大兴安岭北部漠河地区森林植被变化对河流水质的影响

大兴安岭北部漠河地区森林植被变化对河流水质的影响

森林可以改变水质，维持生态系统的养分循环。森林对水质的影响主要包括两方面:一是森林本身对天然降水中某些化学成分的吸收和溶滤作用,使天然降水中化学成分的组成和含量发生变化;二是森林变化对河流水质的影响。我国自20世纪60年代开展森林水文生态作用的集水区研究以来,重点主要集中在森林生态系统本身的营养元素循环上,全国各地关于森林对天然降水化学成分的作用研究已比较全面且成熟,而有关森林植被变化对溪流、水库水质的影响研究较少,近年来仅热带、亚热带地区有一些研究。大兴安岭是我国重要的林业基地之一,拥有我国唯一的典型寒温带明亮针叶林,其森林植被在涵养水源和净化水质方面有着不可估量的作用。该区域森林水文的相关研究也多集中在不同类型的森林生态系统对天然降水中化学成分的作用以及水源涵养功能方面,有关森林生态系统对河川径流及溪流水质的影响大都局限于以大尺度水文资料为根据的理论分析,而森林植被变化对森林小流域溪流水质的影响研究尚处于空缺状态,本文对大兴安岭北部漠河地区森林小流域溪流水化学特征进行初步研究,可为深入研究森林植被变化对溪流水质的影响以及分析未来大兴安岭植被变化对水文过程的影响提供基础资料。1材料和方法1.1构建煤-林-土混合式水土流源区研究区设在黑龙江漠河森林生态系统定位研究站,属漠河林场施业区范围。漠河林场地处大兴安岭北坡,地形以低山丘陵为主,坡度平缓,多在12°~25°之间。横贯境内的主脉老爷岭海拔290~740m,将该区域分为两部分。老爷岭北麓注入黑龙江的河流有老爷岭河、头道河、二道河和大马场河等。老爷岭南麓为老沟河,其支流较多,如小北沟、八里房河等。该区属寒温带大陆性季风气候,年平均气温-4.9℃,年降水量350~500mm,多集中于7-8月份。土壤以棕色针叶林土为主。森林植被系欧亚大陆寒温带明亮针叶林,主要乔木树种有兴安落叶松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)等。1.2降雨样品测定以横贯漠河林场的老爷岭为界,选择老爷岭北麓的大马场和老爷岭2个小流域,南麓的八里房、老沟林场和小北沟3个小流域为研究对象,流域特征见表1。由于研究区地处寒温带,春季解冻晚,气温回升也比较迟缓,因此,水样采集主要集中在2012年7-10月。同时在取样点附近的开阔地带设置直径Φ=200mm降雨桶收集降雨。常规采样为每月3次,即每月的5,15,25日采集水样。参照中华人民共和国国家环境保护标准HJ493-2009《水质样品的保存和管理技术规定》,对水样pH和TDS值进行现场测定,之后将水样用0.45μm滤膜过滤,然后冷冻保存待用。用Metrohm833离子色谱仪测定水样中F-、Cl-、Br-、NO3-、PO43-、SO42-等阴离子浓度,用THERMOFISHERICE3500原子吸收仪测定水样中K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cu2+、Fe、Mn、Zn2+、Pb2+等阳离子及金属元素浓度。用Excel2007和SPSS18.0进行数据分析。2结果与分析2.1森林流域ph值变化测量数据显示,所有取样点的溪流水均呈弱碱性,pH值变化范围为7.17~8.20(图1),各溪流平均pH值无显著差异(P>0.05),最大值7.87,最小值7.66,二者仅相差2.67%。该区域的降水呈弱酸性至中性,pH值变化范围为6.21~7.41。有研究表明,大气降水在经过樟子松、兴安落叶松等针叶树种时,有明显的酸化趋势,但本区森林流域溪流pH值却略有增加。研究区的地带性土壤为棕色针叶林土,属酸性土壤,而溪流水pH值高于降水的直接原因可能是植被中的阔叶树种对降水中的酸性物质有一定的缓冲作用,或者枯枝落叶层对降水中的酸性物质有一定的缓冲作用,也有可能是河床中碱性岩石的风化或溶解所致。由图1可见,大马场、老沟林场和老爷岭溪流pH值变化趋势较为一致,7月至8月中旬,pH值呈波动式上升趋势,8月下旬至9月上旬,pH值有所下降,9月中旬至9月下旬,pH值稳步上升,10月上旬,大马场溪流pH值继续上升,老沟林场和老爷岭溪流则略微下降。小北沟溪流pH值在7月份呈上升趋势,8月和9月波动式下降,10月上旬再次升高。八里房溪流pH值则是7月至9月上旬、9月中旬至10月上旬出现2次较为规则的先上升后下降的变化趋势。总体而言,5条森林溪流的pH值较为稳定,变幅较小,变异系数仅2.03%~4.46%。2.2原代地区流域tds比较总硬度和矿化度都是衡量水质的重要指标。以TDS表征各溪流水的矿化度,各流域的平均总硬度和平均矿化度变化规律一致,从大到小依次为Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅲ,这与乐嘉祥等的研究结果相一致。根据我国地表水硬度分类,研究区不同森林流域溪流水多为极软水,平均总硬度在35.33~64.41mg/L之间,这与李晓涛等的调查结果相符。仅大马场河为适度硬水,平均总硬度高达167.49mg/L,比最低的八里房溪流高出3.74倍,比第二高的老沟林场溪流也还高出1.60倍。硬度对于评价生活用水与工业用水都很有意义,小北沟、八里房、老沟林场、老爷岭4个小流域的溪流水硬度过低,虽符合GB5749-85《生活饮用水卫生标准》,但长期饮用可能会导致人体缺钙。各溪流水的TDS值变化范围为49~221mg/L,属极低矿化度水和低矿化度水。由图2可知,各流域溪流TDS变化趋势较为相似,从7月至8月中旬呈波动式上升,且均在8月15日达到峰值,8月下旬有所下降,9月至10月上旬保持相对稳定。但各流域间溪流TDS差异较为明显,除老沟林场和老爷岭溪流含量相当,其余各溪流间TDS均呈极显著差异(P<0.01),差异范围为0.25~2.37倍。其中,又以大马场溪流与其他溪流的差异最明显,其TDS平均值高达195mg/L,比最低的八里房溪流高2.36倍,与第二高的老沟林场溪流还相差1.03倍。总体而言,针叶树比例大的流域溪流总硬度和矿化度的变化幅度要大于针叶树比例小的流域。2.3不同流域的河流水回用改造与总离子含量各流域溪流水中均含有F-、Cl-、NO3-、SO42-等阴离子,不含Br-和PO43-,其中以SO42-为主,F-、Cl-、NO3-含量较小,且含量相差不大。如图3所示,各流域溪流SO42-含量差异显著(P<0.05),差异范围为0.25~5.48倍,平均浓度大小排序为Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ。经Pearson相关性分析检验,大马场溪流与小北沟溪流的SO42-浓度呈正相关,变化趋势相似,7月份SO42-浓度由高到低,持续下降,8月上旬至中旬,SO42-浓度升高,8月下旬再次降低,9月至10月上旬趋于稳定,变幅较小。八里房溪流和老沟林场溪流的SO42-浓度变化较为平缓,含量相对稳定。老爷岭溪流的SO42-浓度在7,8月份先升高后降低,9月至10月上旬,SO42-浓度回升后趋于稳定。各流域溪流水中NO3-浓度虽各不相同,但均呈现出较一致的规律,即以8月25日为分界点,7月5日-8月25日各流域溪流NO3-浓度呈明显波动式降低,最大变幅0.11~1.41mg/L,但8月25日之后,NO3-浓度降到相对较低水平,且变化幅度减小,个别流域甚至检测不到NO3-的存在。总体而言,老爷岭北麓的流域溪流NO3-含量要高于南麓的流域。研究区5个森林流域溪流水Cl-浓度无显著差异(P>0.05),各自变化,无明显规律。F-含量除大马场溪流显著低于其他流域(P<0.05),其余4个流域无显著差异(P>0.05),且各流域变幅相对较小,变异系数仅8.87%~14.97%。总体而言,针叶树比例大的流域溪流Cl-和F-含量的变化幅度要大于针叶树比例小的流域。研究区5个森林流域溪流水的主要阴离子含量均符合GB5749-85《生活饮用水卫生标准》,并满足GB3838-2002《地表水环境质量标准》中Ⅰ类水质要求。各流域溪流中的主要阳离子包括K+、Ca2+、Na+、Mg2+,其大小排序在不同流域略有不同,大马场溪流表现为Mg2+>Ca2+>Na++K+,小北沟、八里房、老沟林场和老爷岭溪流表现为Ca2+>Mg2+>Na++K+。由图3可以看出,大马场溪流的Ca2+、Mg2+含量与其他流域相比差异显著(P<0.05),且月际变化十分明显,在观测期间,2种离子的含量均以月为周期,先上升至一个较高水平,后下降至一个较低水平,从整体上看,则呈现出7月Ca2+、Mg2+含量从一个较高水平骤降,8月至10月上旬又呈波动式上升的变化趋势。其他流域溪流的Ca2+、Mg2+含量平均水平差异不显著(P>0.05),这与总硬度的结果一致。且小北沟和老沟林场溪流的Ca2+、Mg2+含量都呈正相关,说明大马场、小北沟、老沟林场3个小流域溪流水中的Ca2+、Mg2+离子可能具有相同的来源。总体而言,针叶树比例大的流域溪流Ca2+和Mg2+含量要高于针叶树比例小的流域。各流域溪流中Na+含量平均值在7.13~7.78mg/L之间,结合图3可以看出,Na+含量在各流域中十分稳定,且无显著差异(P>0.05),溪流中Na+含量与雨水中的Na+含量接近,变化趋势也极其相似,可能是因为雨水是溪流中Na+的主要来源,或者说明Na+在该区域森林植被中的输入和输出保持相对平衡,故降雨流经森林植被最终形成地表径流的过程中,Na+含量变化不大。各流域溪流中K+含量最小,平均值变化在0.23~0.63mg/L之间,其中,大马场溪流最高,八里房溪流最低,二者相差1.74倍。但八里房溪流K+含量的波动性却最强,其变异系数高达46.25%,大马场溪流仅27.60%。总体而言,老爷岭北麓的流域溪流K+含量要高于南麓的流域。2.4流域中fe含量情况通过对5个森林流域溪流水化学的测定,各溪流都不同程度地含有微量元素Fe、Mn、Zn2+、Pb2+,但很少检测到Cu2+。各溪流中Fe、Mn平均值大小排序均表现为Ⅳ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ。由图4可知,各溪流Fe含量有着较为相似的变化规律,7月至8月中旬,Fe含量较低,波动较小,而8月下旬至10月上旬,多数溪流Fe含量升高且变化幅度增大,波动较为剧烈。各流域溪流水中Fe平均含量均符合GB5749-85《生活饮用水卫生标准》,但8月25日之后,老沟林场和小北沟溪流出现Fe含量超标现象,可能是这期间的勘探活动造成了一定的影响。小北沟和老沟林场溪流中Mn含量波动较为剧烈,7月和8月均以月为周期呈现出先上升后下降的变化规律,9月份小北沟溪流的Mn含量持续上升,10月上旬再次下降,而老沟林场溪流中Mn含量在9月上旬至中旬继续下降,9月下旬至10月上旬持续上升。大马场、老爷岭、八里房溪流的变化规律较为一致,7月至8月中旬波动上升至最高点,8月下旬至9月连续下降,观测后期甚至检测不到Mn元素的存在。各流域溪流水中Mn含量均符合GB5749-85《生活饮用水卫生标准》。Zn2+、Pb2+含量极少,平均含量分别为3.85~7.16μg/L和3.14~9.58μg/L,且各溪流之间无显著差异(P>0.05),平均含量均符合GB5749-85《生活饮用水卫生标准》,并满足GB3838-2002《地表水环境质量标准》中Ⅰ类水质要求。总体而言,老爷岭北麓的流域溪流Fe和Mn含量要低于南麓的流域,但老爷岭北麓流域溪流Pb2+和Mn含量的变幅则大于南麓的流域,针叶树比例大的流域溪流Fe含量的变幅要大于针叶树比例小的流域。2.5河流主要离子的淋溶迁移特性溪水是降水通过生态系统立体空间多层次再分配后的地面输出水,其化学成分变化是复杂的。如以溪水的元素输出含量与降水的元素输入含量之比值(迁移系数)等于1,或输出含量与输入含量之差(迁移量)等于0,为平衡界限,若小于临界值,则溪流中的化学成分相对于雨水为内贮型,即输入含量有部分在系统内吸收贮存,若大于临界值,则为淋失型,即降水在通过系统的过程当中经过淋溶作用增加了化学成分的含量,使输出含量大于输入含量。各流域溪流主要离子相对雨水浓度的迁移量和迁移系数见表2。除八里房溪流中K+表现为内贮型外,主要离子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-、F-以及微量元素Fe在各流域中的迁移量均为正值,表现为淋失型,说明雨水对植物、凋落物和土壤表层具有较强的淋溶作用。其中,Mg2+的淋溶迁移变化最为明显,迁移系数高达12.10~87.62,Na+的淋溶迁移变化最小,且各流域间的迁移水平差别不大,迁移系数仅1.05~1.15,这与上述分析结果一致。Fe的淋溶迁移变化在流域之间差别较大,以老爷岭为界,北麓小流域Fe的迁移系数较小,分别为2.84和2.70,而南麓的3个小流域Fe的迁移系数则较大,分别为14.23,45.68和43.36。Cl-、NO3-、Zn2+、Pb2+在各流域中的迁移量为负值,表现为内贮型,说明森林生态系统对这些成分具有吸收和吸附作用,但从迁移系数可以看出,这种吸收和吸附作用并不十分强烈。Mn元素在Ⅰ~Ⅲ中为内贮型,在Ⅳ和Ⅴ中为淋