬，落葉喬木，是我國東北次生落葉闊葉林的主要組成樹種之一，也是我國華北地區(qū)地帶性植被——落葉闊葉林的建群種[12]。蒙古櫟根系發(fā)達(dá)，能夠涵養(yǎng)水源，多用于防止水土流失，在北方城市還被用作城市街道綠化樹種。針對蒙古櫟的相關(guān)研究，較多集中于種群格局分析[13-15]、降雨截留分配[16-17]、生長模型[18-19]等方面，對于其水化學(xué)特征的研究相對較少[20-21]。為此，本研究在位于哈爾濱市區(qū)的東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范基地蒙古櫟人工林中心區(qū)域設(shè)置10 m×10 m觀測樣地，于2015年5—10月份的樹木生長季期間，測定大氣降雨量(為對照)、樣地穿透雨量、樣地樹干莖流量；應(yīng)用火焰原子吸收分光光度計(jì)(Thermo Scientific ICE-3500，美國)測定3種雨水樣品中K、Ca、Na、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn金屬元素質(zhì)量濃度，分析城市蒙古櫟人工林伴隨降雨分配過程中的金屬元素變化特征和輸入規(guī)律。旨在為人工林森林生態(tài)系統(tǒng)和城市綠化植物的可持續(xù)管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地設(shè)在東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范基地(126°37′15″E、45°43′10″N)，位于哈爾濱市區(qū)，占地面積44 hm2；土壤類型為黑土，土層深厚，且土壤肥沃。哈爾濱市屬溫帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫3.5 ℃；年平均降水量500 mm，降水分配不均，集中在6—8月份，占全年降水60%～70%；年平均蒸發(fā)量726 mm[22]。

研究地蒙古櫟人工林面積約為0.5 hm2(70 m×70 m)，是1959年春季穴狀直播造林。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，蒙古櫟林平均樹高為14.6 m，平均胸徑14.3 cm，林分密度2 531株·hm-2，蓄積量為65.6 m3·hm-2。經(jīng)過50多年管護(hù)經(jīng)營，林分生長繁茂，林分郁閉度在0.8以上，此林分僅有喬木層，無灌木層和草木層。于2015年5—10月份的樹木生長季期間，在研究地蒙古櫟人工林中心區(qū)域設(shè)置10 m×10 m觀測樣地。

2 研究方法

大氣降雨測定：在距離樣地150 m處樓頂平臺(tái)上，布設(shè)翻斗式雨量計(jì)(HOBO RG3-M)和3個(gè)自制雨量筒(直徑20 cm，截面積314.16 cm2/筒，下同)，獲取大氣降雨量并取樣。

穿透雨測定：在蒙古櫟人工林中心區(qū)域設(shè)置10 m×10 m觀測樣地，在樣地內(nèi)十字交叉布設(shè)13個(gè)自制雨量筒，相鄰雨量筒間距2 m(見圖1)，所有雨量筒上沿同高且距離地面大于50 cm。每次降雨結(jié)束立即測定雨量筒內(nèi)雨水體積并取樣，將體積換算成深度(mm)，13個(gè)深度的算術(shù)平均值即為樣地穿透雨量(mm)。

●蒙古櫟；○穿透雨收集器；▲安裝樹干莖流裝置的蒙古櫟。

樹干莖流測定：選5株蒙古櫟作為標(biāo)準(zhǔn)觀測樣木，借鑒文獻(xiàn)[23]制備及安裝樹干莖流觀測設(shè)施。每次降雨后立即測定樹干莖流體積并取樣，5株觀測樣木樹干莖流體積的算術(shù)平均值與觀測樣地(10 m×10 m)內(nèi)蒙古櫟株數(shù)的乘積除以樣地面積，計(jì)算出樣地樹干莖流量(mm)。

大氣降雨、穿透雨、樹干莖流樣品經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾，硝酸酸化處理后，利用火焰原子吸收分光光度計(jì)(Thermo Scientific ICE-3500，美國)測定樣品中K、Ca、Na、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn金屬元素質(zhì)量濃度。

金屬元素輸入量的計(jì)算公式[24]：Fj=10-2×ρj×Vj。式中：Fj為一定時(shí)期(月、生長季)大氣降雨、穿透雨或樹干莖流中某種金屬元素的輸入量(單位為kg/hm2)；ρj為對應(yīng)時(shí)期內(nèi)大氣降雨、穿透雨或樹干莖流中某種金屬元素平均質(zhì)量濃度(單位為mg/L)；Vj為對應(yīng)時(shí)期內(nèi)大氣降雨、穿透雨或樹干莖流深度(單位為mm)；10-2為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

元素凈輸入量=穿透雨元素輸入量+樹干莖流元素輸入量-大氣降雨元素輸入量[6]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS軟件(Version 19.0，SPSS Inc，Chicago，Illionois)進(jìn)行處理，多重比較采用鄧肯檢驗(yàn)分析(Duncan’s test，P<0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣降雨中金屬元素特征

由表1可見：同一時(shí)期不同金屬元素質(zhì)量濃度存在差異，生長季內(nèi)大氣降雨中，Ca元素的質(zhì)量濃度最高(4.253 mg·L-1)、Mn的質(zhì)量濃度最低(0.011 mg·L-1)，最高質(zhì)量濃度值是最低質(zhì)量濃度值的404.61倍。生長季內(nèi)，大氣降雨中金屬元素平均質(zhì)量濃度值，由大到小依次為Ca、K、Na、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn。大氣降雨中各金屬元素質(zhì)量濃度的最高值，Cu出現(xiàn)在5月份，Zn出現(xiàn)在6月份，F(xiàn)e、Mn出現(xiàn)在7月份，K、Na、Mg出現(xiàn)在9月份，Ca則出現(xiàn)在10月份；而質(zhì)量濃度的最低值，K、Ca、Na、Mg出現(xiàn)在5月份，F(xiàn)e出現(xiàn)在6月份，Cu、Zn出現(xiàn)在10月份，Mn出現(xiàn)在5月份。

按月平均統(tǒng)計(jì)，月平均大氣降雨中Ca的質(zhì)量濃度最高(6.821 mg·L-1)、Mn的質(zhì)量濃度最低(0.004 mg·L-1)，且同一元素不同月份質(zhì)量濃度也存在顯著差異(見表1)。其中，同一元素不同月份間質(zhì)量濃度變化最大的是Na，其最大與最小值的比為10.26；同一元素不同月份間質(zhì)量濃度變化最小的是Zn，其最高與最低質(zhì)量濃度的比僅為1.18；相同元素質(zhì)量濃度最大值與最小值之比，由大到小依次為Na、Mg、Mn、K、Cu、Fe、Ca、Zn。

表1 不同月份大氣降雨中的金屬元素質(zhì)量濃度

3.2 穿透雨中金屬元素特征

降雨通過森林冠層形成了穿透雨，隨之金屬元素質(zhì)量濃度也發(fā)生了改變。生長季內(nèi)穿透雨中，Ca的質(zhì)量濃度最高(5.361 mg·L-1)、Zn的質(zhì)量濃度最低(0.037 mg·L-1)，最高質(zhì)量濃度值是最低值的144.69倍；生長季內(nèi)穿透雨中金屬元素質(zhì)量濃度，由大到小依次為Ca、K、Mg、Na、Cu、Fe、Mn、Zn。穿透雨中各金屬元素質(zhì)量濃度最高值，Cu出現(xiàn)在5月份，Ca出現(xiàn)在8月份，而金屬元素K、Na、Mg、Fe、Zn、Mn則出現(xiàn)在10月份。

不同月份穿透雨中，金屬元素Ca質(zhì)量濃度最高(6.859 mg·L-1)、Mn的最低(0.013 mg·L-1)。同一元素不同月份的質(zhì)量濃度也存在顯著差異(見表2)，其中，Mn元素的變化最大，其最大與最小值的比為15.93；Zn元素的變化最小，其最大與最小值之比僅為1.12。穿透雨中金屬元素質(zhì)量濃度最大與最小比值，由大到小依次為Mn、Mg、Fe、Na、K、Cu、Ca、Zn。

表2 不同月份穿透雨中的金屬元素質(zhì)量濃度

3.3 樹干莖流中金屬元素特征

樹干莖流將植物可直接吸收的金屬離子遷移到植物根際區(qū)域，對森林群落的生長至關(guān)重要。由表3可見：生長季內(nèi)樹干莖流中，Ca的質(zhì)量濃度最大(7.067 mg·L-1)、Cu的質(zhì)量濃度最小(0.127 mg·L-1)，最高質(zhì)量濃度是最低值的55.81倍。生長季內(nèi)樹干莖流金屬元素質(zhì)量濃度，由大到小依次為Ca、K、Na、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu；各金屬元素質(zhì)量濃度最高值，K、Mg出現(xiàn)在5月份，F(xiàn)e、Zn出現(xiàn)在8月份，Ca、Na、Cu出現(xiàn)在9月份，Mn出現(xiàn)在10月份。

由表3可見：樹干莖流中同一元素不同月份質(zhì)量濃度，F(xiàn)e的質(zhì)量濃度變化最大，其最高值(0.729 mg·L-1)與最低值(0.107 mg·L-1)之比為6.82；Zn的質(zhì)量濃度變化最小，其最高值(0.154 mg·L-1)與最低值(0.072 mg·L-1)之比為2.14；同一元素不同月份質(zhì)量濃度最大與最小比值，由大到小依次為Fe、Na、K、Mg、Mn、Ca、Cu、Zn。

表3 不同月份樹干莖流中的金屬元素質(zhì)量濃度

3.4 蒙古櫟人工林的金屬元素輸入特征

降雨與森林相互作用后，雨水中金屬元素的質(zhì)量濃度發(fā)生了不同程度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致最終輸入林地的金屬元素量的增加或減少。生長季的降雨，8種金屬元素輸入林地后，金屬元素輸入量(穿透雨元素輸入量+樹干莖流元素輸入量)最大的是Ca(18.256 kg·hm-2)，占金屬元素總輸入量的59.06%；輸入量最小的金屬元素是Zn(0.181 kg·hm-2)，占總輸入量的0.59%；最大輸入量是最小輸入量的100.63倍。金屬元素K，在5月份洗出量最多(0.187 kg·hm-2)，在8月份截留量最多(-1.246 kg·hm-2)。

由表4可見：不同月份伴隨降雨的金屬元素的凈輸入量(穿透雨元素輸入量+樹干莖流元素輸入量-大氣降雨元素輸入量)，同一元素不同月份的凈輸入量不同。8月份，除K、Cu外，其他6種金屬元素凈輸入量均為正值；并且金屬元素通過森林冠層后的凈輸入量，由大到小依次為Ca、K、Mg、Na、Fe、Cu、Mn、Zn。本研究表明，降雨通過森林冠層后金屬元素K、Ca、Cu會(huì)減少，且金屬元素K減少最為明顯(凈輸入量為-1.382 kg·hm-2)，金屬元素Ca其次(凈輸入量為-1.200 kg·hm-2)，金屬元素Cu減少的最少(凈輸入量為-0.031 kg·hm-2)。金屬元素Na、Mg、Fe、Zn、Mn呈增加狀態(tài)，金屬元素Mg增加最明顯(凈輸入量為1.631 kg·hm-2)，Zn的增加變化不明顯(凈輸入量為0.011 kg·hm-2)；5種金屬元素增加，由大到小依次為Mg、Na、Fe、Mn、Zn。

表4 生長季內(nèi)伴隨降雨的金屬元素凈輸入量

4 討論

4.1 森林對降雨中金屬元素質(zhì)量濃度的影響

降雨作為森林金屬元素循環(huán)的重要組成部分，在攜帶各種金屬元素進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)的同時(shí)，還伴隨著對植被層的沖刷和淋洗作用，導(dǎo)致其水量與水化學(xué)特征明顯改變[3，25]。降雨和森林的相互作用(吸收、吸附、淋溶等)導(dǎo)致了金屬元素發(fā)生交換，進(jìn)而金屬元素質(zhì)量濃度產(chǎn)生變化，而這些變化是由于雨水對干沉積物的沖刷，樹枝、樹皮表面粗糙程度[10]、養(yǎng)分物質(zhì)活性、植物生理特性以及相關(guān)菌群對元素的吸收和釋放所致[26]。

本研究表明，金屬元素的質(zhì)量濃度遵循樹干莖流大于穿透雨的規(guī)律，即降雨穿過冠層后，元素質(zhì)量濃度增加。本研究表明，大氣降雨通過森林冠層后，穿透雨和樹干莖流中金屬元素K、Ca質(zhì)量濃度相對較高。這是由于K是一種溶解度較高，且移動(dòng)性高的金屬元素，在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移快，淋洗顯著，因此K的質(zhì)量濃度增加[27]；而Ca元素形成的Ca2+對植物具有重要作用，能夠緩解或中和Al對植物的傷害[3]。本研究中，除了金屬元素K、Na外，其余6種金屬元素的質(zhì)量濃度由大到小依次為樹干莖流、穿透雨、大氣降雨，且樹干莖流所有金屬元素質(zhì)量濃度，都明顯高于大氣降雨和穿透雨中金屬元素的質(zhì)量濃度。王登芝等[28]研究表明，我國北京西山地區(qū)油松人工林金屬元素K質(zhì)量濃度呈樹干莖流、穿透雨、大氣降雨順序；劉茜等[29]研究表明，大興安嶺北部白樺次生林金屬元素Ca質(zhì)量濃度順序?yàn)榇┩赣?、大氣降雨、樹干莖流；于小軍等[30]研究結(jié)果表明，在會(huì)同森林生態(tài)實(shí)驗(yàn)站地區(qū)，3種林分穿透雨的金屬元素質(zhì)量濃度均與樹干莖流中金屬元素質(zhì)量濃度相似。本研究結(jié)果與這些研究結(jié)果均存在較大差異；這是由于在不同的地理位置，受大氣環(huán)境和降雨特性等因素影響，不同降雨過程中，森林生態(tài)系統(tǒng)的各水文分量及水化學(xué)特征存在不同程度的差異所導(dǎo)致，并且冠層的物候變化也能夠影響雨水中金屬元素在森林生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化[31]?？傮w看，金屬元素質(zhì)量濃度變化在整個(gè)生長季比較明顯，且樹干莖流中金屬元素質(zhì)量濃度增加明顯，這是由于樹皮組織相對于樹葉具有更大的浸出性，因此，附著在樹干表面的金屬元素會(huì)受到更多的沖刷；另一方面，樹干莖流在植物上停留時(shí)間長，有利于雨水和植物之間的離子交換[23，32]。因此，樹干莖流中的金屬元素質(zhì)量濃度通常大于林內(nèi)穿透雨中金屬元素質(zhì)量濃度，并能夠增加土壤肥力，且營養(yǎng)元素能直接轉(zhuǎn)移到樹木的根際，是植物生長發(fā)育重要的養(yǎng)分來源。

4.2 不同森林類型金屬元素凈輸入量的差異

金屬元素凈輸入是森林浸出和吸收的綜合結(jié)果[33]，且林冠和樹干中金屬元素遷移是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)重要的組成部分[34]。本研究表明，蒙古櫟人工林中伴隨生態(tài)水文過程的金屬元素遷移，金屬元素K、Ca、Cu凈輸入量為負(fù)值，金屬元素Na、Mg、Fe、Zn、Mn凈輸入量為正值；這與同區(qū)域落葉松人工林中關(guān)于K和Na凈輸入的研究結(jié)果相反[35]。這表明，相同區(qū)域、不同森林類型對金屬元素的輸入作用不同。不同區(qū)域、不同森林類型對金屬元素的輸入作用則更為復(fù)雜(見表5)。一般認(rèn)為，穿透雨和樹干莖流中元素K的輸入量應(yīng)大于元素Ca的輸入量[36]，而本研究得到了相反的結(jié)果；且王登芝等[28]研究表明，北京西山地區(qū)的油松林K、Ca、Mg凈輸入量為正值，Na凈輸入量為負(fù)值；小興安嶺地區(qū)的白樺林對Ca的凈輸入量為負(fù)值，而K、Mg、Mn的凈輸入量為正值[3]；西藏東南地區(qū)高山松天然林，其金屬元素對K、Ca、Cu的凈輸入量也均為正值[36]；本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果均存在較大差異。同一地點(diǎn)的不同森林類型對金屬元素的作用也不同(見表5)，如小興安嶺原始紅松林和落葉松人工林對Ca的作用完全相反[37-38]，而紅壤丘陵區(qū)的3種人工林對金屬元素的作用則相同[39]。本研究中，蒙古櫟林位于哈爾濱市區(qū)，城市中人類的生產(chǎn)、生活活動(dòng)必將產(chǎn)生大量的金屬元素，但同時(shí)城市復(fù)雜環(huán)境中空氣顆粒物的質(zhì)量濃度也較高。空氣顆粒物則具有較強(qiáng)的吸附性，Ca、Mg、K等金屬元素主要存在于大直徑顆粒中。研究表明，城市森林能夠改善空氣質(zhì)量，是空氣顆粒物的高效收集器[40]。鑒于在降雨截留分配過程中，森林冠層及樹干截留空氣顆粒物對金屬元素的吸附影響，林內(nèi)穿透雨和樹干莖流樣品中的金屬元素質(zhì)量濃度小于大氣雨，這導(dǎo)致了本研究中K和Ca等金屬元素的凈輸入量結(jié)果與非城市環(huán)境中得到的結(jié)果完全相反。

目前，大部分研究只關(guān)注了金屬元素K、Ca、Na、Mg的凈輸入量，僅少部分研究關(guān)注了微量金屬元素Mn、Fe凈輸入量(見表5)。通過對比得出，不同地區(qū)的金屬元素輸入量差異較大，城市人工林內(nèi)金屬元素K、Ca的凈輸入量均為負(fù)值；而其他森林區(qū)域的金屬元素Mg、Mn凈輸入量卻均為正值。其原因，城市大氣中大量的空氣顆粒物能夠吸附人類生產(chǎn)、生活活動(dòng)所產(chǎn)生的金屬元素，而森林冠層能夠有效滯納空氣顆粒物，進(jìn)而導(dǎo)致了雨水中的金屬元素被吸附截持，最終凈輸入林地的量為負(fù)值。當(dāng)然，不同大氣降雨的水化學(xué)特征和不同樹種生理特性等因素，也能夠影響金屬元素凈輸入林地的量。此外，除以上金屬元素外，本研究還關(guān)注了微量金屬元素Cu、Zn的輸入特征，Cu凈輸入量為負(fù)值(-0.031 kg·hm-2)，Zn的凈輸入量為正值(0.011 kg·hm-2)。由于降雨具有隨機(jī)性，且受到外界環(huán)境、人為因素影響較多，因此本研究利用1個(gè)生長季的數(shù)據(jù)得到的結(jié)果，還有待進(jìn)一步長期觀測研究驗(yàn)證。與天然林和次生林相比，蒙古櫟人工林對大量金屬元素K、Ca呈截留作用，并且金屬元素在森林生長發(fā)育中起到了不可替代的作用，因此了解各金屬元素的輸入特征，研究城市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中水循環(huán)過程中的水化學(xué)特性，便于城市人工林的可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)營。

表5 不同類型林分金屬元素凈輸入量

5 結(jié)論

對哈爾濱市蒙古櫟林生長季降雨觀測，結(jié)果表明：樹干莖流中所有金屬元素質(zhì)量濃度都明顯高于大氣降雨和穿透雨中金屬元素的質(zhì)量濃度，而且除金屬元素K、Na外，其余金屬元素的質(zhì)量濃度出現(xiàn)梯度變化，由大到小依次為樹干莖流、穿透雨、大氣降雨。降雨穿過林冠層，金屬元素質(zhì)量濃度增加，且穿透雨和樹干莖流內(nèi)的金屬元素K、Ca質(zhì)量濃度較高。觀測期內(nèi)，大氣降雨中8種金屬元素總輸入量為31.107 kg·hm-2，穿透雨中金屬元素輸入量為20.876 kg·hm-2，樹干莖流中金屬元素輸入量為10.035 kg·hm-2。金屬元素K、Ca、Cu的凈輸入量為負(fù)值，金屬元素K減少最為明顯(凈輸入量為-1.382 kg·hm-2)；金屬元素Na、Mg、Fe、Mn、Zn凈輸入量為正值，金屬元素Mg增加最明顯為(凈輸入量為1.631 kg·hm-2)。由于雨水中金屬元素的遷移受降雨特征和植被群落季節(jié)生長變化影響，因此伴隨降雨分配過程的金屬元素質(zhì)量濃度和通量的變化需要長期定位觀測研究。