广州市森林及不同地表垫面对暴雨—径流PAHs的滤储特征
城市频发暴雨过程中,地表径流携带大量有机污染物进入水体,对水环境质量影响极其显著。本研究以广东珠江三角洲森林生态系统国家定位观测研究站(简称珠三角生态站),在广州市帽峰山的水文试验场为基础:3种不同下垫面类型(草地、水泥、沥青)的暴雨-地表径流场、常绿阔叶林和杉阔混交林森林生态系统水文循环测定系统(降雨、穿透水、地表径流及集水区测流堰测定总径流);采用森林集水区定位观测及不同下垫面的对比试验观测方法,并借助邻近的城市区域暴雨对照,开展了不同下垫面及森林生态系统暴雨径流过程中有机污染物多环芳烃(PAHs)组分的含量特征,暴雨-产流PAHs通量特征的系统对比研究,分析研究了城郊暴雨差异,暴雨PAHs质量浓度、不同下垫面及森林生态系统对暴雨产流过程中PAHs质量浓度及通量的影响;为城市地表径流面源有机污染防控、植被保护提供科学依据。
研究结果如下:(1)2016、2017年,林区帽峰山降雨量分别为2089.3mm、1673.8mm,较邻近的天河区五山街道相应分别小15.4%、18.7%。连续2年间,帽峰山林区20次暴雨及大暴雨观测值(雨量≥50mm),与邻近的五山街的相对应的雨量存在小尺度距离上的差异,即帽峰山林区的暴雨雨量小于相应的五山街雨量;主要反映在两站点20次暴雨的降雨历时无显著性差异,而暴雨及大暴雨的最大雨强的平均值间则存在显著差异,即林区暴雨雨强小于相应的对照区。
(2)暴雨与不同地表垫面暴雨产流中的16种PAHs组分含量分布均有差异,ANT在暴雨及地表产流中均为含量较高的组分。沥青地表径流中有13种PAHs组分含量均高于暴雨、水泥及草地地表径流中含量,常绿阔叶林与杉阔混交林总径流中分别有14、13种PAHs组分小于暴雨径流中组分。
(3)监测的帽峰山林区4种地表(水泥、沥青、草地、森林)的14次暴雨地表径流中∑16PAHs的平均质量浓度的负荷大小为:沥青地表(231.20 ng·L-1)>阔叶林地表(130.87ng·L-1)>水泥地表(100.42 ng·L-1)>杉木林地表(88.50 ng·L-1)>草地地表(85.28 ng·L-1),相对于暴雨质量浓度,草地、杉阔混交林地表产流中∑16PAHs的质量浓度的滤储率分别为37.2%、34.8%,阔叶林地表产流的滤储率则为3.6%;而沥青地表产流中∑16PAHs的质量浓度则增加了70.3%。沥青地表显著地增加了暴雨-地表径流中PAHs质量浓度,草地地表显著降低了暴雨-地表径流中PAHs质量浓度。
以森林集水区暴雨-总径流统计显示:森林的林冠层较暴雨中PAHs质量浓度平均减小13.6%,阔叶林和杉阔混交林森林生态系统(总径流)中PAHs的平均质量浓度较相应暴雨浓度分别减小50.0%、52.3%。(4)沥青地表对6种PAH代表物均呈增加效应,对FLA、Ba P、Icd P、Bghi P的增加效应达140%以上;水泥地表、草地地表对6种PAH代表物均呈滤储效应,草地的滤储效应更好;阔叶林林冠层对5种PAH代表物有滤储效应,其地表对3种PAH代表物有滤储效应,总径流对6种PAH均有较好的滤储效应,对Bb F、Bk F、Icd P、Bghi P的滤储率达50%以上;杉阔混交林的地表层对6种PAH的也有较好的滤储效应,对Bb F、Bk F、Bghi P的滤储效应达50%以上,其总径流对FLA、Bk F、Icd P、Bghi P的滤储滤也达50%以上。
(5)对2017年不同地表(水泥、草地、森林)的暴雨产流率,及2种类型森林生态系统暴雨水文要素的结果分析显示,不同地表的暴雨产流率大小为,水泥地表(77.64%)>草地地表(15.42%)>森林地表(常绿阔叶林为8.73%,杉阔混交林为10.54%),水泥地表产流率极显著大于草地与森林地表(P=0.000),草地地
表产流率显著大于杉木林地表产流率(P=0.011),2种类型森林的地表产流率间无显著性差异(P=0.434),可以看出透水地表的暴雨产流率较不透水地表小很多。在森林生态系统暴雨水文过程中,阔叶林林冠层在9次暴雨的平均截留率为14.3%,阔叶林总径流的暴雨产流率较杉阔混交林小(产流率分别为9.2%、20.9%)。
(6)2017年,帽峰山林区与五山街道的对应9次暴雨及大暴雨中∑16PAHs通量分别为0.98 kg·ha-1、1.17 kg·ha-1,城区的暴雨输入地面环境的PAHs通量高出相应林区19.4%。不同地表垫面的暴雨-地表产流中PAHs通量大小为水泥地表(0.56 kg·ha-1)>草地地表(0.09 kg·ha-1)>森林地表(常绿阔叶林为0.08kg·ha-1;杉阔混交林为0.07 kg·ha-1)。
森林地表层及土壤层对暴雨中PAHs的通量的降低效果显著高于林冠层,常绿阔叶林暴雨总径流中PAHs通量较杉木林低。水泥地表、草地地表、森林的各界层(林冠层、地表层)皆能降低暴雨-产流中PAHs的通量。
(7)受交通等多种污染影响,市区沥青地表与水泥地表的交通道路的暴雨地表径流中PAHs浓度皆大于相应的林区沥青地表与水泥地表。