森林植被截留对大气污染物湿沉降的影响

　　倡国家科技支撑计划课题（２００６BAC０１A１５）、中国科学院成都生物研究所交叉学科课题（森林过滤器对污染水化学的作用）以及中国科学院重大项目（KSCX１唱０７）和重要方向项目（KSCX２唱０１唱０９）、“十五”国家攻关项目（２００１BA６０６A唱０５）、四川省青年科技基金项目（０３ZQ０２６唱０４３）和中国科学院“西部之光”人才培养项目资助　　倡倡通讯作者收稿日期：２００５唱１１唱０１　改回日期：２００６唱０２唱２０森林植被截留对大气污染物湿沉降的影响倡陶豫萍　吴　宁倡倡罗　鹏　刘　兵　张桥英（中国科学院成都生物研究所　成都　６１００４１）摘　要　试验研究了裸地、马尾松林、香樟林的大气降水、穿透雨和树干径流以及地表径流的污染物离子浓度。结果表明：大气降水的污染物质离子浓度大小依次为SO２－４＞NO－３＞Cl－＞F－；马尾松、香樟林群落的穿透雨、树干径流的污染物质含量显著高于大气降水，说明它们对降水中污染离子的富集作用很强，马尾松林的穿透雨和树干径流的污染物离子的总量高于香樟林。各林型大气污染物降水的SO２－４离子含量都较高，两种林型的地表径流污染物质含量显著高于大气降水，但污染物浓度比树干径流有显著降低，说明土壤表面和枯枝落叶对降水中污染物的吸附能力很强。关键词　湿沉降　大气降水　穿透雨　树干径流　地表径流　污染物Effectofforestinterceptiononwetpollutantdeposition．TAOYu唱Ping，WUNing，LUOPeng，LIUBing，ZHANGQiao唱Ying（ChengduInstituteofBiology，ChineseAcademyofSciences，Chengdu６１００４１，China），CJEA，２００７，１５（４）：９～１２Abstract　Thispaperexaminesionicconcentrationofpollutantsinairprecipitation，throughfall，stemflowandsurfacerunoffofconiferous，broad唱leavedforestsandbareland．Resultsindicatethationicconcentrationofdifferentpollutantsinairprecipitationisinthefollowingorder：SO２－４＞NO－３＞Cl－＞F－；ionicconcentrationinthroughfallandstemflowofconiferousforestandbroad唱leavedforestissignificantlyhigherthanthatinairprecipitation．Similarly，totalioninthroughfallandstemflowishigherfortheconiferousforestthanforthebroad唱leavedforest．Inbothtypesofforest，SO２－４concentrationinthepollutantsishigherthantheotherions，suggestingahigherdissolutionofSO２andaciddepositions．Theseobservationsfurthershowthat“forestsarefiltersofairpollutants”thoughtheextenttowhichfilteringoccursisafunctionofforesttype．Keywords　Wetdeposition，Airprecipitation，Throughfall，Stemflow，Surfacerunoff，Pollutant（ReceivedNov．１，２００５；revisedFeb．２０，２００６）森林植被对大气污染物质的净化作用受到普遍关注。森林生态系统对污染物的截留、吸附与净化一般是通过污染物在森林生态系统中的乔木层与灌草层植物、枯落物和土壤（微生物）等组分间的转化过程来实现，阐明森林生态系统各组分，特别是地上部分对降水中污染物离子的影响过程是正确了解森林植被对污染物净化效应的关键。森林植被能富集和吸附污染物，使污染物的种类和数量逐渐减少［１］，并将快速的地表径流转化为流速缓慢的土壤径流，减少了固体污染物的输出，从而净化了水质。因而森林被认为是清洁水源的保障体系，是污染物的高效“活过滤器”［２，１１］。开展森林及水源净化关系的研究，对于正确评估森林过滤器效应具有十分重要的意义。本试验通过对乐山沙湾牛顶山的裸地、香樟林和马尾松林的大气降水、穿透雨、树干径流、地表径流中污染物变化特征的分析，研究了森林地上部分林冠层、灌木草本层和地表枯枝落叶对降水中污染物的吸附、富集吸收作用，从而分析了不同森林植被类型对大气降水中污染物离子的影响，为靠近污染源排放地区和重工业污染地区的不同森林经营管理和森林类型选择提供参考，并为进一步了解和评估森林生态系统对污染物的过滤器机制提供依据。1　研究区域概况与研究方法沙湾镇地处四川盆地西南边缘（１０３°３２′～１０３°５４′E，２９°２３′～２９°３９′N），东北部为川西平原，西南与大小第１５卷第４期中国生态农业学报Vol．１５　No．４２００７年７月ChineseJournalofEco唱AgricultureJuly，　２００７凉山接壤，属盆地与山区的过渡地带，大渡河由南向北穿过其间，海拔高度３８０～２０２７m，年均降雨量１９４９mm，且６～８月份降水占全年降水量的５９％，冬季降水仅占全年降水的４％～５％。当地常年主导风向为北风，频率１７．４％，年净风率３７畅５％，多年平均风速为１畅３m／s，昀大风速１６畅７m／s，全年大风１畅９d，由于风速小，不利于大气污染物扩散。表1　各样地基本概况Tab．１　InformationofthedifferentforestplotsinShawan森林类型Foresttype海拔／mAltitude坡向／（°）Slopedirection坡度／（°）Slopegradient郁闭度Canopydensity香樟林４２０NE５４３４０畅４５马尾松林４６０SE４２３２０畅４５裸　地４００SE３９３８－　　沙湾区是四川省乐山市的工业区之一，污染源众多。沙湾区大气主要污染源来自当地的水泥厂、炼钢厂、焦化厂、造纸厂，这４家企业占评价区总污染负荷的８０畅３％。主要大气污染物为烟粉尘、SO２、NO２，据乐山气象台对沙湾区的污染气象观测，德胜钢厂偏南处受德胜钢厂大气污染的程度昀大。因而本次试验地点选在沙湾区德胜钢厂偏南处的牛顶山，距离污染源不到１km，海拔３００～４００m，各样地基本概况见表１。沙湾区牛顶山主要植被类型是以樟树林和马尾松林为主的人工林，造林时间为２０年。香樟林的土壤母质为残坡积碎屑岩黄色风化物，土壤为黄壤，土层较深厚，凋落物０畅５～１cm，海拔４２０m，坡度３４°，坡向东偏北５４°，群落总郁闭度为０畅４５，该群落大致可分为乔灌草３层；马尾松林的土壤为黄壤，土层很深厚，凋落物１～２cm，海拔４６０m，坡度为３２°，坡向为东偏南４２°，群落总郁闭度为０畅４５，群落层次明显，也分为乔灌草３层；裸地土壤为紫色土，海拔４００m，坡度３８°，坡度为东偏南３９°。本试验所有样点均按照枟森林生态系统定位研究方法枠中的有关标准和要求布置［３］。森林大气降水、穿透水、树干径流均按照森林水文学过程研究方法的要求布置装置［４］，地表径流采用小集水区径流场法选择和建立并收集地表径流［４］，并根据环境污染分析方法的要求采集水样［５］，收集的大气降水和林内降水样品经过滤后，分别置入５０mL聚乙烯塑料瓶内保存以供分析。每次降雨后，立即收集水样，并进行污染物含量的分析。其中用S唱２５型pH计测定pH值，用离子色谱法（瑞士万通离子色谱７６１）测定水样中的F－、NO－３、SO２－４、PO３－４、Cl－含量；利用Excel和SPSS１１畅５统计软件对获取数据进行分析。2　结果与分析2畅1　大气降水的污染物质含量马尾松林、香樟林及裸地降水化学特征见表２。由表２可知，沙湾地区大气降水的污染物也是以SO２和NO２为主，其中P的输入昀少，而S的输入量昀多。大气降水中污染物排序为SO２－４＞NO－３＞Cl－＞F－＞PO３－４。其中SO２－４占污染物总量的６２％，NO－３占７％，表明当地大气污染物主要是大量的S和N沉降引起的。S的大量输入会使大气降水的pH值普遍较低，引发的酸雨会导致一系列的生态环境破坏问题。表2　马尾松林、香樟林及裸地降水化学特征倡Tab．２　Chemicalpropertiesofrainfallinconiferous，broad唱leavedforestsandbarefields类　型Type污染物成分含量／mg·L－１Pollutantconcentration总浓度／mg·L－１TotalconcentrationpHF－Cl－NO－３PO３－４SO２－４裸　地大气降水０畅７５（０畅８１）１畅４１（０畅２８）３畅５６（４畅１７）０（０）　　３０畅３６（１７畅０８）４８畅７８（１２畅３６）６畅１４（２畅５３）地表径流１畅２５（０畅０３）５畅４４（０畅１２）５畅２９（０畅４１）１畅１８（０畅０３）６２畅６８（１９畅２１）８７畅４７（１８畅４５）６畅１３（０畅０８）香樟林穿透雨１畅４３（０畅３２）４畅８０（１畅９６）５畅３０（４畅６７）０畅７７（０畅６２）８４畅１１（２０畅１２）１４９畅７８（２４畅８４）６畅４６（０畅０７）树干径流２畅５３（１畅０５）８畅２２（４畅１５）　４５畅６５（１４畅６２）１畅４８（１畅９５）１８９畅８０（９５畅７４）　２４７畅７８（９７畅７９）６畅３３（０畅１８）地表径流１畅６０（０畅１０）１１畅７０（０畅３４）　９畅４３（１３畅３１）０畅７９（０畅１２）１７３畅９３（９畅６２）　２４９畅８８（６１畅８７）６畅３８（０畅０６）马尾松林穿透雨３畅７１（１畅４８）７畅５３（２畅３８）１３畅１１（４畅５８）　０（０）　　１７４畅１６（５８畅７６）　２３３畅９１（２６畅１２）６畅３７（０畅０７）树干径流３畅４２（０畅８４）１２畅８６（５畅５４）　５４畅８６（１６畅３４）０（０）　　３８５畅４９（２２２畅９２）４５６畅６３（６５畅４２）５畅８９（０畅０９）地表径流０畅５４（０畅３９）５畅６５（４畅６６）　６６畅７９（５７畅３２）０（０）　　１３５畅１８（１１５畅３７）２４５畅０２（５３畅４３）５畅８０（０畅６１）　　倡表内所得数据为２００４年５～９月共１５次取样所得数据的算术平均数，括号内为标准差。１０　　　中国生态农业学报第１５卷2畅2　不同林型的林冠和树干对大气污染物降水的影响由表２可知，马尾松、香樟林林内穿透雨和树干径流的离子含量相对于大气降水均显著增加（P＞０畅０１），可见两种林型的林冠均对污染物离子进行了有效的吸附。NO－３、SO２－４、Cl－等离子被大量从林冠层冲洗下来。穿透雨中离子浓度大小依次为：SO２－４＞NO－３＞Cl－＞F－。树干径流对污染物的富集作用也很大。马尾松林、香樟林树干径流中Cl－、NO－３、SO２－４离子含量均显著高于穿透雨中离子含量，尤其是马尾松林树干径流中SO２－４离子浓度达到３８５畅４９mg／L，是大气降水的１０倍多，是马尾松林穿透雨的２倍（P＜０畅０１，差异极显著）。不管是香樟林和马尾松林，降水对P元素的输入量是所有元素中昀低的，但在不同林型穿透雨和树干径流中，P素的输入量却有很大差异（P＜０畅０１，差异极显著），但在同一林型穿透雨和树干径流的浓度变化并不显著（P＞０畅０５）。两种林冠均对污染物湿沉降进行了缓冲。在香樟林中，相对裸地的大气降雨，香樟林的树干径流和穿透雨分别上升０畅１９和０畅３２个pH单位，说明香樟林的树冠和树干对污染物酸沉降有缓冲作用，中和了部分H＋，但林冠的缓冲作用更大；