西安市水源地森林生态系统水质空间变化特征1)

晋建霞 张胜利 陆 斌 马国栋

(西北农林科技大学，杨凌，712100)

西安是世界著名的历史文化名城，位于陕西关中平原的中部，是我国中西部地区重要的科研、高等教育、国防科技工业和高新技术产业基地，但人均占有地表水资源量远远低于国际公认的维持一个地区可持续发展人均占有量1 000 m3的临界值［1］。随着西安都市圈的加快建设，西安将建成为国际大都市［2］，其对水的需求将与日俱增，因此，优质的水源对人类健康、城市发展至关重要［3］。西安市城市用水主要从发源于太白山国家级自然保护区的黑河和石头河取水，特别是近年来实施的石头河、黑河引水工程。秦岭北麓位于秦岭分水岭至关中平原南缘之间，具有重要的生态功能，是关中地区的生态屏障和水源涵养地，对西安甚至关中地区社会经济可持续发展影响深远。但多年来重开发轻保护，尤其是多年来矿产开发、旅游开发、污染型“五小企业”生产［4］，使排污加剧，从而对水源地水环境安全构成极大威胁。西安市是陕西的政治、经济、文化中心，其供水水源地水质安全是陕西省政府十分关注的重大问题。

森林生态系统水质空间变化及其机理是森林水文学研究的重要内容，目前在这方面的研究还较少。而太白山蒿坪保护区位于秦岭北麓黑河和石头河之间林区的中部，地处陕西省眉县境内，其气候、土壤、植被、树种等在水源地林区具有较好的代表性，因此，文中以该区天然林为对象，采用比较分析方法，系统探讨雨水进去森林生态系统后水质的空间变化及其机理，理清其影响水质的关键过程，以便为西安市供水水源地保护与生态建设提供科学依据。

1 试验地概况

研究区域位于陕西省宝鸡市眉县营头镇的太白山国家级自然保护区蒿坪林区(图1)。地理坐标为东经 107°41'～107°43'、北纬 33°04'～34°05'，海拔1 300～2 800 m，地处我国西北部暖温带，属典型的暖温带半湿润气候，有着明显的气候垂直带，海拔1 000～2 000 m区域的年均温为11.4℃，海拔2 000 m以上年均温低于8℃。东、北部的黑河和石头河基本上流入渭河(图2)。

区内森林资源丰富，森林面积45 725 hm2，森林覆盖率81.2%，总蓄积705万m3。植被垂直带谱发育十分典型，自下而上依次为落叶阔叶林带、针叶林带和高山灌丛草甸带。主要树种有华山松(PinusarmandiiFranch.)、栓 皮 栎 (QuercusvariabilisBlume)、锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)、油松(Pinustabuliformis)、青榨槭(Acerdavidiifranch)等。土壤类型众多，有高山草甸土、山地暗棕壤、山地沼泽土等6个土类，16个亚类。

图1 蒿坪林区位置图

图2 蒿坪林区水系布局图(图中黑线代表河流)

2 材料与方法

2.1 试验设计与水样采集

大气降水进入流域森林生态系统后，依次通过林冠层、枯枝落叶层到达土壤层表面，并分别形成林内雨和枯透水。在形成林内雨过程中，还伴有树干茎流的产生，但其对水质总体影响较小［5］，本研究不将其单独列出。到达土壤层表面的降水，几乎全部下渗补充土壤水分或形成壤中流，这是因为森林土壤表层富含有机质，质地疏松，空隙大，利于入渗［6］。

本试验采用对比大气降水，林内雨，枯透水和土壤 A(0≤H(土壤深)＜20 cm)、B(20 cm≤H＜50 cm)层渗透水，溪流水以及流域出口径流水的化学成分质量浓度变化，来探讨水质的空间变化。因此，需要采集的水样类型为大气降水，林内雨，枯透水，土壤A、B层渗透水，溪流水和流域出口径流水。降水的收集点设在蒿坪保护站的空旷地带，共布置2个点，附近无树木、房屋等。分别在针阔混交林、阔叶混交林和锐齿栎林内布设林内雨收集器，每个林子布设2个点，各点代表的面积基本相同，分别用口径20 cm、高15 cm的塑料桶接取，其顶部用带孔的聚氯乙烯薄膜罩住，以防杂物进入;枯透水分别用口径25 cm、高10 cm的塑料盆接取，其顶部用带孔的聚乙烯薄膜罩住，薄膜上放置与林内厚度相似的枯落物，尽量不要破坏枯落物的结构，采样时，将平行的水样混合，装入聚乙烯塑料瓶中，大概500 mL;土壤A、B层的水样分别在集水槽的引水管管口接取，同样装入聚乙烯塑料瓶中，大概500 mL;另外，在典型支沟口修建复合式量水槽，并且在其三角出口接取溪流水500 mL;典型的流域出口修建巴歇尔量水槽，并且在其下游出口接取流域出口径流水500 mL。溪流水和流域出口径流水样一般在雨后8～24 h采集。

2.2 水样测试项目与方法

pH值采用电位法测定;NO-3和NH+4采用AA3型连续流动化学分析仪测定;采用原子吸收分光光度计火焰法测定 K+、Na+、Ca2+和 Mg2+，石墨炉法测定Cu2+和总Cr;采用等离子体发射光谱仪测定Cd2+、Zn2+、Pb2+和 Al3+。

2.3 数据处理

研究期间，共采集水样10次，63个水样，其中大气降水6个、林内雨10个、枯透水10个、土壤A层渗透水10个、土壤B层渗透水7个、溪流水10个、流域出口径流水10个。大气降水、林内雨、枯透水、土壤A层渗透水、土壤B层渗透水、溪流水和流域出口径流水中化学成分质量浓度分别为各次降水同类水样测定结果的平均值。

3 结果与分析

3.1 不同层次水样pH值变化

在研究期间，大气降水pH的平均值为7.29(表1)，水质偏碱性。降水通过林冠层和枯枝落叶层后，pH值依次降低，其中，林内雨的pH平均值降低幅度较大;经过土壤层后，pH的平均值升高到7.45，并且土壤B层相对土壤A层的升高幅度最大，为0.54，这是由于H+与黏土矿物或有机质吸附的阳离子发生交换反应，减少了H+的质量浓度［7］。流域出口径流水pH的平均值达到7.96，这是由降水与土壤基质和沟道岩石接触发生分解交换作用导致的［8］。

表1 不同层次水样pH值及各化学成分质量浓度

3.2 不同层次水样中N、N质量浓度变化

3.3 不同层次水样中 K +、Na+、Ca2+、Mg2+质量浓度变化

大气降水K+的平均质量浓度为0.525 mg·L-1(表1)。降水通过林冠层后，K+的质量浓度增加了1.016 mg·L-1，且林内雨中K+的质量浓度为大气降水中的 3 倍，Cappellato et al.［11］的研究也说明 K+在穿透雨增加很多，因为K+是移动性极强的元素，在水中极易溶解，极易从林冠的叶子和枝上溶脱［12］;经过枯枝落叶层后，K+的质量浓度增加了2.027 mg·L-1，薛立等［13］也发现枯落物为K+源，因此林冠层和枯枝落叶层都对K+表现为淋溶;通过土壤层后，K+质量浓度升高到11.307 mg·L-1，说明土壤中含有丰富的K+;但是在溪流水和流域出口径流水中的K+质量浓度相对土壤层是非常低，流域出口径流水K+质量浓度为 0.996 mg·L-1，说明 K+在森林中循环时，森林生态系统起重要作用。袁东海等［14］研究表明植被覆盖度低，无水保措施的试验区K+流失量最大，而秦岭北麓植被覆盖度高(81.2%)，有效地防止K+流失，维持了K+的平衡。

大气降水 Na+的平均质量浓度为0.478 mg·L-1(表1)。当降水通过林冠层后，Na+质量浓度降为最低值，为0.089 mg·L-1，说明林冠层对 Na+具有吸附作用;通过枯枝落叶层后，Na+质量浓度为林内雨的2倍多，说明枯落物对Na+表现为淋溶;经土壤层后，Na+升高到最大值，5.589 mg·L-1，尤其是土壤B层(相对土壤A层增幅达4.316 mg·L-1)，说明土壤层对Na+有淋溶作用;但流域出口径流水Na+的质量浓度降为2.680 mg·L-1，这是由于沟道附近树木少，降水直接进入流域出口径流水中，对Na+离子产生了稀释作用。

降水中Ca2+的平均质量浓度为4.257 mg·L-1(表1)。Ca2+质量浓度变化与Na+相似，也是林冠层吸附，与陈步峰等［12］得出的林冠层对降水中Ca2+具有吸贮效应相一致;枯枝落物层对Ca2+具有淋溶作用;从土壤层到溪流水后，Ca2+的质量浓度升高到14.104 mg·L-1，这主要是由于土壤中的 CaCO3转化为可溶于水的Ca(HCO3)2，从而使溪流水中Ca2+质量浓度升高［15］。流域出口径流水Ca2+的质量浓度为10.585 mg·L-1，相对溪流水有所降低，这可能是因为径流水的Ca2+多以CaCO3存在于岩石中。

大气降水Mg2+的平均质量浓度很低，为0.187 mg·L-1(表1)。降水通过林冠层后，Mg2+的质量浓度增加了0.104 mg·L-1，经枯枝落叶层后，Mg2+的质量浓度为林内雨的6倍多，说明林冠层和枯枝落叶层对Mg2+表现为淋溶，尤其是枯枝落叶层;通过土壤层后，Mg2+的变化不大，说明土壤层对Mg2+的影响不大，这与张胜利等［5］的研究一致;但是当流入支沟溪流后，Mg2+的质量浓度升高到4.222 mg·L-1，这与 Mg2+主要来源于岩石［5］有关。相对大气降水来说，Mg2+的质量浓度是上升的，各层次对Mg2+均表现为淋溶。

3.4 不同层次水样中 C u2+、总 C r、Al3+、Cd2+、Pb2+、Zn2+质量浓度变化

大气降水Cu2+的平均质量浓度为3.709μg·L-1(表2)。当降水通过林冠层后，Cu2+的质量浓度降低了18%，这与梁翠萍等［16］的研究一致;通过枯枝落叶层后，Cu2+的质量浓度相对于林内雨增加了1倍多，说明枯枝落叶能够促进Cu2+向水中迁移;通过土壤层后，Cu2+的质量浓度相对枯透水降低了25%，说明土壤对 Cu2+具有固定作用。溪流水中Cu2+的质量浓度达到3.095μg·L-1;流域出口径流水Cu2+的质量浓度又增到5.572μg·L-1，可能是由于枯枝落叶释放的Cu2+进入到流域出口径流中。从大气降水到流域出口径流，Cu2+的质量浓度是增加的，但各层次Cu2+质量浓度均在我国生活饮用水水质标准规定的1 000μg·L-1范围内。

大气降水中总Cr的平均质量浓度为0.360μg·L-1(表2)。总Cr质量浓度在各层次的变化与Cu2+相似。降水通过林冠层后，总Cr的质量浓度降低了42%;经过枯枝落叶层后，总Cr的质量浓度为林内雨的4倍;通过土壤层后，相对枯透水下降了64%;溪流水中总Cr的质量浓度达到0.257μg·L-1;流域出口径流水总Cr的质量浓度相对溪流水增加1倍，原因与Cu2+相似。在各层次中总Cr的质量浓度都很低，符合我国生活饮用水水质标准规定的50 μg·L-1。

大气降水中Al3+的平均质量浓度为92.181μg·L-1(表2)。大气降水通过林冠层后，Al3+的质量浓度增加了25.047μg·L-1，说明林冠层对 Al3+具有释放作用;通过枯枝落叶层后，Al3+的质量浓度相对林内雨降低了46%，说明枯枝落叶层对Al3+有明显的固定作用;经过土壤层后，Al3+又升高到160.300 μg·L-1，并且土壤A层和B层的质量浓度相近，说明土壤层对Al3+具有释放作用;流域出口径流水Al3+的质量浓度相对土壤层降低了12%。欧阳学军等［7］对鼎湖山地表水的研究发现地表水和30 cm深土壤溶液中的Al3+质量浓度分别是大气降水的5倍和8倍，得出地表水中的Al3+主要来源于酸雨对土壤的淋溶，而本研究中流域出口径流水Al3+的质量浓度是大气降水的1.53倍，间接说明了太白山没有受到酸雨的影响。

表2 不同层次水样中各金属元素质量浓度 μg·L-1

大气降水中Cd2+的平均质量浓度很低，为1.864 μg·L-1(表 2)。降水通过林冠层后，Cd2+的质量浓度降低1.4%，为1.838μg·L-1;经枯枝落叶层后，Cd2+质量浓度相对林内雨降低12.2%，成为1.613μg·L-1，说明林冠层和枯枝落叶层对 Cd2+的作用不明显，这与杨小梅［17］的研究一致;通过土壤层后，Cd2+质量浓度增加到 2.281 μg·L-1，这与森林土壤枯枝落叶层和有机质层的淋溶对土壤重金属元素有很大的解吸作用有关［6］;在流域出口径流水中Cd2+的质量浓度却降到 1.283 μg·L-1(pH=7.96)，这是因为当pH＞7.50时，Cd2+主要以氧化物与黏土矿物结合态及残留态存在［18］。整体来说，各层次水样的Cd2+都在我国生活饮用水水质标准5μg·L-1范围内。

大气降水中Pb2+的平均质量浓度为26.612μg·L-1(表2)，超过了我国生活饮用水水质标准规定的10μg·L-1。降水经过林冠层后，Pb2+的质量浓度降到6.476 μg·L-1，为大气降水的 24.3%，因为植物可以通过枝叶吸收并累积Pb2+［19］;通过枯枝落叶层后，Pb2+又升高到 17.875 μg·L-1，说明枯落物对Pb2+具有淋溶作用;经过土壤层后，Pb2+又降低到5.130 μg·L-1，为枯透水的 28.7%，欧阳学军等［7］也得出森林的存在及其土壤对Pb2+有净化作用，土壤对Pb2+的吸附强度与有机质质量浓度呈正相关［20］，而秦岭山区森林植被下发育的土壤有机质积累强烈［21］，所以，土壤层对重金属的吸附能力较强;使得流域出口径流水的Pb2+质量浓度为5.259μg·L-1，符合我国生活饮用水标准。

Zn2+在各层次的质量浓度变化趋势与Pb2+的相同。通过林冠层后，Zn2+降低到0.803μg·L-1(表2)，为大气降水的7.7%，几乎全被林冠层吸收，与田大伦［22］、方晰［23］等研究发现杉木林林冠对 Zn2+有吸收作用相一致;通过枯枝落叶层后，Zn2+的质量浓度增加到11.120μg·L-1，说明枯落物对 Zn2+具有释放作用;经过土壤层后，Zn2+的质量浓度降到6.238 μg·L-1，说明土壤层对 Zn2+有固定作用;流域出口径流水的Zn2+质量浓度为5.657μg·L-1，各层次水样的Zn2+质量浓度都远远小于我国生活饮用水水质标准1 000μg·L-1。

4 结束语

通过分析太白山蒿坪保护区森林生态系统对水质空间变化的影响，得出西安市供水水源地森林生态系统水质空间变化特征为：从大气降水到流域出口径流，pH值升高，贡献较大者为土壤层。但是降水通过林冠层和枯枝落叶层后，pH值降低，N的质量浓度也降低，枯枝落叶层是吸收N的关键层次，土壤层对N具有淋溶作用。林冠层和土壤层是吸收或固定N的关键层次，枯枝落叶层对N具有淋溶作用。相对大气降水来说，流域出口径流水的N质量浓度上升，N质量浓度降低。森林生态系统各层次对K+离子都表现为淋溶，尤其是林冠层和土壤层;林冠层是吸收Na+和Ca2+的关键层次，枯枝落叶层和土壤层则表现为淋溶;林冠层和枯枝落叶层对Mg2+具有淋溶作用，尤其是枯枝落叶层，土壤层对其影响不大。相对大气降水来说，流域出口径流 K+、Na+、Ca2+、Mg2+质量浓度均表现为上升。大气降水通过林冠层后，Cu2+、总 C r、Cd2+、Pb2+和Zn2+质量浓度均降低，Al3+质量浓度上升;经过枯枝落叶层后，Cu2+、总 C r、Pb2+和 Z n2+质量浓度均上升，Cd2+和Al3+质量浓度下降;经过土壤层后，Cu2+、总 C r、Pb2+和 Z n2+质量浓度均下降，Cd2+和 A l3+质量浓度上升，整体来说林冠层和土壤层对重金属的吸附作用明显，相对大气降水来说，流域出口径流水的Cu2+、总 Cr和 Al3+质量浓度上升，Cd2+、Pb2+和 Zn2+质量浓度下降，符合我国生活饮用水水质标准。

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