广州帽峰山森林生态系统的暴雨及 PAHs、TOC 的地球化学特征

针对城市遭遇暴雨易发内涝性灾害的影响,为了系统地揭示城市森林消减暴雨径流、储滤暴雨中PAHs、TOC的生态效益,采用了森林小集水区水文要素的定位观测与对比试验方法,连续4年(2018—2021年)开展了广州市帽峰山常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统的暴雨水文循环及对PAHs、TOC的地球化学影响研究。结果表明,常绿阔叶林、针阔叶林生态系统可分别储滤暴雨中Σ16PAHs总的质量浓度25.6%—29.6%、TOC质量浓度的15.8%;林冠层淋溶平均增加其在林内雨质量浓度的8.1%、40.3%,两类森林土壤的0—30 cm层较其以下层对暴雨林内雨中Σ16PAHs总质量浓度的储率分别小13.3%和15.3%、而TOC质量浓度的储率上则分别大7.6%和15.2%。常绿阔叶林、针阔叶林生态系统的总径流中FLT、BbF、BkF、BaP、IcdP、BghiP质量浓度较暴雨相应减小分别在10.5%—38.7%和2.5%—51.4%间,其中BbF、BaP质量浓度的减小率大于30%,而FLT、BkF减小率大于20%;林冠层淋溶相对增加了林内雨6组分质量浓度在6.9%(BbF)—39.8%(BaP)间,两类森林土壤的0—30 cm层分别储滤暴雨林内雨中相应质量浓度的范围在15.5%(BbF)—36.7%(BghiP)和1.4%(IcdP)—38.8%(BghiP)间、而土壤30 cm以下层则对BaP、BkF的质量浓度储率较高;森林生态系统的暴雨总径流与暴雨中10种PAHs的质量浓度对比,两类森林的系统储率(除DahA均9.5%)分别在16.2%—55.5%和17.6%—48.1%之间,其中CHR、ANY、ANT、FLU、ANA、NAP的储率均大于30%;林冠层对暴雨中NAP、ANA、ANT、ANY的质量浓度消减在25.0%—15.9%间;两类森林土壤深30 cm的渗透水中NAP、ANA、ANT、ANY、FLU及CHR(阔叶林)、PHE(针阔林)的质量浓度相对林内雨呈增加,但这些组分在土壤30 cm以下层渗漏至总径流中被显著储存(相对储存率在73.7%—34.6%间)。依据林区多暴雨、少暴雨年的森林水文循环通量计,常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统分别年均暂储暴雨量的81.8%和77.2%、贮存年暴雨Σ16PAHs通量的85.4%和82.5%、年暴雨TOC通量的73.0%和81.7%;而两类森林的土壤至不透水岩层在年暴雨及Σ16PAHs、TOC通量的贮存率中分别占80.8%及68.5%、79.8%。森林生态系统的年暴雨中PAHs各组分通量的地球化学平衡显示,常绿阔叶林、针阔叶混交林生态系统年储滤暴雨2—3环ΣPAHs、4环ΣPAHs及6组PAHs代表物通量的平均值分别是86.4%、83.4%及79.6%—87.9%,而相应的土壤至不透水岩层储滤占比分别为68.9%、90.7%(冠淋溶增)及59.4%—80.1%。城市森林生态系统的土壤至不透水岩层在消减暴雨径流、贮存暴雨PAHs、TOC的质量浓度及通量上发挥极其显著的生物地球化学效应。

广州城市森林及不同地表垫面对暴雨径流与PAHs、TOC的影响

为了系统地计量城市不同地表垫面暴雨产流及有机毒性物负荷,连续3年在广州市帽峰山林区开展了森林及不同地表垫面的暴雨径流及PAHs、TOC质量浓度和水文通量的定位对比观测研究。结果反映出:22次暴雨水泥地表的平均产流率达(90.0%±3.2%),分别是草被及针阔叶混交林、常绿阔叶林地表相应的13.9、24.5、27.2倍;年均90.8%的暴雨量在水泥地表形成为径流,草被、森林的年暴雨地表径流量则相对水泥地表相应平均减小分别为92.5%、95.8%。水泥地表应对暴雨的径流响应关系为极显著的线性关系(R^(2)=0.998),而草被及针阔混交林、常绿阔叶林地表相应的均呈极显著的对数关系(R2=0.90、0.94、0.93);草被覆盖度增长与其地表暴雨产流率负相关性显著。暴雨及各地表垫面径流PAHs质量浓度20次检测结果对比统计,相对于沥青地表暴雨径流Σ16PAHs总的质量浓度(154.4±52.2)ng·L^(−1),相应的草被、针阔混交林及常绿阔叶林的地表径流中净减少在42.0%—31.7%之间、地表径流6种PAHs(FLA、BbF、BkF、BaP、IcdP、BghiP)的每种质量浓度的减小率平均在55.9%—47.9%之间;相对暴雨中Σ16PAHs及6组代表物的质量浓度,草被及2类森林的地表径流相应减小分别在12.1%—23.5%和17.6%—6.2%之间,且对暴雨中10种PAHs组分中依次有7、6、6种组分的质量浓度均产生更显著的去除效应。暴雨—地表径流中TOC的质量浓度17次检测结果的对比,草被、2类森林相对水泥地表径流中TOC质量浓度的增加范围在61.9%—75.7%间,而相对于暴雨中TOC质量浓度则增加在1.58—1.80倍间。依据2年暴雨径流统计,草被及森林地表垫面净储存年暴雨中Σ16PAHs、TOC通量的平均范围分别在94.2%—97.0%和82.4%—90.2%间,而相对水泥地表则年径流中Σ16PAHs通量净减少范围在92.3%—96.4%间、TOC通量净减少在87.9%—93.3%间;同时,其相对于年暴雨、水泥地表径流中PAHs各组分通量的储滤率均值分别大于93.0%、95.0%、96.0%。由此解析出,草被及森林地表垫面应对暴雨可显著减小地表产流及有机污染物流失,尤其是森林的冠层截留及土壤水持续下渗生态性能,更有效地消减暴雨径流量、储滤PAHs及TOC,而相比于地表硬质垫面则消减储滤影响效应更为显著;这对于城市区域的极端暴雨水患及水质毒性物危害的防治具有不可替代的生态环境效益。