城市蒙古栎人工林对降雨中金属元素迁移的影响1)

任斯宇 张金威 盛后财 琚存勇

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

森林与水的关系是当今林学、水文学和生态学领域研究的核心问题[1-3]。大气降水不仅是森林生态系统水分的重要来源，同时也是养分的重要来源[4]；而森林植被，通过对降雨的分配(林冠截留、穿透雨、树干茎流)影响进入林地的水量和养分的空间分布[5]。大气降雨到达林地，其养分含量发生改变主要取决于2个过程：①大气降雨洗涤了林冠枝叶的分泌物及其表面的粉尘、固体微粒等物质；②树木枝叶与雨水的离子交换作用，如浸出和吸收。穿透雨穿过植被冠层或从植被冠层滴下而到达地面，并导致林窗、林缘和林下穿透雨中养分含量发生改变[6]。树干茎流则可沿着植物茎干直达植物根部[7]，直接为树木生长发育提供所需的养分物质，在维持森林生产力、调节生物地球化学循环起着重要作用[8]。针对不同区域、不同森林类型伴随水文过程的养分分配，已有较多研究，但对城市人工林生态系统养分循环的研究较少[9]。

金属元素作为降雨中养分物质的一部分，是植物生长必需的营养元素，对于植物生长代谢起着重要作用[10]。例如：Na、K普遍存在于植物体内，具有维持组织细胞渗透平衡的功能；Ca能稳定生物膜结构，保持细胞的完整性；Mg是叶绿素合成的必要元素，对植物的光合作用、呼吸作用意义重大[11]。Fe、Cu、Mn、Zn是许多酶的成分和酶的活化剂，在植物的光合作用、呼吸作用和有机物代谢过程中均起重要作用。在水循环过程中，金属元素以可溶性离子形式存在，其能够直接与植物交互作用，因此研究金属元素在降雨分配过程中的迁移变化，对于深入了解森林生态系统生物地球化学循环具有重要意义。但目前关于金属元素在森林生态系统中的迁移，尤其关于城市森林水文过程中金属元素的迁移研究较少。

蒙古栎(Quercusmongolica)，壳斗科，栎属，落叶乔木，是我国东北次生落叶阔叶林的主要组成树种之一，也是我国华北地区地带性植被——落叶阔叶林的建群种[12]。蒙古栎根系发达，能够涵养水源，多用于防止水土流失，在北方城市还被用作城市街道绿化树种。针对蒙古栎的相关研究，较多集中于种群格局分析[13-15]、降雨截留分配[16-17]、生长模型[18-19]等方面，对于其水化学特征的研究相对较少[20-21]。为此，本研究在位于哈尔滨市区的东北林业大学城市林业示范基地蒙古栎人工林中心区域设置10 m×10 m观测样地，于2015年5—10月份的树木生长季期间，测定大气降雨量(为对照)、样地穿透雨量、样地树干茎流量；应用火焰原子吸收分光光度计(Thermo Scientific ICE-3500，美国)测定3种雨水样品中K、Ca、Na、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn金属元素质量浓度，分析城市蒙古栎人工林伴随降雨分配过程中的金属元素变化特征和输入规律。旨在为人工林森林生态系统和城市绿化植物的可持续管理提供参考。

1 研究区概况

研究地设在东北林业大学城市林业示范基地(126°37′15″E、45°43′10″N)，位于哈尔滨市区，占地面积44 hm2；土壤类型为黑土，土层深厚，且土壤肥沃。哈尔滨市属温带季风性气候，年平均气温3.5 ℃；年平均降水量500 mm，降水分配不均，集中在6—8月份，占全年降水60%～70%；年平均蒸发量726 mm[22]。

研究地蒙古栎人工林面积约为0.5 hm2(70 m×70 m)，是1959年春季穴状直播造林。调查数据显示，蒙古栎林平均树高为14.6 m，平均胸径14.3 cm，林分密度2 531株·hm-2，蓄积量为65.6 m3·hm-2。经过50多年管护经营，林分生长繁茂，林分郁闭度在0.8以上，此林分仅有乔木层，无灌木层和草木层。于2015年5—10月份的树木生长季期间，在研究地蒙古栎人工林中心区域设置10 m×10 m观测样地。

2 研究方法

大气降雨测定：在距离样地150 m处楼顶平台上，布设翻斗式雨量计(HOBO RG3-M)和3个自制雨量筒(直径20 cm，截面积314.16 cm2/筒，下同)，获取大气降雨量并取样。

穿透雨测定：在蒙古栎人工林中心区域设置10 m×10 m观测样地，在样地内十字交叉布设13个自制雨量筒，相邻雨量筒间距2 m(见图1)，所有雨量筒上沿同高且距离地面大于50 cm。每次降雨结束立即测定雨量筒内雨水体积并取样，将体积换算成深度(mm)，13个深度的算术平均值即为样地穿透雨量(mm)。

●蒙古栎；○穿透雨收集器；▲安装树干茎流装置的蒙古栎。

树干茎流测定：选5株蒙古栎作为标准观测样木，借鉴文献[23]制备及安装树干茎流观测设施。每次降雨后立即测定树干茎流体积并取样，5株观测样木树干茎流体积的算术平均值与观测样地(10 m×10 m)内蒙古栎株数的乘积除以样地面积，计算出样地树干茎流量(mm)。

大气降雨、穿透雨、树干茎流样品经0.45 μm微孔滤膜过滤，硝酸酸化处理后，利用火焰原子吸收分光光度计(Thermo Scientific ICE-3500，美国)测定样品中K、Ca、Na、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn金属元素质量浓度。

金属元素输入量的计算公式[24]：Fj=10-2×ρj×Vj。式中：Fj为一定时期(月、生长季)大气降雨、穿透雨或树干茎流中某种金属元素的输入量(单位为kg/hm2)；ρj为对应时期内大气降雨、穿透雨或树干茎流中某种金属元素平均质量浓度(单位为mg/L)；Vj为对应时期内大气降雨、穿透雨或树干茎流深度(单位为mm)；10-2为单位转换系数。

元素净输入量=穿透雨元素输入量+树干茎流元素输入量-大气降雨元素输入量[6]。

试验数据采用SPSS软件(Version 19.0，SPSS Inc，Chicago，Illionois)进行处理，多重比较采用邓肯检验分析(Duncan’s test，P<0.05)。

3 结果与分析

3.1 大气降雨中金属元素特征

由表1可见：同一时期不同金属元素质量浓度存在差异，生长季内大气降雨中，Ca元素的质量浓度最高(4.253 mg·L-1)、Mn的质量浓度最低(0.011 mg·L-1)，最高质量浓度值是最低质量浓度值的404.61倍。生长季内，大气降雨中金属元素平均质量浓度值，由大到小依次为Ca、K、Na、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn。大气降雨中各金属元素质量浓度的最高值，Cu出现在5月份，Zn出现在6月份，Fe、Mn出现在7月份，K、Na、Mg出现在9月份，Ca则出现在10月份；而质量浓度的最低值，K、Ca、Na、Mg出现在5月份，Fe出现在6月份，Cu、Zn出现在10月份，Mn出现在5月份。

按月平均统计，月平均大气降雨中Ca的质量浓度最高(6.821 mg·L-1)、Mn的质量浓度最低(0.004 mg·L-1)，且同一元素不同月份质量浓度也存在显著差异(见表1)。其中，同一元素不同月份间质量浓度变化最大的是Na，其最大与最小值的比为10.26；同一元素不同月份间质量浓度变化最小的是Zn，其最高与最低质量浓度的比仅为1.18；相同元素质量浓度最大值与最小值之比，由大到小依次为Na、Mg、Mn、K、Cu、Fe、Ca、Zn。

表1 不同月份大气降雨中的金属元素质量浓度

3.2 穿透雨中金属元素特征

降雨通过森林冠层形成了穿透雨，随之金属元素质量浓度也发生了改变。生长季内穿透雨中，Ca的质量浓度最高(5.361 mg·L-1)、Zn的质量浓度最低(0.037 mg·L-1)，最高质量浓度值是最低值的144.69倍；生长季内穿透雨中金属元素质量浓度，由大到小依次为Ca、K、Mg、Na、Cu、Fe、Mn、Zn。穿透雨中各金属元素质量浓度最高值，Cu出现在5月份，Ca出现在8月份，而金属元素K、Na、Mg、Fe、Zn、Mn则出现在10月份。

不同月份穿透雨中，金属元素Ca质量浓度最高(6.859 mg·L-1)、Mn的最低(0.013 mg·L-1)。同一元素不同月份的质量浓度也存在显著差异(见表2)，其中，Mn元素的变化最大，其最大与最小值的比为15.93；Zn元素的变化最小，其最大与最小值之比仅为1.12。穿透雨中金属元素质量浓度最大与最小比值，由大到小依次为Mn、Mg、Fe、Na、K、Cu、Ca、Zn。

表2 不同月份穿透雨中的金属元素质量浓度

3.3 树干茎流中金属元素特征

树干茎流将植物可直接吸收的金属离子迁移到植物根际区域，对森林群落的生长至关重要。由表3可见：生长季内树干茎流中，Ca的质量浓度最大(7.067 mg·L-1)、Cu的质量浓度最小(0.127 mg·L-1)，最高质量浓度是最低值的55.81倍。生长季内树干茎流金属元素质量浓度，由大到小依次为Ca、K、Na、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu；各金属元素质量浓度最高值，K、Mg出现在5月份，Fe、Zn出现在8月份，Ca、Na、Cu出现在9月份，Mn出现在10月份。

由表3可见：树干茎流中同一元素不同月份质量浓度，Fe的质量浓度变化最大，其最高值(0.729 mg·L-1)与最低值(0.107 mg·L-1)之比为6.82；Zn的质量浓度变化最小，其最高值(0.154 mg·L-1)与最低值(0.072 mg·L-1)之比为2.14；同一元素不同月份质量浓度最大与最小比值，由大到小依次为Fe、Na、K、Mg、Mn、Ca、Cu、Zn。

表3 不同月份树干茎流中的金属元素质量浓度

3.4 蒙古栎人工林的金属元素输入特征

降雨与森林相互作用后，雨水中金属元素的质量浓度发生了不同程度的变化，进而导致最终输入林地的金属元素量的增加或减少。生长季的降雨，8种金属元素输入林地后，金属元素输入量(穿透雨元素输入量+树干茎流元素输入量)最大的是Ca(18.256 kg·hm-2)，占金属元素总输入量的59.06%；输入量最小的金属元素是Zn(0.181 kg·hm-2)，占总输入量的0.59%；最大输入量是最小输入量的100.63倍。金属元素K，在5月份洗出量最多(0.187 kg·hm-2)，在8月份截留量最多(-1.246 kg·hm-2)。

由表4可见：不同月份伴随降雨的金属元素的净输入量(穿透雨元素输入量+树干茎流元素输入量-大气降雨元素输入量)，同一元素不同月份的净输入量不同。8月份，除K、Cu外，其他6种金属元素净输入量均为正值；并且金属元素通过森林冠层后的净输入量，由大到小依次为Ca、K、Mg、Na、Fe、Cu、Mn、Zn。本研究表明，降雨通过森林冠层后金属元素K、Ca、Cu会减少，且金属元素K减少最为明显(净输入量为-1.382 kg·hm-2)，金属元素Ca其次(净输入量为-1.200 kg·hm-2)，金属元素Cu减少的最少(净输入量为-0.031 kg·hm-2)。金属元素Na、Mg、Fe、Zn、Mn呈增加状态，金属元素Mg增加最明显(净输入量为1.631 kg·hm-2)，Zn的增加变化不明显(净输入量为0.011 kg·hm-2)；5种金属元素增加，由大到小依次为Mg、Na、Fe、Mn、Zn。

表4 生长季内伴随降雨的金属元素净输入量

4 讨论

4.1 森林对降雨中金属元素质量浓度的影响

降雨作为森林金属元素循环的重要组成部分，在携带各种金属元素进入森林生态系统的同时，还伴随着对植被层的冲刷和淋洗作用，导致其水量与水化学特征明显改变[3，25]。降雨和森林的相互作用(吸收、吸附、淋溶等)导致了金属元素发生交换，进而金属元素质量浓度产生变化，而这些变化是由于雨水对干沉积物的冲刷，树枝、树皮表面粗糙程度[10]、养分物质活性、植物生理特性以及相关菌群对元素的吸收和释放所致[26]。

本研究表明，金属元素的质量浓度遵循树干茎流大于穿透雨的规律，即降雨穿过冠层后，元素质量浓度增加。本研究表明，大气降雨通过森林冠层后，穿透雨和树干茎流中金属元素K、Ca质量浓度相对较高。这是由于K是一种溶解度较高，且移动性高的金属元素，在植物体内转移快，淋洗显著，因此K的质量浓度增加[27]；而Ca元素形成的Ca2+对植物具有重要作用，能够缓解或中和Al对植物的伤害[3]。本研究中，除了金属元素K、Na外，其余6种金属元素的质量浓度由大到小依次为树干茎流、穿透雨、大气降雨，且树干茎流所有金属元素质量浓度，都明显高于大气降雨和穿透雨中金属元素的质量浓度。王登芝等[28]研究表明，我国北京西山地区油松人工林金属元素K质量浓度呈树干茎流、穿透雨、大气降雨顺序；刘茜等[29]研究表明，大兴安岭北部白桦次生林金属元素Ca质量浓度顺序为穿透雨、大气降雨、树干茎流；于小军等[30]研究结果表明，在会同森林生态实验站地区，3种林分穿透雨的金属元素质量浓度均与树干茎流中金属元素质量浓度相似。本研究结果与这些研究结果均存在较大差异；这是由于在不同的地理位置，受大气环境和降雨特性等因素影响，不同降雨过程中，森林生态系统的各水文分量及水化学特征存在不同程度的差异所导致，并且冠层的物候变化也能够影响雨水中金属元素在森林生态系统中的迁移转化[31]。总体看，金属元素质量浓度变化在整个生长季比较明显，且树干茎流中金属元素质量浓度增加明显，这是由于树皮组织相对于树叶具有更大的浸出性，因此，附着在树干表面的金属元素会受到更多的冲刷；另一方面，树干茎流在植物上停留时间长，有利于雨水和植物之间的离子交换[23，32]。因此，树干茎流中的金属元素质量浓度通常大于林内穿透雨中金属元素质量浓度，并能够增加土壤肥力，且营养元素能直接转移到树木的根际，是植物生长发育重要的养分来源。

4.2 不同森林类型金属元素净输入量的差异

金属元素净输入是森林浸出和吸收的综合结果[33]，且林冠和树干中金属元素迁移是森林生态系统养分循环重要的组成部分[34]。本研究表明，蒙古栎人工林中伴随生态水文过程的金属元素迁移，金属元素K、Ca、Cu净输入量为负值，金属元素Na、Mg、Fe、Zn、Mn净输入量为正值；这与同区域落叶松人工林中关于K和Na净输入的研究结果相反[35]。这表明，相同区域、不同森林类型对金属元素的输入作用不同。不同区域、不同森林类型对金属元素的输入作用则更为复杂(见表5)。一般认为，穿透雨和树干茎流中元素K的输入量应大于元素Ca的输入量[36]，而本研究得到了相反的结果；且王登芝等[28]研究表明，北京西山地区的油松林K、Ca、Mg净输入量为正值，Na净输入量为负值；小兴安岭地区的白桦林对Ca的净输入量为负值，而K、Mg、Mn的净输入量为正值[3]；西藏东南地区高山松天然林，其金属元素对K、Ca、Cu的净输入量也均为正值[36]；本研究结果与上述研究结果均存在较大差异。同一地点的不同森林类型对金属元素的作用也不同(见表5)，如小兴安岭原始红松林和落叶松人工林对Ca的作用完全相反[37-38]，而红壤丘陵区的3种人工林对金属元素的作用则相同[39]。本研究中，蒙古栎林位于哈尔滨市区，城市中人类的生产、生活活动必将产生大量的金属元素，但同时城市复杂环境中空气颗粒物的质量浓度也较高。空气颗粒物则具有较强的吸附性，Ca、Mg、K等金属元素主要存在于大直径颗粒中。研究表明，城市森林能够改善空气质量，是空气颗粒物的高效收集器[40]。鉴于在降雨截留分配过程中，森林冠层及树干截留空气颗粒物对金属元素的吸附影响，林内穿透雨和树干茎流样品中的金属元素质量浓度小于大气雨，这导致了本研究中K和Ca等金属元素的净输入量结果与非城市环境中得到的结果完全相反。

目前，大部分研究只关注了金属元素K、Ca、Na、Mg的净输入量，仅少部分研究关注了微量金属元素Mn、Fe净输入量(见表5)。通过对比得出，不同地区的金属元素输入量差异较大，城市人工林内金属元素K、Ca的净输入量均为负值；而其他森林区域的金属元素Mg、Mn净输入量却均为正值。其原因，城市大气中大量的空气颗粒物能够吸附人类生产、生活活动所产生的金属元素，而森林冠层能够有效滞纳空气颗粒物，进而导致了雨水中的金属元素被吸附截持，最终净输入林地的量为负值。当然，不同大气降雨的水化学特征和不同树种生理特性等因素，也能够影响金属元素净输入林地的量。此外，除以上金属元素外，本研究还关注了微量金属元素Cu、Zn的输入特征，Cu净输入量为负值(-0.031 kg·hm-2)，Zn的净输入量为正值(0.011 kg·hm-2)。由于降雨具有随机性，且受到外界环境、人为因素影响较多，因此本研究利用1个生长季的数据得到的结果，还有待进一步长期观测研究验证。与天然林和次生林相比，蒙古栎人工林对大量金属元素K、Ca呈截留作用，并且金属元素在森林生长发育中起到了不可替代的作用，因此了解各金属元素的输入特征，研究城市内复杂环境中水循环过程中的水化学特性，便于城市人工林的可持续发展和经营。

表5 不同类型林分金属元素净输入量

5 结论

对哈尔滨市蒙古栎林生长季降雨观测，结果表明：树干茎流中所有金属元素质量浓度都明显高于大气降雨和穿透雨中金属元素的质量浓度，而且除金属元素K、Na外，其余金属元素的质量浓度出现梯度变化，由大到小依次为树干茎流、穿透雨、大气降雨。降雨穿过林冠层，金属元素质量浓度增加，且穿透雨和树干茎流内的金属元素K、Ca质量浓度较高。观测期内，大气降雨中8种金属元素总输入量为31.107 kg·hm-2，穿透雨中金属元素输入量为20.876 kg·hm-2，树干茎流中金属元素输入量为10.035 kg·hm-2。金属元素K、Ca、Cu的净输入量为负值，金属元素K减少最为明显(净输入量为-1.382 kg·hm-2)；金属元素Na、Mg、Fe、Mn、Zn净输入量为正值，金属元素Mg增加最明显为(净输入量为1.631 kg·hm-2)。由于雨水中金属元素的迁移受降雨特征和植被群落季节生长变化影响，因此伴随降雨分配过程的金属元素质量浓度和通量的变化需要长期定位观测研究。