由于植物-大气相互作用的结果, 降水通过森林林冠后, 其化学成分会发生显著的改变(Eaton et al., 1973; Lindberg et al., 1986; Puckett, 1990)。降水中的某些元素如钾、钙会增加到穿透雨(throughfall)和树干径流(stemflow)中, 而无机态氮则可能被叶片所吸收(Lovett et al., 1984; Boyce et al., 1996)。影响截留降水化学的两种主要机制是: (1)林木表面干沉降物的洗脱(washout); (2)林冠代换作用(canopy exchange), 既植物养分的淋溶和降水中的离子被冠层所吸收(Potter et al., 1991)。无论干、湿沉降, 最终都将参与森林生态系统的养分循环。然而, 要确定大气沉降对森林养分循环的贡献是一项复杂的工作, 因为在整个林冠上很难同时独立测定干、湿沉降这两项指标(Lindberg et al., 1986; Lovett et al., 1996)。因此, 许多学者试图通过对降雨(bulk precipitation), 穿透雨(throughfall)和树干径流(stemflow)化学的分析, 以寻找一条有效解决这一问题的途径, 并取得了显著进展(Potter et al., 1991; Parker, 1983; Beier et al., 1992)。

近十几年来, 随着经济的迅速发展, 我国南方已成为继欧美之后的第3大酸沉降区(王文兴等, 1997)。酸沉降对森林生态系统最重要的影响方面就是加速了林木和林下土壤的养分淋溶, 从而改变了系统的生物地球化学循环(Smith, 1990)。对野外森林降水进行监测是揭示这种影响的有效方法, 但在我国有关这方面的研究报道甚少(曹洪法等, 1989)。本文在对降雨、穿透雨和树干径流进行3年连续定位监测的基础上, 探讨降水通过杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook)人工林后化学成分的变化状况及其季节动态格局, 以及人为污染源对降水化学的影响。

1 监测地点与研究方法 1.1 地点

监测地点位于福建省南平市郊, 属中亚热带季风气候区。年平均气温19.3 ℃, 年平均降水量1664 mm, 其中75 %左右集中于春、夏两季。全年60 %以上的时间为静风天气, 盛行风为东北风, 多年平均风速为1.0 m/s。选择离污染源距离不同的杉木人工林样地建立监测场。离污染源较远的监测场设在福建林学院实验林内, 标记为FFC (118°06′E, 26°33′N), 该林分受人为活动的影响小, 处在最近污染源(西芹造纸厂)的东南方向, 且两者之间被多座山峰所阻隔。而离污染源较近点设在西芹林场, 标记为XQF (118°05′E, 26°34′N), 处在最近污染源的下风方向(西南方向)。两监测场立地和林分特征见表 1。

1.2 研究方法 1.2.1 监测场的设置

两监测场面积均为0.1 hm², 周围都是连续的森林区。林下土壤均为红壤, 母质为花岗片麻岩。场内设置3个穿透雨和3个树干(大、中、小径木)径流收集器, 在监测场附近的空旷地上设立一个降雨(即林外雨)收集器。穿透雨收集器设置在林冠下, 但离最近树干的距离超过50 cm。穿透雨和降雨收集器由口径为30 cm的聚乙烯漏斗和容积为25 L的聚乙烯桶组成, 中间用塑料管连接。漏斗固定在木架上, 离地面距离为1.3 m。树干径流收集方法为:在离地面1.3 m的树干处将树皮小心削平, 但不至伤害形成层, 将聚氨基甲酸乙酯(PU)胶带沿树干缠绕1周, 辅以硅酮胶粘紧, 再用塑料管将径流雨接入塑料桶中。

1.2.2 雨量及其化学成分测定

从1994~1996年整3年期间, 分降雨、穿透雨和树干径流测定每场降雨的雨量, 并用D-14型pH计和ES-14型电导仪分别测定其pH值和电导率(EC)。将每月的第1场降雨取样带回实验室分析其化学成分。其中K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺用AA-670型原子吸收分光光度计测定, NH₄⁺用钠氏试剂光度法测定, SO₄^2-、NO₃^-用Dionex公司2120Ⅰ型离子色谱仪测定。

2 结果与分析 2.1 降水酸度及其季节变化

由图 1可以看出, 降水通过林冠后其酸度发生了明显的改变。穿透雨的pH值仅稍低于降雨, 而树干径流则明显酸化, 其3年的雨量加权平均pH值在FFC和XQF两监测场分别为4.18和3.17 (表 2)。

降雨和穿透雨的pH值在两监测场均表现出相似的季节变化趋势, 其最低值普遍出现在夏季, 最高值在冬季, 但树干径流pH值的季节格局不明显(图 1)。

在XQF监测场, 无论是降雨、穿透雨, 还是树干径流, 其pH值均比相应的FFC监测场低(表 2), 这体现了离污染源的距离对降水化学的影响。西芹林场监测点(即XQF)离最近污染源—西芹造纸厂的距离仅有1 km, 且处在从西芹通往南平市的公路和铁路旁, 而福建林学院实验林监测点(即FFC)离污染源的距离较远(4 km), 从而导致受大气污染的程度不同。

2.2 降水电导率

降水通过森林截留后, 其电导率明显提高(表 2)。穿透雨的平均EC值比降雨增加了1.2倍(FFC)和0.8倍(XQF), 而树干径流的EC值则相应地增加了7.4倍和12.6倍, 这种变化是十分显著的。

在3年的监测期间, 降水EC值始终表现出强烈的季节变化动态, 其月平均值均以夏季最低, 冬季最高, 春秋季居中(图 2)。这种格局明显受到降水量的支配, 即降水量越大, 电导率越低。在夏季月份, 不仅降水量大, 而且降水次数较多。从而使降水溶液稀释, 表现为EC值降低。

2.3 降水的离子组成

森林截留改变了降水的酸度和电导率, 这是由降水中的化学成分发生改变的结果。降水中主要离子的雨量加权平均浓度列于表 3。在穿透雨中大部分离子(包括K⁺, Na⁺, Ca², Mg²⁺, SO₄^2-)都出现了明显的富集现象, 而树干径流中各离子浓度则是降雨中的1.92~202.06倍, 其中最显著的是H⁺。然而穿透雨中的NH₄⁺和NO₃^- (XQF除外)浓度则低于降雨, 表明两者被林冠直接吸收。

由于主要阳离子均显示了相同或相似的季节变化动态, 因此图 3只列出了SO₄^2-、NO₃^-和阳离子总量(K⁺、Na⁺, Ca²⁺、Mg²⁺, NH₄⁺)的季节格局。三者在降雨、穿透雨和树干径流中均显示了与EC值相似的季节格局, 即以夏季最低, 冬季最高, 春秋季居中(图 3)。这种格局同样强烈受降水量的控制, 即夏季降水量大、两次降水事件间隔时间短, 从而造成降水溶液的稀释, 冬季则相反。

电解质溶液的导电过程是通过溶液中所有离子的迁移运动来进行的, 因此电导率是离子浓度高低的反映。其实, 本研究中两监测场降水中所测离子的总浓度和电导率之间存在紧密的线形关系, 达到显著(P < 0.001)或极显著(P < 0.0001)相关水平(表 4)。因此, 可根据降水的电导率来初步估测主要离子的总浓度, 了解降水的养分富集情况。

酸性降水的酸度主要由大气中的SO₂和NO_x经过均相氧化和多相氧化形成的, 在我国则以SO₂为主, 然而本研究中降水酸度与SO₄^2-浓度之间不存在相关性。樊邦棠(1993)也指出, 我国酸雨的SO₄^2-与H⁺之间找不到相关性, 这可能是因为我国SO₂等大气污染物主要来自低价源, 降水酸度主要是在降水冲刷过程中形成的, 这与赵殿伍等(1986)的调查结果是一致的。加上我国大气中颗粒物污染普遍较高, 因此可以认为我国大气中的SO₂主要是通过液相多相氧化形成SO₄^2-。

诸多研究结果表明, 酸性降水的形成不仅取决于水中酸性物质的含量, 而且还取决于碱性物质的含量, 实际降水酸度应是这2类物质相互中和的结果。当降水酸度较低的时候, 其pH值可以用降水中主要阴阳离子的平衡来计算(Oden, 1976)。通常认为降水中的SO₄^2-和NO₃^-是致酸成份(acid-forming components), 而Ca²⁺, Mg²⁺则是碱性成份或中和成份(neutralizing components) (Cogbill et al., 1974; Hornbeck et al., 1976)。本文将降水中的H⁺和酸-碱比R的时间变化动态进行了比较, 结果发现降雨和穿透雨中这两者存在密切的相关性(图 4)。然而, 对于树干径流却不存在这种关系, 这可能是因为树干径流的SO₄^2-含量远远超过了碱性成份的总含量(表 4), 所以其酸度主要受SO₄^2-的控制。比较图 3和图 4可以发现, 树干径流中SO₄^2-和H⁺的时间变化曲线是基本一致的。

3 小结与讨论

降水通过杉木林截留后其酸度和化学性质发生了明显的变化。在两监测场, 穿透雨的pH值仅稍低于降雨, 而树干径流则显著酸化。出现这种情况主要是因为影响穿透雨和树干径流化学的过程和机制是不相同的。前已述及, 穿透雨化学是由林冠表面干沉降的洗脱和林冠代换作用两方面共同作用的结果。在出现酸性沉降的地区, 林冠干沉降的洗脱增加了穿透雨的酸度, 而林冠代换作用是指叶表面交换位(exchange site)上的阳离子被降水溶液中的氢离子所交换, 从而使穿透雨酸度降低(Tukey, 1970; Smith, 1990; Potter et al., 1991; Lovett et al., 1996)。但上述两种作用何者占优势还有待于作进一步的研究。然而, 树干径流是指沿树干流到地表的降水, 接触面主要是非生命的树皮, 因此其化学组成主要决定于干沉降的洗脱。

在穿透雨中大部分离子(包括K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-)都出现了明显的富集现象, 其富集程度在两监测场表现出相似的趋势, 即K⁺ > Mg²⁺ > Ca²或SO₄^2- > Na⁺。然而穿透雨中的NH₄⁺和NO₃^- (XQF除外)浓度则低于降雨, 表明两者被林冠直接吸收。而树干径流中各离子浓度则是降雨中的1.92~202.06倍, 其中最显著的是H⁺。降雨、穿透雨和树干径流中所测离子总浓度与电导率之间存在紧密的线性关系, 由此可根据降水电导率来初步推测主要离子的总浓度。

从上述分析结果可以看出, 杉木林截留降水的一个最显著的特点是树干径流出现了强烈的酸化和养分富集现象, 这可能有两方面的原因引起:①树皮, 尤其是粗糙的树皮为大气污染物提供了良好的接受场所, 树皮酸度被认为是森林污染的合适的生物指示物(bioindicator) (Grodzinska, 1976; Steubing et al., 1982; 樊后保, 1996); ②树干径流量通常较少, 只占降水量的1%~5%, 从而出现溶解污染物的浓缩现象(Price et al., 1997; Wittig, 1986)。但酸化和富集的程度则受诸多因素的影响, 如污染源、树种、气候等。

对于强酸性的树干径流, 其pH值主要受SO₄^2-浓度所控制, 而对于微酸性的降雨和穿透雨, 其pH值则与酸-碱离子浓度比R[R= (SO₄^2-+NO₃^-) / (Ca²⁺+Mg²⁺) ]成正比关系。

降雨和穿透雨pH值表现出一定的季节变化趋势, 其最低月均pH值普遍出现在夏季, 最高值在冬季。而降水电导率则表现出与离子浓度相同的明显的季节变化格局, 两者月均值均以夏季最低, 冬季最高, 春秋季居中, 这种格局强烈受降雨量的控制。