本溪山区森林枯落物对水质的影响

栗生枝

(辽宁省林业调查规划院，辽宁 沈阳 110122)

本溪山区森林枯落物对水质的影响

栗生枝

(辽宁省林业调查规划院，辽宁 沈阳 110122)

以本溪山区主要水源涵养林红松、落叶松、蒙古栎、水曲柳、核桃楸纯林为研究对象，运用定位观测法，对5种类型林分的林外雨与枯落物渗透雨(枯透雨)的水质进行了研究，以及利用5种类型林分之间枯落物渗透水的水质对比，测定林外降雨及各林分枯落物渗透水的pH值、硝酸盐(以N计)、氨氮(以N计)、硫酸盐(以SO42-计)、全氮(TN)、全磷(TP)、氟离子(F-)、氯离子(Cl-)、钙(Ca2+)、钠(Na+)、镁(Mg2+)、钾(K+)等12种指标，结果表明：大量化学元素和离子通过枯落物后均显著增加，其中变幅最大的K+，浓度为4.19 mg·L-1，是林外雨20倍。林外雨各指标浓度依次为SO42->TN>Ca2+>Cl->Na+>NH3-N>NO3-N>Mg2+>K+>F->TP;枯透雨各指标浓度依次为SO42->Ca2+>TN>NO3-N>Cl->K+>Mg2+>NH3-N >TP>F->Na+。枯透雨中SO42-浓度最高，为12.59 mg·L-1；TP浓度最小，为0.25 mg·L-1。5种纯林在调查期间林外雨和枯透雨的pH趋于中性，而在经过枯枝落叶层的淋溶后，有明显的酸化现象，pH范围在5.1～6.6。

枯落物；水质；林型

本溪县是太子河的主要发源地和集水区，是辽宁省重要水源涵养区。区域内的天然次生林是辽宁省重要的水源涵养林基地，是辽宁腹地不可替代的生态屏障，全县有林地面积27.5万hm2，森林覆盖率76.1%，是保障辽宁省主要用水的绿色水库，研究本溪山区天然次生林水源涵养能力具有重要的现实意义。随着社会的发展， 人口剧烈增加的压力以及各种产业的发展造成环境污染日趋严重， 如何保护和维持优质水源，已成为世界各国保障人民生活水平及其各种产业持续稳定发展的重要课题。因此，以涵养水源为主要目的的水源涵养林在水土保持、水源涵养、改善水质等方面的功能日益受到人们的重视[1]。开展本溪山区森林涵养水源功能研究，为本溪山区水源涵养林经营提供主要依据。

枯落物层是除林冠层、下木和层下植物外，大气与矿质土壤层、植物根系层进行物质与能量交换的另一个介质，在影响林地土壤的水热状况、通气状况、营养元素的循环、林地生物种群的类型及数量、林地水文生态特性等方面，起着重要作用[2]。大气降水进入生态系统时通过冠层交换，雨水对植物体表面渗出物的淋洗和枝叶对雨水中离子的吸收，以及对枝叶表面粉尘、微粒、尘埃等固体沉降物的冲洗等一系列物理化学变化，致使穿透林冠层进入林内的雨水中化学成分含量发生了强烈改变[3]。降水对枯落物的淋溶作用有助于加速养分的再循环速率，改变养分迁移路径，影响养分的平衡过程，对加速植物生长和促进养分循环具有重要作用[4]。

1 研究地概况

调查地区为本溪满族自治县清河城林场，地处本溪县最北端，属于温带湿润的季风气候，年降水量750～1 200 mm，年均气温5～8 ℃；本区属长白山系，毗邻观音阁水库，境内主要河流为清河，其支流有望城河、台后甘河、清河前河、东阳河。

1.1 植被状况

调查区属于长白植物区系，物种繁多，木本植物约270多种，草本植物360多种。目前天然次生林已占该地区森林面积的50%，其中柞木林占44%，杂木林占10%。人工林占46%，以落叶松林、油松林、红松林为主。

2 材料与方法

2.1 材料

本研究在清河城林场收集与补充调查了红松纯林(PinuskoraiensisSieb. et Zucc.)、落叶松纯林〔Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.〕、蒙古栎纯林(QuercusmongolicaFisch. ex Ledeb)、核桃楸次生林(JuglansmandshuricaMaxim.)、水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)次生林5种类型林分的林外以及林内的枯落物水质。

2.2 研究方法

2.2.1 林外降雨的采集 在林分附近的空旷地上进行放置3个干净的收集桶，分别标号1号、2号和3号，用于收集林外降水水样。为防止污染、植物碎片、昆虫等，将纱网固定于桶口进行过滤，采集的水样分别编号为LW-1，LW-2，LW-3，每次采样后用蒸馏水对塑料桶进行清洗。

2.2.2 枯落物渗透水采集 在每个林内地表随机布置9个凋落物渗透水收集装置，收集透过凋落物的重力水样品。采集装置是将纱网固定在塑料桶上，再将凋落物按层次全部放置纱网上，然后在枯落物上再盖上一层纱网。将桶放置在提前挖好的坑内，防止桶被风吹倒。安装好枯落物渗透水收集装置后，将每三个水桶采集的水样混合为一个样本，分别贴上相应的编号(林型号-KL-1、林型号-KL-2、林型号-KL-3)，每次采样后对塑料桶进行清洗。

2.2.3 水质测定 pH值运用玻璃电极法测定；硝酸盐(以N计)、氨氮(以N计)、硫酸盐(以SO42-计)、氯离子(Cl-)、氟离子(F-)、全氮(TN)、全磷(TP)用离子色谱法检测分析；钙(Ca2+)、钠(Na+)、镁(Mg2+)、钾(K+)用原子吸收分光光度法检测。

2.2.4 数据分析 根据实测得的数据资料，本研究调查了5种树种的12种水化学性质，包括pH值、硝酸盐(以N计)、氨氮(以N计)、硫酸盐(以SO42-计)、全氮(TN)、全磷(TP)、氟离子(F-)、氯离子(Cl-)、钙(Ca2+)、钠(Na+)、镁(Mg2+)、钾(K+)。净淋溶为穿透雨离子浓度与大气降雨离子浓度的差值，淋溶系数为穿透雨离子浓度除以大气降雨离子浓度。对数据重复进行处理，分别分析相同层次，不同林分对水质的影响。利用SPSS以及Excel进行数据处理。

3 结果与分析

3.1 枯落物渗透水化学元素分析

3.1.1 林外雨与枯透雨化学元素组成 大气降水过程是森林生态系统输入养分和其他可溶性离子的主要途径，降水通过森林不同界面后其化学组成均发生较大的变化[5]。表1为5种林分在2016年6—10月后林外雨及枯透雨中化学元素平均浓度变化。从表1可以看出，不同元素含量通过枯落物后变化幅度也不同。枯透雨中所有元素的含量均高于林外雨，其中变幅最大元素为K+，浓度为4.19 mg·L-1，是林外雨的20倍；其次是Ca2+，浓度为11.82 mg·L-1，是林外雨6.68倍。按含量高低顺序是：林外雨，SO42->TN>Ca2+>Cl->Na+>NH3-N> NO3-N>Mg2+>K+>F->TP；枯透雨，SO42-> Ca2+>TN >NO3-N>Cl->K+>Mg2+> NH3-N>TP>F-> NH3-N。由表1可知，不论是林外雨还是枯透雨都是SO42-浓度最高，在枯透雨中的浓度为12.59 mg·L-1。TP元素浓度最小，枯透雨为0.25 mg·L-1，两者相差50倍。按照枯透雨元素浓度与林外雨元素浓度的倍数比值，其中排在第1位的K+元素，枯透雨浓度是林外雨浓度的20.95倍，排在最末位的SO42-元素，浓度值的比值则仅有2.22倍。

表1 森林水文过程中化学元素生长季平均浓度 mg·L-1

在上述排序中，SO42-和Ca2+的含量均居前两位。这是因为SO42-是弱酸性阴离子，而Ca2+呈碱性，可以中和SO42-的酸性，使降雨的pH值趋于中性。另外，Ca2+的浓度增加，可以减少其他阳离子的毒害作用。TP 的含量在林外雨和穿透雨中的含量都是最低的，一般认为，降雨中 TP 的主要来源是大气尘埃的溶解，降雨过程中TP的淋溶是非常困难的，因此含量较低。

3.1.2 林外降雨水质月变化 由表2的观测数据可以看出，同一地点不同月份内大气降水中的各化学元素含量差异较大，SO42-的月际变化较大，10月含量最高，月际变幅3.4～9.39 mg·L-1之间，其中SO42-在6月与10月的浓度差异较小，几乎持平，在7—8月浓度下降明显，8月浓度最小。其次为Ca2+，8月含量最高。NH3-N、TP、K+和Na+的输入量较少。另外，NH3-N元素浓度受降水时的雷电影响，当雷电时空中闪电使雨水中的N含量明显增加。在每年的6、7月易发生雷击，因此表中6、7月的NH3-N含量要比其他月份相对较高，分别为0.839 mg·L-1和1.08 mg·L-1。

6月各化学元素含量顺序为：SO42->Ca2+>Na+>TN>Cl->Mg2+>NH3-N>NO3-N>K+>TP>F-；7月各化学元素含量顺序为：SO42->TN>Cl->Ca2+>NH3-N>NO3-N >Na+>Mg2+>K+>F->TP； 8月各化学元素含量顺序为：SO42->Ca2+>TN >Cl->Mg2+> NO3-N> NH3-N >Na+>K+>TP>F-；10月各化学元素含量顺序为：SO42->TN>Cl->Na+>Ca2+> NO3-N>Mg2+> NH3-N>K+>TP >F-。

表2 林外雨水质月变化 mg·L-1

3.1.3 枯透雨水质含量月变化 从表 3 的变化趋势发现，在10月多数元素增幅较大，这可以解释为树木每年10月开始枯落，枯落物内营养丰富，易被雨水置换出来，另外树叶上黏附着较多尘埃，盐粒和小有机物等，降雨时都随林内雨被淋洗到地面，此时林内雨的养分浓度较高，除了NH3-N以外。NH3-N从6月到10月，浓度值呈下降趋势，其中在10月浓度呈现最低值。而SO42-在前3个月保持较为平稳的变化，在10月的时候，浓度值增加了一倍多，是雨水中所测元素中含量最大的化学元素。元素浓度变化最小的TP，随着时间的变化没有较大波动，Ca2+在枯透雨中的浓度含量也相对较高，在7月和10月呈现了浓度的最高值。

6月各化学元素含量顺序为：SO42->Ca2+>TN>NO3-N>K+>Cl->NH3-N >Mg2+>Na+>F->TP；7月各化学元素含量顺序为：Ca2+>TN>SO42-> NO3-N>K+>Cl-> NH3-N >Na+>Mg2+>F->TP； 8月各化学元素含量顺序为：SO42->Ca2+>N >Cl-> NO3-N >K+>Mg2+> NH3-N>F->Na+>TP；10月各化学元素含量顺序为：SO42->Ca2+>Cl->TN > NO3-N>K+> Mg2+>Na+> NH3-N >TP >F-。

表3 枯透雨水质月变化 mg·L

3.1.4 5种林型水质变化分析 受季节、降水量、降水强度、持续时间、降水间隔、气象、环境、植物体生理活动、叶片表面、树皮表面以及降水中离子、固体颗粒或气体的吸附或吸收等因素的影响，使林外雨、枯透雨中各养分元素的含量发生较大变化。林外雨、枯透雨中养分元素变化系数最大的元素是 TP，范围在 0.75～6；变异系数最小的元素是NH3-N，范围在 0.58～0.74，这表明枯落物在 6—10月对NH3-N的吸附、吸收、淋溶处于一个相对平衡稳定的过程。与林外雨相比，枯透雨中NO3-N、NH3-N、K+的变异系数大于林外雨，说明这些元素在生长季的月变化较大。NO3-N、Ca2+、Mg2+、Na+的变异系数小于林外雨，这些元素的变化较为平稳。

3.2 降雨对5种林型枯落物的淋溶效应

由于降水对枯落物淋溶出来的养分物质都是可溶性的，无须经过复杂的分解、转化就可以直接被林木吸收，因此降水对树体养分物质的淋洗、淋溶、吸收和吸附作用具有促进植物生长，加速养分循环的作用[6]。然而降水在形成枯透雨的过程中与枯落物直接接触，不仅淋洗了枯落物层吸附的尘埃颗粒，而且淋溶了枯枝落叶片上的分泌物质，致使枯落物水中养分含量发生较大变化。

由表4可知，降雨通过枯落物形成枯透雨时，养分含量发生了变化。NO3-N、Na+为负淋溶，表明植物体对这些元素进行了吸收。而NH3-N、Ca2+、Mg2+、K+等的含量均增加。枯透雨中Na+为负淋溶，这可能因为Na+是比较难溶的元素，而且经过渗透后不易被土壤吸收，因此含量较低。淋溶量最大的是Cl-，在降水中Cl-的输入量并不大，经过枯枝落叶淋溶后雨中平均浓度大幅度增大，是林外雨的20倍之多。K和P元素是植物必需的营养元素，在降水中的含量非常小，通过枯落物的淋溶后大幅度增加，促进养分循环。红松的Ca2+和Mg2+的淋溶系数最大分别为4.75和4.74；在核桃楸林中，淋溶系数最大的元素为NO3-N；在落叶松林中，淋溶系数最大的是TP；在蒙古栎林中，淋溶系数最大的元素为Ca2+；在水曲柳林中，淋溶系数最大的元素为NO3-N，不同林分对不同元素的淋溶效果是不一样的。

表4 降雨净淋溶含量和淋溶系数 mg·L-1

3.3 林外雨与5种林型枯透雨pH特征

一般情况下，正常降雨都是偏酸性的，雨水的弱酸性可以使土壤中的养分溶解，供其中的生物吸收。研究地大气降雨pH值的统计见表5，研究期间林外降雨pH值的变化范围在6.00～8.90之间，中位数为5.76，在此期间，林外雨pH变化相对较大，多数情况属微酸性雨。目前，对世界各地区降水化学特征进行分析后，提出以5.0作为酸雨pH值的界限，低于5.0的降水对环境酸化有显著影响，低于4.5的降水对环境酸化有严重影响。在采样期间这5种林分每种林分共采集九次降雨，其中林外雨pH小于4.5的次数为0，pH在4.5～5.0的次数也为0，其余均为5.0以上，说明该地区几乎不会受到酸雨的影响。在经过5种不同林分后，雨水中的pH值都有所下降，其中落叶松的下降幅度最大，在雨水经过落叶松枯落物后雨水的pH值在4.9～5.8，更适合土壤中养分的分解；而水曲柳的pH值幅度变化最小，从6.2～6.6，在经过水曲柳枯落物后，虽然变化相较其他林分变化较小，但也趋于更适合土壤方向发展。根据表6得知，不同林型pH值的波动较为稳定，基本上是基于中位数上下波动较小，林外降雨相较于林内枯透雨的变化较大。而在5种林型中，核桃楸的变化最小，受季节和时间的影响小，蒙古栎随时间和季节的变化最大。

表5 大气降雨pH值基本统计表

4 结论与讨论

4.1 结论

本论文结合室内分析和野外调查等方法，对本溪山区的森林生态系统林外雨、枯透雨中的化学特征进行了分析，主要得出以下几点结论：

4.1.1 枯透雨中化学元素变化 从2016年6—10月，在本溪山区的5种纯林林外雨和枯透雨中的NO3-N、NH3-N、SO42-、TN、TP、F-、Cl-、Ca2+、Na+、Mg2+、K+等化学元素的含量来看，Ca2+的输入量较大，F-的含量较小。另外大量的化学元素通过枯枝落叶层后均明显增加。林外雨和枯透雨元素浓度高低排序为：林外雨：SO42->TN>Ca2+>Cl->Na+>NH3-N>NO3-N >Mg2+>K+>F->TP，枯透雨：SO42->Ca2+>TN> NO3-N>Cl->K+>Mg2+>NH3-N >TP>F->Na+。在本次研究林不同月份大气降水中各化学元素含量存在不同程度的差异，其中枯透雨的养分在10月的变化最大，说明在10月份枯枝落叶的数量较大，对水体的影响也在提升，进而影响到水体的化学性质。枯透雨中NO3-N、NH3-N、K+的变异系数大于林外雨，说明这些元素在生长季的月变化较大。NO3-N、Ca2+、Mg2+、Na+的变异系数小于林外雨，说明这些系数的变化较小，没有明显的差异。

4.1.2 林外雨与枯透雨的化学淋溶效应 NO3-N、Na+为负淋溶，表明植物体对这些元素进行了吸收。而NH3-N、Ca2+、Mg2+、K+等的含量均增加，枯落雨中的Na+为负淋溶，这可能因为Na+是比较难溶的元素，而且经过径流后不易被土壤吸收，因此含量较低。化学元素浓度变化较大的原因可能是：(1)降雨条件如降水的强度、降水量、持续时间以及次降雨之间时间间隔等对降水中化学元素的含量均有影响，表现为观测时段内不同月份降水中的化学元素含量不同。(2)环境和气象条件等因素对降水中的化学元素含量具有一定影响，大气污染的状况和大气环流携带的各种化学物质成分具有随气象因素而发生较大变化的随机性，如水气来源、风速风向等条件都会使降水中化学元素含量发生变化，不仅是造成同一地区大气降水化学元素含量差异的原因，而且也是造成不同地区差异的原因。

4.1.3 林外雨与5种林型雨水pH变化 5种纯树林2014年6—10月林外雨和枯透雨的pH值趋于中性，林外降雨的pH趋于中性及弱碱性，而林内降雨通过枯枝落叶层后，有明显的酸化现象，pH范围在5.1～6.6之间。这就说明经过枯枝落叶层以后的雨水更适合植物的生长，也更适合土壤的分解，其中落叶松的变化强度最大，说明落叶松的枯枝落叶层在对雨水pH的酸化方面表现最强。

4.2 讨论

Parker G G等人在1983年总结了全世界不同地区的大气降水化学物质的输入量，其研究结果表明，不同地区降水化学元素的年输入量存在较大的差异，同一地点的不同元素之间年输入量也各不相同，尽管如此，却表现出一些相同的趋势。降水输入量最大的元素分别是Cl、Na等，而对全球降水化学资料的平均结果表明：在全球范围内降水中化学元素含量的大小顺序依次为：Na>Cl>N>Ca>K>P[7]。这与我国一些地区的研究结果基本相符，但与我们的测定结果有一定差异[8]。降雨是生态系统水分循环和养分循环的主导因素。降水养分输入是系统一个十分重要的养分输入源，特别是生长季降水养分的集中输入，对本溪山区的林地生长有重要意义。研究表明，不同月份大气降水中各化学元素含量存在差异。在论文分析过程中体会到，有关森林水质问题，其森林环境水化学问题今后将成为研究重点，对于我们而言，还需要进行多方面工作，如林区大气降水中的污染物输入、林地土壤和枯落物中水质的变化，林火和采伐等干扰对森林水质的影响。

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Effect of Forest Litter on Water Quality in Mountains of Benxi City

Li Shengzhi

(Liaoning Forestry Investigation and Planning Institute, Shenyang 110122, China)

Taking the main water conservation forest--Pinuskoraiensis,Larixgmelinii,Quercusmongolica,Fraxinusmandschurica&Juglansmandshuricain Benxi mountains as the research object, with the method of the locating observation,water quality of rainfall outside the forest and permeating water of litters of five types of forest was studied.Twelve kinds of digital number (DN)--pH value, nitrate (counted by nitrogen), ammonia nitrogen (counted by nitrogen), sulfate (SO42-), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), fluorineion (F-), chlorine (Cl-), calcium (Ca2+), sodium (Na+), magnesium (Mg2+),kalium (K+) of rainfall outside the forest and permeating water were determined.Result show that: mass chemical elements and ions by litter significantly increase. The biggest range is K+, whose concentration being 4.19 mg·L-1,which is 20 times higher than the rainfall outside the forest;concentration of each index for the rainfall outside the forest is: SO42->TN> Ca2+>Cl->Na+>NH3-N> NO3-N>Mg2+>K+>F->TP;each concentration index of rain in filtration chemical element is: SO42->Ca2+>TN>NO3-N>Cl->K+>Mg2+>NH3-N>TP>F->Na+.The concentration of SO42-is the highest, being 12.59 mg·L-1;the concentration of TP is the smallest, being 0.25 mg·L-1.During the survey period, the pH value of rainfall outside the forest and soaker tend to be neutral, but after the leaching of litter layer, there are obvious phenomenon of acidification, the pH range is from 5.1 to 6.6.

litter; water quality; forest type

1005-5215(2017)04-0011-05

2017-02-10

栗生枝(1987-)，男，辽宁沈阳人，大学，工程师，现从事林业资源调查和研究工作，Email:85799984@qq.com

TU991.21

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.04.003