鸡公山5种森林水样的水质分析

李月凤，柳 勇，张宏伟，周亚运，马冠男，张建设★

（1.河南省信阳市林业科学研究所，河南 信阳 464031；2.河南鸡公山森林生态系统国家定位观测研究站，河南 信阳 464031）

地球上的水通过太阳能和大气环流等作用在不断地循环，同时对地球表面具有一定的净化作用[1]。在循环过程中，森林对于水源的涵养和水质的改善功能被人们所公认。水分输入森林生态系统后，其中的一些物质可以被生物和土壤固定、吸收或分解，输出时水中的污染物种类和数量也相应减少[2-3]。例如作为森林生态系统中重要输入方式的大气降水，可以由林冠层至土壤层与森林植被产生互动和作用，通过林冠层、森林枯落物和土壤对水中的杂质进行过滤、吸收、固定和分解，以及降水淋溶土壤、岩石风化物及生物物质对水质化学成分的改善，最终使水得到净化[4]。

大气降水输入到森林生态系统后，主要有以下几个去向：一部分经植被冠层截持在植被表面，通过蒸发返回大气；一部分以穿透雨和树干径流形式通过林冠层降落到地表，形成林下降水。而林下降水一部分会被森林枯落物截持，另一部分到达枯落物层下面与矿质土壤接触，通过地表径流、集水区等形式的产流和汇流进入水文过程[5]。本文通过分别采集2020年3－10月间鸡公山森林区域内大气降水、穿透雨、树干径流、地表径流、集水区径流等5种类型水样，测定其水质各类指标参数，分析比较了5种水样水质参数变化及关系，模拟了降水穿透森林垂直层次的表现性状，为阐释森林净化水质涵养水源功能提供数据基础。

1 研究地概况

研究区位于河南省信阳市南部的河南鸡公山国家级自然保护区内，地处豫鄂两省交界处，地理坐标为31°46′－31°52′N，114°01′－114°06′E，保护区总面积2 917 hm2，森林覆盖率达98%。该区受东亚季风气候影响，具有北亚热带向暖温带过渡的季风气候和山地气候特征。

2 研究方法

2.1 样品采集

水质采集样地海拔位于200～400 m之间，坡度30°左右，土壤为黄棕壤，地质上属于华北与华南地台地层的过渡类型，岩石主要为鸡公山混合花岗岩和灵山复式花岗岩基[6-7]。采样点的森林植被类型为落叶阔叶林。样品采集时间为2020年3－10月，先后采样7次，采样日期分别为3月18日、4月21日、6月15日、7月10日、8月21日、9月21日和10月16日，其中5月因天气原因采不到足够的水样没有数据。具体采集方式如下：

1）大气降水水样：选择林外空旷处放置雨量桶，雨量桶离地面高度20～30 cm，雨后收集。

2）穿透雨水样：在落叶阔叶林样地内设置采样点，布设固定架，安装穿透雨盛接装置收集。

3）树干径流水样：在样地内选择树形高大树干通直的栓皮栎样木，用剖开的聚乙烯管围缠树干并固定，连接管道将流经树干的雨水盛接至雨量桶采集。

4）地表径流水样：在落叶栎林样地内建设地表径流场，在径流场集水槽的出水口处放置雨量桶收集水样。

5）集水区径流水样：在落叶栎林集水区测流堰出水口处采集。

样品采集于降雨过程结束后立即进行，首先用样品水涮洗不透光的聚乙烯水样瓶，再用水样瓶盛取水样。每种水样盛取200～500 mL，密封后在0～2℃下避光保存。

2.2 水样测定

采用长春吉大·小天鹅仪器有限公司生产的;DYS-201M多参数水质分析仪进行测定。其中浊度采用福尔马肼法（;B/T 5750.4－2006）、pH值采用酚红法、溶解氧（DO）采用DL法、高锰酸盐指数（PV）采用微量滴定法、化学需氧量（COD）采用快速消解法、氨氮（NH4＋）采用纳氏试剂法（;B/T 5750.5－2006）、亚硝酸盐氮（NO2-N）采用重氮偶合法（;B/T 5750.5－2006）、总磷（TP）采用磷钼蓝法（;B 11893－89）、磷酸盐（PO43-）采用磷钼蓝法（;B/T 5750.5－2006）、锰（Mn2＋）采用过硫酸铵法（;B/T 5750.8－2006）、锌（Zn2＋）采用PAN法、铁（Fe2＋）采用二氮杂菲法（;B/T 5750.6－2006）、铜（Cu）采用铜试剂法（HJ 485－2009）、镁（Mg2＋）采用酸性格兰K法、钾（K＋）采用比浊法、矿化度采用CPPI法和ACBK法。在测量过程中，精确度以浓度0.01 mg·L-1进行记录（pH值和浊度除外），低于0.01 mg·L-1的测量结果按0.01 mg·L-1进行记录，后期计算精确度以浓度0.001 mg·L-1进行对比，测量结果为未检出的，后期以0计算。

水样采集后，部分特殊指标需在6 h内完成测定，全部指标测定在1周内完成。

2.3 数据处理

采用Excel进行数据处理和分析。

3 结果与分析

3.1 5种水样的浊度与泥沙浓度对比

从外观对比，大气降水、穿透雨和集水区径流的水样内含悬浮杂质较少，呈无色透明状态，树干径流与地表径流的水样内含悬浮杂质较多，故而颜色偏深，分别呈黄色、褐色。如表1中所示，5种水样的浊度和泥沙浓度均值从高到低依次排列的顺序相同，均为树干径流＞地表径流＞穿透雨＞大气降水＞集水区径流。这两个指标均在树干径流和地表径流中浓度较高，高于大气降水，而集水区径流的浊度和泥沙浓度均值低于大气降水，说明在降雨过程中，水对林冠层和树体的淋溶过程产生了大量可溶或不可溶的悬浮物质，通过森林生态系统对降水的一系列过滤净化，使得森林区域径流基本没有泥沙流失[8]。

表1 鸡公山5种水样元素和离子质量浓度/mg·L-1Tab.1 The mass concentration of five elements and ions in the water samples of Jigong Mountain/mg·L-1

3.2 5种水样的pH与镁（Mg2＋）、钾（K＋）、矿化度的浓度变化规律

5种水样pH值最高为7.2，来自9月地表径流；最低值为5.3，来自树干径流水样中。pH均值排列依次为：地表径流（6.729）＞穿透雨（6.229）＞大气降水（5.771）＞集水区径流（5.671）＞树干径流（5.4）（见表1）。大气降水的pH值波动较平缓，变化处在5.3～6.4之间，最低值来自7月水样，最高值6.4来自9月水样。穿透雨pH值年变化大致呈“M”曲线，全年值在5.7～6.8之间，最高值的两个“峰顶”在6月和9月。树干径流pH值年变化比较平缓，值变化处在5.3～5.6。地表径流pH值变化处在6.2～7.2，月变化浮动比较频繁。集水区径流pH值变化呈“M”曲线，值在5.4～6之间，最高值在6月和9月，最低值在7月。

5种水样镁（Mg2＋）离子、钾（K＋）离子及矿化度的浓度分别在0～35.6 mg·L-1、0～64.8 mg·L-1、4.623～16.606 mg·L-1之间。3种指标浓度普遍为地表径流最高、穿透雨其次，大气降水的值最低。矿化度也称总含盐量，代表水中各种盐类的总和，包括但不限于镁（Mg2＋）、钾（K＋）、钙（Ca2＋）等[7]，本试验只测量了镁（Mg2＋）、钾（K＋）、矿化度的值并进行初步分析。

由表1可知，大气降水经由森林上层林冠成为穿透雨后，其pH值均值上升了0.458，高于大气降水pH值均值，这与刘菊秀[9]、张淑芬[10]、刘永杰[11]的研究结果一致。本试验区的大气降水pH值在5.3～6.4之间，这个范围内的弱酸性雨水会对枯落物及土壤产生相应的酸化现象，使其养分及各类元素更容易分解析出并溶于水中[12]，同时镁（Mg2＋）、钾（K＋）、矿化度的浓度均值与大气降水的浓度均值相比也有所提高；树干径流pH值全年平均值为5个类型最低值，低于大气降水pH值，刘菊秀等[9]、温达志等[13]的研究结果中也反映出这一点，此时树干径流的镁（Mg2＋）、钾（K＋）、矿化度与穿透雨的浓度均值相比有所降低，但还是高于大气降水的浓度均值。地表径流pH均值在5个水样中最高，远高于大气降水的pH值，该现象与刘菊秀[9]、温达志[13]的研究结果相反，与张胜利[14]、任青山[15]的研究结果一致。此时树干径流的镁（Mg2＋）、钾（K＋）、矿化度的浓度均值也相应为5个水样中的最高值[10,16-17]，地表径流的浓度均值又普遍高于穿透雨浓度均值，也与王登芝[18]的结论一致。

3.3 5种水样的氨氮（NH4＋）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、总磷（TP）、磷酸盐（PO43-）浓度对比

5种水样氨氮（NH4＋）含量最高值来自10月的地表径流样本，值为11.85 mg·L-1；最低值来自8月的集水区径流样本，值为0.03 mg·L-1。5种水样的氨氮（NH4＋）浓度均值从大到小排序依次为：树干径流（4.412 mg·L-1）＞地表径流（4.141 mg·L-1）＞穿透雨（1.869 mg·L-1）＞大气降水（1.086 mg·L-1）＞集水区径流（0.26 mg·L-1）。全年采集的7个集水区径流水样氨氮（NH4＋）含量最高值为0.47 mg·L-1，均达到地表水环境质量标准（;B 3838－2002）Ⅱ类标准[7]。

全年采集的5种水样亚硝酸盐氮（NO2-N）含量极低，最高值来自4月的地表径流样本，值为0.36 mg·L-1。多数样本未检出。5种水样均值从大到小排列依次为：地表径流（0.087 mg·L-1）＞穿透雨（0.066 mg·L-1）＞大气降水（0.017 mg·L-1）＞树干径流（0.005 mg·L-1）＞集水区径流（0.003 mg·L-1）。

5种水样总磷（TP）含量最高值来自4月的地表径流样品（0.63 mg·L-1）。均值从大到小排列依次为：地表径流（0.255 mg·L-1）＞树干径流（0.078 mg·L-1）＞穿透雨（0.039 mg·L-1）＞大气降水（0.021 mg·L-1）＞集水区径流（0.018 mg·L-1）。集水区径流总磷（TP）含量处于0～0.04 mg·L-1之间，均达到地表水环境质量标准（;B 3838－2002）Ⅱ类标准。

5种水样磷酸盐（PO43-）含量处在0～2.5 mg·L-1之间，最高值为9月的地表径流样品。磷酸盐（PO43-）含量均值从大到小排序依次为：地表径流（0.807 mg·L-1）＞树干径流（0.123 mg·L-1）＞穿透雨（0.056 mg·L-1）＞大气降水（0.03 mg·L-1）＞集水区径流（0.014 mg·L-1）。

3.4 5种水样的溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（PV）和化学需氧量（COD）指标现状

由表2可知，5种水样的溶解氧（DO）浓度处于1.1～11.7 mg·L-1之间，最高值来自3月树干径流样品，最低值为9月地表径流样品。其浓度均值从高到低排列依次为：大气降水（8.057 mg·L-1）＞树干径流（7.65 mg·L-1）＞集水区径流（7.271 mg·L-1）＞地表径流（4.986 mg·L-1）＞穿透雨（3.671 mg·L-1）。全年采集的集水区径流溶解氧浓度处于5.9～11.4 mg·L-1之间，达到地表水环境质量标准（;B 3838－2002）。

表2 5种水样的有机污染物指标浓度均值对比/mg·L-1Tab.2 Comparison of the average concentration of organic pollutants in the five water sample/mg·L-1

5种水样的高锰酸盐指数（PV）处于0～196.3 mg·L-1之间，最高值为9月的地表径流样品，其浓度均值从大到小排列依次为：树干径流（115.7 mg·L-1）＞地表径流（98.475 mg·L-1）＞穿透雨（74.425 mg·L-1）＞集水区径流（43.225 mg·L-1）＞大气降水（39.65 mg·L-1）。

5种水样的化学耗氧量（COD）处于0～127 mg·L-1之间，最高值来自6月的树干径流样本。其浓度均值从大到小依次为：树干径流（105 mg·L-1）＞地表径流（58.25 mg·L-1）＞穿透雨（54 mg·L-1）＞大气降水（17 mg·L-1）＞集水区径流13.75 mg·L-1。集水区径流COD浓度全年值在0～37 mg·L-1之间，4、6、10月的采集水样达到地表水环境质量标准（;B 3838－2002）。

在水污染综合指标中，溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（PV）和化学需氧量（COD）只能间接地反映出水体的有机物污染情况，试验中测量到的结果只能显示出有机物质的相对数值，而不能全面的反映出水体被有机物污染的真实程度。

3.5 5种水样的锰（Mn2＋）、铁（Fe2＋）、锌（Zn2＋）、铜（Cu2＋）浓度对比

由表3可知，所有样本中锰离子（Mn2＋）浓度值处在0～1.13 mg·L-1之间，在检测结果中，未检出占全部数据的82%。由于锰离子（Mn2＋）易氧化形成MnO2，使水样变的混浊，本试验中锰离子浓度含量超低也是试验区水体总体清澈的一个佐证。所有样本中铜离子（Cu2＋）浓度处在0～1.64 mg·L-1，最高值来自9月地表径流样品；锌离子（Zn2＋）浓度处在0～1.18mg·L-1之间，最高值为4月地表径流；铁离子（Fe2＋）浓度处在0～0.3 mg·L-1之间，最高值为10月的地表径流样本。

表3 5种水样重金属均值浓度对比/mg·L-1Tab.3 Comparison of the average concentration of heavy metals in 5 water samples/mg·L-1

5种水样的铜离子（Cu2＋）浓度均值从高到低排列依次为：树干径流（0.572 mg·L-1）＞地表径流（0.379 mg·L-1）＞穿透雨（0.323 mg·L-1）＞大气降水（0.063 mg·L-1）＞集水区径流（0.037 mg·L-1）；5种水样的锌离子（Zn2＋）浓度均值从高到低排列依次为：地表径流（0.436 mg·L-1）＞穿透雨（0.21 mg·L-1）＞树干径流（0.06 mg·L-1）＞大气降水（0.018 mg·L-1）＞集水区径流（0.014 mg·L-1）；5种水样的铁离子（Fe2＋）浓度均值从高到低排列依次为：集水区径流（0.103 mg·L-1）＞大气降水（0.091 mg·L-1）＞地表径流（0.09 mg·L-1）＞穿透雨（0.06 mg·L-1）＞树干径流（0.055 mg·L-1）。

作为森林水分输入的集水区径流，锰（Mn2＋）、铁（Fe2＋）、锌（Zn2＋）、铜（Cu2＋）浓度均值均达到地表水环境质量标准（;B 3838－2002）。其中锰（Mn2＋）浓度均值与大气降水同为0 mg·L-1，铜（Cu2＋）和锌（Zn2＋）浓度均值均低于大气降水，说明地表枯落物及土壤对铜、锌具有吸咐作用。

4 结论

通过对2020年3－10月间鸡公山森林区域内大气降水、穿透雨、树干径流、地表径流、集水区径流等5种类型水样的采集和测定分析，得到以下结论：

1）大气降水穿透上层林冠层时，一方面将滞留在叶面的滞尘冲刷带走，这层滞尘多为空气中悬浮的污染气体和钙质灰尘等，在雨水不断的冲淋下滞尘中的可溶性金属元素溶解其中，另一方面基于大气降雨弱酸性水的淋溶，将枝叶等组织内的盐基离子析出，水中镁（Mg2＋）、钾（K＋）、矿化度的浓度得以增加，从而穿透雨的pH值有所升高；

2）该区域时段内，大气降水通过森林林冠层后pH会升高，弱酸性的雨水更有利于树体及地表枯落物的营养物质的析出交换。试验区所在的鸡公山自然保护区因为气候带及地质构造的原因，土壤类型也比较丰富，样地多为黄棕壤，母质多含花岗岩、片麻岩等，钙镁矿物丰富，通过弱酸性雨水的溶泸作用，增加了水中盐基离子的浓度[6]。在钾（K＋）、镁（Mg2＋）、矿化度的浓度变化中，地表径流和穿透雨的均值均高于大气降水的均值，就是由于盐基离子在降雨过程中与水中的H＋发生了交换反应，从而导致pH值升高[19-20]。

3）氮（N）和磷（P）都是生物生长必需的营养元素，磷（P）在天然水中多以各类磷酸盐（PO43-）的形式存在，而氨氮（NH4＋）和亚硝酸盐氮（NO2-N）是含氮有机物在分解过程转化形成的部分产物，氨氮和亚硝酸盐氮以N计，总磷、磷酸盐以P计。大气降雨在通过森林植被后，通过冲刷对树体表面的各种营养元素及阴、阳离子进行了交换和溶解，弱酸性的雨水还通过溶解地表枯落物释放的腐殖酸及大量的氨氮化合物而携带大量的N和P等，使得N、P的浓度逐步升高。这也符合试验中树干径流及地表径流样本中的N、P值浓度远高于大气降水的浓度值，而最后作为养分输出的集水区径流中，N、P的浓度值大大降低，比作为养分输入的大气降水值还要低，这是因为雨水在透过森林林冠层及枯落物层的过程中，淋溶植物枝叶及树干的分泌物输入了大量含氮（N）和磷（P）的有机物质，而在有氧条件和微生物的作用下，这些有机物质不断发生氧化及分解作用，最后达到无机化的程度，并最终被土壤截留吸收。

4）集水区径流水样的指标浓度高于大气降水的指标浓度时称为正向效应，反之称为反向效应，本实验结果表明在pH、浊度、泥沙浓度、氨氮（NH4＋）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、总磷（TP）、磷酸盐（PO43-）、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、锰（Mn2＋）、锌（Zn2＋）、铜（Cu2＋）这些指标呈现出反向效应；而在镁（Mg2＋）、钾（K＋）、铁（Fe2＋）、高锰酸盐指数（PV）和矿化度等指标上呈现出正向效应。

5）在降雨过程中，树干径流相比穿透雨和大气降水有大量元素呈浓度上升的趋势，测试结果表明在浊度、泥沙浓度、氨氮（NH4＋）、总磷（TP）、磷酸盐（PO43-）、高锰酸盐指数（PV）、化学需氧量（COD）、锰（Mn2＋）、铜（Cu2＋）指标中，其浓度均值均为树干径流＞穿透雨＞大气降水。

6）其中集水区全部水样的浊度、铁（Fe2＋）、锰（Mn2＋）、锌（Zn2＋）、铜（Cu2＋）指标均达到了生活饮用水卫生标准（;B 5749－2006），pH、溶解氧（DO）、氨氮（NH4＋）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）均达到了地表水环境质量标准（;B 3838－2002）。