4个林龄白桦次生林降雨中重金属化学性质研究

李文影

【摘 要】通过对凉水国家级自然保护区内4个林龄白桦次生林林外降雨、穿透雨、树干茎流和枯透水中的Fe、Mn进行测定，以研究4个林龄之间重金属化学性质的差异。结果表明：两种元素含量在林外降雨中随季节变化较大，其平均含量（以mg/L计）排列顺序为Mn>Fe；穿透雨中元素Fe含量70年含量较高，25年次之，56年含量较低，元素Mn含量56年含量较高，38年次之，25年含量较低。树干茎流中Fe元素含量是70年含量最高，38年含量最低，Mn元素含量在56年白桦次生林中最高，25年含量最低。枯透水中Fe元素、Mn元素含量均是56年含量较高，38年含量较低。

【关键词】4个林龄；穿透雨；树干茎流；枯透水；重金属化学性质

系统养分循环的重要部分便是由降水中化学元素浓度通过森林植被系统后发生变化构成的。森林生态系统养分循环及养分平衡的基础是降水，要了解森林生态系统净化水源的作用机制[1]，需要依托森林水环境化学变化的分析。因此，笔者从大气降雨、穿透水、树干茎流、枯透水这4个层次，对4个林龄白桦林降雨中的Fe、Mn元素化学性质进行了研究。

1 研究区概况

标准地设在伊春市凉水实验林场，其地标为E128°49′ 18″～128°56′56″；N47°8′ 20″～47°19′45″。地貌属低山丘陵，海拔平均值近411m。具有多风少雨、多雨高温的夏季、降温急剧、干燥严寒等明显的温带大陆性气候特征，年平均气温达-0.4℃，多年平均降水量676mm，无霜期多达180天以上。保护区内森林覆盖率达91%以上，主要植被类型有红松原始林、白桦次生林等。地带性土壤为暗棕壤。

2009年4月，在立地条件基本一致的4个林龄（26年、40年、55年、70年）白桦次生林中分别设置20m×30m标准地一块。对标准地进行每目检尺，其主要林分特征如表1。

表1 样地概况

2 研究方法

2.1 水样的采集

收集该保护区内气象站大气降雨样品；采集穿透水的方法为林内设置集水槽；采集树干径流的方法是将塑料导管螺旋状缠绕树干的基部，末端接一水桶；收集枯透水的方法是将剥离完整的枯落物层放置圆筛中，下面用口径一致的容器承接。试验观测时间为5月初～9月末。

2.2 水样的测定

Fe 、Mn元素含量测定使用过滤后加入硝酸酸化的样品。水样测定重复3次，取平均值，重复间出现差异过大时，重复次数增加，剔除不合理数据后取平均值[2]。

3 结果与分析

3.1 大气降雨水化学特征

森林生态系统林层对化学物质的影响主要包括截获与淋溶两个作用过程。树叶对降水中元素的吸收、吸附以及树干流的淋洗、淋溶等化学调节作用，使降水中所含元素含量发生了变化，携带着各种化学物质的林内雨水，经地被物和土壤层时，同样会受到较为复杂的淋溶和截面滤存作用，从而影响雨水的化学性质[3]。

林外降雨中Fe、Mn元素含量的测定结果见表2，可以看出：Mn元素含量最高于Fe元素含量，前者是后者的4.5倍；Mn元素含量变化最大，5月份含量最高为0.083mg/L，9月份最低为0.001mg/L，相差82倍。林外雨中各养分元素平均含量排列顺序为Mn>Fe。

由表2还可知，降雨养分元素的含量在不同月份均不相同，Fe元素含量在9月份达到最高，为0.018mg/L，是因为其主要来源为大气中的尘埃及有机物，供应有限，释放缓慢，因此不会因为雨量增加而呈现显著的变化。Mn元素含量在5月份含量较高，可能与此时常常出现大风天气，加之周围的村民要进行开荒备耕等活动有关。

表2 林外降雨中各元素的含量（mg/L）

3.2 穿透雨水化学特征

由于降雨与林冠表面发生洗脱、淋洗、吸收或吸附等作用，使得穿透雨化学特征会发生很大变化。经过对实验区内不同林龄白桦次生林的穿透雨水样的化学分析，并且与林外降雨水样中各元素含量分析结果对比表明（图1、图2）：养分元素浓度在经过林冠之后的变化总趋势基本相同，其中Fe、Mn元素含量增加，总体上表现为7、8月份含量较高。

Fe和Mn是植物体内一些酶的组成成分，在氧化还原过程中起着极其重要的作用。由图1和图2可以看，元素Fe和Mn表现出相似的季节动态规律，即6月份含量达到最高，随后逐渐降低。综合来看，元素Fe含量70年含量较高，25年次之，56年含量较低，38年和56年白桦次生林在个别月份出现了含量略低于林外雨水样中含量的现象。元素Mn含量56年含量较高，38年次之，25年含量较低。总体来看，与林外降雨相比较，二者含量有所增加是因为森林生态系统中的植物能够释放氢离子、还原剂和络合剂提高其溶解度，有利于铁离子的迁移和富集，同时微生物的代谢活动可引起Fe、Mn氧化物离解，致使可溶态Fe、Mn增加[4-6]（图1、图2）。

图1 穿透雨水样中Fe元素含量的比较

图2 穿透雨水样中Mn元素含量的比较

通过4个林龄白桦次生林的穿透雨水样的分析，并与林外降雨水样中主要营养元素分析结果进行对比，结果表明：

3.3 树干茎流水化学特征

树干茎流在森林对降水的分配各个分量中只占一个较小的比例，但树干茎流是大气降水经过两次交换的结果，其中部分元素含量显著增加，而也有少数元素的含量则有所降低，对其含量增减的比较也相当重要。从5月初至9月初止，对试验区内不同林龄天然次生白桦林内的树干茎流量进行定位观测，并定期取样分析其水样中的主要营养元素含量。通过化学实验分析的结果表明（图3、图4）：

树干茎流中各养分元素变化从总体来看，Mn元素含量均是在5月或6月份较高，因为此时树体颗粒物积累时间较长，大气悬浮物质较多，降雨洗脱的干沉降物较多，养分元素含量较高。Fe元素含量在7月或8月份较高，这与降雨强度、降雨历时、降雨前该地区环境状况及两次降雨的时间间隔等有关，而且，树皮给大气沉降提供了良好的接受场所，且是植物的非光合器官，它很难直接从水体中吸收营养元素，相反，雨水易于淋洗树干上的附着物，使得树干茎流中这些元素含量呈增加趋势。

在各林龄树干茎流水样中，Fe、Mn元素含量均高于林外降雨水样中的含量，4个林龄比较，元素Fe含量是70年含量最高（除5月和9月份外），出现这种情况的主要原因70年白桦林树皮较粗糙，能吸附较多的尘埃，且形成的树干茎流量会产生养分含量的高度浓缩现象，因此70年各养分含量较高。Fe元素含量是在7月份差别较大，顺序排列依次为70年>38年>56年>25年，总体来看，Fe元素含量是70年含量最高，为0.22mg/L，38年含量最低，为0.01mg/L，前者是后者的21倍；Mn元素含量是在6月份差别较大，顺序排列依次为56年>38年>70年>25年，总体来看，Mn元素含量是56年含量最高，为0.49mg/L，25年含量最低，为0.24mg/L，前者是后者的1.3倍，这可能与林分郁闭度、树高及林内微生物活动情况等有关（图3、图4）。

图3 树干茎流水样中 Fe元素含量的比较

图4 树干茎流水样中Mn元素含量的比较

降水流经树干后，会有部分元素含量增加，也会有少量元素含量降低[3]，树干茎流是大气降水经过两次交换的结果。

3.4 枯透水水化学特征

林地枯枝落叶层是大气降水进入森林生态系统后的第三个作用面，与冠层类似，对随水分携带穿过其间的各种物质进行着两种相反的过程，即过滤吸附和淋溶。但目前对枯落物层的研究主要集中在涵养水源、改善土壤理化性质以及其本身分解养分归还土壤等方面，缺乏枯落物层对林内雨的吸附过滤作用研究。

通过对实验区内不同林龄白桦林的枯透水水样的化学分析数据统计分析，并且与林外降雨水样中主要营养元素分析结果对比表明（图5、图6）：

大气降雨经过枯落物层后，4个林龄枯透水水样中各营养元素浓度变化从总体来看，Fe含量均有所增加，Mn元素含量在5～7月份有所减少。

各林龄段枯透水水样中Fe、Mn元素含量自6月份开始均逐渐减少。各林龄段Fe元素含量在6月份差别较大，比较6月份，排列顺序依次为56年>38年>25年>70年，综合来看，56年含量较高，38年含量较低；各林龄段Mn元素含量在7月份差别较大，含量大小依次为70年>38年>25年>56年，前者是后者的0.5倍，在9月份，38年含量显著低于其它3个林龄段，总体来看，56年含量较高，38年含量较低。

图5 枯透水水样中Fe元素含量的比较

图6 枯透水水样中Mn元素含量的比较

目前对枯落物层的研究主要集中在涵养水源、改善土壤理化性质以及其本身分解养分归还土壤[4]等方面，枯落物层对林内雨的吸附过滤作用研究较为缺乏。

4 结论

林外降雨中的化学元素经过不同林龄林冠后，化学元素含量发生变化，且变化程度不一。总的趋势是Mn元素含量在56年白桦次生林中最高，Fe元素含量是在70年中含量最高，Mn元素含量在25年白桦次生林中最低，Fe元素含量是 。

（6）不同林龄树干茎流中，各养分元素的含量也存在着明显的不同，总体上是Fe、Mn元素含量均是在70年白桦次生林中最高，Fe、Mn元素含量在38年白桦次生林中最低。

（7）大气降雨经过枯落物层后，综合来看，Fe、Mn元素含量在56年最中较高，在38年中较低。

【参考文献】

[1]李志安，林永标，彭少麟.华南人工林凋落物养分及其转移[J].应用生态学报，2000，11（3）：321-326.

[2]李华，盛后则，武秀娟，等.凉水国家级自然保护区溪流水化学特征分析[J].中国水上保持科学，2007，5（6）：70-75.

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[6]张锡辉.铁在饮用水水源中的循环转化[J].给水排水，1999，25（11）：18-22.

[责任编辑：杨玉洁]