錢塘江源頭不同林分類型的水質效應研究

毛玉明，吳初平，袁位高，張 駿，沈愛華，朱錦茹

（1. 浙江省開化縣林場，浙江 開化 324300；2. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023）

錢塘江源頭不同林分類型的水質效應研究

毛玉明1，吳初平2*，袁位高2，張 駿2，沈愛華2，朱錦茹2

（1. 浙江省開化縣林場，浙江 開化 324300；2. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023）

對錢塘江源頭濕地松林、杉木林、落葉闊葉林、松闊混交林、毛竹林5種森林類型的降水、穿透水、樹干徑流、地表徑流、枯透水和土壤滲透水中的pH值、溶解氧、COD、氨氮和Cl-等水質指標進行了檢測。結果表明：大氣降水透過林冠層后，pH值略微下降，溶解氧含量減小，氨氮、COD和Cl-含量增加；樹冠徑流其pH值、溶解氧比穿透水更低，氨氮、COD和Cl-1含量增加；穿透水和樹干徑流轉化為枯透水后，水中的溶解氧濃度進一步降低，COD和Cl-含量升高，氨氮濃度降低，說明枯落物層對營養元素具有吸附作用；土壤滲透水的各項水質指標均明顯優于大氣降水，說明土壤層是森林生態系統凈化水質的關鍵層；各林分內水中溶解氧含量和 COD含量較為接近，落葉闊葉林和混交林內水分的pH值略高，吸附氨氮和Cl-的能力更高，說明落葉闊葉林和混交林凈水能力更強。

錢塘江；森林生態系統；層次；水質

隨著社會經濟的發展，環境污染日益嚴重，水越來越成為人類的緊缺資源。森林具有涵養水源、保持水土、凈化水質的功能，對于改善生態環境具有重要的作用[1~3]。因此，近二十年來森林與水質關系的研究倍受重視已成為熱點[4]。森林生態系統具有豐富的層次構成，如林冠層、樹干莖、枯枝落葉層及森林土壤等，探討某一或某幾個層次對水質的影響及其機理的研究較多[5~11]，對各層次的水質效應進行較為系統的研究卻相對較少[12]。

錢塘江是浙江省第一大河，干流從西向東貫穿皖南和浙北匯入東海，以北源新安江起算，止于海鹽澉浦-余姚西山閘連線，河長588.73 km（其中安徽境內241.09 km，浙江境內347.64 km）；以南源衢江上游馬金溪起算，止于海鹽澉浦—余姚西山閘連線，河長522.22 km（其中安徽境內24.77 km，浙江境內497.45 km）；流域面積（省內部分）44 014.50 km2[13]。隨著浙江省社會經濟的快速發展，工業化和城市化進程的迅速提高，浙江省錢塘江流域內的水資源供需矛盾日益突出，該流域水源涵養林的建設與水資源環境的改善對于浙江省社會、經濟的發展具有重要的意義。本文通過測定和比較錢塘江源頭5種不同林分類型各層次的水質效應，旨在了解水質在森林生態系統內部的變化情況及其影響水質的關鍵層次，從而為該流域水源涵養林的建設提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于浙江省開化縣，地處錢塘江的源頭，是浙江的“西大門”、重要的生態功能保護區。開化縣屬溫暖濕潤的亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫16.3℃，極端最高氣溫41.3℃，極端最低氣溫-14.2℃，無霜期260 d，年平均降水量1 762.1 mm，年蒸發量1 366.2 mm，年平均相對濕度81%，年日照時數1 785.2 h。

開化縣屬浙西中山丘陵區，山林總面積約19萬hm2，森林覆蓋率達80.4%，位居全國前列，被國家環保總局劃定為“華東地區重要的生態屏障”。開化縣野生生物資源極為豐富，高等植物有244科897屬1 991種，其中有國家一級重點保護植物南方紅豆杉（Taxus chinensis var. mairei）1種，國家二級重點保護植物凹葉厚樸（Magnolia officinalis subsp. biloba）、長序榆（Ulmus elongata）、長柄雙花木（Disanthus cercidifolius var. longipes）等14種。區內還有一些罕見的珍稀瀕危植物群落，如南方紅豆杉、紫莖（Stewartia sinensis）、野含笑（Michelia skinneriana）、長柄雙花木、香果樹（Emmenopterys henryi）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 在開化縣林場選擇濕地松林、杉木林、落葉闊葉林、松闊混交林、毛竹林5種林分類型，各建立1個20 m×20 m（水平距離）的調查樣地并進行常規調查，記錄其坡度、坡向、冠層郁閉度等常規指標，各樣地基本情況見表1。

表1 不同林分類型基本情況Table 1 Basic information of tested forest types

1.2.2 水樣采集 森林降水變化主要監測大氣降水、穿透水、樹干徑流、枯透水、地表徑流和土壤層滲透水。在各樣地內沿水平方向設置自制的采集裝置（100 cm×40 cm×40 cm）采集林冠穿透水；各選取5株標準木，收集樹干莖流；設置5 m×20 m的徑流場收集地表徑流；在枯落物層和土壤深度為20 cm處設置滲透水采集器采集枯透水和土壤層滲透水。水樣采集在雨后進行，共6次，每種水樣約500 mL，現場測定各種水質指標。采用美國得克薩斯州Hydro1ab公司的Datasonde-5多參數水質監測儀，一次測定pH值、溶解氧、氨氮和Cl-等參數，采集水樣的有效監測時間為2 h，用上海歐陸科儀公司生產COD檢測儀器測量化學需氧量。

2 結果與分析

2.1 pH值、溶解氧和化學需氧量（COD）

由圖1可知，大氣降水（無林地的穿透水）經過林冠層后水化學特征發生了明顯改變。不同林分內各種水體的pH值趨勢較為接近，主要表現為地表徑流 > 枯透水 > 土壤滲透水 > 穿透水 > 樹干徑流；落葉闊葉林內樹干徑流和整體的 pH值相對較高。降水通過林冠層后化學特性發生改變的主要原因為：降雨對枝葉、枝條表面塵埃等物質的淋洗過程；降雨對枝葉中元素的淋溶過程；枝葉對降雨中的元素吸收、吸附過程[14~15]。一般降水經過林冠后，pH值減小，酸性增強[16~19]。樹干莖流除了與林冠層進行了化學元素的交換外，又與樹干表面進行了化學元素交換，其 pH 值比穿透雨更低[20~22]，其中松、杉等針葉樹種的酸化能力較強[15,23~25]。本研究同樣顯示樹干徑流的pH值最低，而針葉樹種稀少的落葉闊葉林內樹干徑流和整體的pH值都相對較高。

另外，溶解氧含量不斷下降，表現為穿透水 > 樹干徑流 > 枯透水 > 土壤滲透水 > 地表徑流；COD含量則表現出明顯的升高趨勢，其中枯透水和樹干徑流的含量較高，土壤滲透水的含量最低，該結果與其他研究一致[26]。COD含量表示水體中的還原性物質、有機物、微生物含量的多少，說明樹體與凋落物對降水COD的增加較為明顯，經過土壤后COD含量明顯下降，說明土壤的凈水能力較好。各林分類型比較接近，只有毛竹林的變化相對較低。

圖1 不同林分中森林降水的pH值、溶氧量及COD變化Figure 1 pH, dissolved oxygen and COD of rainfall under different types of forest

2.2 氨氮（NH4+-N）

由圖2可知，降水經過林地后，不同林分類型的穿透水和樹干徑流中NH4+-N含量都表現出明顯的升高趨勢，到達地面形成地表徑流、枯透水和土壤滲透水后呈下降趨勢，整體表現為樹干徑流 > 穿透水 > 降水 > 地表徑流 > 枯透水 > 土壤滲透水。降雨通過林冠層后，穿透水和樹干徑流中 NH4+-N含量增加，說明降雨對林木枝葉中的NH4+-N有淋溶作用。穿透水和樹干徑流落到地面形成地表徑流和枯透水后，NH4+-N含量大幅下降，是因為林地枯枝落葉層起到了過濾吸附作用。土壤滲透水中 NH4+-N含量最小，說明森林土壤有著較大的吸附儲存作用。

比較不同林分類型，發現落葉闊葉林和混交林內各層次的水特別是地表徑流、枯透水和土壤滲透水的NH4+-N含量更小。研究表明枯枝落葉經微生物分解后，NH4+-N逐漸被枯枝落葉所吸收，地表徑流速度越慢，NH4+-N的吸收效果越明顯[27]。相對針葉樹，闊葉樹的枯枝落葉更易分解，其林分的枯落物層也更厚，因此落葉闊葉林和混交林對NH4+-N的吸附效果更好，凈水能力也更高。

2.3 氯離子（Cl-）

圖2 不同林分中森林降水的NH4+-N變化Figure 2 NH4+-N value of rainfall under different types of forest

圖3 不同林分中森林降水的Cl-變化Figure 3 Cl-value of rainfall under different types of forest

由圖3可知，降水經過林地后，不同林分類型各個層次的水中Cl-1含量都表現出明顯的升高趨勢，說明降水經過林冠后對樹干葉面起了淋洗作用。穿透水到達地面，樹干徑流和地表徑流的Cl-1含量依次升高，枯透水濃度達到最高，可能是枯枝落葉經過微生物分解，其中Cl-1再次被水分淋洗出來的緣故。土壤滲透水中Cl-1含量明顯下降，說明森林土壤對Cl-1有較大的吸附作用，從而凈化水質。從林分類型看，闊葉林和混交林土壤吸附Cl-1的能力更高。

3 結論

通過對錢塘江源頭典型森林類型降水在轉換過程中的水質變化規律，以及森林生態系統不同層次對水質的影響分析，結果表明：

（1）大氣降水透過林冠層后，pH值略微下降，水中的養分含量顯著增高，表現為溶解氧含量減小，氨氮、COD和Cl-含量增加。林冠層作為水質影響效應的重要層次之一，其枝葉表面的吸附物是影響水質的關鍵所在。

（2）穿透水以及樹干徑流經地表徑流轉化為枯透水，水中的溶解氧濃度進一步降低，COD和Cl-含量升高，氨氮濃度降低，說明枯落物層對營養元素具有吸附作用。

（3）土壤滲透水的各項水質指標均明顯優于大氣降水，說明土壤層是森林生態系統凈化水質的關鍵層。

（4）各林分內各層次的水中溶解氧含量和COD含量較為接近，其中落葉闊葉林和混交林內水分的pH值略高，吸附氨氮和Cl-的能力更高，說明落葉闊葉林和混交林凈水能力更強。

[1] 陳步峰，周光益，駱土壽，等. 流溪河水源林流域徑流水化學含量及評價[J]. 北京林業大學學報，1998，20（4）：111-117.

[2] 任青山，王景升，張博，等. 藏東南冷杉原始林不同形態水的水質分析[J]. 東北林業大學學報，2002，30（2）：52-30.

[3] 陳步峰，陳勇，尹光天，等. 珠江三角洲城市森林植被生態系統水質效應研究[J]. 林業科學研究，2004，17（4）：453-460.

[4] 施立新，余新曉，馬欽彥. 國內外森林與水質研究綜述[J]. 生態學雜志，2000，19（3）：52-56.

[5] Balestrini R, Tagliaferri A. Atmospheric deposition and canopy exchange process in alpine forest ecosystems (North Italy) [J]. Atmos Environ, 2001, 35（36）：6 421-6 433.

[6] 蔣益民，曾光明，張龔，等. 森林降水化學的變化特征和機理[J]. 環境污染與防治，2003，25（5）：271-276.

[7] Rodrigo A, Vila A, Rod F. The chemistry of precipitation, through fall and stem f low in two holm oak (Quercus ilex L.) forests under a contrasted pollution environment in NE Spain [J]. Sci Total Environ, 2003, 305（1~3）：195-205.

[8] 李德生，張萍，張水龍，等. 黃前庫區經濟林土壤水文效益研究[J]. 水土保持研究，2004，11（1）：141-143.

[9] 張光燦，夏江寶，王貴霞，等. 魯中花崗山區人工林土壤水分物理性質[J]. 水土保持學報，2005，19（6）：44-48.

[10] 王偉，張洪江，李猛，等. 重慶市四面山林地土壤水分入滲特性研究與評價[J]. 水土保持學報，2008，22（4）：95-99.

[11] 許景偉，李傳榮，夏江寶，等. 黃河三角洲不同林分類型的土壤水文特性[J]. 水土保持學報，2009，23（1）：173-176.

[12] 張勝利，李光錄. 秦嶺火地塘森林生態系統不同層次的水質效應[J]. 生態學報，2007，27（5）：1 838-1 844.

[13] 浙江省測繪與地理信息局. 浙江省測繪與地理信息局關于啟用浙江省主要河流長度、流域面積、主要湖泊面積數據的公告[EB/OL]. http://www.zjch.gov.cn/Html/201010/13/6242.html, 2010-10-13.

[14] Potter C, Ragsdale H, Swank W. Atmospheric deposition and foliar leaching in a regenerating southern Appalachian forest canopy [J]. J Ecol, 1991（79）：97-115.

[15] 樊后保. 杉木林截留對降水化學的影響[J]. 林業科學，2000，36（4）：2-8.

[16] 曹洪法，王瑋，高映新，等. 森林冠層對酸雨的反應及其影響[J]. 中國環境科學，1989，9（2）：81-86.

[17] 唐常源，王翌. 濕地松人工林中降雨對養分物質的淋溶影響[J]. 植物生態學與地植物學學報，1992，16（4）：379-383.

[18] 周國逸，小倉紀雄. 酸雨對重慶幾種土壤中元素釋放的影響[J]. 生態學報，1996，16（3）：251-257.

[19] 田大倫，項文化，楊晚華. 第2代杉木林幼林生態系統水化學特征[J]. 生態學報，2002，22（6）：859-865.

[20] 馮宗煒，張家武，陳楚瑩，等. 模擬酸雨對樹木葉片的傷害和樹木抗性的研究[J]. 環境科學，1988，9（5）：30-33.

[21] 程伯容，許廣山，高世東. 森林林冠對酸性降水化學組成的影響[J]. 中國環境科學，1989，9（2）：155-157.

[22] 鄧仕堅，陳楚瑩. 樹冠及葉凋落物對模擬酸雨緩沖能力的初探[J]. 環境科學，1992，13（3）：10-17.

[23] 佐佐朋幸. 盛岡市周辺の代表的森林における林內雨，林外雨，樹幹流の酸性度ならびにその溶存成分［J]. 森林立地，1990，32（2）：43-58.

[24] 松浦陽次郎. 関東地方における林表層土壌のpH低下[J]. 森林立地，1990，32（2）：65-69.

[25] 松浦陽次郎. 樹幹流と土壌の酸性化の実態[J]. 森林立地，1992，34（1）：20-25.

[26] 趙雨森，辛穎，孟琳. 黑龍江省東部山地紅松人工林生態系統水化學特征[J]. 中國生態農業學報，15（3）：1-4.

[27] 李海軍，張毓濤，張新平，等. 天山中部天然云杉森林生態系統降水過程中的水質變化[J]. 生態學報，2010，30（18）：4 828-4 838.

Study on Effect of Different Forest Type on Water Quality at The Source of Qiantang River

MAO Yu-ming1，WU Chu-ping2*，YUAN Wei-gao2，ZHANG Jun2，SHEN Ai-hua2，ZHU Jin-ru2
（1. Kaihua Forest Farm of Zhejiang, Kaihua 324300, China; 2. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China）

The rainfall, through fall, stem flow, runoff, litter through and soil infiltration water was sampled in forest of slash pine, Chinese fir, deciduous broad-leaf forest, pine-broad-leaf forest and bamboo stand at the source of Qiantang River(Kaihua county of Zhejiang province), and the water quality indicators such as pH, dissolved oxygen, COD, ammonia nitrogen and Cl-were detected. The results showed that by the order of the rainfall, through fall, stem flow, runoff, litter through and oil infiltration water, the pH value decreased slightly and the content of dissolved oxygen reduced, with an increasing of ammonia nitrogen, COD and Cl-. Soil infiltration water had significantly better quality than others. The dissolved oxygen content and COD content was similar under different forest. Deciduous broad-leaved forest and mixed forest had higher water pH value, indicating that the deciduous broad-leaved forest and mixed forest had better water purification capacity.

Qiantang River; forest ecosystem; layers; water quality

S718.51

A

1001-3776（2013）05-0031-04

2013-05-20；

2013-08-17

毛玉明（1965-），男，浙江衢州人，高級工程師，從事森林培育工作。