色季拉山高山松林降雨再分配及重金属元素的时空特征研究

高 郯 张 铎 卢 杰 王 超 李江荣

（西藏农牧学院高原生态研究所，西藏高原森林生态教育部重点实验室，西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站，西藏 林芝 860000）

森林生态系统是陆地生态系统的主要组成部分，发挥着水源涵养、水土保持、固碳释氧等众多重要的生态功能[1]。因此，森林生态系统保持健康状态是人类可持续发展的基础，是造福子孙万代的保障。森林保持健康状态离不开养分和水的滋养，也不能过度的遭受到污染，否则超过了自身净化能力，其生态功能终将消失。大气降水是森林生态系统养分循环和水分循环的主要来源，尤其是养分贫瘠地区[2]。大气降雨经过林冠层之后，一部分直接穿过林间空隙到达地表，一部分与林冠层发生作用后超过叶片的张力而下降至地表，还有一部分沿着树干下流，分别形成穿透雨和树干茎流[3-4]。与此同时，雨水与林冠层、树干发生相互作用，元素会出现淋溶、吸收、交换等现象，并随着大气环境的改变，元素浓度亦发生变化[5-6]。同时，大气降水也能将人类生产生活的其他物质沉降至森林生态系统中，比如说重金属。重金属因自身具有不被微生物降解和难以移动等特点，决定了其污染和危害森林生态系统的特殊地位[7]。一旦通过降雨等方式进入森林生态系统中，超过了森林的自净能力并通过食物链进入人体，后果很危险。因此，明晰森林生态系统对降雨的截留与再分配机制，为理解森林水源净化机制及科学评价森林生态水文功能提供理论依据。降水与森林的关系已受到林学、水文学、生态学等方面专家的关注，成为当前研究的热点问题[8]。目前已取得一些研究成果，王琼等[9]报道了辽东山落叶松林（Larix gmelinii）、蒙古栎林（Quercus mongolica）和槭树林（Acer miyabei）的雨水养分循环特征，卢晓强等[10]探讨了常绿落叶阔叶混交林的降水分配特征，Amezaga 等[11]研究了西班牙北部的针叶和阔叶林的大气湿沉降特征，Xu 等[12]描述了日本冲绳亚热带森林的降雨养分循环特征，黄智军等[13]研究了不同郁闭度下马尾松林（Pinus massoniana）的降雨水化学特征，辛学兵等[14]分析了西藏急尖长苞冷杉林（Abies georgeivar.smithii）的降水养分输入特征，盛后财等[6]探究了小兴安岭白桦（Betula platyphylla）次生林的降雨养分动态，但大都集中在大量养分方面的研究，较少关注微量元素，尤其是重金属元素的输入及循环特征。

高山松（Pinus densata）为油松（P.tabulaeformis）和云南松（P.yunnanensis）自然杂交后代，为我国特有种，主要分布在海拔2 600～3 500 m 的土壤贫瘠的河谷、阶地、山地，是色季拉山的主要建群种。高山松林在水源涵养等方面发挥着重要的生态功能，并在油脂产量、材木树种方面具备着极高的经济价值[15-16]。各领域专家、学者对其病虫害状况[17]、种子库特征[18]、叶片氮素含量估测[19]、生物量[20]、种群结构[21]、光合特性[22]等方面进行了研究，而对于森林水文方面，仅在降雨分配格局和凋落物的持水特性上进行了研究[23-24]。森林水文中降雨能够促进大气成分进入森林生态系统中，尤其是在当今气候变化的背景下，酸沉降、污染物等影响林木生长状况[25]。本研究以色季拉山典型地段高山松林为研究对象，定位观测其微量元素、重金属元素在林内的分布特征及对环境变化的响应，旨在阐明大气降雨中元素的循环机制，为进一步研究森林水源涵养功能、降水驱动下元素的迁移特征提供基础，为改善土壤酸化等问题提供科学依据，为构建西藏生态安全屏障提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于藏东南典型林区色季拉山（94°25′～94°45′E，29°25′～29°57′N），该山体海拔为2 100～5 300 m，水平走向大致呈西北向东南，具有明显的垂直带谱，自上而下植被类型为高寒草甸、灌丛、暗针叶林、亮针叶林、针阔叶林、阔叶林[17]。土壤类型依次为高山寒漠土、高山草甸土、亚高山草甸土、山地漂灰土、山地酸性棕壤、山地棕壤[26]，气候类型为典型的亚高山寒温带半湿润气候。降水主要来自雅鲁藏布江暖湿气流和印度洋的西南季风，干湿季分明，冬季寒冷干燥，夏季凉爽多雨，年平均气温4.08 ℃，最高月（7 月）平均气温10.77 ℃，最低月（1 月）平均气温–3.91 ℃。年均降水量1 134 mm，雨季占全年降水的80%左右，年均相对湿度78.8%，全年日照时数为1 151 h，日照百分率为45%以上，无霜期180 d 左右[27]。

本研究高山松林样地设在林芝镇高山松-川滇高山栎林（94°30′44.93″E，29°33′59.32″N），坡向为东南，坡度为25°，海拔3 117 m。高山松林平均胸径26.66 cm，平均树高12.61 m，平均冠幅23.89 m2，平均林龄38 a，郁闭度0.7，密度572 株/hm2林下灌木主要有川滇高山栎（Quercus aquifolioides）、小叶栒子（Cotoneaster microphyllus）、西南花楸（Sorbus rehderiana）、柳叶忍冬（Lonicera lanceolata）、雅致山蚂蝗（Desmodium elegans）、鸡骨柴（Elsholtzia fruticosa）等，林下草本主要有多蕊金丝桃（Hypericum hookerianum）、尼泊尔大丁草（Leibnitzia nepalensis）、早熟禾（Poa annua）、西南委陵菜（Potentilla fulgens）、辐冠党参（Codonopsis convolvulacea）等。

2 研究方法

2.1 样品监测与采集

于研究区雨季2018 年4—10 月，依照《中国森林生态系统长期定位观测方法》[28]，对实验样地内穿透雨、树干茎流及林外空地大气降雨进行监测与采集。

2.1.1 大气降雨监测与采集

在林外空地上安置1 个自记雨量计测定大气降雨，同时用3%盐酸浸泡24 h 并用去离子水清洗3 次的聚乙烯容器收集大气降雨。每场降雨均收集保存于4 ℃下，月末取足量的混合水样进行检测（其他采样处理下同）。

2.1.2 穿透雨监测与采集

在林内按照对角线放置5 个雨水收集器（由PVC 材料制成的宽30 cm、深20 cm、长200 cm的“V”型收集器），为排除地上灌木及较高草本对收集器内水质影响，将收集器安置在离地面约50 cm 高的位置，并与地面形成一定的角度，定期清理凋落物，使雨水能够从较低的一端流入与之相连的雨水收集容器内，最后以5 个雨水收集器的平均值作为穿透雨量。

2.1.3 树干茎流监测与采集

根据样地内高山松径级分布，选择不同径级的样株共10 株，每株标准木用直径2 cm、沿中缝剪开一段的聚乙烯塑料管，从2 m 处自上而下蛇形缠绕树干1 圈，用小钉固定塑料管，并用玻璃胶填充树干与聚乙烯塑料管间的空隙，以使水样沿塑料管全部流入底端的雨水收集容器内。每次测定的10 株标准木的平均值作为树干茎流量。

2.2 样品分析

在测量前，所有水样都需用定量滤纸（直径12.5 cm、中速）进行过滤。用pH 计测定水样pH值。Mn、Fe 采用硝酸-氯化钙-盐酸消煮-火焰原子直接吸收光谱法，Zn、Cu、Cd 采用硝酸-高氯酸消煮-火焰原子直接吸收法测定[29]。

2.3 数据处理

运用Excel 2013、SPSS 17 对数据进行整理及统计分析，采用单因素方差法对重金属元素不同月份的差异性进行分析，使用Pearson 相关系数法对降雨量与降雨分配、截留率及降雨量和pH与重金属元素间关系进行研究。按公式（1）～（10）计算降雨及重金属元素输入量[30-31]。

3 结果与分析

3.1 大气降雨及其再分配特征

由图1 可知，大气降雨量随时间的变化呈现出“单峰”型，即雨季盛期降雨量较多。6—9 月大气降雨量占整个雨季大气降雨量的75.00%；7 月大气降雨量最多，为162.70 mm。而在雨季初期和雨季末期降雨量较少，10 月降雨量最少，为42.00 mm，占整个雨季的5.50%。大气降雨经过林冠层后，由于林冠层对雨水的吸收或截留，形成的穿透雨量减少，但其时间变化规律同大气降雨量一致，亦呈“单峰”型，且与大气降雨量无显著差异。大气降雨经过林冠层截留后又沿着树干下流，树干茎流量极少，仅占大气降雨量的3.78%～5.09%，树干茎流量与大气降雨量、穿透雨量差异显著（P＜0.05）。大气降雨量、穿透雨量和树干茎流量各月分间差异性均为10 月显著低于其他月份（P＜0.05），而其他月份间差异不显著。

图1 高山松林大气降雨及冠层分配情况Fig. 1 P. densata forest atmospheric precipitation and canopy allocation

3.2 pH 及重金属元素的时空分布特征

3.2.1 森林生态系统酸化特征

由图2 可知，大气降雨和穿透雨的pH 值随时间变化较一致，4—9 月pH 值呈波动状态，总体上均＜6，为酸性。10 月pH 值急剧增加，为全雨季最大值，分别为8.22 和8.25，呈碱性。树干茎流pH 值在全雨季表现为先降低后保持不变，最后又增加的趋势，整个雨季的pH 值差异不显著，但整个雨季的pH 值均小于5.65，为酸雨，且小于其他2 种雨水pH 值。总体上各水相的pH值大小顺序为大气降雨≈穿透雨＞树干茎流。

图2 高山松林中大气降雨、穿透雨、树干径流pH 值月特征Fig. 2 Monthly variation in pH for precipitation,throughfall and stemfall at P. densata forest

3.2.2 高山松林中重金属元素的时空分布特征

由图3 可知，大气降雨中重金属元素浓度随时间变化特征不同。Fe、Zn、Mn 元素浓度随时间的变化呈先升高后降低的“单峰”型趋势，分别在6、7 月、达到最大值，依次为0.154、0.081、0.085 mg/L。Fe 元素浓度在6—7 月间差异不显著，但除7 月外，6 月与其他月份间差异显著（P＜0.05）。4、5、6 月Zn 元素浓度显著小于7 月份（P＜0.05），但又显著大于8、9、10 月份（P＜0.05）。Mn 元素浓度在6 月显著高于其他月份（P＜0.05）。Cu、Cd 元素浓度随时间变化表现为先降低后升高最后又降低的波动趋势，分别在10、8 月出现最大值，为0.039 和0.018 mg/L。在各月份间，Fe 元素浓度均为最高，5、8 月为Cu元素浓度最低，其他月份均为Cd 元素浓度最低。全雨季大气降雨中各重金属元素平均浓度大小为Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Cd。

图3 高山松林大气降雨中重金属元素浓度的月变化Fig. 3 Monthly changes of heavy metal element concentrations in atmospheric precipitation at P. densata forests

由图4 可知，穿透雨中重金属元素浓度随时间变化规律各异。Fe、Cd 元素浓度随时间的变化呈升降式波动变化，均在8 月份达到最大值，分别为0.124 mg/L 和0.015 mg/L。Fe 元素浓度在4、6、8 月显著高于9 月（P＜0.05），Cd 元素浓度10 月显著小于其他月份（P＜0.05），其他月份间差异不显著。Cu 元素浓度在整个雨季呈增加趋势，10 月份出现最大值，0.038 mg/L，4 月份出现最小值，0.006 mg/L，最大值为最小值的6.333倍。Cu 元素浓度10 月份显著高于4 月和7、8、9 月（P＜0.05）。而Zn 元素浓度在整个雨季则表现出与Cu 元素相反的趋势，4 月份出现最大值（0.059 mg/L），在10 月份出现最小值（0.008 mg/L）。Zn 元素浓度在6—9 月显著低于4—5 月份（P＜0.05），显著高于10 月份（P＜0.05）。Mn 元素浓度呈现“单峰”型，6 月份为最大值，0.125 mg/L。Mn 元素浓度在6 月显著高于其他月份（P＜0.05）。4、8、10 月，Fe 元素含量最高，而5—7、9 月，Mn 元素含量最高，4、6 月Cu 元素浓度最低，其他月份均为Cd 元素浓度最低。全雨季穿透雨中各重金属元素平均浓度大小顺序同大气降雨一样。

图4 高山松林穿透雨中重金属元素浓度的月变化Fig. 4 Monthly changes of heavy metal element concentrations in penetration rain of P. densata forests

由图5 可知，树干茎流中重金属元素浓度随时间变化特征亦不同。Fe、Cu、Zn、Mn、Cd 的月动态均有一定的波动，最大值分别出现在5、6、6、5、7 月，依次为0.314、0.190、0.479、0.207、0.015 mg/L，除Cu、Zn 元素最小值出现在7 月、Mn 元素最小值出现在4 月外，其他元素最小值均出现在10 月。Fe 元素浓度在除4、6、8 月外，其他月份间差异显著（P＜0.05）。Cu 元素浓度在6、7、10 月差异显著（P＜0.05）。Zn元素4、9 月与7、10 月差异不显著，其他月份间差异显著（P＜0.05）。Mn 元素各月份间均无显著差异。Cd 元素在5、10 月显著低于其他月份（P＜0.05）。6 月，Zn 元素含量最高，9、10 月，Mn 元素含量最高，其他月份均为Fe 元素含量最高，7 月Cu 元素浓度最低，其他月份均为Cd 元素浓度最低。全雨季树干茎流中各重金属元素平均浓度大小顺序为Fe＞Zn＞Mn＞Cu＞Cd，其中Zn、Mn 元素的顺序与大气降雨及穿透雨中顺序略有差异。

图5 高山松林树干茎流中重金属元素浓度的月变化Fig. 5 Monthly changes of the concentration of heavy metal elements in the trunk and stem of P. densata forest

3.3 高山松林水源涵养功能

3.3.1 高山松林淋溶效应

由表1 可知，穿透雨中Mn 元素在各月份中净淋溶量均为正，而Fe、Cu、Zn、Cd 元素在各月份中变动较大，净淋溶量时正时负。雨季穿透雨中，各重金属元素净淋溶均值大小为Mn＞Cu＞Cd＞Fe＞Zn，其中Cd 净淋溶为0，Fe、Zn 净淋溶为负，分别为-0.005 mg/L 和-0.008 mg/L。树干茎流中，Mn 元素在各月份中净淋溶量均为正，其他元素各月净淋溶量时正时负。除Cd 元素外，其他重金属元素净淋溶均值表现为：树干茎流＞穿透雨，各重金属元素净淋溶均值大小为Zn＞Mn＞Fe＞Cu＞Cd，其中Cd 净淋溶为负，-0.001 mg/L。

表1 大气降水对高山松林净淋溶量和淋溶系数Table 1 Net leaching amount and leaching coefficient of atmospheric precipitation on P. densata forest

穿透雨中各重金属元素净淋溶系数与其净淋溶均值大小顺序一致。但Fe、Zn 淋溶系数略小于1，表明大气降雨经过林冠层时，Fe、Zn 元素被其吸收或吸附。树干茎流中重金属元素淋溶系数大小为Zn＞Cu＞Mn＞Fe＞Cd，Cd 元素淋溶系数略小于1，表明树干吸收或吸附了Cd 元素。

除Cd 元素外，其他各重金属元素净淋溶量和淋溶系数表现为穿透雨＜树干茎流，表明树干茎流对元素的迁移有更大的影响。

3.3.2 高山松林重金属元素输入特征

由表2 可知，大气降雨中，各元素在各月输入林地的输入量均较低，最高为6 月份的Fe 元素，0.200 kg/hm2，最低为5 月份的Cu 元素和10 月份的Cd 元素，均为0.002 kg/hm2。大气降雨中，各元素雨季输入量均值大小为Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Cd。穿透雨中，各元素在各月输入林地的输入量与大气降雨输入量接近，最高为8 月份的Fe 元素，0.145 kg/hm2，最低为10 月份的Cd，0.001 kg/hm2。穿透雨中，各元素雨季输入量均值大小为Mn＞Fe＞Zn＞Cu＞Cd。除Mn 元素输入量略高于大气降雨外，其他元素输入量均小于大气降雨。树干茎流中输入量明显低于大气降雨和穿透雨，最高仅为0.029 kg/hm2，是6 月份的Zn 元素。树干茎流中，各元素雨季输入量均值大小为Fe＞Zn＞Mn＞Cu＞Cd。且各重金属元素输入量明显小于大气降雨和穿透雨。各水相中不同月份输入量总体表现为雨季盛期输入量略高于雨季初期和雨季末期。高山松林中各重金属元素净输入量大小为Mn＞Cu＞Cd＞Zn＞Fe。其中Cd、Zn、Fe 元素净输入量为负。

表2 高山松林重金属元素输入情况Table 2 Input conditions of heavy metal elements in P. densata forestkg/hm2

续表2

4 结论与讨论

4.1 高山松林对大气降雨的截留与再分配

森林植被通过对降雨的截留与再分配完成水分及养分的输送、循环等过程，对植物生长、繁衍具有重要作用。森林植被对降雨的截留与再分配同气候类型、降雨特性、树种差异等有关[32]。高山松林对大气降雨的截留率为19.70%～38.82%，穿透雨占大气降雨的71.48%，树干茎流占大气降雨的4.53%，高于茂兰喀斯特地区亚热带常绿落叶阔叶混交林的穿透雨和树干茎流比率[10]，而低于辽东山溪河岸林落叶松林穿透雨比率[9]。高山松林为针叶林，林冠郁闭度较常绿落叶阔叶混交林小，有利于降雨的穿透，同时也提供更多树干接触雨水的机会，因此，高山松林的雨水穿透率及树干茎流率较高。落叶松的针叶短、林冠稀疏，降雨透过的比率更大，穿透雨比率较高山松就更高。

4.2 重金属元素在高山松林中的分布规律

在本研究中，各水相中不同重金属元素可能由于本身特性、环境不同，各月动态变化不一，总体表现为雨季盛期＞雨季初期＞雨季末期，这与盛后财等[6]的研究结果一致，可能是在降雨盛期，随着降雨量的增加及降雨强度的加深，对林冠、树干冲洗的较为彻底，各重金属元素浓度较高；在雨季末期，降雨量减少，加之降雨间隔时间较短，前期对林分冲洗的较为干净，大气降雨经过林冠层后，溶质浓度降低；雨季初期，经过一个冬季的吸附积累，在雨季初期的降雨中淋溶下来，因而浓度高于雨季末期。大气降雨、穿透雨、树干茎流中各重金属元素平均浓度大小分别为：Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Cd、Fe＞Mn＞ Zn＞Cu＞Cd、Fe＞Zn＞Mn＞Cu＞Cd，这与卢杰等[33]对高山松林的研究结果不同，可能是研究时间不同导致的年际差异。Zn、Cd 元素在各水相中大小为树干茎流＜穿透雨，表明高山松林树干对Zn、Cd 元素具有吸收或吸附作用。树干茎流中Cd 元素浓度达到国家水质标准中的Ⅴ级水平（劣等）[34]，这是否会对林木生长造成影响，需要进一步研究。大气降雨对高山松林中Mn、Cu 元素具有淋溶作用，但各水相中Mn 元素含量低于原始红松林中含量[35]，其Cu 元素浓度高于大兴安岭落叶松中浓度[36]，可能与该时段内研究区附近公路修建等人类生产生活有关。

4.3 各重金属元素在高山松林中的输入特征

穿透雨、树干茎流中各重金属元素的输入量均小于大气降雨，尤其是树干茎流，最终Cd、Fe、Zn 元素的净输入量为负，这与穿透雨、树干茎流中元素浓度较低、净流量较少一致，表明高山松林对Cd、Fe、Zn 元素有吸收或吸附作用，与辛学兵等[14]对急尖长苞冷杉的研究相似，可能是植物的生长发育除了需要N、P、K 等大量元素外，对于Cd、Fe、Zn 等的微量元素也是必不可少的[37]。穿透雨、树干茎流量相对较少，但是通过林冠、树干输入土壤中的元素为可溶性，是可以直接被土壤吸收的，因此该部分元素在维持森林生态系统的稳定与健康中也发挥着重要的作用。

同时，大气污染物也会以湿沉降的形式进入各类生态系统，造成河流、湖泊酸化，对人类健康造成威胁[38]。本研究中，除10 月份各水相中pH 值有明显增加（大气降雨和穿透雨pH 值达8.00 以上）外，其他月份各水相中pH 值较为接近，均小于6.00，可能是10 月份的降雨与上次降雨间隔时间较长，干性沉降物如CaCO3等积累较多，增加了对H+的消耗有关[39]，以及进入秋季生物生长逐渐停止，分泌有机酸的能力下降有关，需要长期定位监测研究。各水相中pH 值大小顺序为大气降雨≈穿透雨＞树干径流，可能是生物酸进入树干茎流中，使雨水pH 降低[40]。这与王琼等[9]对落叶松林、蒙古栎林和槭树林、辛学兵等[14]对急尖长苞冷杉林的研究结果一致，与詹敏等[41]对林冠对于酸雨胁迫有一定的缓冲能力的结果有些出入，这可能与树种本身生理特性及林木和雨水间的相互作用有关。酸性水质是否会对林木生长造成影响，需要进一步研究。

高山松林林冠层对大气降雨进行了拦截与再分配，树干茎流量显著小于穿透雨量和大气降雨量。同时大气降雨经过高山松林后，Zn、Fe、Cd 元素出现了吸收现象，Mn、Cu 元素发生了淋溶现象。受大气降雨量的影响，各重金属元素浓度在雨季不同时期表现为雨季盛期＞雨季初期＞雨季末期。关于降雨在森林地表上的转移特征还不了解，下一步需要长期对森林生态系统的枯落物及地表径流中元素流动特征进行研究，以明确森林生态系统的水文循环特征。