广州城市森林及不同地表垫面对暴雨径流与PAHs、TOC的影响

陈步峰，王莘仪，肖以华，吴巧花

中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520

极端性暴雨引发的城市内涝是近年频发性灾害，多硬质地表的城市遭遇暴雨、地表产流快而径流量大，地表汇流量超出排水承载力或应急排水不足时，便形成城市内涝以及溢流污染的灾害。中国华南地区为典型的锋面暴雨、雷暴雨及台风暴雨多发地，发生城市内涝的概率相对较大。城市暴雨易发水患，且地表产流冲刷而携带的多环芳烃（PAHs）是具有“致癌、致畸、致突变”特性，尤以苯并芘（BaP）、荧蒽（FLA）、苯并（b）荧蒽（BbF）、苯并（k）荧蒽（BkF）、茚并（1, 2, 3-cd）芘（IcdP）、苯并（gh, i）苝（BghiP）为代表，被世卫组织视为PAHs的 16个组分中的优先控制物，其引发的水体毒性污染危害较大。城市森林是陆地地表重要的天然生态屏障，应对暴雨的截留降能、缓冲降蚀与吸附滞留、持续下渗及吸储等生态水文机能，在消减暴雨产流、抵御水患及水质污染等方面有着不可替代的生态环境功能（邹志谨等，2017）；随着全球气候变化导致的极端暴雨的频发，相关城市暴雨-径流及PAHs负荷方面的研究逐渐被重视，诸如：美国南卡罗来纳州不同城市暴雨径流中 PAHs研究显示（Ngabe et al.，2000），城区哥伦比亚（11测点）暴雨径流PAHs 14平均含量为5590 ng·L−1，乔治城径流（2测点）变化范围为 40—3790 ng·L−1，墨勒尔斯因莱特沿海社区径流（15测点）PAH14含量平均为 282 ng·L−1，墨勒尔斯因莱特潮溪河口水（8测点）均值为35 ng·L−1，未开发地北因莱特河口水（8测点）含量为13 ng·L−1。而植被及多种渗透层材料等生物滞留设施对城市暴雨PAHs污染物的去除的试验测定结果表明（Diblasi et al.，2009），生物滞留可使PAHs的平均浓度消减在31%—99%间。美国弗吉尼亚的高速公路、加油站及停车场的暴雨地表径流PAHs通量对比研究显示（Smith et al.，2000），高车流量的停车场最高（0.0556 g·km−2·a−1）、加油站最低（0.0224 g·km−2·a−1），停车场，公路和加油站的暴雨径流为环境中PAHs的一个重要源。国内的合肥市针对4次降雨不同地表径流PAHs研究显示（谢继峰等，2015），水泥、沥青地和水泥交通路面的PAHs负荷远大于水泥广场和草地。上海市高架路地表径流PAHs源析（边璐等，2013）发现，径流中∑16PAH的质量浓度范围为 1.585—7.523 μg·L−1，交通、石油、燃气燃烧是主要来源。哈尔滨市春季融雪径流中 16种 PAHs检测表明（车丽娜等，2019），城市道路和内部道路均超出中国地表水环境质量标准2.8 ng·L−1。北京城市道路地表径流及相关介质中PAHs的源解析指出（张巍等，2008），城市支路和主干路机动车道以机动车排放源为主，行道树树冠水中机动车源的贡献较大。

国内外相关于城市暴雨径流PAHs研究中，涉及城市不同下垫面暴雨地表产流PAHs的源析、浓度差异对比剖析的研究相对成熟、成果报道相对较多，涉及城市硬质或交通道地表与森林林带地表的降雨地表产流PAHs含量的对比研究也有较多报道，特别有较多的模拟不同降雨量对草被、农田及裸地等的地表径流、大量元素的对比实验；然而在城市天然林区专就暴雨（P>50.0 mm/time）在森林、草被、水泥及沥青地表产流特征、PAHs和TOC质量浓度及通量的连续定位观测、系统的对比研究的结果报道是比较少；因此，依托广东珠三角森林生态系统国家定位观测研究站平台，针对近年来广州市多发暴雨，以及城市区域分布着大面积的天然次生林资源，开展广州城市森林应对暴雨产流及 PAHs的水文循环及地球化学效应的研究结果也相继有一些报道（陈步峰等，2004；陈步峰等，2011；张娜等，2011；吴巧花等，2018）；本文就广州市帽峰山森林与草被、硬质地表垫面的暴雨地表产流及 PAHs等化学物质量与通量的对比实验研究结果，为城市森林在抵御暴雨灾害的功能方面提供一些依据。

1 实验区自然概况与试验方法

1.1 试验地概况

广州市帽峰山定位观测实验林区位于广州市东北部（23°16′—23°19′N，113°22′—113°29′E），距市区约25 km，面积6600 hm2；林区近5年的平均气温为21.2 ℃，年均降雨量1800.0 mm，年均相对湿度约76.5%，干湿季分明；土壤类型为黄红壤，成土母岩主要为花岗岩。森林植被类型以南亚热带季风常绿阔叶次生林为主（46 a），优势乔木以润楠（Machilus pingii）、黄樟（Cinnamomum porrectum）、中华椎（Castanopsis chinensis）、黄杞（Engelhardia roxburghiana）、罗浮柿（Diospyros morrisiana）、鸭脚木（Schefflera octophylla）、枫香（Liquidambar formosana）、山乌桕（Sapium discolor）等为主；部分森林斑块中间种有马尾松（Pinus massoniana）和杉木（Cunninghamia lanceolate）人工种群。下层主要以木姜子（Litsea glutinosa）、银柴（Aporosa dioica）、九节（Psychotria rubra）、降真香（Dalbergia odorifera）等为主，上层优势乔木的平均胸径达31.3 cm、平均树高为18.6 m；林分郁闭度达0.92。

1.2 林区暴雨及不同地表垫面暴雨地表径流对比实验观测方法

广州帽峰山林区暴雨、硬质地表及草被地表径流试验场均设置在帽峰山林区天湖（珠三角森林定位研究站实验房前）的无林地（40 m×30 m）中间平坦地表，实验观测场海拔高295.0m、设置地面降雨、地表径流的观测不受森林及房屋、山丘影响；其实验场列于示意图1。

图1 帽峰山天湖降雨、地表径流观测实验场示意图Fig. 1 The experimental observation field for rainfall, surface runoff in the Tianhu of Maofeng Mountain

1.2.1 暴雨量观测

林外降雨量——在地表径流场及定位站的气象场（水平距100 m）各设置1台Data Logging RG3-M自动雨量计连续观测降雨量及暴雨量（日降雨量在50.0—99.9 mm、100.0—249.9 mm、>250.0 mm分别为暴雨、大暴雨及特大暴雨）；设置口径0.8 m收集容器收集暴雨水样品。

1.2.2 硬质地表径流观测

在天湖的无林场分别设置2个长方形水泥地表径流场（面积S=10.5、6.8 m2），采用分流池法（3/4分流）观测暴雨地表径流量、分流池采集暴雨地表径流水样；因沥青与水泥地表的降雨产流相近，故仅设置10 m2的沥青地表汇流场、汇流池收集暴雨地表径流水样。

1.2.3 草被地表径流观测

在无林场设置1个长方形地表径流场（面积7.4 m2），据城市草被地表多用种、择细叶结缕草（Zoysia tenuifolia）于2016年底在地表径流场内种植；采用分流池法（1/2分流）观测暴雨地表径流量、分流池收集暴雨地表径流水样。同时采用样方法（1 m×1 m）对草被群落进行逐年调查，2018—2020年间的调查统计，地表草被的年覆盖度分别为 84.0%、91.0%、93.0%，草被种群的平均高分别为 0.04、0.08、0.12 m。

1.2.4 林内暴雨净降雨观测

依托定位站在常绿阔叶次生林、针阔叶混交林样地（各 30 m×30 m），样地内网格法各设置9台HOBO自记雨量计观测暴雨穿透雨量、计量2种林分的暴雨穿透雨量；同时在两类林分地内网格法设置4个0.6 m口径的雨量收集器收集暴雨穿透水水样；树干茎流量则依据已有经验模型计算获得，干流水样收集则遴选6株乔木样株以聚乙烯管粘绕底部收集。

1.2.5 森林的坡面地表径流观测

依托定位站的常绿阔叶次生林、针阔叶混交林坡面地表径流场（各2个），其沿坡面为长方形、水平投影面积20 m×10 m，位于两个同坡向等海拔坡面上、坡度分别22.3°、23.6°，均采用分流池法（1/2分流）及Data Logging RG-1L翻斗自记雨量计法观测暴雨地表径流量；分流池收集暴雨地表径流水样。常绿阔叶林坡面地表径流场的优势乔木以润楠、中华椎、罗浮柿、黄杞、山乌桕、鸭脚木等为主，其平均高及胸径分别为18.6 m、28.8 cm，林分郁闭度为0.90；而针阔叶混交林的地表径流场内除有阔叶林乔木种外、则有间种的马尾松及杉木种群（42 a），优势乔木的平均高及胸径分别为18.1 m、27.2 cm，林分郁闭度达0.83。两类林分的土壤与母质均相同。

1.3 暴雨径流水样的采集处理及水体PAHs、TOC的检测方法

1.3.1 水样采集处理

采集暴雨及地表产流的初、中和末段水样、混合为供试水样；暴雨水样采集暴雨收集器水面下 2 cm水体，不同地表垫面的暴雨地表径流水样则采取各径流测池水面下3 cm的水体；各水样采集量均为1000 mL、采集装入1 L的棕色样瓶内上盖、标签标记。各水样的现场处理：采好的水样样瓶速放入冷冻样品箱、并在3 h内带回实验室进行处理检测。

1.3.2 水样PAHs浓度检测方法

检测水体中16种优先控制的PAH组分溶解相含量（美国国家环保局列出），萘（NAP）、苊（ACE）、苊烯（ACY）、芴（FLU）、蒽（ANT）、菲（PHE）、荧蒽（FLA）、芘（PYR）、苯并[a]蒽（BaA）、䓛（CHR）、苯并[b]荧蒽（BbF）、苯并[k]荧蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚并[1, 2, 3-cd]芘（IcdP）、苯并[a, h]蒽（DahA）、苯并[g, h, i]苝（BghiP）。采用日本岛津的气相色谱/质谱联用仪测试半挥发性有机化合物，按照EPA3540C—1996、EPA8270D—2007方法检测。

1.3.3 水样TOC浓度的检测方法

水样TOC含量检测则采用日本岛津TOC-V型总有机碳分析仪，按《水质、总有机碳的测定 燃烧氧化—非分散红外吸收法》HJ 501—2009方法检测。

1.4 数据统计及对比分析

统计分析及图表采用Excel软件完成。

2 结果与分析

2.1 森林及不同地表暴雨径流中∑16PAHs、TOC质量浓度及差异特征

2.1.1 森林及不同地表的暴雨及径流∑16PAHs总质量浓度及差异

林区 3年间暴雨及各地表垫面的地表径流中PAHs质量浓度检测结果显示（图2a），暴雨与各地表下垫面的暴雨地表径流中∑16PAHs总的质量浓度检出值，与美国南卡罗来纳州不同城市暴雨径流中∑PAHs检测结果较接近（Ngabe et al.，2000）。沥青地表的暴雨径流中∑16PAHs总的质量浓度最高、平均达 (154.4±52.2) ng·L−1，其与水泥、草被、针阔叶混交林林、常绿阔叶林地的表径流中相应浓度间均呈极显著差异（P=0.0008、0.0001、0.0024、0.0034）、而与暴雨中相应的质量浓度（平均：(110.39±27.6) ng·L−1）间呈显著差异（P=0.019）；暴雨与草被地表径流在∑16PAHs总的质量浓度间则极显著差异（P=0.0009）。尽管暴雨与水泥地表径流、森林地表径流在∑16PAHs总质量浓度间无显著差异，但按暴雨与各垫面地表径流中∑16PAHs总的质量浓度的差计量（图2b），水泥地表暴雨径流中∑16PAHs总的浓度相对暴雨相应含量净减小9.8%、而在针阔混交林、常绿阔叶林及草被地表径流中依次净减小12.1%、6.7%、18.8%，沥青地表径流中则相对净增39.9%；沥青地表径流PAHs总浓度的极显著增加，对于沥青地表垫面密集区形成暴雨径流的水环境的污染危害性显著增加。相比于沥青地表垫面的暴雨地表径流质量浓度，地表草被、针阔叶混交林、常绿阔叶林地表垫面的暴雨地表径流中∑16PAHs总的质量浓度则分别净减小了 42.0%、37.1%、31.7%，地表植被垫面应对暴雨在地表径流PAHs总浓度上的有效去除效应被显著体现，尤其相对于沥青地表垫面的去除效应更为显著。

图2 实验区暴雨与森林及不同地表垫面的地表径流中∑16PAHs浓度Fig. 2 Mass concentration of ∑16PAHs in rainstorm, surface runoff for forest and different surface cushion in test region

2.1.2 森林及不同地表暴雨径流中TOC质量浓度及∑16PAHs/TOC浓度比的差异

暴雨及各下垫面地表径流中 TOC质量浓度的17次检测结果图3a显示出，暴雨中的平均含量(4.94±1.87) mg·L−1（<5.0 mg·L−1标限），分别与水泥、草被、森林地表垫面的暴雨地表产流相应的质量浓度间呈极显著差异（P=0.0064、0.0012、1.2E−05、5.8E−06），即 4种地表垫面的地表径流的 TOC浓度相对暴雨中相应的分别净增了 59.4%和 1.58、1.80、1.71倍；而草被、森林与水泥地表垫面相比，暴雨地表径流的TOC质量浓度分别净增了61.9%、75.7%、70.2%，草被、森林群落地表富集的有机质含量及生物影响，随暴雨地表产流的迁移并成倍地增加径流中TOC质量浓度。图3b则是暴雨及各地表垫面的地表径流中有机污染物（∑16PAHs）占总有机碳（TOC）的质量浓度比，暴雨及各地表垫面的地表径流中∑16PAHs/TOC质量浓度比率变幅在0.0268‰—0.0054‰；其中，森林、草被地表的暴雨地表径流中∑16PAHs总浓度相对较小而TOC质量浓度相对较大，其比值极显著大于暴雨中比值（P=0.0031、0.003、0.0006），而草被、针阔叶混交林、常绿阔叶林地表垫面相对水泥地表在暴雨地表径流中∑16PAHs/TOC的质量浓度比则依次净减小38.4%、47.8%、62.0%。这进一步表明，草被与森林地表垫面的生物生态作用使暴雨地表径流中PAHs被有效储减、TOC含量则被显著增加。

图3 实验区暴雨及森林与不同地表垫面地表径流中TOC质量浓度（a）及∑16PAHs/TOC质量浓度比（b）Fig. 3 TOC mass concentration and ∑16PAHs/TOC in the rainstorm and surface runoff of different surface cushion in test region

2.1.3 森林及不同垫面的暴雨地表径流PAHs代表物（优防）的质量浓度比较

实验林区暴雨及不同垫面的地表径流中 6种PAHs代表物（高环、毒性大）的质量浓度20次检测结果中均以沥青地表径流中最高（图4）；暴雨中6组分的平均质量浓度和为33.85 ng·L−1、占PAHs总浓度和的30.7%；沥青地表与暴雨、各下垫面地表径流在 FLA的质量浓度间均呈极显著差异（P=0.00007、0.000005、0.00006、0.00097、0.000011），而与水泥地表、针阔叶混交林的暴雨地表径流在BbF、BkF质量浓度间分别呈极显著差异（P=0.0019、0.0095）和显著差异（P=0.031、0.043），同时与水泥地表、针阔叶混交林、常绿阔叶林地表径流在 BghiP质量浓度间均呈显著差异（P=0.016、0.023、0.028、0.024）；各地表垫面的暴雨地表径流在IcdP平均质量浓度间的差异表现：沥青地表与草被地表的径流浓度间差异极显著（P=0.008）、与针阔叶林、常绿阔叶林地表垫面的径流浓度间均呈显著差异（P=0.024、0.015）。暴雨及沥青暴雨地表径流中 BaP平均浓度分别达 3.11、4.71 ng·L−1而在水泥地表、针阔叶林地表径流的平均含量均小于I类标限2.5 ng·L−1、而在常绿阔叶林地表径流中则小于环境标限2.8 ng·L−1（图4b）。暴雨与水泥地表、草被地表垫面的地表径流在BaP平均质量浓度间存在显著差异（P=0.021、0.029），水泥地表与针阔叶混交林、常绿阔叶林下垫面的暴雨地表径流中 BaP平均质量浓度间差异显著（P=0.036、0.022）；沥青地表与水泥、草被地表暴雨径流中 BaP的平均浓度间呈极显著差异（P=0.0004、0.0015）、则与针阔叶混交林地表径流的浓度间存在显著差异（P=0.049）；同时，草被与针阔叶混交林、常绿阔叶林的地表垫面的暴雨地表流中BaP浓度间也呈显著差异（P=0.015、0.019）。

图4 实验区暴雨及水森林及不同地表垫面的地表径流中PAHs代表物质量浓度比较Fig. 4 Mass concentration of PAHs in the rainstorm and surface runoff of different surface cushion in test region

依据暴雨、各地表垫面地表径流PAHs代表组分平均浓度的相对计量，相对于沥青地表的暴雨径流中 PAHs代表组分的平均质量浓度（图5a），水泥、草被、针阔混交林及常绿阔叶林地表暴雨径流中6种PAHs组分的平均质量浓度均显著或极显著的减小；其中：草被地表径流中除了BbF浓度净减29.5%外、其余组分的平均质量浓度相对净减在52.1%—69.0%之间，针阔混交林地表暴雨径流中6种组分的质量浓度相对净减范围在 45.2%—57.8%间；常绿阔叶林地表暴雨径流中除了BbF浓度相对减小 36.2%外、其余组分质量浓度相对减小在45.0%—57.1%之间。反映出草被、森林地表垫面相比沥青地表垫面，对暴雨地表径流中PAHs代表组分表现出极显著的生态储滤效应。而相比暴雨中 6种PAHs代表组分的平均质量浓度，水泥、草被地表垫面的暴雨地表径流中除FLA、BbF的质量浓度分别相对增加外、其余组分浓度均相对减小；2类森林地表垫面的暴雨地表径流中6种PAHs组分的质量浓度均表现为相对减小。其中，草被地表垫面对暴雨中BkF、IcdP、BaP浓度，针阔混交林地表垫面对暴雨中BbF、BaP浓度，常绿阔叶林地表垫面对暴雨中BghiP、BaP的质量浓度均表现出较大的净储滤效应；尤是对暴雨中BaP质量浓度的储减率均较大，从而可有效地防止暴雨地表流水体的毒性污染。

图5 不同地表径流中6种PAHs的质量浓度相比沥青地表径流、暴雨中相应的净增减Fig. 5 Change of 6 kinds PAHs in surface runoff of different surface cushion relative to Asp. R (a) or RS (b) in test area

2.1.4 森林及不同地表垫面暴雨地表径流中 PAHs其余10组分质量浓度比较

林区暴雨及各下垫面地表径流中PAHs的其余10组分以2—3环、4环PAHs组分为主，其各组分的质量浓度15—20次检测结果见图6；暴雨径流中PHE、NAP质量浓度依次较高、平均达25.14、11.37 ng·L−1，占相应 PAHs总的浓度的 22.8%、10.3%；而暴雨与各地表径流中 10组分浓度间的差异表现为：沥青地表径流与水泥地表、草被及2类森林地表径流及暴雨在 PYR质量浓度间均呈极显著的差异（P=0.00009、0.00001、0.00006、0.0002、5.8E−08）；与草被、针阔叶混交林地表径流及暴雨在CHR质量浓度间也均呈极显著差异（P=0.004、0.002、0.002）、而与水泥、常绿阔叶林的地表径流CHR质量浓度间有显著差异（P=0.026、0.019）。暴雨中 ACE质量浓度则与相应在水泥地表、针阔叶混交林地表径流中相应浓度间分别呈极显著、显著差异（P=0.007、0.024）。沥青与水泥、草被地表径流中 PHE质量浓度间分别有极显著、显著差异（P=0.003、0.045）、与草地、针阔叶混交林地表径流中BaA质量浓度间均有显著差异（P=0.028、0.036）、而与水泥、草被地表径流的DahA质量浓度间均呈显著差异（P=0.029、0.045）。

图6 实验区暴雨与森林及不同地表垫面地表径流中10种PAHs组分质量浓度Fig. 6 Mass concentration of 10 kinds PAHs in the rainstorms and surface runoff of different surface cushion in test area

依据草被及森林的暴雨地表径流相比暴雨、沥青地表径流中这 10种 PAHs组分平均质量浓度计量贮减、增加的效率（图7）：草被、针阔叶混交林、常绿阔叶林地表垫面分别对暴雨中 10种 PAHs的7、6、6种组分的质量浓度产生了生态储存效应（图7a）；其中，草被地表垫面相对储率较高的组分有NAP（24.0%）、ANT（31.5%）、ACE（35.2%）、BaA（36.7%），但也相对增加了暴雨地表径流中 ANA（15.4%）等3种组分的质量浓度；针阔混交林地表垫面储率较高的有CHR（21.8%）、NAP（24.9%）、BaA（45.2%）、ACE（51.7%），相对增加了地表径流中ANA（33.7%）等4种组分含量；常绿阔叶林储率较高则有NAP（12.5%）、ACE（12.7%）、NAN（24.5%）、BaA（25.7%）、而地表径流中相对增加PYR（39.6%）等4种组分含量。

相对于沥青地表的暴雨径流中10种PAHs质量浓度（图7b），草被、针阔混交林、常绿阔叶林地表垫面的暴雨地表径流中极显著地净减的组分有：CHR（65.3%、71.5%、56.8%）、PYR（59.5%、60.0%、50.2%）、BaA（53.7%、59.7%、45.6%）。次外，草被地表垫面的暴雨地表径流PHE、ANT质量浓度也分别净减小32.9%、20.3%而ANA、FLU则分别净减28.3%、32.8%，但草被地表垫面使暴雨地表径流中FLU（增32.8%）等3种组分的质量浓度增加；针阔混交林地表垫面的暴雨地表径流中ANT、ACE质量浓度也分别相对净减20.5%、18.4%，但地表径流中ANA（增48.6%）等3组分质量浓度相对增加；常绿阔叶林地表垫面的暴雨地表径流中PHE、ANA的质量浓度也分别相对净减11.1%、16.0%而FLU、ACE则分别净增33.5%、47.5%。

图7 实验区草被和森林地表径流相比暴雨（a）与沥青地表径流（b）中10种PAHs质量浓度的净增减Fig. 7 Net change in 10 kinds PAHs in surface runoff of the forest and Gr.R relative to RS (a) and Asp.R (b) in test area

2.2 森林及不同地表下垫面的暴雨地表产流特征

2.2.1 实验林区的森林、草被及水泥地表垫面的暴雨地表产流特征

实验林区 22次暴雨的水泥地表径流测定结果统计（图8a），暴雨量与水泥地表径流量间呈极显著的线性关系（图8b、R2=0.996），即水泥地表对暴雨的产流响应为线性、极显著水平；按观测的暴雨量范围50.3—81.3、118.9—243.9 mm统计，水泥地表相应平均产流率分别达 (89.2%±3.2%)、(91.8%±2.5%)，大暴雨水泥地表产流率较暴雨相应的平均高出 2.6%。总观测暴雨量范围 50.0—243.9 mm、水泥地表产流率平均达到 (90.0%±3.2%)；其中，大于平均产流率的暴雨次数占59.0%，水泥地表如此高的暴雨地表产流，易导致暴雨水患的形成。10次暴雨的雨量及特征因素，与水泥地表相应径流量相关分析，地表径流量独与暴雨量极显著的相关（R=0.998，P<0.001），而与暴雨历时呈一定相关但不显著（R=0.58、P=0.102）。

图8 实验区3年的暴雨量与水泥地表径流量（a）及其两者间的关系（b）Fig. 8 RS volume and Ce.R for 3 years (a) and the relationship between both (b)

实验林区 24次暴雨及草被地表径流量测定结果统计（图9a），暴雨量与草被地表径流量间存在着极显著的对数回归关系，即地表径流量随暴雨量的递增则以对数关系的递增。草被地表对应 24次暴雨的产流率变化在3.1%—10.3%之间，其中，暴雨、大暴雨地表产流率平均分别为 (6.02%±1.88%)、(7.65%±0.96%)；草被地表垫面显著地改变了土壤水文特性，尤其是增加对暴雨地表水的持续下渗机制，使暴雨地表产流率相对水泥地相应的成倍降低。而草被增长与覆盖度也显著影响其地表产流量（图9b），据2020年相比于2018年统计，实验地表径流场草被的平均高、覆盖度分别增加 2.6倍及10.7%，则草被地表的暴雨产流率平均相对下降了1.5%，表现在暴雨、大暴雨产流率平均则相对降低2.6%、0.71%；表明地表草被覆盖度的提高应对暴雨量级的地表产流量消减效率较大。

图9 草被地表径流量与暴雨量间的关系（a）及暴雨径流率随草被覆盖度的变化（b）Fig. 9 Relationship between Gr.R and RS (a) and the change of runoff rate with surface coverage of grass (b)

森林地表垫面的降雨冠截留生态效应是城市地表抵御暴雨的首要屏障功能。据观测，帽峰山常绿阔叶天然次生林、针阔叶混交林的暴雨冠层截留率平均分别为12.6%、9.5%、前者高3.1%；且冠截留率随暴雨量的增加以极显著的幂关系特性衰减（图10）。暴雨冠层截留效应不仅截留暴雨量、更显著地降低了到达林地的雨水能量及侵蚀力（陈步峰等，1998），从而使林地地表径流效率降低。

图10 两种森林类型的暴雨量与相应的林冠层截留率间的关系Fig. 10 The relationship between rainstorm and interception rate by the forest crown for the two types of forest area

森林地表垫面在 20次暴雨的地表径流量统计（图11），针阔叶混交林、常绿阔叶林的地表径流量随暴雨量的增加均呈极显著的对数递增关系，在暴雨量级的地表径流量变化在0.6—4.7 mm间、对应的地表产流率范围分为 1.05%—5.77%、1.15%—5.57%，针阔混交林的地表产流率平均相对高出0.40%；大暴雨量级两类森林地表径流量在4.9—9.5 mm间、地表产流率的平均分别为4.5%、4.2%，针阔叶混交林产流率高出 0.3%；整暴雨量观测范围内，针阔叶混交林及常绿阔叶林的地表径流率平均分别为3.7%、3.3%，较草被地表径流率还小的生态机制在于：森林的冠层截留、乔灌木根系对土壤结构的影响而使林地雨水下渗的生态水文机制更强。

图11 针阔混交林（a）、常绿阔叶林（b）的地表产流量与相应的暴雨量的关系Fig. 11 The relationship between rainstorm and CBFR (a), BFR (b) in experimental area

2.2.2 实验林区森林及不同下垫面的暴雨产流率及效率比较

依据实验林区2种森林类型、草被、水泥地表下垫面的暴雨地表径流率的统计（图12）；水泥地表垫面在暴雨、大暴雨量的地表产流率平均分别为89.2%、91.8%，分别是草被、针阔叶混交林、常绿阔叶林地表产流率的14.8、26.1、29.6倍和12.1、20.6、22.0倍；而整个观测暴雨范围内，水泥地表的暴雨径流率平均则是草被、两类森林相应的13.9、24.5及27.2倍；地表垫面的差异而形成暴雨地表产流上的巨大差异。暴雨及大暴雨级，草被地表产流率平均分别为6.0%、7.6%、分别常绿阔叶林相应的2.00、1.77倍、针阔叶林混交林相应的 1.81、1.70倍；而在整个观测的暴雨范围内，针阔叶林混交林、常绿阔叶林的地表产流率平均分别是3.7%、3.3%，分别仅为草被地表相应 0.57、0.51；表明森林下垫面尤以常绿阔叶林，应对暴雨极显著消减地表径流的生态效应最为显著。

图12 实验区不同地表垫面的地表暴雨产流率比较Fig. 12 Rainstorm runoff rate on the different surface cushion in experimental forest area

2.3 城市森林及不同地表垫面对暴雨地表径流PAHs、TOC通量的生态影响

2.3.1 森林及各下垫面的年暴雨地表径流∑16PAHs、TOC通量及生态储存效益

选取暴雨多发及较少的 2018、2020年的暴雨量、各下地表垫面径流量及PAHs的通量统计（图13a、b）；两年里实验区分别遭遇了12、8次暴雨、总雨量分别为1025.1、722.4 mm，暴雨携带∑16PAHs通量分别为 1054.3、727.9 mg·hm−2·a−1；水泥地表上90.8%的年暴雨量以径流输入环境、年地表径流中∑16PAHs通量占暴雨相应的年均为84.7%。相比水泥地表的年暴雨径流量及∑16PAHs通量，草被、针阔混交林及常绿阔叶林的地表垫面相应的年均减少径流量92.5%、95.6%、96.1%、减少Σ16PAHs通量的92.3%、95.5%、96.4%。表明地表草被、森林植被垫面首先是对暴雨地表产流量的极大消减、其次是对径流PAHs浓度有效储减，进而更大地消减地表径流PAHs通量；尤在森林地表垫面相对草被地表的年径流和∑16PAHs通量分别小3.1%、3.6%和3.2%、4.1%；体现在森林的暴雨水文界面即冠层、地被层及土壤层的生态水文效率更加显著。

图13 实验区年暴雨量与不同地表垫面年地表径流量及∑16PAHs通量（a、b）Fig. 13 Annual rainstorm and runoff flux, ∑16PAHs flux for the different surface cushion in test area (a, b)

森林及不同地表垫面的年暴雨与地表径流TOC的通量统计结果（图14a），2年的暴雨TOC通量分别为 50.6、35.7 kg·hm−2·a−1，年水泥地表径流的TOC通量分别相对暴雨相应地净增加33.1%、46.3%。草被及森林地表下垫面的年地表径流TOC通量占年暴雨相应的平均分别为 16.8%、10.7%、9.4%，其储存年暴雨 TOC量的生态效益达到极显著水平（图14b）。相比于水泥地表的年暴雨产流TOC通量，草被、2类森林地表垫面的暴雨地表径流TOC通量分别年均净减小87.9%、92.3%、93.3%（图14c）。表明城市森林或草被地表下垫面在暴雨地表径流过程中，暴雨中总有机碳的通量被植被垫面大量贮存；且相比地表水泥垫面，森林地表垫面对年径流TOC的生态储滤功能更为显著。

图14 年暴雨及不同地表垫面地表径流TOC通量（a）及相对贮存率（b、c）Fig. 14 Annual TOC flux (a) and relative decrease by rainstorm and surface runoff on different surface cushion in test area

2.3.2 森林及草被垫面相对年暴雨、水泥地表径流中PAHs代表通量的生态储存

实验林区 2018、2020年暴雨携 FLA、BbF、BkF、BaP、IcdP、BghiP通量统计，年暴雨中6组分的通量和分别为 307.6、200.5 mg·hm−2·a−1，占相应年暴雨中∑16PAHs总的通量的平均为31.9%，水泥地表年暴雨径流中6组分的通量和占相应暴雨通量的平均达91.3%。依据年暴雨与各地表垫面的地表径流中6组分PAHs的通量差计量，图15a结果反映出，草被及森林地表垫面的年暴雨地表径流中6组PAHs通量相对相应暴雨的净减率均值分别为：草被为 (93.3%±1.2%)、变幅 90.6%—94.2%（FLA最小、BaP最大）；针阔混交林为 95.3%、变幅93.3%—96.3%（BaP最小、FLA及BbF最大）；常绿阔叶林为 (96.2%±0.7%)、变幅 95.0%—97.2%（BbF最小、FLA最大）；森林地表垫面尤是常绿阔叶林的生态贮存功能相对最高。同样，相对于水泥硬质地表的年暴雨径流PAHs的6种代表物通量图15b，草被及森林地表垫面的年暴雨地表径流中6组PAHs通量的平均净减率依次为：草被的相对净减变幅92.9%—95.9%（FLA最小、BaP最大）、平均为 (94.2%±0.9%)；针阔混交林的相对净减率变幅95.1%—97.6%（BaP最小、BbF最大）、平均为(95.9%±1.0%)，常绿阔叶林的相对净减率则在96.2%—97.2%间（BghiP最小、BkF最大）、平均达(96.7%±0.4%)；草被、森林地表垫面同样便显出极显著的生态贮存功能；故而，森林及草被对极端暴雨及6种优先控制PAHs组分在地表流的显著去除机制，极有利于输出水环境的生态健康安全保护。

图15 相对年暴雨及水泥地表径流中PAHs代表物通量、森林及草被地表径流中的净减率（a、b）Fig. 15 Relative to annual PAHs representative flux in RS (a)and Ce.R (b), net decrease in Gr.R and BF R of test area

2.3.3 森林及草被下垫面相对年暴雨与水泥地表径流中PAHs其余组分通量的生态贮存效应

实验林区暴雨及森林、草地及硬质地表产流中PAHs的其余10种组分的年通量对比反映出，相比于年暴雨10种PAHs组分的通量（图16a），草被地表径流相应通量年均净减在 91.5%—95.0%间（PYR最小、ACE及 BaA最大）、平均为(93.4%±1.2%)；针阔叶混交林地表径流相应的通量年均净减94.3%—96.9%之间（PYR最小、ACE最大）、平均为 (95.7%±0.8%)；而常绿阔叶林年均净减在95.6%—98.0%之间（PYR最小、ACE最大）、平均为 (96.8%±0.6%)。相比于水泥地表的年暴雨径流中10种PAHs组分通量（图16 b），草被地表径流相应的年均净减在90.6%—95.5%之间（ACE最小、BaA最大）、平均为 (93.1%±1.6%)；针阔叶混交林地表径流相应的年均净减在 93.6%—97.6%之间（ANA最小、CHR最大）、平均为 (95.1%±1.1%)；而常绿阔叶林地表径流相应的年均净减则在95.9%—97.1%之间（ANT最小、CHR最大）、平均为 (96.7%±0.6%)；仍以森林地表垫面相应的储滤效应相对较高。

图16 相对于年暴雨量及水泥地表径流中10种PAHs通量（a、b），草被、森林相应的年净减率Fig. 16 Relative to annual flux of 10 kinds PAHs in RS (a) and Ce.R (b), the decrease of the Gr.R and BF R in test area

3 讨论与结论

3.1 讨论

（1）广州帽峰山实验林区，暴雨及各地表垫面径流PAHs质量浓度检测结果，与美国南卡罗来纳州不同城市暴雨径流中 PAHs检测结果较接近（Ngabe et al.，2000）；而水泥、沥青地表暴雨径流的质量浓度，均小于国内多个城市相关硬质地表降雨径流PAHs浓度检测结果（张巍等，2008；武子澜等，2014；谢继峰等，2015）；原因可能在于：其一，供试检测点的环境影响；本文实验测试点距广州市25 km且以连绵山林为相隔，林区供试的水泥、沥青地表不通行机动车更不受密集机动车排放影响，同时少城市环境的干扰，为暴雨及各地表产流PAHs浓度较小原因之一。其二，实验观测林区周边无工业性或石油类的影响，加之森林地表垫面的蒸腾及小气候特点，使得林区测点暴雨湿沉降中PAHs的浓度受到影响呈较低含量。其三，地处华南腹地广州城市区，近几年林区年雨量均大于1600.0 mm，且雨量的84%集中在雨季5—10月，频繁的降雨对林区低层空气的淋洗效应，使得暴雨PAHs浓度下降成为可能。

（2）草被与森林地表垫面的在影响暴雨水文效应差别；已有较多的研究，然对自然大面森林生态系统的暴雨—径流效应一直作为重点（陈步峰等，1998），特别在城市区如广州帽峰山的天然常绿阔叶次生林的暴雨水文响应、对降雨 PAHs的储滤效应的系统界面特别是土壤水文界面的影响被逐渐重视（Chen et al，2015；陈步峰等，2010；张娜等，2010；邹志谨等，2017）；基于逐渐的定位研究积累，本实验研究关注之一是多地表垫面定位应对暴雨的地表产流及致癌物质PAHs的差异，二则是草被与天然森林地表垫面对暴雨产流影响特性的差异解析：与草被地表垫面相比，森林地表垫面对于暴雨地表产流的生态水文效应相对较大；故认为：因乔木根系（根生长过程的空间影响）显著地改变森林土壤结构以至于影响土壤水分下渗能力，故而在与草被土壤相比存在水分下渗能力上的差异；另外，相对于草被地表垫面，森林的林冠层对暴雨截留效应，显著地改变了到达林地雨水的能量、侵蚀力，加之枯落物层的缓冲、吸储性能，其个水文界面影响合力表征在—显著地消减暴雨地表径流、涵养暴雨化学物能力较供试的草被地表垫面相对较大。

3.2 结论

（1）广州帽峰山林区3年24次暴雨及森林与不同地表垫面地表径流的对比实验，水泥地表的暴雨平均产流率达 (90.0%±3.2%)，分别是草被、针阔叶林及常绿阔叶林地表暴雨产流率的 13.9、24.5、27.2倍；其年径流量占暴雨量的平均大为90.8%，草被、针阔混交林及常绿阔叶林的年暴雨地表径流量则相对于水泥地表相应减小率平均分别达92.5%、95.6%、96.1%。水泥地表径流量与暴雨量间存在极显著的线性关系，而草被、森林地表径流量与暴雨量间则均为极显著的对数关系；草被的覆盖度增长与地表的暴雨产流率存在显著的负相关性。森林的冠截留、土壤持续渗透特性对暴雨地表产流量消减效应显著。

（2）实验林区沥青地表暴雨径流中溶解相∑16PAHs总的质量浓度平均达 (154.4±52.2) ng·L−1，是的草被、针阔叶林及常绿阔叶林相应的1.7、1.6.及1.5倍，而暴雨中∑16PAHs总的平均质量浓度较草被、森林地表径流中相应的高出幅度 27.5—14.1 ng·L−1间。因沥青介质对径流中4环及高环PAHs贡献相对较高，故相对暴雨沥青地表径流中6组PAHs代表物浓度平均增加幅度1.5 (BaP)—2.5倍 (FLA)；而草被、针阔叶林及常绿阔叶林地表垫面相对于沥青地表暴雨径流中6种代表组分的质量浓度均有极其显著的减少效应；同时，草被与针阔叶林地表的暴雨径流BaP平均质量浓度均小于I类标限；草被及2类森林地表的暴雨径流与暴雨中BaP的质量浓度相比、则依次净减小了53.1%、23.5%、16.8%，并对暴雨PAHs的其余10组分中分别有7、6、6种组分的质量浓度均产生显著的去除效应。

（3）实验林区草被、针阔叶林及常绿阔叶林地表垫面的暴雨地表径流中 TOC质量浓度分别是暴雨、水泥地表雨径流相应浓度的2.6、2.8、2.7倍和1.6、1.8、1.7倍；表明森林、草被地表垫面尤是森林植被的地被层具相对富集的有机质容量且在生化作用下，显著增加了暴雨地表径流中 TOC质量浓度、减小了PAHs质量浓度，使草被、森林地表暴雨径流∑16PAHs/TOC的质量浓度比相对暴雨相应的依次净减小38.4%、47.8%、62.0%。

（4）依据林区不同地表垫面在暴雨丰、欠年的地表径流中PAHs、TOC通量计量对比；草被、森林垫面相对年暴雨∑16PAHs通量分别平均贮存94.2%、96.5%，而相对水泥地表年暴雨径流∑16PAHs通量则分别净减少93.2%、96.0%；草被、针阔叶混交林、常绿阔叶林地表下垫面的年地表径流 TOC通量占年暴雨相应的平均分别为 16.8%、10.7%、9.4%，占年水泥地表径流相应的通量的平均分别12.1%、7.7%、6.7%，而相比于年暴雨径流6种PAHs代表物、其余10组分的通量年均净减率分别大于93.0%、95.0%、96.0%。森林地表垫面对暴雨及PAHs通量的生态水文贮存效率更为显著。