水污染是目前面临的重要环境问题[1-2]。农业生产无机化肥的施用以及人类生活污水和工业废水的排放[3]，均可能造成水体氮、磷浓度增加，从而导致水体富营养化[4]。水体富营养化不仅对水生生物生存环境造成破坏，而且影响供水水质并增加制水成本[5]。森林具有涵养水源的作用。张建华等[6]研究表明，落叶松林冠层可以截留雨水，保水效果明显，可通过降水截留减少水土流失、提高生态环境质量。田磊[7]研究发现，大兴安岭兴安落叶松林对水质有不同程度的净化功能。蒲莹等[8]研究表明，森林面积的增加对森林生态服务功能具有提升作用。因此，森林凭借其特有的生态结构和生理特性，通过降水截留、土壤水分保持、地下水补给等一系列复杂过程，在涵养水源、净化水质、防止水土流失、提高生态环境质量等方面具有重要的作用[9]。然而，随着工业的发展，酸沉降问题也随之出现[10]，其对森林生态系统的水源涵养、水土保持等功能具有不利影响[11]。
安徽合肥市地处淮河以南，四季分明，梅雨显著，夏雨集中。因此，研究降水特别是酸性降水条件下水源涵养林对水质净化的影响十分必要。本文利用人工模拟降水，研究正常降水条件下林下植被和枯枝落叶层对降水的吸附作用，分析酸性和正常降水条件下，不同林分类型对降水的吸持和对水质的净化作用，为水源涵养林建设中选择合适的森林类型及建设位置提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验地基本情况
研究对象是一座兼具饮用、灌溉、防洪等综合效益的小型水库，其集水面积4.23 km2，总库容86.00万m3。水库设计洪水位43.33 m（吴淞高程系），校核洪水44.10 m，汛限水位42.50 m，正常蓄水位42.50 m，历史最高库水位43.51 m。流域植被类型多样，主要为水源涵养林。试验选择该水库阳坡柳树林、阳坡刺槐林和阴坡柳树林3种类型的林地。
1.2 试验试剂与仪器
硫酸、氢氧化钠、钼酸铵和磷酸二氢钾（分析纯，西陇科技股份有限公司）；高氯酸（分析纯，天津政成化学制品有限公司）；过硫酸钾、抗坏血酸（分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；酚酞（分析纯，上海润捷化学试剂有限公司）。
高压灭菌锅BXM-30R（立式压力蒸汽灭菌器）；电子天平FA1104B（上海精密仪器仪表有限公司）；紫外可见分光光度计UV-1900PC型号[翱艺仪器（上海）有限公司]；多功能数字型酸度计FE28[梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]。
1.3 试验方法
1.3.1 酸性降水模型建立
参考李德生等[12]的方法进行酸性降水配制。
1.3.2 林下植被对降水的吸附量测定
通过人工模拟正常降水实验（控制降水量60 mm，持续降水2 h），探究不同林分（阳坡柳树林、阳坡刺槐林和阴坡柳树林）林下植被与枯枝落叶层对降水的吸附能力。具体操作步骤：在人工降水实施前，在1 m×1 m 标准样方内，对林下植被及枯枝落叶进行完整收集，并完成初始重量测定，测定后再重新恢复到地表；待模拟降水过程结束后，再次测量上述样本的重量，通过前后重量的差值计算，最终获得林下植被和枯枝落叶层的实际吸附水量。
1.3.3 地表水和渗透水中pH的变化
参照 1.3.2 的人工模拟降水方法，选取3种不同林分类型中1 m×1 m的标准地块。在每个标准地块内，酸性和正常降水条件下各设置小样方3个，总计18个采样单元。模拟降水完成后，分别采集各样方内的地表水样本，以及地表下30 cm处的土壤（淋溶层）渗透水样本，并对所采集的水样进行pH测定。水样pH的测定参考HJ 1147—2020 《水质 pH 值的测定 电极法》。
1.3.4 渗透水中氮磷浓度的变化
参照1.3.3方法进行酸性和正常人工模拟降水，测定地表水样及30 cm处的渗透水样水中的总氮、总磷浓度，分析不同森林类型对水质净化的效果。总氮、总磷测定的方法分别参考HJ 636—2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》和HJ 671—2013 《水质 总磷的测定 流动注射-钼酸铵分光光度法》。
1.3.5 土壤pH的变化
参照1.3.2方法进行酸性和正常人工模拟降水，分别在模拟降水后的第0、1、3、5、7、10、13、16和19 d，对各标准小样地的地表土壤及30 cm处的土壤进行采集，测定不同层次土壤pH，分析其动态变化规律。土壤pH的测定参考HJ 962—2018 《土壤 pH 值的测定 电位法》。
1.4 数据处理
采用Excel和Origin软件进行数据处理及作图。
2 结果与分析
2.1 不同林分林下植被和枯枝落叶的吸附水量
不同森林类型的林下植被与枯枝落叶层在降水吸附能力方面存在一定差异。其中，阴坡柳树林的降水吸附量为1.206 kg/m2，是自身重量的1.18倍；阳坡柳树林的吸附量略低于阴坡，为1.128 kg/m2，约为自身重量的1.07倍；阳坡刺槐林的吸附性能最强，降水吸附量为2.505 kg/m2，是自身重量的2.43倍。（表1）因此，在降水吸附能力方面，阴坡柳树林优于阳坡柳树林；相较于柳树林，刺槐林林下植被及枯枝落叶层的降水吸附能力更强。
表1 林下植被及枯枝落叶的吸附水量 |
| 森林类型 | 植被及枯枝落叶降水前重量（kg/m2） | 降水量/持续时间/（mm/h） | 植被及枯枝落叶降水后重量/（kg/m2） | 植被及枯枝落叶吸附水量/（kg/m2） |
|---|---|---|---|---|
| 阳坡柳树林 | 1.050 | 30 | 2.178 | 1.128 |
| 阴坡柳树林 | 1.025 | | 2.231 | 1.206 |
| 阳坡刺槐林 | 1.030 | | 3.535 | 2.505 |
2.2 地表水和渗透水的pH
由表2可知，3种林分在酸性与正常降水条件下，地表水及渗透水的pH均呈现出不同程度的波动。正常降水的地表水及渗透水的pH高于酸性降水，表明即便酸性降水历经地上植被拦截、地表枯落物分解以及土壤过滤等多重过程，依然会对地表及浅层地下水产生影响。酸性降水条件下，3种林分的地表水与渗透水pH由大到小依次为阳坡刺槐林>阴坡柳树林>阳坡柳树林。由此可知，不同森林植被类型抵御酸性降水危害的能力存在差异，阳坡刺槐林的抵御能力较强。
表2 地表水和渗透水的pH |
| | | | |
|---|---|---|---|
| | | ||
| | 正常 | | |
| | 正常 | | |
| | 正常 | | |
2.3 渗透水中总氮、总磷浓度
由表3可知，在酸性和正常降水条件下，刺槐林渗透水中总氮、总磷的浓度均低于柳树林。阴坡柳树林的总氮浓度低于阳坡柳树林。说明不同植被类型对水中总氮的净化能力存在差异，由强到弱依次为阳坡刺槐林>阴坡柳树林>阳坡柳树林。酸性降水会导致地表水中总氮浓度增大，说明酸雨对水质存在不利影响，会加重库区水体的氮污染。在不同降水条件下，不同植被类型的渗透水中总磷浓度变化并不明显，可能是因为水中总磷浓度处于较低水平，难以呈现出明显的差异。
表3 不同林分类型渗透水中总氮和总磷浓度单位：（mg/L） |
| | | 总氮 | 总磷 |
|---|---|---|---|
| | 正常 | 0.78 0.75 | 0.02 0.02 |
| | 正常 | 0.90 0.80 | 0.03 0.03 |
| | 正常 | 0.81 0.78 | 0.03 0.03 |
2.4 土壤pH的动态变化
2.4.1 酸性降水下土壤pH的变化
经过酸性降水后，3种林分土壤的pH变化见图1。在酸性降水条件下，柳树林、刺槐林两种林地的淋溶层土壤的pH均高于表层土壤。同时，随着时间的推移，柳树林和刺槐林的表层、淋溶层土壤pH均呈现缓慢上升的趋势，这表明土壤酸碱度随着时间的推移逐渐趋于中性。由此可见，在酸性降水条件下，土壤具有自我调节酸碱度的能力，以缓冲酸性降水的影响。在酸性降水条件下，阴坡柳树林的土壤pH高于阳坡柳树林；阳坡刺槐林的土壤pH高于阳坡柳树林，表明阴坡柳树林对酸性降水的缓冲能力强于阳坡柳树林，刺槐林在缓冲酸性降水的影响方面展现出更强的能力。
2.4.2 正常降水下土壤pH的变化
3 结论
本研究利用人工模拟降水，分析张公塘水库水源涵养林（阳坡刺槐林、阴坡柳树林、阳坡柳树林）对水质的净化作用，得出如下结论。（1）在降水的吸收与吸附过程中，林下植被及枯枝落叶发挥了重要作用，其中阴坡柳树林的降水截留与吸附能力上优于阳坡柳树林；而刺槐林林下植被及枯枝落叶的水分吸附能力优于柳树林。（2）3种林分对水酸碱度的调节能力由强到弱依次为阳坡刺槐林、阴坡柳树林、阳坡柳树林。（3）酸性降水会导致渗透水中的总氮、总磷浓度增加，表明酸雨对水质存在不利影响；在3种林分类型中，阳坡刺槐林对水中氮磷的净化效果最佳，阴坡柳树林次之，阳坡柳树林效果较差。（4）在酸性和正常降水条件下，刺槐林表层和淋溶层的土壤pH均高于柳树林，说明刺槐林在降水水质净化方面展现出更强的效能，而阴坡柳树林表层和淋溶层的土壤pH均明显高于阳坡柳树林，说明阴坡柳树林在降水水质净化中发挥的作用更明显。以上结果表明，在饮用水源地库区流域的森林植被建设过程中，树种及林分的科学选择对维持和改善水质具有重要作用；刺槐林在水质净化方面的作用明显优于柳树林；此外，造林位置的选择不容忽视，阴坡的水质净化效果明显高于阳坡，在实际规划中应予以重视。