城市森林冠层降水再分配及其对重金属沉降的影响—以广州帽峰山为例

Due to global change and human activities, the role of urban forest on modulating precipitation input and associated heavy metal deposition is a critical focus in ecohydrology and environmental sciences. However, the mechanism linkage between precipitation partitioning and heavy metal deposition in urban forest remains unclear. This project focuses on three typical forest types (evergreen broad leaved, coniferous and artificial restoration forest) in Maofeng Mountain, Guangzhou city with the aid of observing stations. Through high frequency sampling combined with 3-dimensional laser scanning and hydrological process monitoring, we aim to (1) identify the differences of canopy structure in different forest species and enhance the understanding of main influencing factors for the process of precipitation partitioning; (2) elucidate the seasonal variations in dissolved/granular heavy metals flux in throughfall and stemflow across different forest species; (3) clarify the quantitative relationship between precipitation partitioning process and heavy metal flux; (4) discuss the impact mechanism of precipitation partitioning on atmospheric heavy metal deposition in different forest species. These findings would provide valuable scientific guidance for the selection of pollution-reducing tree species for urban forest and the control of heavy metal pollutants in regional atmosphere.

理解全球变化与人类活动背景下城市森林冠层对降水输入和大气重金属沉降的影响，是当前生态水文学和环境科学领域所共同关注的热点问题之一，然而，目前城市森林冠层降水再分配过程对重金属沉降的影响机理仍不清楚。本项目以广州市帽峰山森林为例，选择3种典型森林类型（常绿阔叶林、针阔混交林和人工恢复林）建立实验观测样地，通过林冠调查并结合激光扫描技术构建林冠三维结构模型，辨识不同林种林冠结构特征差异性，基于野外高频水文过程监测与样品分析，研究林冠降水再分配过程及其主要影响因素，揭示不同林种穿透水和树干茎流中溶解态/颗粒态重金属通量及季节变化规律，阐明林冠穿透水量/率和树干茎流量/率与重金属含量间的定量关系，探讨城市森林冠层降水再分配对重金属沉降的影响机理。本研究将为城市森林减污抗污树种遴选与区域大气重金属污染防治提供科学指导。

研究植物冠层降水再分配过程及其对化学元素迁移的影响，尤其是在重金属沉降较为严重的地区，对于理解区域水文循环和水量平衡以及生物地球化学循环具有十分重要的科学意义。然而，植被冠层对水化学元素的影响机理仍缺乏深入认识。本项目以城市森林和城市绿化树为研究对象，通过开展大气干湿沉降、穿透水和树干径流高频实验观测与样品采集，研究了城市植被降水再分配过程及其水化学效应。主要结论包括：（1）系统研究了城市植被冠层降水再分配规律，发现城市森林的植被冠层截留率较高，平均值高于50%，而城市绿化树的穿透水占主导，穿透水比例高于70%。穿透量和树干茎流(尤其是穿透量)与降雨量呈显著的线性正相关(r≥0.76; p<0.01)与降雨量相关；（2）在对重金属元素沉降影响方面，除榕树树干茎流Cd淋溶系数小于1外，城市绿化树的穿透水和树干茎流重金属元素淋溶系数均大于1，表现出正淋溶，且王棕、榕树和大花紫薇的重金属输入总量分别是大气降水的1.11、1.80和1.99倍，说明降水淋洗了植物冠层干沉降重金属物质，使得重金属含量增加；（3）穿透流和树干径流中大部分离子溶质浓度均高于大气降水，尤其是树干径流中离子溶质浓度较高。基于冠层平衡模型估算了干沉降和冠层交换的贡献，冠层对所有阳离子的交换都是正的，尤其是K+，表明从树木中显著地浸出，而阴离子则表现出很大的变异性：由于两种植物对阴离子的吸收更大，因此冠层交换对大部分阴离子呈负性。本项目加深了我们对于植被冠层降水再分配规律与水化学元素淋溶转化过程的认识，为进一步研究全球变化背景下陆地植被生态水文过程提供科学基础。此外，本项目对比分析了不同树种对阴阳离子特别是酸性离子输入的影响，研究结果可为世界酸沉降较为严重地区的城市绿化树选种提供科学参考，对城市森林管理与区域生态环境建设具有实践意义。