祁連山青海云杉林內穿透雨中微量元素變化特征

趙天雪，臧 飛，李 娜，楊建紅，楊曉高，趙傳燕

(1.甘肅祁連山國家級自然保護區管護中心 寺大隆自然保護站，甘肅 張掖 734000；2.蘭州大學 草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020)

森林是生態系統重要的組成部分，占地球陸地表面的1/3，提供重要的生態系統服務，維持著生態系統的平衡[1]。森林水循環過程影響森林植被結構、功能與分布格局，在生態系統物質與能量交換過程中發揮著重要作用[2]。干旱半干旱區的植被降水截留在土壤-植被-大氣連續體的水循環中，是一個不容忽視的量[3-4]。植被對降水的調節作用首先表現為林冠對降水的截留過程。研究表明森林冠層的截流量占總降雨量的10%～40%[3-5]。目前，國內外有關林冠截留的研究主要集中在不同地區、不同樹種、不同林型上，而且對林冠截留的研究主要在樣方尺度上進行[6-7]。裴承敏等[8]研究了重慶縉云山毛竹林次降雨再分配特征及穿透雨的空間異質性，結果表明，18場典型降雨的合計林冠截留量、穿透雨量和樹干莖流量分別為32.74、208.09和10.97 mm，分別占總降雨量的13.00%、82.64%和4.36%。X.Lietal[9]研究了5個模擬降雨強度下(10～150 mm·h-1)闊葉和針葉林的截留效應。祁連山分布著森林、草地等豐富的自然資源，在水源涵養、物種多樣性方面發揮著重要的生態屏障作用。因此，研究祁連山森林生態系統降雨對流域的水循環和水平衡過程具有重要意義。

大氣沉降是微量元素進入地表環境的一個重要輸入途徑，由人為活動釋放出來的毒性元素會通過大氣干濕沉降的方式進入陸地生態系統[10-11]。森林冠層作為不同大氣污染物的受體，大氣顆粒物中的大部分金屬元素會沉降在葉上，或通過雨水沖刷和從葉上脫落進入土壤[12-13]。L.Tripatheeetal[14]對尼泊爾喜馬拉雅山脈4個地方的大氣濕沉降總Hg的時空分布進行了研究，發現高的濕沉降通量歸因于較高的降水量，降水量和Hg濃度對喜馬拉雅中部地區Hg的沉降起著至關重要的作用。E.Cableetal[15]對雨雪樣品中22種元素進行分析表明，元素含量在(0.03～1.8)×103μg·kg-1的范圍內。由于來源、遷移路徑和在大氣中的停留時間不同，微量元素的組分和濃度可能從一個地區到另一個地區變化很大。目前，大氣沉降是國內外學者關注的熱點問題之一，而有關大氣沉降微量元素的研究主要集中在污染嚴重和人口密集的城市地區，對偏遠地區森林生態系統的研究較少。關于祁連山森林優勢種群內穿透雨中組分的研究還未見報道。

本研究以甘肅祁連山國家級自然保護區的天澇池流域為研究區，以森林優勢種群(青海云杉)為對象，采用野外調查與室內分析相結合的方法，對青海云杉林內穿透雨中Cu和Cd的分布特征進行研究，以期為祁連山森林生態系統服務評估提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅祁連山國家級自然保護區的天澇池流域(38°23′58″-38°26′56″N；99°53′50″-99°57′10″E)(圖1)，海拔2 600～4 450 m，流域面積為12.8 km2，森林覆蓋率65%。年均溫為0.6℃，年降水量326.4～539.7 mm，年均蒸發量為1 066.2 mm。屬于高寒半干旱山地森林草原氣候。流域內動植物種類豐富多樣，生態系統典型而獨特，典型的植被類型包括山地森林草原、山地草甸、青海云杉林、祁連圓柏林和山地灌叢等。從保護區功能區劃看，包括核心區、緩沖區和試驗區，在祁連山中段具有顯著的代表性，是開展山地生態水文、生態服務功能、生態保護和環境演變的理想場所。此外，該流域是長期定位觀測的生態監測站，監測設施齊全，具備自動氣象站、自計雨量筒、降雨截留固定樣地等。流域內主要植被類型有：優勢種群青海云杉(Piceacrassifolia)、祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)，草地優勢物種有：垂穗披堿草(Elymusnutans)、葛縷子(Carumcarvi)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)和珠芽蓼(Polygonumviviparum)等，灌叢主要有：金露梅(Potentillafruticosa)、鬼箭錦雞兒(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)和高山繡線菊(Spiraeaalpina)等。青海云杉分布在海拔為2 600～3 540 m的陰坡，祁連圓柏分布在海拔為2 700～3 250 m的陽坡。流域內主要土壤類型有：寒漠土、高山草甸土、灰褐土、山地灰鈣土、山地黑鈣土和山地栗鈣土等[16]。

圖1 研究區示意Fig.1 The map of study area

1.2 樣品采集與制備

采樣點布設在青海云杉林分內和林外的空地。林外空地采樣點四周無遮擋雨、雪、風的高大樹木，考慮風向(順風、背風)和地形等因素。選擇青海云杉固定樣地(30 m×30 m)，在固定樣地內部根據林冠不同蓋度隨機選擇5個采樣點位，每個采樣點位上分別放置1個內徑20 cm、高30 cm的聚乙烯塑料罐(采樣缸)，同時在林外空地上放置3個采樣缸作為平行樣，采樣缸距離地面約1 m的高度。采樣缸在使用前用10%(體積比)的硝酸浸泡24 h后，用去離子水清洗干凈，密封攜至采樣點水平安裝。野外回收樣品時，用清潔的鑷子將落入缸內的樹葉、昆蟲等異物取出，然后用刷子反復清洗缸壁，將所有雨水轉移至聚乙烯塑料桶中密封保存，并記錄采樣時間、地點、風向、風速、大氣壓降水量、降水起止時間，并及時將樣品送至實驗室妥善保存備用。取每次降水的全過程樣(降水開始至結束)。若1 d中有幾次降水過程，可合并為1個樣品測定。若遇連續幾天降雨，可收集08:00至次日08:00的降水，即24 h降水樣品作為1個樣品進行測定。樣品帶至實驗室后首先測定雨水樣品的pH值和電導率(EC)，然后用0.45 μm的水系濾膜過濾，濾液轉移到潔凈的聚乙烯瓶中，于4℃下冷藏保存，用于測定Cu和Cd的濃度。由于該流域年內降雨分配很不均勻，主要集中在5-9月，占全年降水的84.2%，夏季降水充沛，冬春季降水只占年降水量的10.8%，顯得寒冷而干燥。2018年年降水量為470.6 mm，屬于平水年，且降雨主要集中在7-9月。因此，本研究于2018年7-9月共收集13次降雨事件的樣品。

1.3 分析測定方法

雨水樣品的pH值采用電極法測定(PHS-3C，雷磁，上海儀電科學儀器股份有限公司)，EC值采用電導率儀測定(DDS-11A，上海越平)。穿透雨量采用標準雨量筒進行測定。雨水樣品中的Cu和Cd采用原子吸收分光光度計測定(ZEEnit700P，耶拿，德國)。

1.4 質量控制與保證

試驗全過程進行質量控制，以保證數據的準確性和精確性。試驗過程中采用20%的平行樣和空白樣，誤差控制在5%以內。所用玻璃器皿及采樣缸均用10%硝酸浸泡至少24 h，試驗用水均為去離子水，試劑均為優級純。

1.5 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 17.0進行數據統計分析，采用Origin 9.0進行制圖。

2 結果與分析

2.1 降雨量及pH和EC的變化

青海云杉林外降雨量和林內穿透雨量及pH和EC隨降雨次數的變化見表1。林外降雨量比林內穿透雨量小，表明林冠出現負截留，即林冠周圍樹葉及枝條對降雨截留后通過重力作用全部進入收集器中，呈現明顯的季節變化特征，7、8月降雨量較大。雨水樣品pH值基本沒有太大變化，林外和林內差別也不大，pH值均<7，呈中性或弱酸性，這是空氣中含有CO2和SO2的緣故。水體的電導率是水中含鹽成分、含離子成分及含雜質成分的總稱。林內雨水樣品的電導率值比林外稍高，因為降雨在經過冠層時對吸附在樹葉上的顆粒物進行沖刷，一些可溶性的離子進入穿透雨中。另外，樹木冠層葉片的分泌物隨穿透雨降落也是導致電導率值升高的原因。

表1 青海云杉林降雨量及pH和EC隨降雨次數的變化Table 1 Change of rainfall amount,pH and EC in the P.crassifolia forest

2.2 穿透雨中Cu和Cd濃度分布特征

對森林生態系統而言，Cu是一種植物生長所必需的元素，能夠被植物葉片或根系吸收利用，而Cd在自然界中一般作為潛在毒性元素，濃度一旦超標，會對植物生長造成影響。有研究表明重金屬元素在降雨中的生物有效性更高[17]。青海云杉林外降雨和林內穿透雨中Cu和Cd濃度見圖2。不同降雨次數下林內、林外降雨量中Cu和Cd的濃度變化沒有明顯的規律性。青海云杉林內穿透雨中Cu濃度整體上高于林外降雨，但在第7、8次降雨中林外高于林內。林外降雨中Cu濃度在3.28～11.37 μg·L-1，林內穿透雨中Cu濃度在5.97～12.05 μg·L-1。這是因為林外相對高的降雨量對微量元素濃度有一定稀釋作用[18]。另外，森林復雜的冠層結構吸附了大量的顆粒物[19]，這些顆粒物在雨水的沖刷下往下落，在此過程中顆粒物中可溶性的微量元素進入雨水中，使得穿透雨中微量元素濃度高于林外降雨。S.C.Cizmeciogluetal[20]認為水溶態的微量元素是濕沉降的重要組成部分，占濕沉降總形態的37%～100%。而濕沉降中一些溶解性的微量元素也是浮游植物和藻類必需的營養物質[21]。青海云杉林內穿透雨中Cd濃度整體上也高于林外降雨，在第2、11次降雨中林外Cd高于林內。林外降雨中Cd濃度在0.05～1.03 μg·L-1，林內穿透雨中Cd濃度在0.12～0.78 μg·L-1。有研究表明降雨量是控制濕沉降中微量元素濃度的決定性因素[22-23]。而由于降雨中微量元素來源的復雜性和降雨特征(降雨量、降雨持續時間、降雨強度等)的差異，不同降雨次數中Cu和Cd的濃度的變化各異。本研究選擇Cu和Cd作為研究對象，主要是從營養和毒性的角度考慮。

圖2 青海云杉林內外降雨中Cu和Cd的濃度變化Fig.2 Changes of Cu and Cd concentration in rainwater of P.crassifolia forest

2.3 降雨量對穿透雨中Cu和Cd濃度的影響

影響降雨中微量元素濃度的因素有很多，比如空氣中微量元素濃度、當地自然和人為來源、遠距離傳輸、風速風向、降雨強度、降雨持續時間、相對濕度及降雨量等。J.Xingetal[18]通過對膠州灣大氣濕沉降中溶解性微量元素的研究表明，污染物釋放強度、降雨量和風速是影響微量元素季節變化的主要因素。風速也是濕沉降的控制因素，風速與濕沉降通量呈負相關，因為高的風速有助于大氣污染物的擴散，這對大氣微量元素濃度有稀釋作用[24]。也有研究表明，降雨量是與灌叢降雨再分配關系最密切的氣象因子，即隨著降雨量的增加，穿透雨量也增加[25]。對祁連山深山區森林生態系統而言，由于海拔較高，夏季雨水較多，所以降雨量應該是影響微量元素濃度的主要因素之一。青海云杉林內、林外降雨量與降雨中Cu和Cd的相互關系見圖3。整體而言，青海云杉林外降雨和林內穿透雨中Cu和Cd的濃度隨著降雨量的增加呈減小趨勢。青海云杉林外降雨中Cu濃度與降雨量線性相關(R2=0.41；N=13；P<0.05)；青海云杉林內穿透雨中Cd濃度與降雨量也線性相關(R2=0.398；N=13；P<0.05)，表明降雨量越大Cu和Cd的濃度越低。青海云杉林內穿透雨中Cu和林外降雨中Cd也呈線性關系，但相關性不顯著(P>0.05)。Cu和Cd濃度隨降雨量的增加而減小，一方面，因為高的降雨量對空氣中Cu和Cd濃度進行了稀釋作用[18]；另一方面，本研究采樣時間為夏季7-9月，祁連山降雨次數較多，對空氣中Cu和Cd的凈化和清除能力強，使得雨水中Cu和Cd的濃度較低。C.Stankwitzetal[26]認為高海拔地區森林能夠接收較高的年降水量和云水，而濕沉降和云水中的污染物也在高海拔地區增加。本研究僅分析了降雨量對穿透雨中Cu和Cd濃度的影響，其他氣象因子，如風速、溫度、相對濕度、降雨強度、降雨持續時間等，對Cu和Cd濃度的影響如何還需進一步研究。另外，本研究采樣僅限于夏季的2個月，且樣地僅設置在一個海拔梯度上，而不同海波梯度、不同季節的氣象條件差異較大，因此，長期的流域尺度的觀測試驗將是下一步工作中重點關注的問題。

圖3 青海云杉林內外降雨量與Cu和Cd濃度的相互關系Fig.3 Relationship between rainfall amount and Cu and Cd concentrations

3 結論

祁連山青海云杉林內穿透雨量大于林外降雨量，表明冠層對降雨呈現負截留現象。13次降雨事件中雨水的pH值均呈中性或弱酸性，EC值林內略高于林外。祁連山降雨中Cu的濃度高于Cd的濃度，且青海云杉林內穿透雨中Cu和Cd濃度整體上均高于林外降雨。林外降雨中Cu和Cd濃度分別在3.28～11.37 μg·L-1和0.05～1.03 μg·L-1之間，林內穿透雨中Cu和Cd濃度分別在5.97～12.05 μg·L-1和0.12～0.78 μg·L-1之間。13次降雨中Cu和Cd的濃度隨降雨量的增加而降低，表明高的降雨量對大氣中的污染物有很強凈化作用。下一步研究將圍繞祁連山降雨中微量元素的月變化動態和年沉降通量，以及重點關注大氣微量元素的遠距離傳輸。