大興安嶺北部漠河地區(qū)森林植被變化對河流水質(zhì)的影響

大興安嶺北部漠河地區(qū)森林植被變化對河流水質(zhì)的影響

森林可以改變水質(zhì)，維持生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)。森林對水質(zhì)的影響主要包括兩方面:一是森林本身對天然降水中某些化學(xué)成分的吸收和溶濾作用,使天然降水中化學(xué)成分的組成和含量發(fā)生變化;二是森林變化對河流水質(zhì)的影響。我國自20世紀60年代開展森林水文生態(tài)作用的集水區(qū)研究以來,重點主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)本身的營養(yǎng)元素循環(huán)上,全國各地關(guān)于森林對天然降水化學(xué)成分的作用研究已比較全面且成熟,而有關(guān)森林植被變化對溪流、水庫水質(zhì)的影響研究較少,近年來僅熱帶、亞熱帶地區(qū)有一些研究。大興安嶺是我國重要的林業(yè)基地之一,擁有我國唯一的典型寒溫帶明亮針葉林,其森林植被在涵養(yǎng)水源和凈化水質(zhì)方面有著不可估量的作用。該區(qū)域森林水文的相關(guān)研究也多集中在不同類型的森林生態(tài)系統(tǒng)對天然降水中化學(xué)成分的作用以及水源涵養(yǎng)功能方面,有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)對河川徑流及溪流水質(zhì)的影響大都局限于以大尺度水文資料為根據(jù)的理論分析,而森林植被變化對森林小流域溪流水質(zhì)的影響研究尚處于空缺狀態(tài),本文對大興安嶺北部漠河地區(qū)森林小流域溪流水化學(xué)特征進行初步研究,可為深入研究森林植被變化對溪流水質(zhì)的影響以及分析未來大興安嶺植被變化對水文過程的影響提供基礎(chǔ)資料。1材料和方法1.1構(gòu)建煤-林-土混合式水土流源區(qū)研究區(qū)設(shè)在黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,屬漠河林場施業(yè)區(qū)范圍。漠河林場地處大興安嶺北坡,地形以低山丘陵為主,坡度平緩,多在12°~25°之間。橫貫境內(nèi)的主脈老爺嶺海拔290~740m,將該區(qū)域分為兩部分。老爺嶺北麓注入黑龍江的河流有老爺嶺河、頭道河、二道河和大馬場河等。老爺嶺南麓為老溝河,其支流較多,如小北溝、八里房河等。該區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫-4.9℃,年降水量350~500mm,多集中于7-8月份。土壤以棕色針葉林土為主。森林植被系歐亞大陸寒溫帶明亮針葉林,主要喬木樹種有興安落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等。1.2降雨樣品測定以橫貫?zāi)恿謭龅睦蠣攷X為界,選擇老爺嶺北麓的大馬場和老爺嶺2個小流域,南麓的八里房、老溝林場和小北溝3個小流域為研究對象,流域特征見表1。由于研究區(qū)地處寒溫帶,春季解凍晚,氣溫回升也比較遲緩,因此,水樣采集主要集中在2012年7-10月。同時在取樣點附近的開闊地帶設(shè)置直徑Φ=200mm降雨桶收集降雨。常規(guī)采樣為每月3次,即每月的5,15,25日采集水樣。參照中華人民共和國國家環(huán)境保護標準HJ493-2009《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》,對水樣pH和TDS值進行現(xiàn)場測定,之后將水樣用0.45μm濾膜過濾,然后冷凍保存待用。用Metrohm833離子色譜儀測定水樣中F-、Cl-、Br-、NO3-、PO43-、SO42-等陰離子濃度,用THERMOFISHERICE3500原子吸收儀測定水樣中K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cu2+、Fe、Mn、Zn2+、Pb2+等陽離子及金屬元素濃度。用Excel2007和SPSS18.0進行數(shù)據(jù)分析。2結(jié)果與分析2.1森林流域ph值變化測量數(shù)據(jù)顯示,所有取樣點的溪流水均呈弱堿性,pH值變化范圍為7.17~8.20(圖1),各溪流平均pH值無顯著差異(P>0.05),最大值7.87,最小值7.66,二者僅相差2.67%。該區(qū)域的降水呈弱酸性至中性,pH值變化范圍為6.21~7.41。有研究表明,大氣降水在經(jīng)過樟子松、興安落葉松等針葉樹種時,有明顯的酸化趨勢,但本區(qū)森林流域溪流pH值卻略有增加。研究區(qū)的地帶性土壤為棕色針葉林土,屬酸性土壤,而溪流水pH值高于降水的直接原因可能是植被中的闊葉樹種對降水中的酸性物質(zhì)有一定的緩沖作用,或者枯枝落葉層對降水中的酸性物質(zhì)有一定的緩沖作用,也有可能是河床中堿性巖石的風(fēng)化或溶解所致。由圖1可見,大馬場、老溝林場和老爺嶺溪流pH值變化趨勢較為一致,7月至8月中旬,pH值呈波動式上升趨勢,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值穩(wěn)步上升,10月上旬,大馬場溪流pH值繼續(xù)上升,老溝林場和老爺嶺溪流則略微下降。小北溝溪流pH值在7月份呈上升趨勢,8月和9月波動式下降,10月上旬再次升高。八里房溪流pH值則是7月至9月上旬、9月中旬至10月上旬出現(xiàn)2次較為規(guī)則的先上升后下降的變化趨勢?？傮w而言,5條森林溪流的pH值較為穩(wěn)定,變幅較小,變異系數(shù)僅2.03%~4.46%。2.2原代地區(qū)流域tds比較總硬度和礦化度都是衡量水質(zhì)的重要指標。以TDS表征各溪流水的礦化度,各流域的平均總硬度和平均礦化度變化規(guī)律一致,從大到小依次為Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅲ,這與樂嘉祥等的研究結(jié)果相一致。根據(jù)我國地表水硬度分類,研究區(qū)不同森林流域溪流水多為極軟水,平均總硬度在35.33~64.41mg/L之間,這與李曉濤等的調(diào)查結(jié)果相符。僅大馬場河為適度硬水,平均總硬度高達167.49mg/L,比最低的八里房溪流高出3.74倍,比第二高的老溝林場溪流也還高出1.60倍。硬度對于評價生活用水與工業(yè)用水都很有意義,小北溝、八里房、老溝林場、老爺嶺4個小流域的溪流水硬度過低,雖符合GB5749-85《生活飲用水衛(wèi)生標準》,但長期飲用可能會導(dǎo)致人體缺鈣。各溪流水的TDS值變化范圍為49~221mg/L,屬極低礦化度水和低礦化度水。由圖2可知,各流域溪流TDS變化趨勢較為相似,從7月至8月中旬呈波動式上升,且均在8月15日達到峰值,8月下旬有所下降,9月至10月上旬保持相對穩(wěn)定。但各流域間溪流TDS差異較為明顯,除老溝林場和老爺嶺溪流含量相當,其余各溪流間TDS均呈極顯著差異(P<0.01),差異范圍為0.25~2.37倍。其中,又以大馬場溪流與其他溪流的差異最明顯,其TDS平均值高達195mg/L,比最低的八里房溪流高2.36倍,與第二高的老溝林場溪流還相差1.03倍?？傮w而言,針葉樹比例大的流域溪流總硬度和礦化度的變化幅度要大于針葉樹比例小的流域。2.3不同流域的河流水回用改造與總離子含量各流域溪流水中均含有F-、Cl-、NO3-、SO42-等陰離子,不含Br-和PO43-,其中以SO42-為主,F-、Cl-、NO3-含量較小,且含量相差不大。如圖3所示,各流域溪流SO42-含量差異顯著(P<0.05),差異范圍為0.25~5.48倍,平均濃度大小排序為Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅲ。經(jīng)Pearson相關(guān)性分析檢驗,大馬場溪流與小北溝溪流的SO42-濃度呈正相關(guān),變化趨勢相似,7月份SO42-濃度由高到低,持續(xù)下降,8月上旬至中旬,SO42-濃度升高,8月下旬再次降低,9月至10月上旬趨于穩(wěn)定,變幅較小。八里房溪流和老溝林場溪流的SO42-濃度變化較為平緩,含量相對穩(wěn)定。老爺嶺溪流的SO42-濃度在7,8月份先升高后降低,9月至10月上旬,SO42-濃度回升后趨于穩(wěn)定。各流域溪流水中NO3-濃度雖各不相同,但均呈現(xiàn)出較一致的規(guī)律,即以8月25日為分界點,7月5日-8月25日各流域溪流NO3-濃度呈明顯波動式降低,最大變幅0.11~1.41mg/L,但8月25日之后,NO3-濃度降到相對較低水平,且變化幅度減小,個別流域甚至檢測不到NO3-的存在。總體而言,老爺嶺北麓的流域溪流NO3-含量要高于南麓的流域。研究區(qū)5個森林流域溪流水Cl-濃度無顯著差異(P>0.05),各自變化,無明顯規(guī)律。F-含量除大馬場溪流顯著低于其他流域(P<0.05),其余4個流域無顯著差異(P>0.05),且各流域變幅相對較小,變異系數(shù)僅8.87%~14.97%?？傮w而言,針葉樹比例大的流域溪流Cl-和F-含量的變化幅度要大于針葉樹比例小的流域。研究區(qū)5個森林流域溪流水的主要陰離子含量均符合GB5749-85《生活飲用水衛(wèi)生標準》,并滿足GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅰ類水質(zhì)要求。各流域溪流中的主要陽離子包括K+、Ca2+、Na+、Mg2+,其大小排序在不同流域略有不同,大馬場溪流表現(xiàn)為Mg2+>Ca2+>Na++K+,小北溝、八里房、老溝林場和老爺嶺溪流表現(xiàn)為Ca2+>Mg2+>Na++K+。由圖3可以看出,大馬場溪流的Ca2+、Mg2+含量與其他流域相比差異顯著(P<0.05),且月際變化十分明顯,在觀測期間,2種離子的含量均以月為周期,先上升至一個較高水平,后下降至一個較低水平,從整體上看,則呈現(xiàn)出7月Ca2+、Mg2+含量從一個較高水平驟降,8月至10月上旬又呈波動式上升的變化趨勢。其他流域溪流的Ca2+、Mg2+含量平均水平差異不顯著(P>0.05),這與總硬度的結(jié)果一致。且小北溝和老溝林場溪流的Ca2+、Mg2+含量都呈正相關(guān),說明大馬場、小北溝、老溝林場3個小流域溪流水中的Ca2+、Mg2+離子可能具有相同的來源?？傮w而言,針葉樹比例大的流域溪流Ca2+和Mg2+含量要高于針葉樹比例小的流域。各流域溪流中Na+含量平均值在7.13~7.78mg/L之間,結(jié)合圖3可以看出,Na+含量在各流域中十分穩(wěn)定,且無顯著差異(P>0.05),溪流中Na+含量與雨水中的Na+含量接近,變化趨勢也極其相似,可能是因為雨水是溪流中Na+的主要來源,或者說明Na+在該區(qū)域森林植被中的輸入和輸出保持相對平衡,故降雨流經(jīng)森林植被最終形成地表徑流的過程中,Na+含量變化不大。各流域溪流中K+含量最小,平均值變化在0.23~0.63mg/L之間,其中,大馬場溪流最高,八里房溪流最低,二者相差1.74倍。但八里房溪流K+含量的波動性卻最強,其變異系數(shù)高達46.25%,大馬場溪流僅27.60%。總體而言,老爺嶺北麓的流域溪流K+含量要高于南麓的流域。2.4流域中fe含量情況通過對5個森林流域溪流水化學(xué)的測定,各溪流都不同程度地含有微量元素Fe、Mn、Zn2+、Pb2+,但很少檢測到Cu2+。各溪流中Fe、Mn平均值大小排序均表現(xiàn)為Ⅳ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ。由圖4可知,各溪流Fe含量有著較為相似的變化規(guī)律,7月至8月中旬,Fe含量較低,波動較小,而8月下旬至10月上旬,多數(shù)溪流Fe含量升高且變化幅度增大,波動較為劇烈。各流域溪流水中Fe平均含量均符合GB5749-85《生活飲用水衛(wèi)生標準》,但8月25日之后,老溝林場和小北溝溪流出現(xiàn)Fe含量超標現(xiàn)象,可能是這期間的勘探活動造成了一定的影響。小北溝和老溝林場溪流中Mn含量波動較為劇烈,7月和8月均以月為周期呈現(xiàn)出先上升后下降的變化規(guī)律,9月份小北溝溪流的Mn含量持續(xù)上升,10月上旬再次下降,而老溝林場溪流中Mn含量在9月上旬至中旬繼續(xù)下降,9月下旬至10月上旬持續(xù)上升。大馬場、老爺嶺、八里房溪流的變化規(guī)律較為一致,7月至8月中旬波動上升至最高點,8月下旬至9月連續(xù)下降,觀測后期甚至檢測不到Mn元素的存在。各流域溪流水中Mn含量均符合GB5749-85《生活飲用水衛(wèi)生標準》。Zn2+、Pb2+含量極少,平均含量分別為3.85~7.16μg/L和3.14~9.58μg/L,且各溪流之間無顯著差異(P>0.05),平均含量均符合GB5749-85《生活飲用水衛(wèi)生標準》,并滿足GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅰ類水質(zhì)要求。總體而言,老爺嶺北麓的流域溪流Fe和Mn含量要低于南麓的流域,但老爺嶺北麓流域溪流Pb2+和Mn含量的變幅則大于南麓的流域,針葉樹比例大的流域溪流Fe含量的變幅要大于針葉樹比例小的流域。2.5河流主要離子的淋溶遷移特性溪水是降水通過生態(tài)系統(tǒng)立體空間多層次再分配后的地面輸出水,其化學(xué)成分變化是復(fù)雜的。如以溪水的元素輸出含量與降水的元素輸入含量之比值(遷移系數(shù))等于1,或輸出含量與輸入含量之差(遷移量)等于0,為平衡界限,若小于臨界值,則溪流中的化學(xué)成分相對于雨水為內(nèi)貯型,即輸入含量有部分在系統(tǒng)內(nèi)吸收貯存,若大于臨界值,則為淋失型,即降水在通過系統(tǒng)的過程當中經(jīng)過淋溶作用增加了化學(xué)成分的含量,使輸出含量大于輸入含量。各流域溪流主要離子相對雨水濃度的遷移量和遷移系數(shù)見表2。除八里房溪流中K+表現(xiàn)為內(nèi)貯型外,主要離子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-、F-以及微量元素Fe在各流域中的遷移量均為正值,表現(xiàn)為淋失型,說明雨水對植物、凋落物和土壤表層具有較強的淋溶作用。其中,Mg2+的淋溶遷移變化最為明顯,遷移系數(shù)高達12.10~87.62,Na+的淋溶遷移變化最小,且各流域間的遷移水平差別不大,遷移系數(shù)僅1.05~1.15,這與上述分析結(jié)果一致。Fe的淋溶遷移變化在流域之間差別較大,以老爺嶺為界,北麓小流域Fe的遷移系數(shù)較小,分別為2.84和2.70,而南麓的3個小流域Fe的遷移系數(shù)則較大,分別為14.23,45.68和43.36。Cl-、NO3-、Zn2+、Pb2+在各流域中的遷移量為負值,表現(xiàn)為內(nèi)貯型,說明森林生態(tài)系統(tǒng)對這些成分具有吸收和吸附作用,但從遷移系數(shù)可以看出,這種吸收和吸附作用并不十分強烈。Mn元素在Ⅰ~Ⅲ中為內(nèi)貯型,在Ⅳ和Ⅴ中為淋