亞熱帶典型林分降水過程中的水質效應

王寧，劉效東，甘先華，蘇宇喬，吳國章，黃芳芳，張衛(wèi)強*

1. 華南農業(yè)大學林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642；2. 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東 廣州 510520

由于經(jīng)濟發(fā)展，化石燃料的消耗量在增加，大氣排放污染愈發(fā)嚴重，污染物易富集于氣溶膠顆粒上，以干沉降和濕沉降的形式進入地球表面（Li et al.，2021）。大氣氮磷沉降作為酸源和營養(yǎng)源，其數(shù)量的急劇變化嚴重影響著陸地及水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（覃芳華等，2014）。目前大氣污染的現(xiàn)狀依然較為嚴峻，隨著大氣沉降過程進入陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的污染物數(shù)量巨大，尤其是亞熱帶地區(qū)為氮、磷等酸性沉降物的熱點地區(qū)，生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀，是一個潛在的嚴重環(huán)境問題（Duan et al.，2013；Chen et al.，2019）。溶解態(tài)重金屬在水體中流動性更強，而且可被生物吸收并通過食物鏈遷移富集，危害性更大（白薇揚等，2015；孫濤等，2016；趙銀等，2020；段江飛，2022）。這些大氣沉降過程加劇著水環(huán)境的污染，直接影響水域的水質安全，而其周邊的森林生態(tài)系統(tǒng)作為重要的屏障，不僅能夠吸收、滯納大氣污染物，凈化大氣環(huán)境，而且可以通過截留、滲濾和轉化等過程對降水再分配，從而影響著流域水環(huán)境質量（Zang et al.，2020；Wang et al.，2022）。

森林生態(tài)系統(tǒng)是大氣沉降的過濾器，能夠消納沉降污染物（Wu et al.，2019；康希睿等，2021）。新豐江水庫為廣東重要的飲用水源地，隨著周邊工農業(yè)與城市化的發(fā)展建設，庫區(qū)自然環(huán)境逐漸遭到破壞，對水質造成潛在威脅。由于污染物的多樣性和生態(tài)環(huán)境的復雜性，不同地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)降水過程中水質效應差異較大；而同一林區(qū)內的降水截留、水質滲透等過程也會因森林類型的差異性而產生不同的水文效應，這些過程受林冠類型、樹種組成、林齡結構、郁閉度等林分因子的共同影響。已有的多數(shù)研究結果來源于短期性、小范圍內、單一林分的樣地調查，這樣往往缺乏系統(tǒng)性和代表性（錢學詩等，2022）。新豐江庫區(qū)森林作為飲用水源地重要生態(tài)屏障，在水源涵養(yǎng)和凈化水質方面發(fā)揮重要的作用（李怡然等，2019）。目前，該庫區(qū)的水文研究主要集中在東江干支流、水庫上游、表層沉積物以及庫區(qū)地表水水質等方面（付淑清等，2013；廖劍宇等，2013；溫美麗等，2015；李可見等，2018；張運等，2018），而該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)降水過程中的水質變化特征及不同林分之間導致的水文效應差異，尚未見相關報道。因此，本文以3 種亞熱帶典型林分（常綠闊葉林、針闊混交林和針葉林）為研究對象，定位監(jiān)測降水過程中林分不同層次氮、磷物質及重金屬的濃度和冠層通量變化，分析不同森林群落水文過程中氮、磷和重金屬的分配和遷移規(guī)律，從而更準確評估該庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新豐江庫區(qū)，地理坐標為114°15′－114°50′E，23°40′－23°55′N（圖1），屬亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和，降雨充沛。年平均降水量1 793.2 mm，降水多集中于3－8 月，雨量季節(jié)分配不均。年平均氣溫約20.7 ℃，極端最高氣溫39.2 ℃，極端最低氣溫-5.4 ℃。土壤包括黃壤和紅壤，中壤和重壤土較多，基巖為花崗巖、玄武巖和砂頁巖。該地區(qū)20 世紀50 年代經(jīng)歷過大規(guī)模的森林砍伐，形成大面積次生林。上世紀80 年代，新豐江林業(yè)管理局進行皆伐改造后種植杉木；其中，部分杉木林為針葉林，未進行除雜撫育的杉木林演變成針闊混交林。而未受人為干擾較少的區(qū)域，經(jīng)自然演替為常綠闊葉林（劉佩伶等，2022）。典型林分基本特征見表1。

圖1 研究區(qū)位置圖Figure 1 Location of the study area

表1 研究樣地的基本特征Table 1 The basic characteristics of sample plots

1.2 監(jiān)測設施布設與樣品收集

大氣降水：在林外空曠地，林外標準氣象觀測場布設1 臺自動氣象站（美國，CAMPBELL）記錄降水過程，并在周邊設置3 個直徑為50 cm 的聚四氟乙烯大氣降水采集器，收集大氣降水。在常綠闊葉林、針闊混交林及針葉林內分別設置1個40 m×40 m 水文樣方，用于穿透水、樹干莖流及表層土壤滲透水水樣采集與水量監(jiān)測。穿透水：每個樣方內隨機布設3 個面積為0.2 m×1.0 m 的“V”字型集水槽，集水槽距離地面50 cm，與水平面保持約5°的傾角，集水槽一端底部開口，用PVC 管連接至10 L 帶蓋的塑料桶中，用于收集林內穿透水；同時，在集水槽附近布置3 臺自計雨量筒（RG3-M）用于記錄穿透水量，自計雨量筒記錄的降水量取平均值作為林分內穿透水量。樹干莖流：按照林木徑級標準，每個樣方內選擇9 棵林木，其中，6 棵林木用于樹干莖流水樣采集，3 棵林木用于樹干莖流量觀測；利用泡沫板（寬30 cm，厚度2 cm）將樹干緊包1 周，并用適宜不銹鋼絲固定，在上部切一個鍥形的剖面，在下部留出水口用聚乙烯塑料軟管連接密封的塑料容器和翻斗式流量計（DJ-5001）。土壤滲透水：在每個采集樣方內沿對角線法選取3 個2 m×2 m 樣方挖掘土壤剖面，剖面四周設置隔水帶阻擋土壤滲濾液的橫向流動，放置PP 集水板分別收集土壤滲濾液（0－20 cm 土層）的水樣（孫濤等，2016）。溪流水：在針葉林、針闊混交林和常綠闊葉林所在的小流域溝道內，分別設置3 個溪流水水質監(jiān)測點，采集小流域的溪流水。采集樣品時，將水樣盛于0.50 L 硼硅玻璃瓶中，硼硅玻璃瓶提前用超純水清洗過并經(jīng)500 ℃高溫超凈化處理40min，貼上標簽，保存記錄，立即送回實驗室測試水樣水質指標。采樣時間為2021 年6 月－12 月、2022 年3 月和5 月，每月采集1 次，采集時間主要集中在每月中下旬，在降水結束后立即采集水樣，采集水樣約1.50 L。

采集的水樣pH 值用玻璃電極法測定，TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP 采用鉬酸銨分光光度法測定，NH4+-N 采用蒸餾－中和滴定法測定，NO3--N 采用酚二磺酸光度法測定，Cu、Pb和Cd 采用電感耦合等離子體質譜法測定，Cr6+采用二苯碳酰二肼分光光度法測定，Hg 采用原子熒光法測定，Mn 采用電感耦合等離子體質譜法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

水樣中各化學指標的平均質量濃度（ρ，mg·L-1和μg·L-1）是每月單次降雨后測定的相應水量（Pi，mm）的加權計算值：

式中：

ρi——單場降水后測定的水質指標質量濃度（mg·L-1和μg·L-1）；

n——測定的降雨次數(shù)（楊麗麗等，2019）。

根據(jù)冠層水量平衡，計算林冠截留量：

式中：

ΔP——林冠截留量；

P——大氣降水量；

Pt——穿透水量；

Pst——樹干莖流量。

降雨通過林冠層的化學物質通量（氮和磷通量：F，kg·hm-2；重金屬通量：F，g·hm-2）計算公式如下：

大氣降水在通過林冠層不僅水量發(fā)生變化，也會因吸附、洗脫、交換等作用導致降水中的物質通量發(fā)生變化，林冠層截留量和截留率計算公式如下：

式中：

ΔF——林冠截留量；

Fi——大氣降水化學物質通量；

Fj——穿透水、樹干莖流化學物質通量；

R——截留率。

采用SPSS 26.0 軟件中單因素方差分析方法（One-way ANOVA）比較不同林分類型和水文分量間水質指標差異，并用Duncan’s 檢驗方法比較水質變量均值之間的差異。數(shù)據(jù)結果作圖應用Origin 2023 軟件完成。

2 結果與分析

2.1 森林生態(tài)系統(tǒng)的酸化特征

觀測期間，大氣降水pH 值為5.82，呈弱酸性。降水經(jīng)林分溪流輸出后，其pH 值均有變化（圖2）。常綠闊葉林和針闊混交林中各水文組分pH 值變化規(guī)律一致，表現(xiàn)為溪流水＞穿透水＞樹干莖流＞土壤滲透水，而針葉林為溪流水＞穿透水＞土壤滲透水＞樹干莖流。大氣降水經(jīng)林冠層后，3 種典型林分穿透水pH 均有不同程度的降低，穿透水酸性增強。這說明森林植被通過林冠和樹干對酸沉降截留儲存、葉片與樹干的分泌作用以及對冠層和樹干洗脫作用，造成大氣降水酸性增強。大氣降水淋溶樹冠枝葉和樹干后，3 種典型林分樹干莖流pH 值持續(xù)降低，與大氣降水相比，下降幅度介于5.50%－35.1%之間，針葉林杉木樹干莖流pH 值達3.89，顯著低于常綠闊葉林和針闊混交林樹干莖流pH 值（P＜0.05），呈強酸性，表明針葉林樹干對降水具有更強的酸化作用。大氣降水經(jīng)林冠層、地下植被層、凋落物層及表層土壤后形成土壤滲透水后，常綠闊葉林和針闊混交林土壤滲透水pH 值持續(xù)降低，酸性持續(xù)增加，土壤滲透水pH 值表現(xiàn)為針闊混交林＞常綠闊葉林＞針葉林。大氣降水經(jīng)森林生態(tài)系統(tǒng)進入溝道形成溪流水后，pH 值顯著升高（P＜0.05），呈弱酸性或中性；3 種林分間溪流水pH 值無顯著差異（P＞0.05），介于6.67－7.01 之間，表明降水經(jīng)過森林生態(tài)系統(tǒng)后酸性得到了緩沖，常綠闊葉林對酸性降水的緩沖作用較強，針闊混交林次之，這可能是由于森林土壤深層土壤滲透水酸緩沖能力升高及淺層地下水通過斷裂帶進入溝道致使溪流水酸性減弱。

圖2 3 種典型林分酸化特征Figure 2 Acidification characteristics of threetypical forests

2.2 森林生態(tài)系統(tǒng)對降水過程中氮磷的調控過程

2.2.1 3種典型林分降水過程中氮磷濃度的變化特征

大氣降水攜帶氮磷離子進入3 種典型林分后，氮磷濃度均有不同程度的變化（圖3）。大氣降水TN質量濃度為0.98 mg·L-1，經(jīng)林分冠層后，穿透水TN質量濃度無顯著變化（P＞0.05），降水隨樹冠枝葉流下后，針闊混交林和針葉林樹干莖流TN 質量濃度顯著增加（P＜0.05），分別為1.65 mg·L-1和2.32 mg·L-1；由于土壤淋溶作用，3 種典型林分表層土壤滲透水 TN 質量濃度顯著高于其他水文組分（P＜0.05），介于5.64－9.56 mg·L-1之間。3 種林分溪流水TN 質量濃度介于0.57－1.22 mg·L-1之間，說明深層土壤還存在吸收或吸附等作用。

圖3 典型林分各水文分量氮磷質量濃度差異Figure 3 Difference of nitrogen and phosphorus mass concentration in hydrological component among typical forests

常綠闊葉林降水過程中總磷的質量濃度介于0.030－0.053 mg·L-1之間，其穿透水、樹干莖流和土壤滲透水中總磷濃度與大氣降水相比無顯著變化（P＞0.05），但顯著高于溪流水（P＜0.05）；針闊混交林穿透水和樹干莖流中總磷濃度顯著低于大氣降水、土壤滲透水及溪流水（P＜0.05）；針葉林土壤滲透水和溪流水總磷質量濃度顯著低于其他水文分量（P＜0.05），分別為0.036 mg·L-1和0.031 mg·L-1。

大氣降水中的NH4+-N 和NO3--N 質量濃度為0.047 mg·L-1和0.173 mg·L-1，進入林分過程中銨態(tài)氮濃度變化規(guī)律不一致，而硝酸鹽氮濃度變化規(guī)律基本一致。3 種典型林分樹干莖流和土壤滲透水銨態(tài)氮濃度顯著高于大氣降水、穿透水及溪流水（P＜0.05），說明大氣降水對樹干和表層土壤的淋溶作用。而3 種典型林分穿透水、樹干莖流及土壤滲透水硝酸鹽氮濃度均有不同程度的升高，增幅最大的為土壤滲透水，其質量濃度介于2.76－5.23 mg·L-1之間，為溪流水硝酸鹽氮濃度的6.4－10.5倍，說明大氣降水對表層土壤硝酸鹽氮淋溶作用明顯以及深層土壤吸收或吸附硝酸鹽氮的能力增強。

3 種典型林分間各水文分量中氮磷濃度均不相同（圖3）。降水經(jīng)林冠層后，3 種典型林分間穿透水總氮濃度無顯著差異（P＞0.05），而總磷、銨態(tài)氮和硝酸鹽氮濃度存在顯著差異（P＜0.05）。3 種典型林分間樹干莖流總氮和硝酸鹽氮存在顯著差異（P＜0.05），而銨態(tài)氮無顯著差異（P＞0.05），樹干莖流總氮和銨態(tài)氮濃度大小均表現(xiàn)為常綠闊葉林＞針闊混交林＞針葉林。針葉林土壤滲透水中總氮濃度顯著高于常綠闊葉林和針闊混交林，而總磷濃度顯著低于常綠闊葉林和針闊混交林（P＜0.05），土壤滲透水中銨態(tài)氮濃度大小為針闊混交林＞常綠闊葉林＞針葉林，硝酸鹽氮濃度則表現(xiàn)為針葉林＞針闊混交林＞常綠闊葉林，均具顯著差異（P＜0.05）。大氣降水經(jīng)過森林通過溪流輸出后，總氮和硝酸鹽氮濃度大小均為針闊混交林＞針葉林＞常綠闊葉林，且3種林分溪流水之間具有顯著差異（P＜0.05）。針闊混交林溪流水中總磷濃度顯著高于常綠闊葉林和針葉林，溪流水中銨態(tài)氮的濃度大小表現(xiàn)為常綠闊葉林＞針闊混交林＞針葉林。

2.2.2 3種典型林分冠層對氮磷濕沉降截留特征

從圖4 可知，大氣降水量為2 136.4 mm，主要集中在5 月和8 月，降水量均在550 mm 以上，6 月降水量次之，降水量為300.7 mm。觀測期間的3 種林分總穿透水量介于1 252.6－1 393.0 mm，常綠闊葉林穿透水量最高，占大氣降水量的65.2%，針闊混交林穿透水占大氣降水的59.5%，常綠闊葉林為58.6%；3 種林分樹干莖流量為191.7 mm（常綠闊葉林）、189.6 mm（針闊混交林）和159.4 mm（針葉林）。不同林分中，針葉林冠層截留量最高，針闊混交林次之，分別占大氣降水量的33.9%、31.7%，而常綠闊葉林冠層截留率最低，為25.8%，穿透水量和樹干莖流量大小在3 種林分中表現(xiàn)出相同的趨勢。

圖4 觀測期間大氣降水量與林內降水量月變化Figure 4 Monthly variation of atmospheric precipitation and forest precipitation

由表2 可知，觀測期間內大氣降水TN、TP、NH4+-N 和NO3--N 濕沉降量分別為13.3、0.829、1.66 和2.59 kg·hm-2。降水經(jīng)過3 種林分冠層后，TN 和NH4+-N 通量均有不同程度降低，其中TN 在3 種林分冠層的截留率大小為針闊混交林(23.4%)＞針葉林 (17.0%)＞常綠闊葉林 (10.5%)，NH4+-N 為針葉林 (52.7%)＞常綠闊葉林 (45.5%)＞針闊混交林 (35.4%)；大氣降水經(jīng)過常綠闊葉林冠層后，TP 通量增大，增至為大氣降水的1.89 倍，而經(jīng)過針闊混交林和針葉林冠層后TP 通量降低，分別截留大氣降水的45.3%和23.5%；大氣降水經(jīng)過3 種林分冠層后，淋溶出更多的NO3--N，其淋溶作用大小為針闊混交林 (58.9%)＞針葉林 (39.3%)＞常綠闊葉林 (31.6%)。這表明3 種林分冠層對大氣降水中TN 和NH4+-N 沉降均具有一定的截留作用，TP 在針葉林和針闊混交林中受到冠層的截留作用；而NO3--N 受到3 種林分冠層的淋溶作用，TP 在常綠闊葉林中受淋溶作用。

表2 觀測期間典型林分冠層對TN、TP、NH4+-N和NO3--N 的截留Table 2 Canopy interception of TN, TP, NH4+-N and NO3--N in typical forests during the observation period

2.3 森林生態(tài)系統(tǒng)對降水過程中重金屬的調控過程

2.3.1 3種典型林分各水文層次對重金屬的調控

大氣降水攜帶4 種重金屬元素在進入3 種典型林分形成溪流水后，其濃度均有不同程度的變化（圖5）。與大氣降水相比，3 種典型林分溪流水Cd、Cu 和Mn 濃度均有不同程度的降低，其中Cd 降幅為50%－75%，Cu 的降幅為77.9%－90.1%，Mn 的降幅0.40%－73.5%；Cr6+濃度顯著升高（P＜0.05），Cr6+增幅表現(xiàn)為針闊混交林 (91.7%)＜常綠闊葉林(100.7%)＜針葉林 (243.1%)；而3 種林分溪流水中的Pb 濃度與大氣降水無顯著差異（P＞0.05）。3 種典型林分不同水文組分間Cd、Pb、Cu 和Mn 濃度變化規(guī)律基本一致，表層土壤滲透水Cd、Pb、Cu和Mn 濃度顯著高于其它水文組分濃度（P＜0.05）。大氣降水經(jīng)過3 種典型林分后，與大氣降水相比，3 種典型林分不同水文組分（穿透水、樹干莖流、表層土壤滲透水及溪流水）Cr6+濃度均有不同程度升高，其中，穿透水、樹干莖流及溪流水Cr6+濃度顯著升高大氣降水（P＜0.05），增幅分別介于21.8%－38.5%、30.8%－69.6%及21.1%－85.1%之間；而常綠闊葉林與針葉林土壤滲透水Cr6+與大氣降水Cr6+差異不顯著（P＞0.05）。3 種典型林分各水文分量中的重金屬Pb 和Cu 濃度變化規(guī)律基本一致，常綠闊葉林穿透水、樹干莖流及土壤滲透水Pb 濃度均顯著高于大氣降水和溪流水（P＜0.05），針闊混交林土壤滲透水Pb 濃度均顯著高于大氣降水、穿透水、樹干莖流及溪流水（P＜0.05）；各水文組分中，常綠闊葉林和針闊混交林表層土壤滲透水Cu 濃度達到最大值，而針葉林為樹干莖流。Hg 在3 種典型林分不同水文組分中的濃度均大于大氣降水，溪流水中Hg 濃度最高。

圖5 典型林分各水文分量重金屬質量濃度差異Figure 5 Differences of heavy metal mass concentrations in different hydrological components among typical forests

由圖5 可知，大氣降水攜帶6 種重金屬離子進入3 種林分，同一水文層次的重金屬含量在3 種林分之間具有不同程度的變化。常綠闊葉林穿透水中的Cd、Cr6+、Pb 和Cu 濃度相對于其他兩種林分穿透水，均具有不同程度的升高，其中Cd、Cr6+和Pb在常綠闊葉林穿透水中的濃度顯著高于針闊混交林（P＜0.05），Cu 在3 種林分穿透水之間無顯著差異（P＞0.05）；Hg 和Mn 在針闊混交林穿透水中的濃度均顯著高于針葉林（P＜0.05）。樹干莖流中Cd、Cr6+、Pb、Hg 和Cu 的濃度在3 種林分內具有相似的規(guī)律，針葉林樹干莖流濃度均顯著高于其他兩種林分（P＜0.05），其中針葉林樹干莖流Cu 濃度顯著高于針闊混交林（P＜0.05），針闊混交林樹干莖流Cu濃度顯著高于常綠闊葉林（P＜0.05）；Mn 在常綠闊葉林樹干莖流中的濃度顯著低于其他兩種林分（P＜0.05）。土壤滲透水中Cd、Hg、Cu 和Mn 的濃度在3 種林分之間具有相同的規(guī)律，針葉林土壤滲透水中Cd、Hg、Cu 和Mn 的濃度均顯著高于常綠闊葉林和針闊混交林（P＜0.05）；而土壤滲透水中Cr6+和Pb 的濃度表現(xiàn)為針闊混交林顯著高于常綠闊葉林（P＜0.05）。溪流水中Cd、Pb 和Hg 在3 種林分之間無顯著差異（P＞0.05），Cr6+在針葉林溪流水中的濃度顯著高于常綠闊葉林和針闊混交林（P＜0.05），Cu 在常綠闊葉林溪流水中濃度最低，顯著低于其他兩種林分（P＜0.05），而Mn 在針闊混交林溪流水中的濃度顯著高于其他兩種林分（P＜0.05）。

2.3.2 3種典型林分冠層對重金屬的截留特征

觀測期間，Cd、Cr6+、Pb、Hg、Cu 和Mn 的大氣沉降量分別為0.823、160.9、10.5、0.275、25.9 和363.5 g·hm-2（表3）。大氣降水經(jīng)過3 種林分冠層后，Cd 的通量均得到降低，說明其受到冠層的截留作用，截留率分別為46.1% (針闊混交林)＞ 30.9% (針葉林)＞ 23.6% (常綠闊葉林)。Cr6+、Pb、Cu 和Mn 在經(jīng)過3 種林分冠層后，其通量均得到增加，說明這些重金屬離子受到冠層的淋溶作用，其中，Cr6+、Pb和Cu 在3 種林分內的淋溶作用均表現(xiàn)為常綠闊葉林＞針葉林＞混交林，而Mn 在3 種林分內受到的淋溶作用表現(xiàn)為針闊混交林＞針葉林＞常綠闊葉林。Hg經(jīng)降水進入3 種林分后，其通量均有不同程度的變化；針葉林中穿透水Hg 沉降量為0.133 g·hm-2,樹干莖流為0.035 g·hm-2，其中降水中Hg 通量的38.8%被截留在林冠，說明針葉林冠層對Hg 表現(xiàn)為截留作用；而Hg 在常綠闊葉林和針闊混交林中表現(xiàn)為淋溶，其作用大小為針闊混交林（16.6%）＞常綠闊葉林（2.67%）。

3 討論

3.1 典型林分的酸性特征

大氣降水的化學成分受氣體組成及懸浮顆粒易溶物質的直接影響，降水的pH 值可反映出大氣中酸性物質的濃度（杜子璇等，2010）。在觀測期間，新豐江庫區(qū)大氣降水的年均pH 值為5.82，實測降水呈弱酸性。酸性降水在流經(jīng)3 種典型林分冠層枝葉莖干后，pH 值均明顯低于大氣降水，這與葛曉敏等（2020）的研究結論一致。這可能是由于林木生長過程中會分泌有機酸，降水淋溶樹干枝葉，沖刷出葉片排出的酸性物質，致使穿透水和樹干莖流pH 值降低。森林地上植被層對于降水的酸化作用在不同類型林分中具有較大差異。Eisalou et al.（2013）研究發(fā)現(xiàn)針葉林內穿透水pH 值顯著低于闊葉林，李佳等（2010）研究發(fā)現(xiàn)針闊混交林對于酸雨的緩沖性能優(yōu)于針葉林。本研究中，針葉林樹干莖流酸度相比于其它林分顯著增強，pH 值為3.89。這與陳軍等（2009）、田大倫（2002）和劉菊秀（2003）研究結果一致，而造成這種差異的原因可能是針葉樹種生理作用對某種元素的吸收累積和溢泌效應特殊，或是葉片的革質程度、表皮樹干的光滑度及葉片養(yǎng)分狀況與其它林分有所差異（劉菊秀，2003；盧曉強等，2015）。

森林內土壤層是水分貯存的主要場所，對降水進行第3 次分配，是一個極其復雜的體系（趙宇寒等，2022）。本研究中，3 種林分中林內降水轉化為表層土壤滲透水過程中酸化加強，主要是由于林分地表腐殖質和表層土壤中含有大量的酸性物質，經(jīng)雨水淋溶后滲透水pH 偏低；而針葉林內土壤滲透水pH 值高于樹干莖流，是因為樹干莖流本底酸性較強。不同林分土壤對于酸雨的緩沖反應有所差異，常綠闊葉林對酸雨的緩沖能力優(yōu)于針闊混交林和針葉林，這由于常綠闊葉林經(jīng)自然演替而來，而原生林土壤中堿性陽離子同化較少，其交換酸減少的幅度大于經(jīng)撫育優(yōu)化的針葉林，這可能限制了H+進入到土壤溶液（Lie et al.，2023）；與闊葉樹相比，針葉樹在凋落物分解和根系分泌過程中能釋放更多有機酸（Jiang et al.，2016）。

3.2 典型林分對氮、磷物質的調控

大氣中的很多物質均可溶于水，并隨降水返回地面，成為養(yǎng)分循環(huán)的一部分，而植物冠層降水再分配對化學物質遷移具有重要影響（陳曉瀅等，2021）。

降水穿過林冠以及枝葉表面一系列淋洗、沖刷、吸收等作用的發(fā)生，雨水內氮、磷濃度發(fā)生了變化，并在不同林分差別明顯。在大氣降水轉化成穿透水和樹干莖流過程中，3 種林分內TN、TP 和NH4+-N 沉降量降低，被林冠層截留。林分冠層截留能力各不相同，TN 和TP 在針葉林的截留量最小，而NH4+-N 在針葉林中最大，這可能是由于林分郁閉度、密度、攔截水量以及樹種對養(yǎng)分的吸收能力等因素造成；NO3--N 在針闊混交林和針葉林內得到淋溶，這可能歸因于常綠闊葉樹種葉片革質化程度高從而浸出無機氮較少，或針葉表面具有較強的捕獲干沉積顆粒的能力（Draaijers et al.，1994；Michopoulos et al.，2019）。與針葉林和針闊混交林相比，常綠闊葉林的闊葉樹種葉片大，不利于穿透水的形成，樹干較為光滑，穿透水和樹干莖流的濃度分配較為均勻，所以常綠闊葉林穿透水和樹干莖流的氮濃度相差不大（覃芳華等，2014）。

在林下降水轉化為土壤滲透水后，與大氣降水相比，TN、NH4+-N 和NO3--N 濃度均得到增高；與林內降水相比，TN、NH4+-N 和NO3--N 濃度持續(xù)上升。這可能是由于大量的有機氮儲存于林下枯落物與土壤腐殖質中，經(jīng)過分解后，以無機氮的形式溶解于土壤滲透水內，也有研究表明降水中NH4+-N 和NO3--N 大都進入土壤無機氮庫，導致土壤滲透水內無機氮含量升高（Williams et al.，1996；楊麗麗等，2019）。降水經(jīng)歷冠層、枯落物層和土壤層的一系列淋溶和截留后，最終以溪流水的形式輸出，水質也發(fā)生相應的變化。有研究發(fā)現(xiàn)，常綠闊葉樹種對溪流中的化學成分有一定的積極作用（劉逸菲等，2021），而本研究中，常綠闊葉林溪流水中的TN、TP 和NO3--N 濃度均低于其他林分，離子濃度得到緩釋，表明常綠闊葉林產生溪流的過程中截留，吸附了較多的氮磷元素，水質受到一定程度的凈化作用。

3.3 典型林分對重金屬元素的調控

重金屬污染不僅影響環(huán)境質量，而且極易通過水體進入土壤直接影響到土壤性質、作物生長、農業(yè)產量等，并通過食物鏈對人體健康造成危害。在生物學角度上，6 種重金屬均為無益的元素，大氣降水在攜帶各養(yǎng)分元素進入森林生態(tài)系統(tǒng)的同時，還伴隨著對植被層的截留和淋溶作用，使其水化學特征明顯改變（肖以華等，2010；劉永杰等，2014；張楠等，2019）。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，重金屬主要是隨冠層淋溶作用和土壤侵蝕而遷移，降水通過洗滌冠層中干沉降積累的顆粒物或通過離子交換改變沉降物質的量（肖以華等，2010）。Tan et al.（2019）研究發(fā)現(xiàn)林冠層可以淋溶Mn，截留Cd，康希睿等（2021）研究發(fā)現(xiàn)Cu 也受到冠層淋溶。本研究中林冠層截留Cd，淋溶Cr6+、Pb、Cu 和Mn；而Hg 在針葉林內受到較小的截留作用，在常綠闊葉林和針闊混交林內淋溶，這與林內降水中Cr6+、Pb、Cu 和Mn 重金屬濃度呈上升趨勢的結果一致。表明部分重金屬經(jīng)過林分冠層后均析出，降水對以干沉降方式附著在枝干、葉片表面的部分重金屬離子起到淋溶作用。3 種典型林分中Cd、Cu 和Mn 在溪流水中的平均濃度均低于大氣降水，說明新豐江庫區(qū)典型林分通過植物修復、吸收和土壤過濾吸附等生態(tài)過程對降水中重金屬具一定的凈化作用。溪流水中Hg濃度升高，可能與其在土壤深層或地下斷層裂縫中的本底值偏高有關，也有可能是下滲水量減少導致的濃縮效應，可增加對Hg 的追蹤監(jiān)測，追溯溪流出水中Hg 的來源。

同一種重金屬離子在經(jīng)3 種林分溪流水輸出后，濃度表現(xiàn)出相同的變化趨勢，說明3 種林分對于同一重金屬的調控均起到相同的效果。土壤滲透水中重金屬的濃度普遍高于其他水文分量，可能是由于土壤水環(huán)境pH 偏低，氫離子對重金屬離子有競爭吸附力，在土壤滲透水中吸附、解吸可交換態(tài)重金屬離子，而經(jīng)溪流匯出后pH 值升高，重金屬濃度降低（孫濤等，2016；伍琪等，2020）。大氣降水中離子根據(jù)自身性質隨樹干莖流、地表徑流等方式匯入溪流，經(jīng)過淋溶、截留等相互作用導致其元素濃度增加或降低，并儲存在表層凋落物或土壤沉積物中，這導致降水過程中重金屬離子之間存在一定的差距（Huang et al.，2009；蔣雨芮等，2020）。森林的水文影響是由森林結構和降水特征共同影響（徐小勤等，2023），其過程依附于生態(tài)系統(tǒng)中植被要素和土壤要素對降水及其水化學特性的多界面調節(jié)（劉效東等，2022）。溪流水質與其它水文分量之間的差異因林分而異，有研究表明闊葉樹種對穩(wěn)定水質有一定的積極作用，混交搭配的植物配置模式對水質凈化效果最佳（李凱等，2019）；徑流形成、雨水入滲以及地下水位上升等過程也會導致溪流水質的變化，土壤結構疏松多孔，植物根系分布廣泛，土壤水中的物質元素易被吸收或轉化，導致水質波動較大（Zhu et al.，2019）。此外，冠層截留隨林外降水量的變化、不同降水尺度下離子稀釋或濃縮效應等也會產生的水文影響（Béjar Pulido et al.，2018），這可在下一步研究中著重探討。

4 結論

本研究長期定位監(jiān)測3 種典型林分降水過程中氮、磷物質及重金屬的質量濃度變化，分析了不同森林群落水文過程中氮、磷和重金屬的分配和遷移規(guī)律，得出的主要結論如下：

1）新豐江庫區(qū)大氣降水pH 值為5.82，呈弱酸性。森林地上植被層對于降水的酸化作用在不同林分間具有較大差異，其中，針葉林因其樹種特性對樹干莖流更具酸化作用。

2）降水經(jīng)表層土壤滲透后，酸性進一步增強，含氮物質與重金屬離子在表層土壤滲透水中的質量濃度普遍較高，酸性較強的土壤水環(huán)境可能促進了該物質元素的析出。溪流水酸性得到極大緩沖，常綠闊葉林對酸雨的緩沖能力優(yōu)于針闊混交林和針葉林。

3）3 種典型林分冠層吸附或解吸氮、磷物質和重金屬沉降的能力有所差異，林分冠層吸附了降水中的TN、TP、NH4+-N 和Cd，而NO3--N、Cr6+、Pb、Cu、Hg 和Mn 大部分元素從林冠層中淋溶出來。

4）針葉樹種的林分冠層過濾、凈化雨水的效果更好，而闊葉樹種的林分冠層更能有效減少大氣污染物并改善空氣質量。該庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)在延緩降水酸化、凈化流域水質、改善大氣環(huán)境等方面具有重要作用，未來可結合降水量對干沉降、深層次土壤滲透水及地下水進行長期監(jiān)測，進一步探明林分固定污染顆粒的能力并追蹤污染物來源，從而極大程度地挖掘出該庫區(qū)森林的生態(tài)服務功能。