鼎湖山森林流域地表水与地下水水质的长期特征*

刘效东 褚国伟 焦正利 张卫强 张倩媚 刘菊秀

（1. 华南农业大学林学与风景园林学院 广州 510642； 2. 中国科学院华南植物园 广州 510650； 3. 广州大学生命科学学院 广州 510275； 4. 广东省森林培育与保护利用重点实验室 广东省林业科学研究院 广州 510520）

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源（郭孟卓, 2021）。近年来，经济社会高速发展、城市化进程加速、人口激增以及气候变化等造成的水环境污染、水质性缺水等问题日趋严重、普遍，如何保护和维持优质水源成为世界各国政府和人民日益关注的重要课题（邱国玉等, 2019; Yuet al., 2019; Tanget al., 2022）。陆地地表水与地下水作为水资源的重要形式与载体，其质和量是关系到区域生态环境建设与社会经济可持续发展的决定性要素（Liuet al.,2017; Fenget al., 2019）。因此，认知流域地表水、地下水的水质特征及其动态变化具有重大而深远的现实指导意义。

森林生态系统调节、净化、稳定水质的作用显著（刘效东等, 2022; Picchioet al., 2021），同时森林流域的水环境特征也能够直接、敏感地指示区域的化学环境变化（欧阳学军等, 2002）。因而，森林对水质的作用关系一直都是森林生态水文服务及环境效益研究领域的热点问题（饶良懿等, 2008; 刘逸菲等, 2021;Bonan, 2008; Hugheset al., 2019）。我国自20世纪60年代逐步开展了基于集水区尺度的森林水文生态作用研究，关注重点集中在森林类型、结构特征及经营管理模式对大气降水水化学特性的过程性调节作用（降水—穿透雨/树干径流—枯透水—地表径流—壤中流—溪流水—出口径流）（赵晓静等, 2015; 康希睿等, 2021; Zhanget al., 2021）、模拟环境变化（酸沉降或氮沉降等）对森林生态系统元素运移的影响等方面（Yanet al., 2015; Zhouet al., 2018）。然而，多数研究仍是基于短期的或季节性的观测结果报道（张娜, 2010;雷丽群等, 2016; 廖佩琳等, 2022; Zhuet al., 2019）。此外，流域地表水、地下水水质作为森林植被参与调控流域水质的重要表征方面，长期以来，立足自然状态下森林流域或生态系统地表水、地下水水体状况的长期观测研究报道较少，难以全面、深入刻画森林与水质间的长期动态作用关系。

中国生态系统研究网络（CERN）从1988年成立之初便设计了针对全国典型生态系统（包括森林在内）水环境的长期定位监测工作（Fuet al., 2010），目的在于客观认知中国典型生态系统水质状况的空间特征与长期动态变化。基于CERN空间多点观测，Xu等（2014）、Zhang等（2013）和黄丽等（2019）分别就我国典型生态系统地表水的总氮含量、地下水中的NO3

-以及不同水体形式的水化学离子空间分布特征等进行了报道。然而，迄今为止，基于CERN水环境监测数据的多指标、长期研究报道仍然较少（张心昱等, 2009；刘旭艳等, 2020），限制了对于特定流域水质特征及其演变规律的整体、深入认知。

鼎湖山森林生态系统定位研究站作为CERN台站重要成员（张倩媚等, 2015），站区内分布有南亚热带地区代表性森林类型如季风常绿阔叶林、针阔叶混交林等，长期以来受到了严格的人为保护。森林植被发育成熟、群落结构复杂、生物多样性高。本研究通过对鼎湖山森林生态系统定位研究站东沟流域森林水环境的长期定位监测（2005—2018年），探究该完整森林流域流动地表水、浅层地下水的水质特征及其动态变化，以期为深入揭示森林植被净化水源作用机制及科学开展区域生态环境建设与管理等提供支撑和依据。

1 研究区概况

鼎湖山国家级自然保护区（112°30′39″—112°33′41″ E,23°09′21″—23°11′30″ N）位于广东省肇庆地区境内。鼎湖山森林生态系统定位研究站（鼎湖山站）位于鼎湖山国家级自然保护区内，站区海拔100～700 m，最高峰鸡笼山海拔1 000.3 m。气候属南亚热带季风湿润型气候，水热资源丰富，干季、湿季分明。多年平均降水量1 678 mm，其中80%的降水分布在湿季（4—9月）（Zhouet al., 2011）。年平均气温21.4 ℃，最冷月（1月）和最热月（7月）平均气温分别为12.6和28.0 ℃。多年平均蒸发量为1 115 mm，年平均大气相对湿度为82%。

全区由东、西两条羽毛状水系组成，皆自西北流向东南，在保护区入口汇合流入西江，年平均径流系数0.455～0.492（周国逸等, 2003）。地质构造属鼎湖山系，由不同颜色、硬度与质地的砂岩、砂页岩、页岩与石英砂岩构成。地带性土壤类型主要为发育于砂岩和砂页岩的赤红壤，土壤厚度多在50～80 cm，土壤自然酸化严重，pH值为4.1～4.9（Liuet al., 2010）。全区森林覆盖率达85%以上，分布有季风常绿阔叶林、针阔叶混交林等区域典型植被类型，一直以来均受到严格的人为保护。

2 研究方法

2.1 试验布设与水样采集

2.1.1 大气降水 鼎湖山站区内气象观测场设置有大气降水的人工采集装置。2005年采样月份为4月和7月共2次，2006—2012年每年1、4、7和10月采样，2013年起每月采集大气降水（张倩媚, 2011）。在采样月份的当月，每场雨或连续降雨发生时每2天采集1瓶1 000 mL雨水样品，现场测定水温后保存于冰箱，再把当月所有样品混匀后再取2瓶500 mL样品。每个季度寄送CERN水分分中心，测定雨水pH、矿化度、硫酸根含量、非溶性物质总含量等指标。

2.1.2 流动地表水 按照CERN水环境监测规范，从2005年起鼎湖山流动地表水水质的采样频率为每年干季典型月份（1月或2月，考虑当月降水情况）、湿季典型月份（7月或8月）分别取样（张倩媚, 2011）。取样点为鼎湖山站的飞水潭（112°32′30.23″E,23°10′31.91″N），海拔70 m。采样方法为把采样瓶放入流动地表水水体中取样，并于实验室内测定流动地表水水质指标，包括pH值、矿化度、溶解氧（dissolved oxygen, DO）、化学需氧量（chemical oxygen demand,COD）、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、PO43-、NO3-和Cl-。

2.1.3 浅层地下水 浅层地下水取样时间与流动地表水同步进行。浅层地下水取样地点为鼎湖山流域下游出口附近的浅层地下水位观测井（112o32′55.20″ E,23o9′58.61″N），海拔20 m。具体采样方法为用抽水机提前3天每天下午抽干1次，第4天在抽水机出水口接胶管进行取样，并于实验室内测定浅层地下水的水质指标。浅层地下水测定指标与流动地表水一致，包括pH值、矿化度、DO、COD、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、PO43-、NO3-和Cl-。

2.2 水样测试分析方法

依据《中国生态系统研究网络水分监测规范》和《水域生态系统观测规范》统一方法，根据代表性、定位性、时间一致性的原则采集水样后，参照该规范规定的国标方法进行实验室内分析，并进行数据质量控制（张心昱等, 2009）。其中，pH值和DO含量使用YSI多参数水质分析仪（EXO1, Yellow Springs Instrument Co., Inc., USA）测定；矿化度和COD含量分别采用质量法和酸性高锰酸钾滴定法测定；Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量采用原子吸收分光光度法测定；SO42-、PO43-、NO3-和Cl-含量分别采用硫酸钡浊度法、磷钼蓝分光光度法、紫外分光光度法和硫氰酸汞高铁分光光度法测定。

2.3 数据统计分析

采用软件Excel 2010对数据进行初步处理，利用软件SPSS 20.0和GraphPad Prism 8.0对数据进行统计分析和作图。大气降水、流动地表水和浅层地下水之间pH值和矿化度差异采用单因素方差分析（Oneway ANOVA）检验差异显著性；流动地表水和浅层地下水中DO、COD及各离子含量的差异采用配对样本t检验的分析方法。

3 结果与分析

3.1 pH值和矿化度

2005—2018年，鼎湖山流域大气降水年均pH值为5.85±1.10，整体呈现为弱酸性（图1）。其中，干季（10月至翌年3月）、湿季（4月至9月）大气降水pH值分别为5.68±1.40和6.02±0.97。研究期间，流动地表水pH年均值为4.76±0.58，干、湿季分别为4.74±0.45和4.78±0.91；浅层地下水pH年均值为6.23±0.60，干、湿季分别为6.50±0.56和5.96±0.87，干季pH值显著高于湿季（P＜0.05）。与同期大气降水的pH值相比，鼎湖山森林流动地表水显著变酸（P=0.001），尤其是湿季期间酸化更严重；而浅层地下水pH值略高于同期大气降水，尤其是干季的差异达到显著水平（P＜0.05），湿季二者差异不显著（P＞0.05）。

图1 鼎湖山流域2005—2018年大气降水、流动地表水和浅层地下水pH、矿化度、溶解氧和化学需氧量Fig. 1 The pH, salinity, dissolved oxygen and chemical oxygen demand in precipitation, surface water and groundwater during 2005—2018 in Dinghushan watershed, respectively

研究期间，鼎湖山大气降水的矿化度年均值为(50.2±30.5) mg·L-1，矿化度较低。其中，干季、湿季期间大气降水的矿化度分别为(69.5±49.3)和(30.9±20.7) mg·L-1，干、湿季差异达到极显著水平（P＜0.01）。研究期间，流动地表水矿化度年均值为(53.1±37.0) mg·L-1，干、湿季分别为(54.4±57.9)和(51.8±42.3) mg·L-1；浅层地下水矿化度年均值为(135.4±67.0) mg·L-1，干、湿季分别为(139.7±65.9) 和(131.1±84.1) mg·L-1。无论干季还是湿季，鼎湖山森林流动地表水矿化度与大气降水的同期差异均不显著（P＞0.05）；而浅层地下水矿化度无论干季还是湿季均极显著高于同期大气降水和流动地表水（P＜0.01）（图2）。

图2 鼎湖山流域大气降水、流动地表水和浅层地下水pH、矿化度、溶解氧含量和化学需氧量的干湿季特征Fig. 2 Seasonal changes of pH, salinity, dissolved oxygen and chemical oxygen demand in precipitation, surface water and groundwater in Dinghushan watershed, respectively

3.2 DO和COD含量

2005—2018年，鼎湖山流域流动地表水DO年均值为（7.80±1.07） mg·L-1，波动于6.0～9.9 mg·L-1（图1），属于地表水环境质量标准的I级标准。其中，干季、湿季期间流动地表水DO值分别为(8.29±1.87)和(7.31±0.95) mg·L-1，干、湿季间差异不显著（P＞0.05）。研究期间，鼎湖山流域浅层地下水DO年均值为(5.81±1.28) mg·L-1，干季、湿季分别为(6.11±1.40)和(5.52±1.62) mg·L-1，二者间差异亦不显著（P＞0.05）。通过对地表水与地下水DO值的同期比较发现，流动地表水DO值在干季（P＜0.001）和湿季（P=0.003）均极显著高于浅层地下水（图2）。

研究期间，鼎湖山流域流动地表水COD年均值为(1.78±1.29) mg·L-1，干季、湿季流动地表水COD分别为(1.74±1.40)和(1.83±1.47) mg·L-1，均远低于地表水环境质量标准的I级标准（15.0 mg·L-1）。同期，鼎湖山流域浅层地下水COD年均值为(2.22±1.52) mg·L-1，干季、湿季期间分别为(2.61±1.94)和(1.84±1.59) mg·L-1。无论流动地表水还是浅层地下水，水体中COD的季节间差异均不显著（P＞0.05）。从地表水与地下水中COD含量的同期比较来看，湿季二者间差异不显著，而年、干季尺度上浅层地下水COD显著高于流动地表水（P＜0.05）（图2）。

3.3 Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量

2005—2018年，鼎湖山流动地表水阳离子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量年均值为(0.88±0.20)、(0.45±0.10)、(1.78±0.85)和(0.47±0.14) mg·L-1。阳离子以Ca2+为主，各离子的摩尔浓度排序为Ca2+＞ Na+＞ Mg2+＞ K+。研究期间，鼎湖山浅层地下水阳离子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量年均值为(2.73±0.73)、(3.14±2.39)、(23.49±13.10)和(1.79±0.85) mg·L-1，各离子的摩尔浓度排序为Ca2+＞Na+＞ K+＞ Mg2+。浅层地下水Na+、K+、Ca2+和Mg2+阳离子含量均极显著高于流动地表水（P＜0.001），其中浅层地下水中Ca2+和K+含量分别达流动地表水的13.2和7.0倍（图3）。

图3 鼎湖山流域2005—2018年流动地表水和浅层地下水阳离子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量Fig. 3 Concentrations of Na+, K+, Ca2+, and Mg2+ in surface water and groundwater during 2005—2018 in Dinghushan watershed, respectively

干季期间，鼎湖山流动地表水Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量均值分别为(0.95±0.27)、(0.49±0.22)、(2.08±1.01)和(0.46±0.18) mg·L-1；浅层地下水Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量均值分别为(2.67±0.73)、(2.66±2.78)、(21.29±17.03)和(1.72±1.04) mg·L-1。湿季期间，鼎湖山流动地表水Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量多年均值分别为(0.80±0.23)、(0.42±0.09)、(1.48±1.05)和(0.47±0.14) mg·L-1；浅层地下水Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量多年均值分别为(2.79±0.88)、(3.58±2.36)、(25.54±11.65)和(1.85±0.83) mg·L-1。无论地表水还是地下水，各阳离子的季节间差异均不显著；而无论干季还是湿季，各阳离子在地表水与地下水中的含量差异均达到了极显著水平（P＜0.01）（图4）。

图4 鼎湖山流域流动地表水和浅层地下水阳离子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量的干湿季特征Fig. 4 Seasonal changes of the concentrations of Na+, K+, Ca2+, and Mg2+ in surface water and groundwater in Dinghushan watershed, respectively

3.4 SO42-、PO43-、NO3-和Cl-含量

2005—2018年，鼎湖山流动地表水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-阴离子含量年均值为(49.54±18.32)、(0.03±0.03)、(2.46±1.55)和(0.30±0.12) mg·L-1。鼎湖山浅层地下水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-阴离子含量年均值为(62.79±28.42)、(0.04±0.04)、(1.32±0.92)和(0.55±0.30)mg·L-1。本研究中，所测地表水、地下水水体阴离子均以SO42-为主，各离子的摩尔浓度均表现为SO42-＞NO3-＞ Cl-＞ PO43-。浅层地下水SO42-、Cl-离子含量显著高于流动地表水相应离子含量（P＜0.05），而NO3-离子含量显著降低（降幅46.3%，P=0.003），PO43-无显著性变化（P=0.27）（图5）。

图5 鼎湖山流域2005—2018年流动地表水和浅层地下水阴离子SO42-、PO43-、NO3-和Cl-含量Fig. 5 Concentrations of SO42-, PO43-, NO3-, and Cl- in surface water and groundwater during 2005—2018 in Dinghushan watershed, respectively

干季期间，鼎湖山流动地表水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-阴离子含量均值分别为(42.87±22.28)、(0.03±0.03)、(2.17±1.05)和(0.31±0.16) mg·L-1；浅层地下水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-阴离子含量均值分别为(51.29±22.65)、(0.04±0.05)、(1.42±1.05)和(0.57±0.37) mg·L-1。湿季期间，鼎湖山流动地表水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-阴离子含量均值分别为(56.21±24.96)、(0.03±0.05)、(2.75±2.61)和(0.29±0.11) mg·L-1；浅层地下水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-阴离子含量均值分别为(74.29±41.50)、(0.03±0.05)、(1.22±0.93)和(0.53±0.27) mg·L-1。无论干季还是湿季，地下水相较于地表水均具有显著高的SO42-、Cl-含量以及显著低的NO3-含量（P＜0.05）（图6）。此外，除浅层地下水中SO42-含量存在干、湿季间的显著性差异（P=0.03）外，其余阴离子的季节间差异均不显著。

图6 鼎湖山流域流动地表水和浅层地下水阴离子SO42-、PO43-、NO3-和Cl-含量的季节特征Fig. 6 Seasonal changes of the concentrations of SO42-, PO43-, NO3-, and Cl- in surface water and groundwater in Dinghushan watershed, respectively

4 讨论

4.1 流动地表水和浅层地下水酸度和矿化度

水的酸碱性是影响水体中元素赋存状态、浓度及分配的主要因素。研究期间，鼎湖山流域大气降水整体呈现为弱酸性（pH值为5.85±1.10），与刘菊秀等（2003）报道的降水pH值（4.35～5.65）相比，该地区大气降水酸度明显改善。鼎湖山流动地表水酸度（pH值为4.76±0.58）相较于欧阳学军等（2002）测定的2001年该流域森林地表水酸度（4.09）同样呈现出明显的改善趋势。此外，与大气降水相比较，鼎湖山森林流动地表水（pH值为4.76±0.58）呈现显著酸化，尤其是湿季期间更突出。鼎湖山森林流动地表水pH值显著低于云南哀牢山和西双版纳森林流动地表水，这主要与严格保护下的鼎湖山森林地表较厚的腐殖质层以及长期酸化的土壤（pH＜4.2）对水体的作用过程关系密切（张心昱等, 2009；Liuet al., 2021）。相较于地表水pH，浅层地下水呈现一定的酸度弱化（pH值为6.23±0.60）。

矿化度是表征水体中所含无机矿物成分总量的指标。整体上，鼎湖山地区大气降水矿化度较低，尤其是湿季期间雨水的矿化度仅为(30.9±20.7) mg·L-1。研究期间，流动地表水、浅层地下水矿化度季节间差异均不明显，但无论干季还是湿季浅层地下水矿化度均极显著高于大气降水和流动地表水（P＜0.01）。与我国其他典型森林生态系统定位站的观测结果相比，鼎湖山流动地表水体矿化度与南亚热带湿润地区哀牢山森林站流动地表水相应值接近，但远低于热带湿润地区西双版纳森林站流动地表水相应值（刘旭艳等, 2020）。水体矿化度与气候、母岩、土壤母质等特征有关，总体上我国森林生态系统水体矿化度呈现从北向南、从西向东逐渐降低的趋势（张心昱等, 2009）。

4.2 流动地表水和浅层地下水溶解氧和化学需氧量

溶解氧指溶解在水中的氧含量，可作为水体自净程度及能力的重要指标。2005—2018年，鼎湖山森林流域流动地表水DO年均值波动于6.0～9.9 mg·L-1，属于地表水环境质量标准的I级标准。相比而言，鼎湖山流动地表水的DO含量高于天山中部天然云杉林森林集水区地表径流水DO含量（4.4～8.5 mg·L-1）（李海军等, 2010），与中亚热带钱江流域天然次生林集水区溪流水接近（8.1 mg·L-1）（王小明等, 2011）。研究期间，鼎湖山浅层地下水DO含量无论在干季（P＜0.001）还是在湿季（P=0.003）均极显著低于流动地表水，这与二者水体相对静止或流动的状态不同有很大关系。

化学需氧量往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标，表征水体受污染程度。研究期间，鼎湖山流域流动地表水和浅层地下水化学COD值均较低，且二者间整体差异不显著，均远低于地表水环境质量标准的I级标准（15.0 mg·L-1）。鼎湖山流域流动地表水COD值亦与中亚热带钱江流域天然次生林溪流水接近（1.77 mg·L-1）（王小明等, 2011）。鼎湖山流域流动地表水和浅层地下水中溶解氧和化学需氧量的长期监测结果均表明鼎湖山森林地表水、地下水的有机污染物质含量低、水质较好，受人为污染的程度低，是下游地区清洁水源的发源地。

4.3 流动地表水和浅层地下水主要阴、阳离子含量

研究表明，鼎湖山森林流域流动地表水和浅层地下水体中阳离子均以Ca2+含量最高，这与黄丽等（2019）关于中国典型陆地生态系统水化学离子特征的报道相一致。研究期间，鼎湖山浅层地下水阳离子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量无论在干季还是在湿季均极显著高于流动地表水中相应的离子含量，尤其是Ca2+和K+含量增幅剧烈（浅层地下水中Ca2+、K+含量分别为流动地表水的13.2和7.0倍），这与区域湿热气候条件降雨对森林植被与土壤的淋溶作用、酸化土壤H+置换作用及地下水的蒸发作用等关系密切（刘菊秀等, 2003; 刘鸿雁等, 2006; Jianget al., 2018）。

鼎湖山森林流域流动地表水水体中阴离子以SO2-的含量最高，浅层地下水中阴离子以HCO-43和 SO42-含量较高，主要受岩石风化、蒸发岩溶解及离子间的交换等自然要素的影响。研究期间，鼎湖山浅层地下水SO42-、Cl-含量在干季和湿季均极显著高于流动地表水中相应离子含量，这可能是由于SO42-、Cl-带负电荷，不易被土壤胶体吸附而易流失。此外，除浅层地下水中SO42-含量存在干、湿季间显著性差异外，其余阴离子的季节间差异均不显著。研究期间，大气降水（P=0.13）、流动地表水（P=0.12）中SO2-4含量的干、湿季差异均不显著，而浅层地下水在湿季期间相对较高的SO42-含量可能与基岩矿物溶解有关。

此外，本研究也发现NO3-在浅层地下水体中的浓度显著低于流动地表水（P=0.003），同时PO43-含量在二种水体间的差异较小。这与张胜利等（2007）对秦岭南坡中山地带典型森林流域支沟溪流水和流域出口径流水NO3-和PO43-的研究报道一致，从森林生态系统不同层次比较来看，溪流水NO3-含量最高，而沟道径流阶段为水体中NO3-含量降低的关键阶段。本研究中浅层地下水观测井建立在流域下游出口附近，地表水向下游汇流同样历经沟道径流阶段。一般而言，天然水体中磷主要以PO43-形式存在，且含量较低，主要来源于降水对森林植物的淋溶，同时森林土壤对其存在吸附作用，从而使得流域流动地表水与浅层地下水中PO43-含量接近。

5 结论

研究期间，鼎湖山流域大气降水pH整体呈现为弱酸性，且时序上雨水酸度在缓解。相对于大气降水的酸度，鼎湖山森林流动地表水呈现显著酸化，而浅层地下水则表现为一定程度的酸度改善。整体上，鼎湖山流域大气降水的矿化度较低，尤其是湿季期间。无论干、湿季，浅层地下水矿化度均极显著高于大气降水和流动地表水。对DO和COD的长期监测表明，严格保护下的鼎湖山森林流动地表水、浅层地下水受人为污染程度较低，水质优。此外，鼎湖山浅层地下水中阳离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+和阴离子SO42-、Cl-含量均极显著高于流动地表水相应离子含量，尤其是Ca2+、K+浓度的增幅剧烈。然而，NO3-在浅层地下水体中浓度极显著低于流动地表水。整体上，处于严格人为保护下的鼎湖山森林流域的水体质量状况可以作为该区域水环境的本底参考。