广州帽峰山森林生态系统的暴雨及PAHs、TOC的地球化学特征

陈步峰，肖以华，王莘仪

中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520

全球气候变化使得极端暴雨天气频发，暴雨极易使多硬质地表的城市形成内涝以及溢流水质污染的灾害性危害；中国华南地区为典型的锋前暴雨、雷暴雨及台风暴雨多发地，发生城市内涝及水质污染胁迫的概率却是相对较大，尤是暴雨的快速产流和对城市环境的冲刷、径流水体携带的多环芳烃（PAHs）是具有“三致性”特性，增大了径流水质毒性污染及危害性。城市森林生态系统是陆地生态系统的主体、也是城市地表的天然生态屏障，应对暴雨的截留降能、缓冲降蚀、森林土壤的持续渗透及吸附滞留、消减缓冲产流等生态水文机能，在抵御暴雨产流、防止城市水患及水质污染等方面有着不可替代的生态环境功能（陈步峰等，1998；陈步峰等，2004；陈步峰等，2011；邹志谨等，2017）；随城市极端暴雨频发引发的环境影响，相关城市暴雨-径流及 PAHs负荷方面的研究被愈益关注，诸如：美国南卡罗来纳州不同城市暴雨径流中PAHs研究显示，城区哥伦比亚（11测点）暴雨径流14种 PAHs的平均含量为 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）14种PAHs含量的平均为 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（Ngabe et al.，2000），反映出因流域地表介质的径流含量的差异。植被及多种渗透层材料等生物滞留设施对城市暴雨 PAHs污染物的去除试验测定结果表明，生物滞留可使暴雨 PAHs的平均质量浓度消减在 31%—99%间（Diblasi et al.，2009）。国内的合肥市针对4次降雨不同地表径流PAHs研究显示，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（谢继峰等，2015）。上海市高架路地表径流PAHs源析发现，径流中∑16PAH的质量浓度范围为 1.585—7.523 g·L−1，交通、石油、燃气燃烧是主要来源（边璐等，2013）。哈尔滨市春季融雪径流中16种PAHs检测表明，城市道路和内部道路均超出中国地表水环境质量标准（车丽娜等，2019）。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,行道树树冠淋洗水中机动车源的贡献较大。樟树林生态系统水文学过程中PAHs的迁移与转化机理指出，随地表径流迁移水中PAHs有5种，总含量为36.866 μg·L−1，与大气降水相比，PAHs种类减少 50%，质量浓度降低 87%；同时阐述了水文学过程中PAHs迁移转化机理和樟树林具有较高的净化效能（闫文德等，2006）。

这些研究重点揭示了城市地表介质对暴雨或降水产流PAHs质量负荷影响效应，以城市环境的角度剖析了暴雨或降雨径流PAHs来源及在区域的质量负荷差别、环境影响的评估；而涉及城市森林生态系统的暴雨-径流 PAHs负荷及地球化学变化特折的系统结果则报道相对较少。因而，针对广州市近年来受频发极端暴雨的影响，对城市森林应对暴雨的产流、PAHs负荷及地球化学影响效应的研究相继开展并取得了长足的紧张（Chen et al.，2015；张娜等，2010；吴巧花等，2018）；也是基于广州市区域分布有大面积的天然常绿阔叶次生林、针阔叶混交林及森林公园等资源；本文则基于帽峰山森林生态系统的暴雨及PAHs、TOC的地球化学循环的连续4年定位对比观测；以森林生态系统的暴雨垂直界面、系统的输入输出角度，解析其影响规律及效率，旨在为城市森林防治暴雨灾害的功能机制方面提供科学依据。

1 研究地概况及实验观测方法

1.1 试验地概况

广州市帽峰山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。主要森林植被类型以南亚热带季风常绿阔叶次生林为主（46 a），优势乔木有润楠（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；部分森林斑块间种有马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolate)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 实验观测方法

（1）暴雨量观测及水样收集：帽峰山天湖无林地设置2个Data Logging RG3-M自动雨量计观测雨量、设置1个口径0.8 m的降水收集容器、收集暴雨的水样。

（2）林内雨观测及水样收集：遴选常绿阔叶林样地（30 m×30 m）、网格法设置9台HOBO自记雨量计观测穿透雨量，用已有的干流经验模型估算树干径流量，两者的和为暴雨林内雨量。设置口径0.8 m容器收集穿透水样；设置6株优势乔木用聚乙烯管（直径4 cm）绕基部黏贴收集干流水样。

（3）两种类型森林土壤渗透水实验观测：择常绿阔叶林内坡面（坡度16.6°）设置剖面实验观测平台（剖面深35 cm）；采用内径20.0 cm圆形PC管长35 cm直接探入供试的针阔叶混交林、常绿阔叶林的土壤中，在保持土壤结构及凋落物完整无损下切取土柱，移置PC管土柱于林区实验观测平台靠紧剖面（图1）；供试的土柱上顶部内空1.5 cm、底部配套有粘联导水管的盖子，每个森林类型供试6个土柱，每土柱底部导水管接一量桶，全部设置完成后；对比观测两类森林土壤深30 cm处的暴雨渗透水量、且在渗透水观测的量捅中采集供检测水样。

图1 两类森林林地的暴雨土壤渗透水实验测试设置Fig. 1 Experimental settings for soil permeation with rainstorm in two types of forested land

（4）森林生态系统的总径流测定：基于珠三角森林生态系统定位研究平台的常绿阔叶林、针阔叶混交林小集水区测流堰，以Level 2000自记水位计连续观测测堰水位（H—m），采用径流量计算式Q=1.4H5/2计算瞬时流量（m3·M−1）、再以时间累积计量暴雨总径流量；在堰口前池中采集暴雨径流的水样。

1.3 水样采集处理及PAHs、TOC检测方法

（1）水样采集与处理：水样采集暴雨及产流的初、中及末期的水混合成供试水样。采集水样用1 L棕色玻璃瓶，采样前用洗液冲洗3次以上、再以无离子水多次冲洗干净。采集暴雨、暴雨林内雨、渗透水及总径流水样；采样时先以被采的水冲洗样瓶3次后，在被采水的水面下取水、采满样瓶上盖、标记。水样采集完成立即放置于冷冻温箱内，3 h内送往实验室做处理供检测。

（2）水样 PAHs、TOC检测：检测水体中 16种 PAH组分溶解相的质量浓度（美国国家环保局列出）即萘（NAP）、苊（ANA）、苊烯（ANY）、芴（FLU）、蒽（ANT）、菲（PHE）、荧蒽（FLT）、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 EPA3510C—1996，EPA8270D—2007方法进行测定。水体TOC质量浓度检测：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

图表及方差分析、回归分析均采用Excel软件完成。

2 结果与分析

2.1 森林生态系统的暴雨及水文要素中 PAHs、TOC质量浓度差异

森林生态系统可显著影响暴雨总径流过程中各水文要素的物理、化学量；图 2a的结果显示，暴雨中∑16PAHs总的质量浓度平均达(105.6±25.9) ng·L−1（<2000 ng·L−1的标限），极显著的高于常绿阔叶林、针阔混交林的暴雨总径流中相应的平均质量浓度（P=0.0021、0.0002）；暴雨林内雨中∑16PAHs平均质量浓度则极显著地大于两类森林的暴雨总径流中相应的平均质量浓度（P=0.00021、0.0015）、而分别显著、极显著地大于两类森林土壤深30 cm处渗透水中相应的平均质量浓度（P=0.022、0.0089）。常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统可分别净储暴雨中∑16PAHs总的质量浓度的平均达 25.6%、29.8%，林冠层使暴雨林内雨中∑16PAHs平均质量浓度相对净增8.1%；两类森林土壤深30 cm层可分别储滤暴雨林内雨中∑16PAHs质量浓度的平均为9.0%、9.9%；结合暴雨林内雨、土壤30 cm处渗透水与暴雨总径流相对计量，常绿阔叶林、针阔叶混交林的土壤30 cm以下至浅育岩层可分别净储滤暴雨林内雨中∑16PAHs平均质量浓度的22.3%、25.2%。

图2 两类森林生态系统暴雨水文要素中PAHs、TOC质量浓度比较Fig. 2 Comparison of PAHs, TOC mass concentration in rainstorm-hydrological factors for the two type’s forest ecosystem

水体TOC含量为水中有机物所含碳的总量、可较全面反映水中有机物污染程度，其数量愈高、水体受到的有机物污染愈多。图 2b显示，帽峰山林区暴雨中 TOC平均质量浓度为 (5.68±3.97)mg·L−1、暴雨林内雨、两种森林土壤深30 cm处暴雨渗透水中TOC平均质量浓度在8.6—5.4 mg·L−1间，而两类森林生态系统的暴雨总径流中TOC的平均质量浓度均小于标准限值（5 mg·L−1）。森林生态系统的暴雨水循环中各水文要素的TOC平均质量浓度间均无显著差异（图2b）。森林生态系统的暴雨 TOC生物地球化学作用，表现在常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统分别贮存暴雨中 TOC平均浓度的15.7%、15.9%：其中，2类森林的冠层对暴雨的淋溶使林内雨中 TOC平均质量浓度相对暴雨相应净增40.5%；而常绿阔叶林、针阔混交林的土壤深30 cm层吸附和生化作用，分别储存暴雨林内雨中TOC平均质量浓度的23.8%、31.8%，以森林土壤30 cm处渗透水与总径流间水文界面层计量：常绿阔叶林土壤30 cm以下层使总径流中TOC浓度相对上层净增9.4%，而针阔叶混交林则相对净减8.3%；表明森林冠层对暴雨TOC浓度有淋溶增效、土壤地表30 cm层对暴雨中TOC质量浓度储滤显著。

以暴雨及森林各水文要素中∑16PAHs/TOC质量浓度比值衡量，暴雨中 (0.0251‰±0.0134‰)>针阔叶混交林土壤深 30 cm处渗透水中的(0.0245‰±0.0102‰)>常绿阔叶林土壤深30 cm处渗水中的 (0.0224‰±0.0103‰)>针阔叶混交林总径流中的 (0.0194‰±0.0096‰)>常绿阔叶林总径流中的 (0.0193‰±0.0093‰)。表明暴雨水体中PAHs质量浓度占TOC质量浓度比例相对较高，2类森林集水区暴雨总径流水体中PAHs质量占比相对暴雨减少23.1%、相比2种森林土壤深30 cm处渗透水体 PAHs质量占比则依次较少 20.8%、21.2%，森林土壤30 cm以下层对渗漏至径流水体PAHs质量浓度的去除效应明显。

2.2 森林生态系统的暴雨水文要素中 PAHs代表物质量浓度差异及界面影响

暴雨携带PAHs的代表物属高环且毒性较大的污染物；图3结果显示，暴雨中典型的BaP平均质量浓度为2.86 ng·L−1，在两种森林集水区暴雨总径流中的平均质量浓度均小于 2.5 ng·L−1（I类标准限）；林冠层及地被物的淋溶与生物化学作用，使暴雨林内雨、土壤深30 cm处渗透水中BaP平均浓度均大于暴雨中相应浓度；暴雨林内雨中BaP平均浓度显著地大于两类森林集水区总径流中相应浓度（P=0.013、0.014）。暴雨与森林各水文要素中BkF、IcdP及BghiP的平均质量浓度间均无显著差异。暴雨林内雨中FLT平均浓度极显著地大于常绿阔叶林、针阔混交林总径流中相应浓度（P=0.008、0.004）、显著地大于针阔混交林土壤深30 cm处渗透水中相应浓度（P=0.037）；两类森林集水区总径流中BbF平均浓度分别显著、极显著的小于暴雨中相应的质量浓度（P=0.042、0.003）、也分别显著地小于暴雨林内雨的相应的质量浓度（P=0.043、0.021）。

图3 两类森林生态系统的暴雨水文要素中PAHs组分质量浓度比较Fig. 3 Comparison of PAHs mass concentration in the rainstorm-hydrologic elements for the two type’s forest ecosystem

图4计量出常绿阔叶林、针阔混交林对暴雨PAHs代表物在质量浓度上的生物地球化学影响效率，森林集水区暴雨总径流相对于暴雨中6种PAHs代表组分的质量浓度均表现为净消减效应（图4a），对暴雨PAHs代表物的质量浓度的净储率依次为：BbF>BaP>BkF>FLT>BghiP>IcdP、相对净去除率在38.7%—10.5%间；其中BbF、BaP质量浓度的储滤率大于30%；而针阔叶混交林的总径流相对暴雨中6种 PAH双组分质量浓度的净储滤依次为：BbF>BkF>BaP>FLT>BghiP>IcdP，相对净储滤去除率在51.4%—2.5%间；其中BbF、BkF、BaP质量浓度的相对储滤率大于30%。从两类森林生态系统暴雨水文循环界面层解析，林冠层的暴雨淋溶效应使林内雨6组PAHs代表物的质量浓度均呈增加态（图4b）；尤是BaP平均浓度相对暴雨相应净增加39.1%。相对于暴雨林内雨、两类森林的土壤30 cm层均表现出储滤去除效应；其中，常绿阔叶林土壤深30 cm处渗透水相对林内雨6种PAHs的平均质量浓度净减小在 15.5%—36.3%间、针阔叶林的净减小率在1.4%—38.8%间，且均对暴雨中BghiP的平均质量浓度的消减率大于 35%。两种森林土壤30 cm以下至浅育岩层的渗透水汇聚为总径流中的BaP、BbF质量浓度相对森林土壤30 cm处渗透水中的相应浓度，其净减小率分别在 43.3%—46.1%和32.2%—43.1%间、而使BghiP质量浓度则相对增加 20.5%—26.6%。揭示出森林土壤表层与下层在暴雨土壤渗流过程对水体6种PAHs代表物在质量浓度上生物化学储滤效率差别。

图4 两类森林生态系统对暴雨PAHs平均质量浓度的地球化学影响及界面层效应Fig. 4 Geochemical and interfaced impact on mean PAHs concentration in rainstorm for the two type’s forest ecosystem

2.3 森林生态系统的暴雨水文要素中其余 10种PAHs的质量浓度及界面影响

森林的暴雨水文循环中各水文要素的其余 10种PAHs的平均质量浓度见图5，常绿阔叶林及针阔叶混交林土壤深30 cm处渗透水与暴雨、林内雨及总径流中 NAP平均质量浓度间均存在极显著差异（P=0.0014、2E−05、0.0004，P=8E−07、0.0011、6E−07），同样在 ANA 平均质量浓度间也呈极显著差异（P=0.0094、0.012、0.008，P=0.01、0.0004、0.0023）；而暴雨与常绿阔叶林的总径流中 ANA的平均质量浓度间则呈显著差异（P=0.036）。暴雨、针阔叶混交林土壤深30 cm处渗透水与针阔叶混交林总径流中 PHE的平均质量浓度间均存在显著差异（P=0.046、0.035）；暴雨与暴雨林内雨中PYR的平均质量浓度间差异显著（P=0.045），而暴雨林内雨中 PYR的平均质量浓度与常绿阔叶林总径流、针阔叶混交林土壤深30 cm处渗透水及总径流中相应的质量浓度间均存在极显著的差异（P=0.0068、0.0012、0.0045），两类森林土壤深30 cm处的暴雨渗透水中PYR平均质量浓度之间有显著差异（P=0.022）；暴雨林内雨与两类森林的总径流中 FLU的平均质量浓度间均有显著差异（P=0.031、0.015），而两类森林的土壤深30 cm处渗透水与对应的总径流中 FLU的平均质量浓度间则分别呈显著、极显著差异（P=0.023、6E−05）；暴雨与两类森林的总径流中ANY的平均浓度间差异显著（P=0.020、0.027），而常绿阔叶林土壤深30 cm处渗透水与其总径流中ANY的平均质量浓度间则有极显著差异（P=0.003）；两类森林土壤深30 cm处渗透水与对应的总径流中ANT的平均质量浓度间均存在显著差异（P=0.016、0.046）。另外，常绿阔叶林、针阔混交林的暴雨总径流与暴雨中CHR的平均质量浓度间分别有极显著、显著差异（P=0.0067、0.018），暴雨林内雨和两种森林的总径流中CHR的平均质量浓度间分别有显著差异（P=0.034、0.021）。

图5 两类森林生态系统的暴雨水文要素中PAHs组分质量浓度比较Fig. 5 Comparison of PAHs mass concentration in the rainstorm-hydrologic elements for the two type’s forest ecosystem

常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统的暴雨总径流与暴雨中10种PAHs的平均质量浓度差均为负值（图6a），表现出系统的地球化学储滤效应；其中，相对储滤率均大于40.0%及30.0%的组分有CHR、ANY、ANT和FLU、ANA，针阔叶混交林对暴雨 NAP储滤率 37.4%，表明森林生态系统对暴雨这些组分显著的质量浓度贮存效应。以森林生态系统的暴雨水文界面层解析（图6b），林冠层对暴雨中 NAP、ANT、ANY、ANA、DahA及 PHE的质量浓度产生了有效去除效应、尤对前3个组分的相对平均去除率在 25.0%—21.7%间，而对暴雨中 PYR、FLU的质量浓度产生了增效、相对平均质量浓度的净增率分别达 43.6%、15.7%。常绿阔叶林及针阔混交林的土壤30 cm层对暴雨林内雨中PYR、BaA的质量浓度均产生了有效储滤，其相对平均质量浓度的净储率分别为 28.8%、57.1%和21.4%、34.8%；而对暴雨林内雨中NAP、ANA的质量浓度则产生了显著的增加效应，即使土壤 30 cm处渗透水中相应平均浓度分别增加 161.5%、214.8%和149.2%、100.4%，而ANT的平均浓度分别净增 53.6%、33.2%。森林生态系统的总径流相对土壤表层（30 cm）渗透水中10种PAHs的质量浓度变化显示：常绿阔叶林土壤30 cm以下至不透水岩层在渗流至径流中10种PAHs质量浓度均产生极显著储滤效率，相对显著储滤组分依次为：ANA (73.7%)>NAP (61.6%)>CHR (61.5%)>ANT(54.7%)>ANT (52.1%)>FLU( 46.2%)；针阔叶混交林则为：NAP (73.5%)>ANA (60.2%)>FLU(58.6%)>CHR (46.3%)>ANT (42.3%)，但总径流中PYR、BaA的平均质量浓度相对于土壤表层渗透水中相应浓度则分别净增 33.7%、17.6%。森林土壤30 cm以下界面层在暴雨渗透流中6种PAHs质量浓度的储滤效应更为显著。

图6 两类森林生态系统对暴雨PAHs平均质量浓度的地球化学影响及界面层效应Fig. 6 Geochemical and interfaced impact on mean PAHs concentration in rainstorm for the two type’s forest ecosystem

2.4 森林生态系统的暴雨水循环过程PAHs、TOC通量变化及影响

两类森林生态系统的年暴雨与总径流及PAHs、TOC通量变化、水文界面层影响见图7（多暴雨的2018年、少暴雨的2020年）。常绿阔叶林、针阔叶混交林冠层的暴雨截留率年均分别为10.2%和8.1%，森林的林冠层效应依次分别减少2018年暴雨 TOC、∑16PAHs通量的 12.7%、10.3%和10.6%、7.8%，而使2020年暴雨林内净降雨TOC、∑16PAHs通量相对暴雨相应地增加了6.2%、9.2%和3.1%、6.1%，主要在于2020年暴雨的92.3%集中在 5—6月、故而加大了冠层淋溶使林内雨中TOC、PAHs质量浓度相对较高而增大了其通量。按照森林生态系统的暴雨至总径流及 TOC、∑16PAHs通量的平衡计量，常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统分别贮存 2018、2020年暴雨量的81.3%、77.0%和82.3%、77.3%，暴雨TOC通量的65.5%、77.4%和63.2%、87.4%，暴雨∑16PAHs通量的86.1%、83.5%和84.6%、81.5%；常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统年均贮存暴雨量的81.8%和77.2%、暴雨∑16PAHs通量的85.4%和82.5%、暴雨TOC通量的73.0%和81.7%；常绿阔叶林生态系统的年暴雨及∑16PAHs通量的生物地球化学储滤效率相对较高，而贮存年暴雨 TOC通量的效率则较针阔叶混交林相应小18.0%。依据森林生态系统的界面层在年暴雨林内雨—总径流通量计量，常绿阔叶林、针阔叶混交林的土壤与潜育岩层分别贮存2018—2020年暴雨林内雨量的 69.1%—72.2%和68.2%—69.8%、贮存暴雨林内雨TOC通量的52.8%—89.6%和 67.1%—96.6%间、贮存暴雨林内雨∑16PAHs通量的75.5%—87.5%和75.7%—87.6%；暴雨丰、欠年的TOC、∑16PAHs通量的储滤率存在一定的差异，主要还是由于 2020年暴雨集中月林内净降雨TOC、PAHs浓度增加的影响。

图7 帽峰山两类森林生态系统的年暴雨TOC、PAHs通量的地球化学变化Fig. 7 Geochemical change of annual rainstorm and TOC, PAHs flux for the two type’s forest ecosystem of Maofeng mountain

帽峰山常绿阔叶林林、针阔叶混交林生态系统年暴雨16种PAHs组分通量的地球化学平衡显示（表1取2018年），两类森林的冠层可减小暴雨2—3环PAHs的通量和、消减效率分别达18.6%、16.4%，而两类森林冠层对暴雨4环PAHs通量和表现为淋溶增加，其中冠层淋溶增加 PYR通量最高、分别相对暴雨增69.2、74.0%而FLT则增5.2、8.0%。2种森林冠层对年暴雨BbF、BkF及BghiP的通量均产生吸附去除减小效应，而常绿阔叶林冠层仅截留去除掉暴雨BaP、IcdP的通量的极小部分、而针阔叶林则使暴雨林内雨2组分通量呈极小量增加。森林生态系的年暴雨至总径流输出PAHs组分通量差显示：常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统对年暴雨 PAHs每组分通量的贮存率均在 78%以上；前者对年暴雨中 BaP、IcdP、BghiP通量的贮存效率高出后者相应的 1.1%、4.1%、2.4%，而对年暴雨中2—3环、4环PAHs组分通量和的贮存率也分别较后者大 3.4%、2.3%，后者则在贮存年暴雨BbF、BkF通量上若高出前者。两类森林生态系统对年暴雨PAHs通量的生物地球化学影响极其显著，尤是常绿阔叶林生态系统（暴雨16PAHs组分储滤率均大于 80%）。按生态系统的贮存率减去冠层淋溶率：常绿阔叶林、针阔叶混交林的地被至土壤浅育岩层分别贮存年暴雨中∑2—3环PAHs通量和的69.5%、68.3%、暴雨∑4环PAHs通量的84.6%、82.3%，而两类森林生态系统对暴雨PAHs代表组分通量的储滤率分别为：BbF（58.0%、60.8%）、BkF（70.5%、74.9%）、BaP（84.7%、84.2%）、IcdP（80.8%、79.0%）、BghiP（76.1%、76.4%）；即森林生态系统的地被至土壤-浅育岩连续层在暴雨 PAHs组分的生物地球影响上占主体，尤其是土壤层空隙的吸附滞留、生物化学作用及浅育岩层的地球化学效应，极显著地消减了暴雨快速径流，以至于径流PAHs含量及通量被极大地限制或抑制，对于输出至环境的水环境的贡献是极其有益的。

表1 两类森林生态系统对暴雨PAHs组分通量的生物地球化学效应Table 1 Biogeochemical effect on the flux of PAHs components in rainstorm for the two type’s forest ecosystem mg·hm−2·a−1

3 讨论及结论

3.1 讨论

（1）暴雨中TOC与PAHs含量的关系：由于水体总有机碳（TOC）示为有机物的总量，其在水体中含量愈高、则水体有机物含量愈高；水体多环芳烃（PAHs）属中影响人体健康的有机污染物，两者的质量浓度间应存在着一定的正向关系。故而在帽峰山林区暴雨、集水区总径流实验检测中被同步测定，便于了解两者在质量浓度上相互差异或可能的关系，达到通过关系中易检测的TOC预估较难检测的PAHs。图8的结果使帽峰山林区暴雨中TOC质量浓度与∑16PAHs总的浓度、BaP质量浓度间统计获得的关系规律。其图 8a反映出，林区18次暴雨中∑16PAHs总的质量浓度随TOC质量浓度的递增、Σ16PAHs总的质量浓度则按指数规律递增（Max-TOC质量浓度<10.0 mg·L−1），回归关系的决定系数达0.45、回归式的F检验达到极其显著程度。而17次暴雨的TOC质量浓度检测值与16种PAHs的每组分的质量浓度间，唯一的与BaP质量浓度间存在显著地指数关系；即随暴雨TOC质量浓度的递增、BaP的质量浓度则显著尊随指数关系递增（图 8b）；虽然统计量中有 3次暴雨 BaP较高质量浓度、且其最低浓度值都高出其余 14次BaP质量浓度的最高值，但这3对数据也是随TOC质量浓度的增加、BaP质量浓度同样以指数关系的递增趋势。暴雨中TOC与∑16PAHs、BaP质量浓度间统计出的数量关系规律，对于预估较难测定的暴雨PAHs总浓度特别典型代表物BaP的质量浓度是为极其有益的。

图8 帽峰山林区暴雨中TOC与∑16PAHs、BaP质量浓度间的关系Fig. 8 Relationship between TOC and ∑16PAHs, BaP mass concentration in rainstorm for the Maofeng mountain forest area

（2）森林生态系统的暴雨总径流中 TOC与PAHs质量浓度间的关系：暴雨携带的TOC及PAHs在经过森林生态系统生物地球化学影响后，其在总径流中的质量浓度均被降低，图9a、b是常绿阔叶林、针阔叶混交林的暴雨总径流中 TOC质量浓度与对应的∑16PAHs总的质量浓度间关系统计结果，即两类森林生态系统的暴雨总径流中2者质量浓度间均存在显著的线性关系（图9a、b），即随总径流中TOC质量浓度的递增、暴雨中∑16PAHs总的质量浓度则按线性关系递增，只是浓度的线性递增线斜率较小递增有限。而常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统的暴雨总径流TOC与BaP的质量浓度间均存在幂回归关系（图9c、d），前者的幂关系达极显著、后者幂关系达显著程度，即森林的暴雨总径流中TOC质量浓度愈大则BaP质量浓度愈小，即随总径流中TOC质量浓度的递增而BaP的质量浓度以幂关系递减；结合森林集水区的暴雨总径流中TOC质量浓度愈高、对应的∑16PAHs总的浓度愈高、而BaP质量浓度则愈低；反映出，森林生态系统在暴雨产流过程中对 BaP的质量浓度产生的生物化学与地球化学储滤效应是极显著的。

图9 两类森林生态系统的暴雨总径流中TOC与∑16PAHs、BaP在质量浓度间的关系Fig. 9 Relationship between TOC and ∑16PAHs, BaP mass concentration in rainstorm-total runoff for the two type’s forest ecosystem

3.2 结论

（1）帽峰山林区 25次暴雨中∑16PAHs、TOC质量浓度的平均分别为 (105.6±25.9) ng·L−1、(5.68±3.97) mg·L−1，常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统分别净储滤暴雨中∑16PAHs的 25.6%、29.8%、分别净储滤暴雨中TOC质量浓度的15.7%、15.9%；其中，森林冠层淋溶使暴雨林内雨中∑16PAHs、TOC平均质量浓度分别净增 8.1%、40.3%；常绿阔叶林、针阔叶混交林土壤深 30 cm层分别储滤暴雨林内雨中∑16PAHs、TOC平均质量浓度的9.0%、9.9%和23.8%、31.8%，而土壤30 cm 以下层分别净储滤暴雨林内雨中∑16PAHs、TOC平均质量浓度的22.3%、25.2%和16.2%、8.3%；森林土壤30 cm以下层对暴雨PAHs质量浓度的储滤效率相对显著、而森林土壤30 m层对暴雨TOC质量浓度的储滤效率相对显著。

（2）暴雨中FLT、BbF、BkF、BaP、IcdP、BghiP平均质量浓度分别为11.1—1.89 ng·L−1，经常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统到总径流输出，两类森林生态系统分别储滤了暴雨中6种PAHs质量浓度在 10.5%—38.7%间和 2.5%—51.4%间，尤是BbF、BaP的储滤率均大于30%、FLT、BkF均大于20%。林冠层淋溶效应增加了暴雨林内雨6组分的质量浓度（增幅在6.9%—39.8%间）；常绿阔叶林、针阔叶混交林土壤深30 cm层渗透水及以下层至总径流，相对暴雨林内雨中6种PAHs质量浓度的储减（正）、亏增（负）：FLT（26.0%、37.7%和6.8%、−3.8%）、BbF（15.5%、20.2%和27.2%、34.4%）、BkF（25.4%、17.8%和9.2%、26.3%）、BaP（15.7%、8.6%和36.6%、42.1%）、IcdP（27.9%、1.4%和−1.6%、18.2%）、BghiP（36.3%、38.8%和−13.1%、−16.3%），表明两类森林的土壤30 cm层对暴雨林内雨中6种PAHs的质量浓度均产生了有效的生态吸储、滞留等效应，尤以FLT、BkF、IcdP及BghiP的质量浓度吸储贡献显著；而土壤30 cm以下层则对暴雨林内雨BbF、BaP质量浓度的储滤贡献对显著，但对BghiP的质量浓度则表现为亏增效应。

（3）常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统的暴雨与总径流中其余10种PAHs的质量浓度平衡显示为系统储滤效应；其中，两类森林生态系统的净储率均大于 40.0%、30.0%的组分分别有 CHR、ANY、ANT和FLU、ANA、NAP（针阔林）；森林生态系统的生物地球化学储滤影响显著；林冠层截留、吸附滞留暴雨NAP、ANT、ANY的质量浓度效率在25.0%—21.7%、ANA、AahA及PHE则在15.9%—1.3%间；常绿阔叶林、针阔叶混交林土壤30 cm层的暴雨渗透水相对暴雨林内雨中NAP质量浓度分别增加2.6、3.1倍、ANA分别增加2.5、2.0倍、ANT分别增加1.5、1.3倍；常绿阔叶林土壤30 cm以下层相较于相应土壤表层（0—30 cm），使径流中 10种 PAHs质量浓度减小在 0.2%—61..6%间，其中。ANA、ANP、CHR、ANY、ANT、ANY、FLU质量浓度净减率依次在73.7%—46.2%间；而针阔叶混交林相应土壤层除对 PYR、BaA质量浓度有增加外、对其余组分质量浓度均产生了有效储滤效应。

（4）林区暴雨丰年（2018年）与欠少年（2020年）的暴雨通量1025.1、722.5 mm，常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统分别贮存年暴雨通量的81.3%、77.0%和 82.3%、77.3%，年均为 81.8%、77.2%，分别贮存年暴雨TOC通量的65.5%、77.4%和63.2%、87.4%，年平均为73.0%、81.7%，分别贮存年暴雨∑16PAHs通量的 86.1%、83.5%和84.6%、81.5%，年均为 85.4%、82.5%。其中，2类森林的土壤至不透水岩层的贮存暴雨效率分别占71.1%、69.0%，贮存暴雨∑16PAHs通量效率均达80.8%，贮存暴雨TOC通量效率分别占68.5%、79.8%。表明森林土壤至不透水岩层为暴雨及携带TOC、PAHs通量的主要贮存主体。

（5）森林生态系统在2018年的暴雨与总径流PAHs各组分的地球化学通量平衡值反映出，常绿阔叶次生林、针阔叶混交林生态系统的贮存年暴雨中每组分PAHs通量均大于78%，前者对年暴雨中BaP、IcdP、BghiP的通量贮存率较后者相应高出1.1%、4.1%、2.4%，而对年暴雨中2—3环、4环PAHs组分通量的贮存率也分别高出3.4%、2.3%，而后者则对年暴雨BbF、BkF通量的储率高出前者。在森林的暴雨水文界面层上，常绿阔叶林、针阔叶混交林的土壤至不透水岩层分别贮存年暴雨∑2—3环PAHs通量的69.5%、68.3%、暴雨∑4环PAHs通量的 84.6%、82.3%，而对暴雨 PAHs代表组分通量的贮存率分别为：BbF（58.0%、60.8%）、BkF（70.5%、74.9%）、BaP（84.7%、84.2%）、IcdP（80.8%、79.0%）、BghiP（76.1%、76.4%）；森林生态系统的土壤至不透水岩层对暴雨PAHs组分的生物地球影响效率占主体，其影响机制主要在于森林土壤层空隙的吸附滞留、生物化学作用及风化岩层的地球化学效应，首先极显著地消减了暴雨快速径流，其次是对渗透水至径流PAHs质量浓度显著滤减，使得森林集水区的暴雨径流及PAHs好容量显著地减小。