鼎湖山森林流域地表水與地下水水質的長期特征*

劉效東 褚國偉 焦正利 張衛強 張倩媚 劉菊秀

（1. 華南農業大學林學與風景園林學院 廣州 510642； 2. 中國科學院華南植物園 廣州 510650； 3. 廣州大學生命科學學院 廣州 510275； 4. 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室 廣東省林業科學研究院 廣州 510520）

水資源是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源（郭孟卓, 2021）。近年來，經濟社會高速發展、城市化進程加速、人口激增以及氣候變化等造成的水環境污染、水質性缺水等問題日趨嚴重、普遍，如何保護和維持優質水源成為世界各國政府和人民日益關注的重要課題（邱國玉等, 2019; Yuet al., 2019; Tanget al., 2022）。陸地地表水與地下水作為水資源的重要形式與載體，其質和量是關系到區域生態環境建設與社會經濟可持續發展的決定性要素（Liuet al.,2017; Fenget al., 2019）。因此，認知流域地表水、地下水的水質特征及其動態變化具有重大而深遠的現實指導意義。

森林生態系統調節、凈化、穩定水質的作用顯著（劉效東等, 2022; Picchioet al., 2021），同時森林流域的水環境特征也能夠直接、敏感地指示區域的化學環境變化（歐陽學軍等, 2002）。因而，森林對水質的作用關系一直都是森林生態水文服務及環境效益研究領域的熱點問題（饒良懿等, 2008; 劉逸菲等, 2021;Bonan, 2008; Hugheset al., 2019）。我國自20世紀60年代逐步開展了基于集水區尺度的森林水文生態作用研究，關注重點集中在森林類型、結構特征及經營管理模式對大氣降水水化學特性的過程性調節作用（降水—穿透雨/樹干徑流—枯透水—地表徑流—壤中流—溪流水—出口徑流）（趙曉靜等, 2015; 康希睿等, 2021; Zhanget al., 2021）、模擬環境變化（酸沉降或氮沉降等）對森林生態系統元素運移的影響等方面（Yanet al., 2015; Zhouet al., 2018）。然而，多數研究仍是基于短期的或季節性的觀測結果報道（張娜, 2010;雷麗群等, 2016; 廖佩琳等, 2022; Zhuet al., 2019）。此外，流域地表水、地下水水質作為森林植被參與調控流域水質的重要表征方面，長期以來，立足自然狀態下森林流域或生態系統地表水、地下水水體狀況的長期觀測研究報道較少，難以全面、深入刻畫森林與水質間的長期動態作用關系。

中國生態系統研究網絡（CERN）從1988年成立之初便設計了針對全國典型生態系統（包括森林在內）水環境的長期定位監測工作（Fuet al., 2010），目的在于客觀認知中國典型生態系統水質狀況的空間特征與長期動態變化?；贑ERN空間多點觀測，Xu等（2014）、Zhang等（2013）和黃麗等（2019）分別就我國典型生態系統地表水的總氮含量、地下水中的NO3

-以及不同水體形式的水化學離子空間分布特征等進行了報道。然而，迄今為止，基于CERN水環境監測數據的多指標、長期研究報道仍然較少（張心昱等, 2009；劉旭艷等, 2020），限制了對于特定流域水質特征及其演變規律的整體、深入認知。

鼎湖山森林生態系統定位研究站作為CERN臺站重要成員（張倩媚等, 2015），站區內分布有南亞熱帶地區代表性森林類型如季風常綠闊葉林、針闊葉混交林等，長期以來受到了嚴格的人為保護。森林植被發育成熟、群落結構復雜、生物多樣性高。本研究通過對鼎湖山森林生態系統定位研究站東溝流域森林水環境的長期定位監測（2005—2018年），探究該完整森林流域流動地表水、淺層地下水的水質特征及其動態變化，以期為深入揭示森林植被凈化水源作用機制及科學開展區域生態環境建設與管理等提供支撐和依據。

1 研究區概況

鼎湖山國家級自然保護區（112°30′39″—112°33′41″ E,23°09′21″—23°11′30″ N）位于廣東省肇慶地區境內。鼎湖山森林生態系統定位研究站（鼎湖山站）位于鼎湖山國家級自然保護區內，站區海拔100～700 m，最高峰雞籠山海拔1 000.3 m。氣候屬南亞熱帶季風濕潤型氣候，水熱資源豐富，干季、濕季分明。多年平均降水量1 678 mm，其中80%的降水分布在濕季（4—9月）（Zhouet al., 2011）。年平均氣溫21.4 ℃，最冷月（1月）和最熱月（7月）平均氣溫分別為12.6和28.0 ℃。多年平均蒸發量為1 115 mm，年平均大氣相對濕度為82%。

全區由東、西兩條羽毛狀水系組成，皆自西北流向東南，在保護區入口匯合流入西江，年平均徑流系數0.455～0.492（周國逸等, 2003）。地質構造屬鼎湖山系，由不同顏色、硬度與質地的砂巖、砂頁巖、頁巖與石英砂巖構成。地帶性土壤類型主要為發育于砂巖和砂頁巖的赤紅壤，土壤厚度多在50～80 cm，土壤自然酸化嚴重，pH值為4.1～4.9（Liuet al., 2010）。全區森林覆蓋率達85%以上，分布有季風常綠闊葉林、針闊葉混交林等區域典型植被類型，一直以來均受到嚴格的人為保護。

2 研究方法

2.1 試驗布設與水樣采集

2.1.1 大氣降水 鼎湖山站區內氣象觀測場設置有大氣降水的人工采集裝置。2005年采樣月份為4月和7月共2次，2006—2012年每年1、4、7和10月采樣，2013年起每月采集大氣降水（張倩媚, 2011）。在采樣月份的當月，每場雨或連續降雨發生時每2天采集1瓶1 000 mL雨水樣品，現場測定水溫后保存于冰箱，再把當月所有樣品混勻后再取2瓶500 mL樣品。每個季度寄送CERN水分分中心，測定雨水pH、礦化度、硫酸根含量、非溶性物質總含量等指標。

2.1.2 流動地表水 按照CERN水環境監測規范，從2005年起鼎湖山流動地表水水質的采樣頻率為每年干季典型月份（1月或2月，考慮當月降水情況）、濕季典型月份（7月或8月）分別取樣（張倩媚, 2011）。取樣點為鼎湖山站的飛水潭（112°32′30.23″E,23°10′31.91″N），海拔70 m。采樣方法為把采樣瓶放入流動地表水水體中取樣，并于實驗室內測定流動地表水水質指標，包括pH值、礦化度、溶解氧（dissolved oxygen, DO）、化學需氧量（chemical oxygen demand,COD）、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、PO43-、NO3-和Cl-。

2.1.3 淺層地下水 淺層地下水取樣時間與流動地表水同步進行。淺層地下水取樣地點為鼎湖山流域下游出口附近的淺層地下水位觀測井（112o32′55.20″ E,23o9′58.61″N），海拔20 m。具體采樣方法為用抽水機提前3天每天下午抽干1次，第4天在抽水機出水口接膠管進行取樣，并于實驗室內測定淺層地下水的水質指標。淺層地下水測定指標與流動地表水一致，包括pH值、礦化度、DO、COD、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、PO43-、NO3-和Cl-。

2.2 水樣測試分析方法

依據《中國生態系統研究網絡水分監測規范》和《水域生態系統觀測規范》統一方法，根據代表性、定位性、時間一致性的原則采集水樣后，參照該規范規定的國標方法進行實驗室內分析，并進行數據質量控制（張心昱等, 2009）。其中，pH值和DO含量使用YSI多參數水質分析儀（EXO1, Yellow Springs Instrument Co., Inc., USA）測定；礦化度和COD含量分別采用質量法和酸性高錳酸鉀滴定法測定；Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量采用原子吸收分光光度法測定；SO42-、PO43-、NO3-和Cl-含量分別采用硫酸鋇濁度法、磷鉬藍分光光度法、紫外分光光度法和硫氰酸汞高鐵分光光度法測定。

2.3 數據統計分析

采用軟件Excel 2010對數據進行初步處理，利用軟件SPSS 20.0和GraphPad Prism 8.0對數據進行統計分析和作圖。大氣降水、流動地表水和淺層地下水之間pH值和礦化度差異采用單因素方差分析（Oneway ANOVA）檢驗差異顯著性；流動地表水和淺層地下水中DO、COD及各離子含量的差異采用配對樣本t檢驗的分析方法。

3 結果與分析

3.1 pH值和礦化度

2005—2018年，鼎湖山流域大氣降水年均pH值為5.85±1.10，整體呈現為弱酸性（圖1）。其中，干季（10月至翌年3月）、濕季（4月至9月）大氣降水pH值分別為5.68±1.40和6.02±0.97。研究期間，流動地表水pH年均值為4.76±0.58，干、濕季分別為4.74±0.45和4.78±0.91；淺層地下水pH年均值為6.23±0.60，干、濕季分別為6.50±0.56和5.96±0.87，干季pH值顯著高于濕季（P＜0.05）。與同期大氣降水的pH值相比，鼎湖山森林流動地表水顯著變酸（P=0.001），尤其是濕季期間酸化更嚴重；而淺層地下水pH值略高于同期大氣降水，尤其是干季的差異達到顯著水平（P＜0.05），濕季二者差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 鼎湖山流域2005—2018年大氣降水、流動地表水和淺層地下水pH、礦化度、溶解氧和化學需氧量Fig. 1 The pH, salinity, dissolved oxygen and chemical oxygen demand in precipitation, surface water and groundwater during 2005—2018 in Dinghushan watershed, respectively

研究期間，鼎湖山大氣降水的礦化度年均值為(50.2±30.5) mg·L-1，礦化度較低。其中，干季、濕季期間大氣降水的礦化度分別為(69.5±49.3)和(30.9±20.7) mg·L-1，干、濕季差異達到極顯著水平（P＜0.01）。研究期間，流動地表水礦化度年均值為(53.1±37.0) mg·L-1，干、濕季分別為(54.4±57.9)和(51.8±42.3) mg·L-1；淺層地下水礦化度年均值為(135.4±67.0) mg·L-1，干、濕季分別為(139.7±65.9) 和(131.1±84.1) mg·L-1。無論干季還是濕季，鼎湖山森林流動地表水礦化度與大氣降水的同期差異均不顯著（P＞0.05）；而淺層地下水礦化度無論干季還是濕季均極顯著高于同期大氣降水和流動地表水（P＜0.01）（圖2）。

圖2 鼎湖山流域大氣降水、流動地表水和淺層地下水pH、礦化度、溶解氧含量和化學需氧量的干濕季特征Fig. 2 Seasonal changes of pH, salinity, dissolved oxygen and chemical oxygen demand in precipitation, surface water and groundwater in Dinghushan watershed, respectively

3.2 DO和COD含量

2005—2018年，鼎湖山流域流動地表水DO年均值為（7.80±1.07） mg·L-1，波動于6.0～9.9 mg·L-1（圖1），屬于地表水環境質量標準的I級標準。其中，干季、濕季期間流動地表水DO值分別為(8.29±1.87)和(7.31±0.95) mg·L-1，干、濕季間差異不顯著（P＞0.05）。研究期間，鼎湖山流域淺層地下水DO年均值為(5.81±1.28) mg·L-1，干季、濕季分別為(6.11±1.40)和(5.52±1.62) mg·L-1，二者間差異亦不顯著（P＞0.05）。通過對地表水與地下水DO值的同期比較發現，流動地表水DO值在干季（P＜0.001）和濕季（P=0.003）均極顯著高于淺層地下水（圖2）。

研究期間，鼎湖山流域流動地表水COD年均值為(1.78±1.29) mg·L-1，干季、濕季流動地表水COD分別為(1.74±1.40)和(1.83±1.47) mg·L-1，均遠低于地表水環境質量標準的I級標準（15.0 mg·L-1）。同期，鼎湖山流域淺層地下水COD年均值為(2.22±1.52) mg·L-1，干季、濕季期間分別為(2.61±1.94)和(1.84±1.59) mg·L-1。無論流動地表水還是淺層地下水，水體中COD的季節間差異均不顯著（P＞0.05）。從地表水與地下水中COD含量的同期比較來看，濕季二者間差異不顯著，而年、干季尺度上淺層地下水COD顯著高于流動地表水（P＜0.05）（圖2）。

3.3 Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量

2005—2018年，鼎湖山流動地表水陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量年均值為(0.88±0.20)、(0.45±0.10)、(1.78±0.85)和(0.47±0.14) mg·L-1。陽離子以Ca2+為主，各離子的摩爾濃度排序為Ca2+＞ Na+＞ Mg2+＞ K+。研究期間，鼎湖山淺層地下水陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量年均值為(2.73±0.73)、(3.14±2.39)、(23.49±13.10)和(1.79±0.85) mg·L-1，各離子的摩爾濃度排序為Ca2+＞Na+＞ K+＞ Mg2+。淺層地下水Na+、K+、Ca2+和Mg2+陽離子含量均極顯著高于流動地表水（P＜0.001），其中淺層地下水中Ca2+和K+含量分別達流動地表水的13.2和7.0倍（圖3）。

圖3 鼎湖山流域2005—2018年流動地表水和淺層地下水陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量Fig. 3 Concentrations of Na+, K+, Ca2+, and Mg2+ in surface water and groundwater during 2005—2018 in Dinghushan watershed, respectively

干季期間，鼎湖山流動地表水Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量均值分別為(0.95±0.27)、(0.49±0.22)、(2.08±1.01)和(0.46±0.18) mg·L-1；淺層地下水Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量均值分別為(2.67±0.73)、(2.66±2.78)、(21.29±17.03)和(1.72±1.04) mg·L-1。濕季期間，鼎湖山流動地表水Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量多年均值分別為(0.80±0.23)、(0.42±0.09)、(1.48±1.05)和(0.47±0.14) mg·L-1；淺層地下水Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量多年均值分別為(2.79±0.88)、(3.58±2.36)、(25.54±11.65)和(1.85±0.83) mg·L-1。無論地表水還是地下水，各陽離子的季節間差異均不顯著；而無論干季還是濕季，各陽離子在地表水與地下水中的含量差異均達到了極顯著水平（P＜0.01）（圖4）。

圖4 鼎湖山流域流動地表水和淺層地下水陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量的干濕季特征Fig. 4 Seasonal changes of the concentrations of Na+, K+, Ca2+, and Mg2+ in surface water and groundwater in Dinghushan watershed, respectively

3.4 SO42-、PO43-、NO3-和Cl-含量

2005—2018年，鼎湖山流動地表水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-陰離子含量年均值為(49.54±18.32)、(0.03±0.03)、(2.46±1.55)和(0.30±0.12) mg·L-1。鼎湖山淺層地下水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-陰離子含量年均值為(62.79±28.42)、(0.04±0.04)、(1.32±0.92)和(0.55±0.30)mg·L-1。本研究中，所測地表水、地下水水體陰離子均以SO42-為主，各離子的摩爾濃度均表現為SO42-＞NO3-＞ Cl-＞ PO43-。淺層地下水SO42-、Cl-離子含量顯著高于流動地表水相應離子含量（P＜0.05），而NO3-離子含量顯著降低（降幅46.3%，P=0.003），PO43-無顯著性變化（P=0.27）（圖5）。

圖5 鼎湖山流域2005—2018年流動地表水和淺層地下水陰離子SO42-、PO43-、NO3-和Cl-含量Fig. 5 Concentrations of SO42-, PO43-, NO3-, and Cl- in surface water and groundwater during 2005—2018 in Dinghushan watershed, respectively

干季期間，鼎湖山流動地表水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-陰離子含量均值分別為(42.87±22.28)、(0.03±0.03)、(2.17±1.05)和(0.31±0.16) mg·L-1；淺層地下水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-陰離子含量均值分別為(51.29±22.65)、(0.04±0.05)、(1.42±1.05)和(0.57±0.37) mg·L-1。濕季期間，鼎湖山流動地表水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-陰離子含量均值分別為(56.21±24.96)、(0.03±0.05)、(2.75±2.61)和(0.29±0.11) mg·L-1；淺層地下水SO42-、PO43-、NO3-和Cl-陰離子含量均值分別為(74.29±41.50)、(0.03±0.05)、(1.22±0.93)和(0.53±0.27) mg·L-1。無論干季還是濕季，地下水相較于地表水均具有顯著高的SO42-、Cl-含量以及顯著低的NO3-含量（P＜0.05）（圖6）。此外，除淺層地下水中SO42-含量存在干、濕季間的顯著性差異（P=0.03）外，其余陰離子的季節間差異均不顯著。

圖6 鼎湖山流域流動地表水和淺層地下水陰離子SO42-、PO43-、NO3-和Cl-含量的季節特征Fig. 6 Seasonal changes of the concentrations of SO42-, PO43-, NO3-, and Cl- in surface water and groundwater in Dinghushan watershed, respectively

4 討論

4.1 流動地表水和淺層地下水酸度和礦化度

水的酸堿性是影響水體中元素賦存狀態、濃度及分配的主要因素。研究期間，鼎湖山流域大氣降水整體呈現為弱酸性（pH值為5.85±1.10），與劉菊秀等（2003）報道的降水pH值（4.35～5.65）相比，該地區大氣降水酸度明顯改善。鼎湖山流動地表水酸度（pH值為4.76±0.58）相較于歐陽學軍等（2002）測定的2001年該流域森林地表水酸度（4.09）同樣呈現出明顯的改善趨勢。此外，與大氣降水相比較，鼎湖山森林流動地表水（pH值為4.76±0.58）呈現顯著酸化，尤其是濕季期間更突出。鼎湖山森林流動地表水pH值顯著低于云南哀牢山和西雙版納森林流動地表水，這主要與嚴格保護下的鼎湖山森林地表較厚的腐殖質層以及長期酸化的土壤（pH＜4.2）對水體的作用過程關系密切（張心昱等, 2009；Liuet al., 2021）。相較于地表水pH，淺層地下水呈現一定的酸度弱化（pH值為6.23±0.60）。

礦化度是表征水體中所含無機礦物成分總量的指標。整體上，鼎湖山地區大氣降水礦化度較低，尤其是濕季期間雨水的礦化度僅為(30.9±20.7) mg·L-1。研究期間，流動地表水、淺層地下水礦化度季節間差異均不明顯，但無論干季還是濕季淺層地下水礦化度均極顯著高于大氣降水和流動地表水（P＜0.01）。與我國其他典型森林生態系統定位站的觀測結果相比，鼎湖山流動地表水體礦化度與南亞熱帶濕潤地區哀牢山森林站流動地表水相應值接近，但遠低于熱帶濕潤地區西雙版納森林站流動地表水相應值（劉旭艷等, 2020）。水體礦化度與氣候、母巖、土壤母質等特征有關，總體上我國森林生態系統水體礦化度呈現從北向南、從西向東逐漸降低的趨勢（張心昱等, 2009）。

4.2 流動地表水和淺層地下水溶解氧和化學需氧量

溶解氧指溶解在水中的氧含量，可作為水體自凈程度及能力的重要指標。2005—2018年，鼎湖山森林流域流動地表水DO年均值波動于6.0～9.9 mg·L-1，屬于地表水環境質量標準的I級標準。相比而言，鼎湖山流動地表水的DO含量高于天山中部天然云杉林森林集水區地表徑流水DO含量（4.4～8.5 mg·L-1）（李海軍等, 2010），與中亞熱帶錢江流域天然次生林集水區溪流水接近（8.1 mg·L-1）（王小明等, 2011）。研究期間，鼎湖山淺層地下水DO含量無論在干季（P＜0.001）還是在濕季（P=0.003）均極顯著低于流動地表水，這與二者水體相對靜止或流動的狀態不同有很大關系。

化學需氧量往往作為衡量水中有機物質含量多少的指標，表征水體受污染程度。研究期間，鼎湖山流域流動地表水和淺層地下水化學COD值均較低，且二者間整體差異不顯著，均遠低于地表水環境質量標準的I級標準（15.0 mg·L-1）。鼎湖山流域流動地表水COD值亦與中亞熱帶錢江流域天然次生林溪流水接近（1.77 mg·L-1）（王小明等, 2011）。鼎湖山流域流動地表水和淺層地下水中溶解氧和化學需氧量的長期監測結果均表明鼎湖山森林地表水、地下水的有機污染物質含量低、水質較好，受人為污染的程度低，是下游地區清潔水源的發源地。

4.3 流動地表水和淺層地下水主要陰、陽離子含量

研究表明，鼎湖山森林流域流動地表水和淺層地下水體中陽離子均以Ca2+含量最高，這與黃麗等（2019）關于中國典型陸地生態系統水化學離子特征的報道相一致。研究期間，鼎湖山淺層地下水陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量無論在干季還是在濕季均極顯著高于流動地表水中相應的離子含量，尤其是Ca2+和K+含量增幅劇烈（淺層地下水中Ca2+、K+含量分別為流動地表水的13.2和7.0倍），這與區域濕熱氣候條件降雨對森林植被與土壤的淋溶作用、酸化土壤H+置換作用及地下水的蒸發作用等關系密切（劉菊秀等, 2003; 劉鴻雁等, 2006; Jianget al., 2018）。

鼎湖山森林流域流動地表水水體中陰離子以SO2-的含量最高，淺層地下水中陰離子以HCO-43和 SO42-含量較高，主要受巖石風化、蒸發巖溶解及離子間的交換等自然要素的影響。研究期間，鼎湖山淺層地下水SO42-、Cl-含量在干季和濕季均極顯著高于流動地表水中相應離子含量，這可能是由于SO42-、Cl-帶負電荷，不易被土壤膠體吸附而易流失。此外，除淺層地下水中SO42-含量存在干、濕季間顯著性差異外，其余陰離子的季節間差異均不顯著。研究期間，大氣降水（P=0.13）、流動地表水（P=0.12）中SO2-4含量的干、濕季差異均不顯著，而淺層地下水在濕季期間相對較高的SO42-含量可能與基巖礦物溶解有關。

此外，本研究也發現NO3-在淺層地下水體中的濃度顯著低于流動地表水（P=0.003），同時PO43-含量在二種水體間的差異較小。這與張勝利等（2007）對秦嶺南坡中山地帶典型森林流域支溝溪流水和流域出口徑流水NO3-和PO43-的研究報道一致，從森林生態系統不同層次比較來看，溪流水NO3-含量最高，而溝道徑流階段為水體中NO3-含量降低的關鍵階段。本研究中淺層地下水觀測井建立在流域下游出口附近，地表水向下游匯流同樣歷經溝道徑流階段。一般而言，天然水體中磷主要以PO43-形式存在，且含量較低，主要來源于降水對森林植物的淋溶，同時森林土壤對其存在吸附作用，從而使得流域流動地表水與淺層地下水中PO43-含量接近。

5 結論

研究期間，鼎湖山流域大氣降水pH整體呈現為弱酸性，且時序上雨水酸度在緩解。相對于大氣降水的酸度，鼎湖山森林流動地表水呈現顯著酸化，而淺層地下水則表現為一定程度的酸度改善。整體上，鼎湖山流域大氣降水的礦化度較低，尤其是濕季期間。無論干、濕季，淺層地下水礦化度均極顯著高于大氣降水和流動地表水。對DO和COD的長期監測表明，嚴格保護下的鼎湖山森林流動地表水、淺層地下水受人為污染程度較低，水質優。此外，鼎湖山淺層地下水中陽離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+和陰離子SO42-、Cl-含量均極顯著高于流動地表水相應離子含量，尤其是Ca2+、K+濃度的增幅劇烈。然而，NO3-在淺層地下水體中濃度極顯著低于流動地表水。整體上，處于嚴格人為保護下的鼎湖山森林流域的水體質量狀況可以作為該區域水環境的本底參考。