蔣雨芮,周 蛟,李 晗,譚 波,曹 瑞,袁 吉,楊萬勤

1 四川農業(yè)大學生態(tài)林業(yè)研究所,長江上游林業(yè)生態(tài)工程省級重點實驗室, 成都 611130 2 臺州學院生命科學學院, 臺州 318000

鎘(Cd)是一種生物毒害性高、難降解、難移動且具有可蓄性的有害重金屬元素[1- 3]。水生生態(tài)系統(tǒng)中的Cd不僅會損害魚類、貝類和浮游生物等水生生物體內的蛋白質或抑制酶活性[4-5],而且進入人類食物鏈后會危害人類健康[6]。因此,理解水生生態(tài)系統(tǒng)中Cd的儲量與分配動態(tài)及其來源特征,可為水生生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學依據(jù)。然而,已有的研究更加關注工業(yè)區(qū)的溪流和河流重金屬污染物質的濃度及遷移特征[7- 9],有關自然水生態(tài)系統(tǒng)Cd儲量及其遷移特征的研究相對較少。盡管Cd不是植物生長發(fā)育的必需元素,但植物能夠從土壤和水體中吸收Cd[10-11]。這些被林木等植物吸收的Cd能夠通過凋落物歸還到森林地表并富集在森林表層土壤[12],并通過滲漏水或地表徑流進入森林溪流和對接的水體[8],或者通過凋落物等植物殘體直接輸入到森林溪流或者河流[13],從而影響森林溪流水體和沉積物的Cd儲量與分配特征。因此,研究森林溪流生態(tài)系統(tǒng)Cd儲量和分配動態(tài)特征,對于理解森林和對接水體的生物地球化學聯(lián)系具有重要意義。然而,相關研究報道還相對較少,這限制了我們對森林生態(tài)功能的認識。

川西亞高山針葉林是我國第二大林區(qū)(西南林區(qū))的主體,是長江流域最為重要的淡水資源核心保護區(qū),不僅在水源涵養(yǎng)、生物多樣性和水土保持等方面具有重要突出的生態(tài)戰(zhàn)略地位,而且對于支撐下游水生生態(tài)系統(tǒng)結構、過程和功能等方面具有不可替代的生態(tài)功能[14]。調查數(shù)據(jù)顯示,在長江兩岸土壤中存在Cd污染的現(xiàn)象[15],并且長江全流域性的Cd異常也是多目標地球化學調查發(fā)現(xiàn)的重大生態(tài)環(huán)境問題[16- 17]。盡管有研究表明,亞高山針葉林地表徑流對重金屬的遷移可能受到溪流長度、位置、流速等特征的影響,而凋落物的季節(jié)性輸入也可能影響到溪流生態(tài)系統(tǒng)中的K、Mn、Mg、Cr等重金屬元素的儲量[18],但有關森林溪流生態(tài)系統(tǒng)中Cd儲量與分配動態(tài)的研究尚未見報道。因此,本研究以岷江上游亞高山林區(qū)15條典型的森林溪流為研究對象,采取動態(tài)監(jiān)測和室內分析相結合的方法,研究亞高山森林溪流生態(tài)系統(tǒng)Cd儲量及其分配的動態(tài)變化特征,對于強化理解森林與水生生態(tài)系統(tǒng)之間的生物地球化學聯(lián)系具有重要的科學意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于四川省阿壩州理縣畢棚溝的四川農業(yè)大學高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(31°14′—31°19′N, 102°53′—102°57′E, 海拔2458—4619m)(圖1),地處青藏高原-四川盆地的過渡地帶和長江上游地區(qū)。土壤類型包括沖積土、暗棕壤、棕色針葉林土。森林植被為岷江冷杉原始林,喬木層主要由岷江冷杉(Abiesfaxoniana)、方枝柏(Sabinasaltuaria)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)和粗枝云杉(Piceaasperata)組成。林下灌木主要有華西箭竹(Fargesianitida)、高山杜鵑(Rhododendronlapponicum)和三顆針(Serberissargentiana)等；草本植物主要有蟹甲草(Cacaliaspp)、高山冷蕨(Cystopterismontana)和薹草屬(Carex)植物等。氣候屬丹巴-松潘半濕潤氣候,年平均溫度為2—4℃,最高氣溫 23℃(7月),最低氣溫-18℃(1月)。降水分配不均,干濕季節(jié)差異顯著,年均降水量約850 mm,降雨主要分布在5—8月,凋落物有春、秋兩次高峰期,主要集中在4—6月和9—11月。該集水區(qū)系岷江上游雜谷腦河第二大支流梭羅溝的支流,集水區(qū)面積是180km2,河長31km,多年平均流量3.7m3/s。區(qū)域內水體有典型的季節(jié)性：夏季水量大、冬季水量小甚至干涸。

圖1 研究區(qū)及采樣溪流的地理位置[19]Fig.1 The location of the study area and the sampling streams1—15代表15條采樣溪流

1.2 實驗設計

基于前期調查與研究結果,依據(jù)采樣可行性和典型性原則,在研究區(qū)域海拔3600—3700m的典型亞高山森林集水區(qū)內構建亞高山針葉林-溪流集合生態(tài)系統(tǒng)研究平臺。依據(jù)凋落物產生的物候動態(tài),將采樣時間劃分為3個時期：秋季凋落高峰期(2015年9—11月)、春季凋落高峰期(2016年4—6月)和非凋落高峰期(2016年7、8月)。在兩個凋落高峰期前后約半月采樣一次,非凋落高峰期一個月各采樣一次,實驗為期一年,共計采樣13次。

在研究區(qū)域根據(jù)溪流長度分別在10—50、50—150、150—260 m區(qū)間內選取5條典型高山森林溪流,各溪流相距較遠(0.5—1.0km),共計15條溪流,選取的溪流包含了研究區(qū)域集水區(qū)的所有徑流。各溪流平均水位深(3.73±3.43)—(11.72±4.88) cm,平均水面寬(33.87±29.64)—(128.87±100) cm,平均流速(0.05±0.08)—(0.36±0.20)m/s,平均流量(0.01±0.02)—(0.15±0.14)m3/s[19]。2015年8月,在每條溪流設置3個凋落物搜集框(規(guī)格為0.64m2),同時在每條溪流下游出水口設置凋落物攔截網(wǎng),測定森林凋落物輸入量。同時,分別在每條溪流上、中、下游設置沉積物和水樣采樣點,每個樣點根據(jù)溪流長度約等間距分布,且不互相影響。每個水樣采集500 mL,盛于清潔的塑料取樣瓶中；分別在采集水樣的地方采集3個原始狀態(tài)下的沉積物樣品,存于用去離子水洗過并烘干容積為100 mL的聚乙烯瓶中,并用聚乙烯塑料袋封裝。此外,在每次采樣時,測定上、中、下游的水體流速、水面寬度、水位深、沉積物深度等。所有樣品均低溫保存,帶回實驗室盡快完成相關分析。

1.3 室內分析與計算

1.3.1沉積物Cd含量測定與儲量計算

將沉積物樣品收集帶回實驗室后測定其重量,將混合均勻的沉積物樣品放在稱至恒重的瓷坩堝內,先將水分大的樣品放置在水浴鍋上蒸干,然后放進烘箱內稱至恒重,根據(jù)公式計算含水量(Mc)。計算公式為：

式中,m1為恒重瓷坩堝的質量 (g)；m2為恒重瓷坩堝加烘干后樣品的質量 (g)。

根據(jù)樣品干重及含水量、體積計算沉積物密度(ρs)。參照凋落物重金屬元素測定方法,測定沉積物中Cd含量[20]。將溪流視為長方體[21],計算溪流沉積物現(xiàn)存量(Ms)和單位面積沉積物Cd儲量(Mhs)。具體計算公式如下:

Ms=ρ×(L×W×Hs)

式中,m1為聚乙烯瓶內沉積物干重(g)；Mc為沉積物含水量(%)；v代表樣品體積(m3)；L為溪流長度(m)；W為溪流寬度(m)；Hs為溪流沉積物深(m)；ρs為沉積物密度(g/m3)；c為元素含量(mg/kg)；Ms為溪流沉積物現(xiàn)存量(kg)；S為溪流表面積(m2)。

1.3.2凋落物Cd含量測定與儲量計算

稱取樣品粉末0.5 g(精確到0.0001g),置于消解罐中,加入5mL HNO3和4mL H2O2,放置過夜,用微波消解儀消解樣品,用火焰原子分光光度計測定Cd含量。凋落物Cd儲量計算公式為：

式中,c代表Cd元素含量(mg/kg)；Md代表溪流的凋落物現(xiàn)存量(kg)；S代表溪流的表面積(m2)。

1.3.3水體Cd儲量測定

參照國家規(guī)定[22]處理水樣,取5mL均勻樣品,用待測液用HNO3-H2O2(5:4)消解,使用火焰原子吸收分光光度法(LY/T 1228—1999)測定其含量。本次實驗未在溪流水體中檢出Cd元素,說明本區(qū)域森林溪流重金屬含量符合中華人民共和國國家標準生活飲用水衛(wèi)生標準[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

運用SPSS 20.0對所有數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計分析和Sigmaplot 12.5繪制圖表；區(qū)域集水區(qū)等數(shù)據(jù)信息由ArcGIS 10.0軟件對畢棚溝風景區(qū)地形圖進行解譯獲得。采用獨立樣本T檢驗檢測凋落物和沉積物Cd儲量的差異性；運用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分別檢驗不同分布位置和不同關鍵時期Cd元素的儲量差異；用雙因素方差分析(two-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)檢驗溪流長度和時間、不同分配位置及二者交互作用對Cd儲量的影響；用Pearson相關系數(shù)來評價凋落物、沉積物與不同分布位置Cd儲量與溪流特征之間的相關關系,顯著性水平設定為P< 0.05。

2 結果與分析

2.1 亞高山森林溪流沉積物和凋落物的Cd儲量隨關鍵時期的變化

亞高山森林溪流的Cd儲量介于2.57—128.46 mg/m2之間,所有森林溪流生態(tài)系統(tǒng)中,Cd主要存儲于沉積物中,約占森林溪流生態(tài)系統(tǒng)的99.97%(圖2)。不同關鍵時期相比,沉積物中的Cd儲量在秋季凋落高峰期最高,在春季凋落高峰期最低；凋落物中的Cd儲量在春季凋落高峰期最高,在非凋落高峰期最低。溪流的縱向分配位置與時間變化極顯著影響了Cd總儲量(表1)。

圖2 亞高山森林集水區(qū)Cd總儲量與縱向分配動態(tài)變化 Fig.2 Changes in Cd storage and vertical distribution in the subalpine forest streams with critical periods(mean± SE, n=5)不同大寫字母分別代表凋落物或沉積物在不同關鍵時期間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母代表凋落物與沉積物間差異顯著(P<0.05),圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差(n=5)

表1 亞高山森林溪流Cd儲量與不同影響因子的雙因素方差分析

2.2 亞高山森林溪流上中下游的Cd儲量隨關鍵時期的變化

在集水區(qū)水平上,亞高山森林溪流上、中、下游的Cd儲量比例分別為37.15%、29.29%和33.56%(圖3)。在不同關鍵時期,上、中、下游的Cd儲量沒有顯著差異。不同關鍵時期相比,森林溪流Cd儲量均以秋季凋落物高峰期最高,春季凋落物高峰期與非凋落物高峰期之間沒有顯著差異。溪流上游Cd儲量與溪流總Cd儲量的占比由34.41%增加為40.61%,中游占比沒有顯著變化,下游Cd儲量占比由37.32%下降為30.11%。

圖3 亞高山森林集水區(qū)Cd儲量與分布位置動態(tài)變化 Fig.3 Changes in Cd storage and positions in the subalpine forest streams with critical periods(mean± SE, n=5)不同大寫字母分別代表上游、中游或下游在不同關鍵時期間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母代表上中下游間差異顯著(P<0.05),圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差(n=5)

2.3 亞高山森林溪流沉積物和凋落物Cd儲量隨溪流特征的動態(tài)變化

不同長度溪流Cd儲量均以沉積物分配最多(圖4),沉積物Cd儲量占總Cd儲量的比例為84.82%—100%,凋落物Cd儲量占總Cd儲量的比例為0—15.18%,沉積物Cd儲量為凋落物Cd儲量的45.11—2425.45倍。不同關鍵時期相比,3種長度范圍的溪流沉積物Cd儲量表現(xiàn)出一致的規(guī)律：秋季凋落高峰>非凋落高峰>春季凋落高峰(圖4)。其中,10—50m的溪流沉積物Cd儲量以秋季凋落高峰最高,而其他長度溪流的Cd儲量在不同時期均無顯著差異(圖4)；長度為10—150m的溪流凋落物Cd儲量呈現(xiàn)出春季凋落高峰>非凋落高峰>秋季凋落高峰的變化規(guī)律,長度為150—260m的溪流Cd儲量則在春季凋落高峰期最高,在非凋落高峰期最低,在時間動態(tài)與縱向分配上均無顯著差異(圖2)。相關性分析表明,沉積物Cd儲量與溪流水文特征相關性不顯著,凋落物的Cd儲量與溪流長、寬、面積以及流量呈極顯著正相關關系(表2)。

圖4 不同長度溪流Cd儲量的縱向分配動態(tài)變化Fig.4 Dynamics of vertical distribution of Cd storage in different length streams(mean± SE, n=5)不同大寫字母分別代表凋落物或沉積物在不同關鍵時期間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母代表凋落物與沉積物間差異顯著(P<0.05),圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差(n=5)

表2 亞高山森林溪流不同分布位置Cd儲量與溪流特征的Pearson相關性分析

2.4 亞高山森林溪流上中下游的Cd儲量隨溪流特征的動態(tài)變化

在秋季凋落高峰期,長度小于150m的溪流表現(xiàn)出上游>下游>中游的分布規(guī)律,大于150m的溪流Cd儲量分布由上游到下游依次增高(圖5)。在春季凋落高峰期,10—50m長度的溪流Cd儲量在中游的分布顯著高于上游和下游；而50—150m的溪流呈現(xiàn)出下游>中游>上游的分布規(guī)律,其中下游Cd儲量顯著高于上、中游；150—260m的溪流Cd儲量分布以中游最低,上游最高。在非凋落高峰期,長度為10—150m的溪流Cd儲量從上游到下游的分布依次遞增,150—260m的溪流分布規(guī)律表現(xiàn)為上游>下游>中游。相關性分析表明,溪流中游Cd儲量與溪流流量呈顯著負相關關系,下游Cd儲量與溪流流速呈顯著正相關關系(表2)。

圖5 不同長度溪流Cd儲量的分布位置的動態(tài)變化Fig.5 Dynamics of lateral distribution of Cd storage in different subalpine forest streams(mean± SE, n=5)不同大寫字母分別代表上游、中游或下游在不同關鍵時期間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母代表上中下游間差異顯著(P<0.05),圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差(n=5)

3 討論

3.1 亞高山森林溪流Cd儲量在不同分配位置的動態(tài)變化

本研究表明,在亞高山森林溪流生態(tài)系統(tǒng)中,Cd主要存儲在沉積物,這與已知研究結果一致[24-25],即沉積物往往是重金屬最后的歸宿。沉積物動力學包括顆粒物質的夾帶、運輸、沉積和儲存[26],而沉積物重金屬遷移的主要途徑是泥沙顆粒吸附-解吸機械運動[27]。例如,有研究表明,進入溪流的木質殘體遷移能夠顯著增加溪流重金屬元素的輸出量[18],也證明了沉積物重金屬元素的遷移主要依靠外來物質、泥沙顆粒和懸浮物等物質的物理搬運作用。張慧玲等[28]的研究也發(fā)現(xiàn),直徑大于10cm的木質殘體約為高山溪流木質殘體總貯量的87.48%,表明粗木質殘體是森林溪流重金屬的重要來源。本研究還表明,森林溪流生態(tài)系統(tǒng)中的凋落物Cd儲量遠遠低于沉積物的Cd儲量?？赡艿脑蚴堑蚵湮镆苿有詮?其分解過程中釋放的Cd被直接沉積在溪流底部。此外,凋落物表面積相對于木質殘體等其他物質較小,對于重金屬元素的吸附能力就更弱[29]。這與Liang等[18]對亞高山森林溪流木質殘體的其他幾種重金屬的研究結果相似。在本研究中,森林溪流水體未檢測出Cd元素,符合中華人民共和國國家標準生活飲用水衛(wèi)生標準[23],表明來源于森林植物殘體、滲漏水和地表徑流輸入溪流的Cd主要存儲于溪流沉積物中,沒有影響溪流水質。

不同關鍵時期相比,亞高山森林溪流的Cd儲量以春季凋落物高峰期最小,秋季凋落物高峰期最高。這是因為森林溪流的Cd儲量受到輸入和輸出動態(tài)的控制。有研究表明,重金屬元素的釋放與溫度因子呈顯著正相關關系[30],而11月-翌年4月是本研究區(qū)域的冬季凍融期[31],春季凋落高峰則開始進入研究區(qū)域的雪被融化期[32],溫度回升,沉積物重金屬元素隨之釋放進入水體流出溪流,因而Cd儲量較低；Cd儲量在本研究采樣的非凋落高峰期(2016年7—8月)緩慢上升,研究表明降雨和地表徑流是重金屬元素的重要來源途徑之一[33],而森林生態(tài)系統(tǒng)大氣降水中包含一定質量分數(shù)的Cd元素[34],因此降水量最大的8月能夠解釋Cd儲量增高[27],Cd還隨著地表徑流、樹干莖流、穿透水等方式匯入溪流中[35],增加了溪流中的Cd含量,也在一定程度上導致了Cd儲量的增高；秋季凋落高峰期間(2015年9—11月)溪流Cd儲量最大,這與秋季輸入溪流的凋落量最大有關,其吸附一部分Cd元素沉積在溪流底部[18],增加了森林溪流的Cd儲量。這表明,秋季凋落物輸入也是亞高山森林溪流Cd的重要來源之一。

3.2 亞高山森林溪流Cd儲量在不同分布位置的動態(tài)變化

亞高山森林溪流上、中、下游的Cd儲量無顯著差異。這是因為水溫、pH等環(huán)境因子的改變能夠顯著影響沉積物重金屬含量[31],而本研究區(qū)域溪流上、中、下游的環(huán)境因子差異較小,溪流pH值偏向中性[36],并且自然沉積物在河流能保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)[37]。而且,Cd元素具有相對穩(wěn)定的化學性質[38]。上中下游Cd儲量均以秋季凋落高峰最高,上、中游以春季凋落高峰最低,長、中游Cd儲量的變化與集水區(qū)總Cd儲量變化規(guī)律一致。下游Cd儲量在非凋落高峰期最低,這可能是因為溪流下游的水體侵蝕與沖刷作用導致水位更深,使下游流速變慢,而已知溪流流速與下游Cd儲量呈顯著正相關關系,下游Cd儲量也隨之降低,并且非凋落高峰期(2016年7—8月)較大的降水量使溪流下游匯入的外來物質總量更多,一些輸入溪流上游以及中游的物質還未來得及分解,在吸附部分沉積物的Cd元素后,隨水體流出了溪流。本研究對于溪流Cd儲量在不同分布位置的動態(tài)變化結果與張俊華等[39]的研究結果不同,張俊華發(fā)現(xiàn)城郊河道下游較上游的Cd有顯著增多的趨勢,這是因為其下游流域靠近人工污染區(qū)域,這也證明了遠離工業(yè)污染與人為干擾的溪流生態(tài)系統(tǒng)具有一定的自我凈化能力,呈現(xiàn)出與城郊流域相反的規(guī)律。

4 結論

亞高山森林溪流生態(tài)系統(tǒng)的Cd主要存儲于沉積物,其次為凋落物；森林溪流上、中、下游的Cd儲量無顯著差異,中游的Cd儲量與溪流流量呈顯著負相關關系,下游的Cd儲量與溪流流速呈顯著正相關關系；秋季凋落物高峰期間,森林溪流的Cd儲量最高,表明凋落物是森林溪流Cd的重要來源之一；亞高山森林溪流具有一定的自我凈化能力且具有穩(wěn)定性。這些結果為深入理解陸-水生態(tài)系統(tǒng)重金屬生物地球化學循環(huán)提供了基礎數(shù)據(jù),也為亞高山林區(qū)生態(tài)管理提供了新的思路和科學依據(jù)。然而,有關亞高山森林溪流重金屬元素的源-匯-庫格局還有待進一步研究。