全 文 ：第 36 卷第 1 期
2016年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.36,No.1
Jan.,2016
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2013CB430000);国家自然科学基金项目(41103040);教育部中央基本科研业务费重点项目
项目(XDJK2013B044)
收稿日期:2014鄄07鄄09; 摇 摇 网络出版日期:2015鄄07鄄02
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: dywang@ swu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201407091406
孙涛,马明,王定勇.中亚热带典型森林生态系统对降水中铅镉的截留特征.生态学报,2016,36(1):218鄄225.
Sun T, Ma M, Wang D Y. Interceptive characteristics of lead and cadmium in a representative forest ecosystem in mid鄄subtropical area in China. Acta
Ecologica Sinica,2016,36(1):218鄄225.
中亚热带典型森林生态系统对降水中铅镉的截留特征
孙摇 涛1,马摇 明1,王定勇1,2,*
1 西南大学资源环境学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆摇 400715
2 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆摇 400716
摘要:实验于 2012年 9月到 2013年 8月期间,在重庆市江津四面山对常绿阔叶林生态系统大气降水、林内降水、枯透水及土壤
渗滤液中的铅(Pb)和镉(Cd)进行了持续一年的动态变化特征的研究。 结果表明:研究期间,大气降水中 Pb和 Cd的质量浓度
分别为(22.92 依 13.57)滋g / L、(2.82 依 1.46)滋g / L,月均沉降量分别为(3.06 依 2.74)mg / m2、(0.32 依 0.27)mg / m2,该林区降水受
到轻度的 Pb污染,但并未受到 Cd污染;该林区重金属 Pb和 Cd的主要污染源为大气沉降,林区中常绿阔叶林对重金属 Pb 和
Cd有很好的截留净化作用,总截留系数高达 98.52%和 99.09%,经过该系统各层次的净化后,重金属 Pb和 Cd含量均符合国家
地面水环境质量标准(GB3838鄄88)的玉类水质标准;其中,林冠层的截留能力最强,对 Pb 和 Cd 的截留系数分别为 91.67%和
86.84%,枯落物层次之,分别为 67.86%和 79.74%;土壤层对 Pb和 Cd的截留特征截然相反,土壤层对 Pb的解吸量大于吸附量,
导致渗滤液中 Pb的平均质量浓度相对枯透水升高。
关键词:铅和镉;常绿阔叶林;森林水文;森林生态系统
Interceptive characteristics of lead and cadmium in a representative forest
ecosystem in mid鄄subtropical area in China
SUN Tao1, MA Ming1, WANG Dingyong1,2,*
1 College of Resources and Environment, Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region忆 s Eco鄄Environment (Ministry of Education), Southwest
University, Chongqing 400715, China
2 Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Chongqing 400716, China
Abstract: Previous studies have indicated that forests have the ability to purify rainwater; rainwater gets filtered as it passes
through various forest layers (such as canopy and litter) before entering the surface water, and this filtered rainwater get
further purified by the soil layers during its transportation to the ground water. This combination of the forest and soil layers
usually contribute to the maximum hydrological functions of forest ecosystems. Heavy metals in the atmosphere combine with
rainwater and enter the surface water; this water is intercepted by the canopy, litter, and soil during precipitation, and
consequently the rainwater is purified. The southwest region including Chongqing, Sichuan, Guizhou, Yunnan and Xizang
is the second largest district in China with a high forest coverage rate (95.41%); the annual rainfall here ranges from 900
mm to 1522 mm. The Luosi Mountain (altitude: 1440m) in Simian Mountain is a representative area of the southwest region
with high forest coverage (canopy density: 0.91); this is an appropriate site to study the purification of heavy metals by
forests. Two common harmful heavy metals, lead (Pb) and cadmium (Cd), mainly released from industrial waste gases
and automobile exhaust, were chosen to analyze their dynamic characteristics in the evergreen broad鄄leaved forest, a typical
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subtropical forest ecosystem in Simian Mountain. In addition, the interception abilities of different ecosystems for Pb and Cd
were also compared. Precipitation, forest precipitation ( throughfall and dropping off), litterfall, and soil leachate of the
evergreen broad-leaved forest in Simian Mountain were investigated from September 2012 to August 2013, with sampling
being conducted twice a month. The results showed that: 1) during the study period, the concentrations of Pb (22.92依
13.57)滋g / L and Cd (2.82依1.46)滋g / L in the precipitation were respectively, and the monthly average deposition fluxes of
Pb and Cd were (3.06依2.74) mg / m2 and (0.32依0.27) mg / m2 higher, respectively than those in other regions, such as
Tangshan in China, New Jersey in USA, and North Sea in Belgium. Rain water in this forest was to some extent polluted by
Pb, with the concentration of Pb in the precipitation meeting the third water quality standard of the Quality Criteria of
Ground Surface Water Environment ( GB3838鄄 88), but it was not polluted by Cd. However, the concentrations of Pb
(2.44依1. 77) 滋g / L and Cd ( 0. 13 依 0. 04) 滋g / L in the leachate reached the first water quality standard after being
intercepted by different levels of the evergreen broad-leaf forest, suggesting that 1) the interception by various elements
during precipitation considered in our study facilitates purification of rain water; 2) the atmospheric precipitation was the
main source of Pb and Cd in this forest region; 3) the total interception rates of Pb and Cd by the forest ecosystem were up
to 98.52% and 99.09%, respectively, and the canopy layer showed the strongest interception ability among the various
interception factors during precipitation in this ecosystem, with interception rates of 91.67% and 86.84% for Pb and Cd,
respectively followed by the litter layer, with rates of 67.86% and 79.74%, respectively. 4) The concentration of Pb in
leachate was higher than that in litterfall, indicating that soil could release Pb into leachate. However, the soil showed an
opposite function for Cd, as Cd levels in leachate were lower than that in litterfall, probably suggesting that the soil can
adsorb Cd.
Key Words: lead and cadmium; evergreen broad鄄leaf forest; forest hydrology; forest ecosystem
近年来人类向大气中排放的污染物的种类和数量不断增加,Pb和 Cd就是其中对环境和人体有严重危害
的有毒重金属[1鄄2],大气中的 Pb和 Cd主要来自矿物燃料的燃烧以及工业、汽车尾气排放等,会随着空气的流
动以及干湿沉降进入到生态系统之中[3鄄4],陆地和森林成为了最大的收纳场。 国内外相关研究表明,大气降
水中的有害成分尤其是 Pb和 Cd经过不同类型的森林生态系统各个层次后,其截留程度不尽相同[5鄄8],同时
森林生态系统在涵养水源、净化水质、保持水土方面也起着重要的作用[9鄄11]。 西南林区作为我国森林覆盖率
第二大区,林区内的四面山国家级自然保护区保存着该地区最具代表地带性植被类型之一,同时也是地球同
纬度仅存的规模最大、保护最完好的亚热带常绿阔叶林[12]。 因此,本文以中亚热带常绿阔叶林这一典型林分
为研究对象,基于系统学原理,分析并研究常绿阔叶林生态系统对降水中重金属元素 Pb 和 Cd 的截留特征,
以更深入地了解该类型森林生态系统对 Pb、Cd的截留净化作用并和其它地区不同类型森林生态系统做对比
分析,从而更充分地认识该林区在经济社会发展中的重要生态地位。
1摇 实验方法
1.1摇 实验点概况
实验点(106毅4忆 E,28毅6忆 N)位于重庆江津市南端四面山国家级风景名胜区中大洪海的核心区域的螺丝
山上,如图 1所示,海拔 1 440 m,属中亚热带季风湿润气候。 年降水量 1 112—1 522 mm,多集中于 5—10 月
份,年均相对湿度 80%,年平均气温 13.7 益,8月平均气温最高(31.5益),1月份平均气温最低(-5.5 益)。 实
验点内森林植被保存良好,林中植物种类复杂,以四川大头茶(Gordonia acuminata Chang)、栲树(Castanopsis
Fargesii) 、柳杉 (Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr.)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)等为主要建
群树种,森林郁闭度为 0.91,裸露地层为砖红色细砂岩和粉砂岩组成的巨原层,土壤类型为黄棕壤。 实验点降
水、枯落物和土壤的理化性质和 Pb、Cd含量如表 1所示。
912摇 1期 摇 摇 摇 孙涛摇 等:中亚热带典型森林生态系统对降水中铅镉的截留特征 摇
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图 1摇 试验点地理位置示意图
Fig.1摇 Test point location
表 1摇 理化性质统计表
Table 1摇 Physicochemical property
全年统计数据
Annual Statistics pH
DOC /
(mg / L)
有机质 / (g / kg)
Organic Matter
CEC /
(cmol / kg)
Pb /
(mg / kg)
Cd /
(mg / kg)
降水 Precipitation 3.8—6.1 1.8—25.4
枯落物 Litter 24.43—48.51 1.43—2.84
土壤 Soil 4.5—6.4 12.2—68.3 6.8—21.2 20.34—32.12 0.08-0.21
摇 摇 : 样品对应的指标未测定或未统计;pH: 酸碱度;DOC: 溶解性有机碳;CEC: 阳离子交换量
1.2摇 水样的采集与分析
实验中大气降水利用 APS鄄 3A 自动降雨降尘采集器在空旷无遮挡物的林外采集;在常绿阔叶林内设置
20 m伊20 m 样方,在样方内采用对角线法设置 3个 50 cm直径的聚四氟乙烯漏斗状林内降水采集器;同时在
样方内采用对角线法选取 3个 2 m伊2 m样方(图 1右下)挖掘土壤剖面,剖面四周设置隔水带防止土壤渗滤
液的横向流动影响,放置集水板以收集枯透水、土壤渗滤液(0—20 cm、0—40 cm、0—60 cm)的水样。 采集样
品时将样品盛于超纯水清洗过并经 500 益高温超净化处理 40 分钟的 500 mL硼硅玻璃瓶中,贴上标签,保存
记录,立即送回实验室测定样品体积计算降雨量以及测试指标分析。 水样和土样处理后 Pb、Cd 采用 ICP鄄MS
(Perkin Elmer)法测定,pH值采用德国 Sartorius公司生产的普及型 pH计(PB鄄10)测定,土壤有机质采用重铬
酸钾容量法测定,阳离子交换量 ( CEC)采用乙酸铵交换法测定,DOC 的测定使用的是 Sievers innovox
laboratory TOC Analyzer。
1.3摇 数据处理
实验中每层次降水设置 3 个平行对照,采样期间每月的月初 1 号和月中 15 号各采集 1 次样品共采集
24次,共得 116个最终平均数据。 由于实验是野外实地试验,其中只有 9、6、8 月 3 个月份每次均采集到全部
样品,其余月份由于降雨量较小土壤渗滤液 0—20 cm、0—40 cm 和 0—60 cm 的部分渗滤液体积较小或者没
有,导致无法计算土壤各层次的降雨量使部分数据缺失。 本文将已有的数据按土壤深度递增,利用加权平均
022 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 36卷摇
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的方法计算出 1个渗滤液的均值以便计算土壤截留系数。 实验中所用到的计算公式如下所示:
c渗滤液 =
20 伊 S 伊 c(0—20cm) + 40 伊 S 伊 c(0—40cm) + 60 伊 S 伊 c(0—60cm)
(20 + 40 + 60) 伊 S
(1)
Fw =
1
1000
C i 伊 pi (2)
平均截留系数 =
F iw - F jw
F iw
伊 100% (3)
相对截留系数 =
F大气w - F jw
F大气w
伊 100% (4)
式中,S为采样集水板面积(cm2);ci为各月不同降水离子浓度(滋g / L);pi为各月降雨量(mm);Fw为月沉降量
(滋g / m2);i是 j的上一层次降水。
2摇 结果分析
2.1摇 大气降水中铅、镉的动态变化
由表 2知,研究期间大气降水中 Pb的质量浓度为(22.92依13.57)滋g / L,在 9月份达到最高值 36.49 滋g / L,
3月份达到最低值 9.35 滋g / L。 大气降水中 Cd的平均质量浓度较低,动态变化与 Pb的大致相似,但波动幅度
相对较小,在 9 月份和 2 月份出现了两次高峰值,分别为 4.28、3.18 滋g / L,大气降水中 Cd 的质量浓度为
(2.82依1.46)滋g / L。 同时,在夏季和冬季该地区的降雨量分别达到最大值和最小值,但大气降水中 Pb 和 Cd
的平均质量浓度却分别达到了两次高峰值。
表 2摇 各层次降雨的降雨量及铅和镉的质量浓度
Table 2摇 The precipitation amount and the concentrations of lead and cadmium by various levels layers
时间
Date
大气降水 Precipitation
降雨量 / mm
Rainfall
Pb /
(滋g / L)
Cd
(滋g / L)
林内降水 Forest Rain
降雨量 / mm
Rainfall
Pb /
(滋g / L)
Cd
(滋g / L)
枯透水 Litterfall
降雨量 / mm
Rainfall
Pb /
(滋g / L)
Cd
(滋g / L)
渗滤液 Soil Leachate
降雨量 / mm
Rainfall
Pb /
(滋g / L)
Cd
(滋g / L)
2012鄄09 132 36.49 4.28 100 6.55 0.47 74 3.96 0.18 12 4.21 0.12
2012鄄10 109 31.81 2.40 76 4.04 0.32 48 2.57 0.16 17 2.66 0.12
2012鄄11 53 26.55 1.95 34 2.11 0.30 11 1.37 0.15 19 1.40 0.12
2012鄄12 26 19.98 2.16 15 2.44 0.64 4 1.51 0.20 8 1.62 0.15
2013鄄01 21 16.12 2.82 11 1.55 0.51 3 0.95 0.16 6 1.00 0.14
2013鄄02 31 21.62 3.18 18 2.38 0.90 5 1.75 0.21 10
2013鄄03 47 9.35 2.86 29 1.22 0.49 7 0.86 0.19 19 0.86 0.15
2013鄄04 91 13.65 1.36 66 1.92 0.24 38 1.13 0.12 23 1.15 0.09
2013鄄05 134 20.67 2.35 105 2.44 0.37 81 1.61 0.15 18 1.65 0.12
2013鄄06 211 17.28 3.09 175 1.41 0.38 127 0.65 0.18 36 0.67 0.13
2013鄄07 178 28.13 2.45 144 3.65 0.49 102 2.49 0.21 31 2.82 0.16
2013鄄08 189 33.75 3.60 151 3.91 1.15 111 2.27 0.16 35 2.61 0.13
SD 65 8.16 0.78 55 1.46 0.26 44 0.90 0.03 10 1.03 0.02
CV / % 63 36 29 72 52 50 87 51 18 50 55 17
平均值 Mean 102 22.95 2.71 77 2.80 0.52 51 1.76 0.17 20 1.88 0.13
中位数 Median 22.92 2.82 3.89 0.70 2.31 0.17 2.44 0.13
摇 摇 : 月份降雨量少未采集到渗滤液样品,表中每个浓度值为平均计算值,SD: 标准偏差,CV: 变异系数,P<0.05
2.2摇 林内降水中铅、镉的动态变化
从表 3可知,林冠层对 Pd 和 Cd 的截留量比较大,月均截留量分别为 (3. 06 依 2. 74) mg / m2、(0. 32 依
0.27)mg / m2,平均截留率分别为 91.67%、86.84%,对比发现林冠层对 Pd的截留量是 Cd的 10倍左右,尤其在
122摇 1期 摇 摇 摇 孙涛摇 等:中亚热带典型森林生态系统对降水中铅镉的截留特征 摇
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夏季8月份截留量出现了最大值,且每个月份的截留率和截留量均较 Cd 大。 经过林冠层截留后林内降水中
Pd和 Cd的质量浓度分别为(3.89依2.67)滋g / L、(0.70依0.46)滋g / L,均符合国家地面水质量标准[13](GB3838—
88)玉级水质中 Pd和 Cd的要求。
2.3摇 枯透水中铅、镉的动态变化
林内降水经过枯落物层之后,Pd 和 Cd 均被再次截留。 研究期间,枯落物层对 Pd 的平均截留率为
67.86%,Cd为 79.74%。 Pd的最大截留率出现在 12月份,为 83.51%,最小截留率出现在 5 月份,为 49.08%,
而 Cd的最大截留率约为 93.52%,出现在 2月份,最小截留率为 65.42%,出现在 6 月份(表 3)。 枯透水中 Pd
和 Cd的变化无明显的季节性,主要与降水过程、降水强度和持续时间有关。 对比发现,枯落物层对 Pb 和 Cd
的截留量依然是 Pb>Cd,枯落物层对重金属 Pb和 Cd的截留作用小于林冠层。
表 3摇 各层次对铅和镉的平均截留量和截留率
Table 3摇 Average interception of lead and Cadmium by various levels layers
时间
Date
林冠层 Canopy
截留量
Interception
Pb /
(mg / m2)
Cd /
(滋g / m2)
截留率
Intercept Rate
Pb / % Cd / %
枯落物层 Litter
截留量
Interception
Pb /
(mg / m2)
Cd /
(滋g / m2)
截留率
Intercept Rate
Pb / % Cd / %
土壤层 Soil
截留量
Interception
Pb /
(mg / m2)
Cd /
(滋g / m2)
截留率
Intercept Rate
Pb / % Cd / %
2012鄄09 4.16 518.16 86.41 91.71 0.36 33.72 55.29 71.98 0.24 11.69 82.75 89.05
2012鄄10 3.16 237.16 91.15 90.78 0.18 16.54 59.83 68.69 0.08 5.43 63.28 72.03
2012鄄11 1.34 93.36 94.91 90.23 0.06 8.42 78.99 83.31 -0.01 -0.51 -76.43 -30.10
2012鄄12 0.48 46.60 92.96 82.82 0.03 8.87 83.51 91.75 -0.01 -0.37 -115.19 -46.28
2013鄄01 0.32 53.61 94.97 90.57 0.01 5.10 83.30 91.25 0.00 -0.37 -111.81 -76.39
2013鄄02 0.63 82.34 93.60 83.57 0.03 15.14 79.54 93.52
2013鄄03 0.40 120.13 91.96 89.42 0.03 12.92 83.06 90.90 -0.01 -1.50 -173.28 -115.91
2013鄄04 1.12 107.43 89.81 87.03 0.08 11.59 66.19 72.40 0.02 2.40 38.25 54.24
2013鄄05 2.51 275.50 90.76 87.57 0.13 26.93 49.08 68.87 0.10 10.03 77.28 82.39
2013鄄06 3.40 585.67 93.24 89.82 0.16 43.41 66.46 65.42 0.06 18.13 70.93 79.00
2013鄄07 4.48 366.73 89.50 84.00 0.27 48.27 51.71 69.09 0.17 16.76 65.60 77.62
2013鄄08 5.79 506.86 90.74 74.51 0.34 155.58 57.35 89.71 0.16 13.16 63.73 73.80
SD 1.79 190.35 2.37 4.72 0.12 39.60 12.67 10.71 0.08 7.06 92.10 71.83
CV / % 77 76 3 5 85 123 19 13 113 104 -68 305
平均值 Mean 2.32 249.46 91.67 86.84 0.14 32.21 67.86 79.74 0.07 6.80 -1.36 23.59
中位数 Median 3.06 316.14 90.69 83.11 0.19 80.34 66.30 79.47 0.12 8.32 -45.27 -13.43
摇 摇 : 月份降雨量少未采集到渗滤液样品,表中每个浓度值为平均计算值,SD: 标准偏差,CV: 变异系数,P<0.05
2.4摇 土壤渗滤液中铅、镉的动态变化
表 1中的统计数据表明,枯落物中 Pd、Cd的含量要比土壤高,但是研究发现土壤渗滤液中铅的质量浓度
相对地表枯透水有少量增加(表 2),研究期间,经过土壤层后土壤渗滤液中铅的平均质量浓度相对枯透水增
加幅度为 0.12 滋g / L,Cd进一步被截留,平均截留率为 23.59%(表 3)。 土壤渗滤液中的 Pb和 Cd质量浓度分
别为(2.44依1.77)滋g / L、(0.13依0.04)滋g / L,根据国家地面水环境质量部分标准(GB3838—88),渗滤液中的 Pb
和 Cd含量仍然达到了玉级水质标准要求。
2.5摇 常绿阔叶林各层次对铅、镉的截留特征比较
常绿阔叶林生态系统的林冠层和枯落物层对大气降水中的 Pb 和 Cd 都有净化作用,但其各自的净化能
力却不相同(表 4)。 林冠层、枯落物层和土壤层对铅的截留能力大小表现为林冠层>枯落物层>土壤层,3 个
层次对铅的平均截留量和平均截留率分别为:2.32、0.14、0.07 mg / m2 和 91.67%、67.86%、-1.36%,其总截留率
达到了 98.52%。 林冠层、枯落物层和土壤层对镉的平均截留量(249.46、32.21、6.80 滋g / m2)和平均截留率
(86.84%、79.74%、23.59%)尽管与铅的不同,但 3个层次却也呈现出了同样的截留能力趋势(林冠层>枯落物
222 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 36卷摇
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层>土壤层),其总截留率也达到了 99.09%。 同时对比也发现,常绿阔叶林生态系统 3个层次的相对截留能力
也各不相同。 森林林冠层、枯落物层和土壤层对铅的相对截留率依次为 90.52%、96.04%和 98.52%,森林林冠
层、枯落物层和土壤层对镉的相对截留率大小顺序和铅一致(85.90%、96.99%和 99.09%),在截留能力上表现
出“林冠层+枯落物层+土壤层>林冠层+枯落物层>林冠层冶的规律。
表 4摇 各层次对 Pb和 Cd的相对截留量和截留率统计表(月均截留)
Table 4摇 Relative interception of Pb and Cd by various levels layers
名称
Designation
林冠层 Canopy
Pb /
(mg / m2)
Cd /
(滋g / m2)
枯落物层 Litter
Pb /
(mg / m2)
Cd /
(滋g / m2)
土壤层 Soil
Pb /
(mg / m2)
Cd /
(滋g / m2)
总截留 Total Intercept
Pb /
(mg / m2)
Cd /
(滋g / m2)
平均截留量
Avg Interception 2.32 249.46 0.14 32.21 0.07 6.80 2.52 287.77
平均截留率 / %
Avg Intercept Rate 91.67 86.84 67.86 79.74
-1.36 23.59 98.52 99.09
相对截留量
Relative Interception 2.32 249.46 2.46 281.67 2.52 287.77 2.52 287.77
相对截留率 / %
Relative Intercept Rate 90.52 85.90 96.04 96.99 98.52 99.09 98.52 99.09
摇 摇 平均截留的计算为每月按森林空间层次上层与下层计算的截留量和截留率的全年的平均值,相对截留为各层次相对大气降水计算的结果
3摇 讨论
通过与国家地表水质量标准(GB3838—88)和国内外一些研究区域比较发现(表 5),四面山大气降水中
Pb的质量浓度仅满足地面水质量标准芋级(臆50 滋g / L)要求,Cd的质量浓度满足域级要求(臆5滋g / L),与重
庆主城区、贵阳和 Izmir相比四面山大气降水中的 Pd、Cd较低,但是和唐山、New Jersey 以及 North Sea 相比却
相对较高。
表 5摇 大气降水中 Pb, Cd浓度和其他文献数据对比表
Table 5摇 Pb, Cd concentrations in precipitation, and data from literature
大气降水
Precipitation
四面山
(本研究)
(2012)
重庆主城
(2003) [14]
唐山
(2010) [15]
贵阳
(2004) [16]
New Jersey
(2007),
USA[17]
Izmir
(2004),
Turkey[18]
North Sea
(2000),
Belgium[19]
Pb / (滋g / L) 22.92依13.57 463.2 18.3 45.18 0.03 66 20.0
Cd / (滋g / L) 2.82依1.46 12.1 0.34 ND—10.0 0.47 52 2.0
本研究得出四面山地区大气降水受到了轻度的 Pb、Cd 污染,尤其是夏季时期大气降水中的质量浓度偏
高。 重庆市是西南地区重要的工业基地,夏季又是重庆市能源消耗的高峰期;大量的资源消耗产生的废气和
汽车尾气被排放到大气中;而这段时期,研究区主要受来自东北方向和东南方向的两个大气气团的影响(图
2),其中来自东南方向的大气气团在北上的过程中发生了气流偏转,进而转变为东北风,气团的运动可能会
将重庆市主城区等大气中的污染物带到位于重庆市南端的四面山地区。
本研究中林冠层在 3个层次中对降水 Pb和 Cd的截留能力最强,这与张胜利[7]、马跃良等[20]分别在暖温
带和亚热带林区的研究结果基本一致,同时马跃良等的研究也指出植物能够通过呼吸作用吸收空气中的重金
属并富集[20]。 实验点森林郁闭度很高(0.91),使得大气中的干沉降被截留在森林林冠层枝叶表面;同时该地
区土壤水分充足,植物新陈代谢较快;地面风速较小(多为无风或风速小于 2.5 m / s),空气雾气大,相对湿度
高(白天时在 70%—85%之间,夜晚时可达 90%以上),封闭的山谷热辐射效应使该地区形成了湿热的局部环
境[21];降水、湿热的环境以及植物叶面的分泌物都会使枝叶长期叶面水分充足,会导致污染物,尤其是迁移性
差的铅和镉长时间滞留,使植物叶面在进行呼吸作用时与粘附在叶面的液体发生了物质交换并吸收了 Pb 和
Cd,尤其是凝聚在枝叶表面的空气中的水分和枝叶的分泌物会使这种物质交换过程的时间延长很多(研究期
322摇 1期 摇 摇 摇 孙涛摇 等:中亚热带典型森林生态系统对降水中铅镉的截留特征 摇
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图 2摇 四面山夏季后向轨迹图
Fig.2摇 72 h back trajectories of air masses in Summer in Mt. Simian
晴朗天气仅占 7%)。 另外 5—10月份该地区的气温较高(20 益以上),也是植物生长旺盛的季节,且该地区降
雨量主要集中在 5—10月(占全年降水量的 78%),所以这段时间林冠层对重金属 Pb 和 Cd 的截留量较其他
时间段偏大。
本研究还指出,该森林生态系统中的枯落物层对 Pb和 Cd的截留能力比土壤层大,这与张胜利[22]在北方
秦岭地区和郑郁善等人[23]在南方福建的研究结果相悖。 实验点的降雨类型与干旱的北方以及降雨强度较大
的沿海地区不同。 实验点的林地表面堆积了很厚的枯落物层且该地区 10—5月(降雨天数占 58%,降水量占
全年降水量的 42%)多为长期的持续性小强度降雨。 降雨频繁,但单场降雨量低(降水强度<0.4 mm / h),使得
林内降水滴落到枯落物层时被很厚的枯落物层拦蓄[24鄄25],进而导致枯落物持水量较大,而使进入土壤层的降
水量(占林内降水的 26%)相对较小。 四面山森林枯透水偏酸性[26](pH 值 = 3.87—4.24),在此条件下,枯透
水中的 Pb和 Cd容易被腐殖质等吸附而滞留在枯落物层;另外,微生物对枝叶的降解形成了很厚的半分解枯
落物层,提高了有机物对枯透水中 Pb和 Cd的吸附、拦截作用。
研究区特殊的理化性质(pH值较低,有机质和 CEC的含量较高,表 1),导致土壤中有机酸以及 H+含量较
高。 许中坚等人[27]和王金贵等人[28]的研究指出氢离子对 Pb、Cd有竞争吸附力,使吸附于土壤上的可交换态
Pb和 Cd易于解吸,Jan Mulder等人[29]的研究也指出酸雨作用下会导致土壤中活性铝含量的提高,铝离子占
据高能的吸附位,而使铅的吸附量下降,解吸量增加,但是土壤较高含量的有机质和 CEC 却有益于土壤对 Pb
和 Cd的吸附。 本研究中,土壤渗滤液中 Pb的平均质量浓度随着土壤层深度的增加而增加,这可能是土壤层
对 Pb的解吸量大于吸附量而导致部分 Pb被解吸到渗滤液中。 土壤层对 Cd的截留特征截然相反,可能是土
422 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 36卷摇
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壤层对 Cd的吸附鄄解吸平衡状态不同,对 Cd的吸附量大于解吸量。
3摇 结论
研究期间,与国内外其他研究相对比以及参考国家地面水环境质量部分标准,实验点的大气降水已经受
到轻度的铅、镉污染,但经过林冠层后水质却有了很大的改善。 常绿阔叶林生态系统对铅和镉都具有很强的
截留能力;其中,林冠层最大,枯落物层次之,土壤层对铅和镉的截留特征相反。 对该地区的可能污染源分析
表明,重庆市等周边工业城市是该林区重金属铅和镉的污染源之一。
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