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由于经济快速发展和环境基础设施建设滞后，中国水体污染较为严重[1-2]。利用水生植物及其根系负载生物膜的吸收、吸附和降解作用，并通过收获植物移除水中污染物，是一种简单易行、成本低廉且极具景观效应的技术，在污染水体治理中得到了广泛应用[3-4]。然而，实践表明，该技术运维过程中需定期对水生植物进行修剪、收割，否则植物残体腐烂后，植物体内吸收的物质将重新释放进入水体，造成二次污染[5-6]。近年来，由于植物养护不到位，许多河道出现生态修复效果不稳定，水质反弹等现象。近几年生态环境状况公报表明，中国大部分水体主要污染物为氮磷营养物质，主要污染源为生活污水[7]。污染水体实为营养过剩的场所，在水域上种植生物量大、营养吸收能力强的经济作物，一方面降低水中氮磷等营养物质的浓度，另一方面也能产生可观的经济效益，刺激植物的养护工作，保障植物治理效果的长效稳定。根茎类淀粉在世界淀粉产量中占有重要的比例。由于淀粉植物资源丰富、价廉、生物可降解，各国一直十分重视淀粉植物资源的开发、利用和研究[8-9]。美人蕉Canna indica、黄菖蒲Iris pseudacorus和水芋Calla palustris为污染水体修复中常见的挺水植物，生物量大、具块茎。目前，关于此类植物块茎的资源化开发和利用鲜见报道。本研究以这3种挺水植物为研究对象，考察其对污染水体中氮、磷营养物质的净化能力，分析植物块茎淀粉产量，探讨块茎资源化利用的可行性和潜在风险，以期为块茎类水生植物的应用和资源化利用提供基础数据，也为污染水体治理提供一种新的思路。
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块茎类水生植物美人蕉、黄菖蒲和水芋均取自浙江温州河道，采用自来水清洗去除泥土后，自来水预培养2周待用。
霍格兰营养液：硫酸镁493 mg·L−1，铁盐2.5 mL，微量元素5 mL。其中铁盐：七水硫酸亚铁2.78 g，乙二胺四乙酸二钠3.73 g，溶于500 mL去离子水。微量元素：碘化钾0.830 mg，硼酸6.200 mg，硫酸锰22.300 mg，硫酸锌8.600 mg，钼酸钠0.250 mg，硫酸铜0.025 0 mg，氯化钴0.025 0 mg，溶于1 L去离子水。
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试验装置采用上部内径30.5 cm、下部内径25.5 cm、高32 cm、容积17 L的塑料桶。选择生长良好，高度基本一致的3种植物(高20 cm)，称取鲜质量后移栽于直径20 cm、厚5 cm的泡沫板上。采用磷酸二氢钾(KH2PO4)、氯化铵(NH4Cl)和质量分数为1% Hoagland营养液配制试验用水，体积为14 L，初始氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)质量浓度分别为7.37~7.53和0.41~0.45 mg·L−1。每种植物3个重复，并设不种植物的空白对照。试验开始后，隔4 d添加少量蒸馏水至刻度线，补充蒸发水量。试验在温州大学简易温室进行，温度为21~31 ℃，周期为20 d。
隔4 d采集水样，当天测定氨氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3−-N)、总氮(TN)和总磷(TP)质量分数。试验结束，取出植物，蒸馏水清洗后称鲜质量，将植株根、茎、叶、块茎分开，放入烘箱，105 ℃杀青0.5 h，75 ℃烘干至恒量，称取植物干质量，测定植物各部组织中磷、氮质量分数。
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选择生长良好，高度基本一致的3种植物(高20 cm)各3株，分别放入塑料桶(大小与1.2.1中的相同)，以污染水体中常见的重金属Cu2+、Zn2+、Cr3+、Pb2+为研究对象，与质量分数1% Hoagland营养液{上述配方中添加硝酸钙[Ca(NO3)2·4H2O] 945 mg·L−1，硝酸钾(KNO3) 506 mg·L−1，硝酸氨(NH4NO3) 80 mg·L−1，磷酸二氢钾(KH2PO4) 136 mg·L−1}配制重金属污染水体，体积为14 L，Cu2+、Zn2+、Cr3+、Pb2+初始质量浓度分别为2.01~2.08、2.56~2.87、0.22~0.26、0.24~0.26 mg·L−1。周期为20 d，每种植物设置3个重复，以不加重金属处理为对照。
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将块茎切块后放入搅碎机，搅至泥状，置于烧杯。加水搅拌混匀，用纱布过滤，加水洗涤3次。滤液于阴凉处静置24 h，倾去3/4左右上层液体，余下部分放入离心机，2 000 r·min−1离心10 min，倾去上层液体，沉淀物置于烘箱中，30 ℃烘干至恒量，冷却至室温，称量。
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水中总磷和氨氮质量浓度参照《水和废水监测分析方法》(第4版)[10]，总氮质量浓度采用TOC/TN分析仪测定，重金属质量浓度通过火焰原子吸收光谱仪测定。植物组织中氮质量分数通过浓硫酸(H2SO4)-混合催化剂法消解后，用全自动凯氏定氮仪测定；磷质量分数采用浓H2SO4-H2O2法消解后，通过钒钼黄比色法测定[11]。块茎中淀粉质量分数采用酒石酸铜滴定法分析，淀粉中重金属质量浓度采用电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES测定。
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数据采用SPSS 17.0软件处理，数据比较采用单因素方差分析(Turkey HSD)，Origin 8.0绘图。
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从图1可见：3种植物对氮均具有良好的净化能力。试验期间，植物处理组氨氮和总氮去除率均显著高于对照(P＜0.05)，且前期差异更为显著。美人蕉和水芋组氨氮去除率以12 d为节点，分为快速增长和趋于平缓2个阶段。处理12 d，美人蕉和水芋组氨氮去除率分别达100%和95.9%。处理期间，黄菖蒲组氨氮去除率随时间增加而增大，未出现明显的节点。对照组氨氮去除率变化与美人蕉及水芋组相反，处理12 d内，氨氮去除率增加缓慢，后去除率增加显著。20 d时，植物处理氨氮质量浓度由7.37~7.53 mg·L−1降至0.01~0.07 mg·L−1，满足GB 3838−2002《地表水环境质量标准》之Ⅲ类水标准限值要求，去除率达99.1%~99.9%，对照组氨氮去除率为34.1%。
图 1 3种植物对水中氮去除效能
Figure 1. Nitrogen removal by three plant species
3种植物对总氮的去除率变化趋势基本一致，均可分为快速增加和缓慢增加2个阶段。试验结束时，植物处理组总氮降至0.61~0.91 mg·L−1，去除率达91.7%~94.5%。对照组总氮去除率随时间呈上升趋势，20 d时，总氮降至9.45 mg·L−1，去除率为16.5%。3种植物对氮的净化能力无显著差异。
研究表明：水中氮的去除途径为植物同化吸收、根系吸附、氨挥发及硝化反硝化[12]。当pH＜8.5时，氨挥发作用较小[13]。从图1可见：3种植物处理组氨氮去除率均大于总氮。分析认为可能存在微生物作用，一部分氨氮经微生物的作用转化为硝态氮。但3种植物根系表面生物膜量较少，水中硝态氮质量浓度较低(硝态氮质量浓度＜0.05 mg·L−1)，故氮的去除主要为植物的吸收作用，这与其他研究结果一致[14-15]。静止水体易滋生藻类。后期对照水面出现少量藻类，藻类的吸收作用可能为对照氨氮和总氮去除的主要原因。
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植物处理促进水中磷的去除。处理4 d，美人蕉、黄菖蒲和水芋处理组总磷去除率分别为36.9%、38.8%和49.6%，较对照高32.4%、34.3%和45.1%(图2)。与氮变化相似，植物处理总磷去除率也呈现2个阶段：快速增加和缓慢变化。试验结束时，植物处理总磷质量浓度降至0.025~0.031 mg·L−1，满足GB 3838−2002《地表水环境质量标准》之Ⅱ类水标准限值要求，去除率为90.2%~94.0%。3种植物总磷去除率从大到小依次为美人蕉、黄菖蒲、水芋。试验8 d后，对照处理总磷去除率快速升高，20 d时，总磷质量浓度降至0.14 mg·L−1，去除率为68.9%。对照组总磷去除率较高有2个原因，一是藻类吸收，二是水中部分磷酸根离子与Hoagland营养液中Mg2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+等金属离子形成沉淀。
图 2 3种植物对水中总磷去除效能
Figure 2. Phosphorus removal by three plant species
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3种植物生长良好，没有出现叶片枯黄、腐烂等现象，植物生物量有不同程度的增加。20 d时，黄菖蒲、美人蕉和水芋平均生物量分别由136.0、138.1、140.0 g增至168.9、242.2、176.8 g，增幅分别为24.2%、75.3%和26.3%。可见，3种植物中，美人蕉的生物量增量最高，黄菖蒲和水芋则没有显著差异。吴建强等[16]和洪瑜等[17]采用浮床植物吸收水体氮磷时，也发现美人蕉的生物量增量远大于黄菖蒲。
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20 d时，植物组织中氮、磷质量分数如图3所示。黄菖蒲无法分离茎和块茎，故而无茎数据。从图3可见，不同植物，氮磷的组织分布差异显著(P＜0.05)，同一植物，氮和磷在组织中的分布也不相同。美人蕉组，根、茎、叶、块茎中氮和磷质量分数均无显著差异，各组织中氮、磷质量分数分别为14.58~20.19和3.04~3.54 mg·kg−1。黄菖蒲块茎中氮质量分数较高，为30.30 mg·kg−1，分别比根、叶高15.2%和30.6%；磷则根中较高，叶和块茎中无显著差异。水芋中氮主要在叶中积累，氮质量分数达39.4 mg·kg−1，高于其他组织62.1%~79.9%；茎、叶和块茎中磷质量分数无显著差异，但均显著(P＜0.05)高于根组织。对比3种植物块茎，黄菖蒲中氮质量分数显著(P＜0.05)高于其他2种植物；黄菖蒲与水芋的磷质量分数无显著差异，但均高于美人蕉。
图 3 3种植物组织中氮和磷质量分数分布
Figure 3. Contents of phosphorus and nitrogen in the tissues of three plant species
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黄菖蒲、美人蕉和水芋块茎中，提取淀粉量分别为61.3、14.1和64.0 g·kg−1。考虑到试验周期较短，块茎产量较低。在温州某河道内划定3个相邻的100 m2水域，分别种植黄菖蒲、美人蕉和水芋，8个月后收获植株，取块茎，得到3种植物的块茎产量分别为23.3、8.5和4.1 kg。因而，黄菖蒲、美人蕉和水芋块茎中可回收的淀粉量分别为14.3、1.2、2.6 kg·m−2。由此可见，种植黄菖蒲可得到相对较高的淀粉产量。
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3种植物对重金属具有良好的净化能力。20 d时，植物处理组Cu2+、Zn2+、Cr3+和Pb2+质量浓度分别降至0.13~0.43、0.09~0.15、0.04~0.07和0.05~0.06 mg·L−1(图4)，优于GB 3838−2002《地表水环境质量标准》之Ⅴ类水标准。3种植物对4种重金属的净化能力各异，黄菖蒲处理组4种重金属的去除率从大到小依次为Zn2+(96.8%)、Cr3+(83.8%)、Cu2+(79.1%)、Pb2+(77.5%)；美人蕉组依次为Zn2+(94.3%)、Cu2+(93.7%)、Pb2+(74.9%)、Cr3+(69.7%)；水芋组则依次为Zn2+(96.2%)、Cu2+(84.7%)、Pb2+(80.5%)、Cr3+(74.4%)。20 d时，黄菖蒲块茎淀粉中铜、锌、铬和铅平均质量分数分别为10.30、46.7、12.03和1.74 mg·kg−1，美人蕉块茎淀粉中4种重金属质量分数依次为12.68、44.67、8.15和1.32 mg·kg−1，水芋块茎淀粉中4种重金属质量分数则依次为19.28、66.91、9.63和3.97 mg·kg−1。这与水中重金属的去除率数据一致。由此可见，植物块茎中具有较高的重金属富集量。因此，污染水体中共存重金属时，不建议对植物块茎进行资源化利用。
图 4 3种植物处理组水中重金属质量浓度
Figure 4. Concentrations of heavy metals in the water of three plant treatments
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黄菖蒲、美人蕉、水芋3种块茎类挺水植物对水中氮磷具有良好的净化能力。氨氮、总磷初始质量浓度分别为7.37~7.53、0.41~0.45 mg·L−1时，试验20 d时，植物处理组氨氮、总氮、总磷质量浓度分别降至0~0.10、0.61~0.91、0.025~0.031 mg·L−1。满足GB 3838−2002《地表水环境质量标准》之Ⅲ类水标准限值要求。3种植物生长良好，未出现叶片枯黄、腐烂等现象。20 d时，黄菖蒲、美人蕉和水芋生物量(平均值)分别增加24.2%、7.3%和26.3%，块茎组织中氮质量分数分别为30.30、24.26，14.73 mg·kg−1，磷质量分数分别为4.14、3.04和4.74 mg·kg−1。黄菖蒲、美人蕉和水芋块茎中淀粉提取量分别为61.3、14.1和64.0 g·kg−1。河道100 m2植物种植区，8个月后，黄菖蒲、美人蕉和水芋块茎可回收淀粉量分别为14.3、1.2、2.6 kg·m−2。
3种植物对水中Cu2+、Zn2+、Cr3+、Pb2+具有良好的净化效果。黄菖蒲处理组4种重金属的去除率从大到小依次为Zn2+(96.8%)、Cr3+(83.8%、Cu2+(79.1%)、Pb2+(77.5%)；美人蕉组依次为Zn2+(94.3%)、Cu2+(93.7%)、Pb2+(74.9%)、Cr3+(69.7%)；水芋组则依次为Zn2+(96.2%)、Cu2+(84.7%)、Pb2+(80.5%)、Cr3+(74.4%)。黄菖蒲块茎淀粉中铜、锌、铬和铅质量分数分别为10.30、46.7、12.03和1.74 mg·kg−1，美人蕉依次为12.68、44.67、8.15和1.32 mg·kg−1，水芋则为19.28、66.91、9.63和3.97 mg·kg−1。污染水体中共存重金属时，不建议对植物块茎进行资源化利用。
Water purification efficiency and resource utilization of three tuberous emergent aquatic plants
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摘要:
目的 研究常见块茎类水生植物对污染水体营养物质的净化能力及植物块茎淀粉产量，探明淀粉资源化利用的可行性及潜在风险。 方法 通过水培试验，对比黄菖蒲Iris pseudacorus、美人蕉Canna indica、水芋Calla palustris对污染水体的净化性能，以不种植物处理作空白对照，每组设3个重复。考察水中氨氮、总氮和总磷的去除效率，分析氮磷在植物根、茎、叶和块茎中的积累及分配，测定植物块茎中淀粉质量分数及重金属铜(Cu)、锌(Zn)、铬(Cr)和铅(Pb)的富集量。 结果 水中氨氮和总磷初始质量浓度为7.37~7.53、0.41~0.45 mg·L−1时，试验20 d，植物处理组氨氮、总氮和总磷质量浓度分别降至0.01~0.07、0.61~0.91和0.025~0.031 mg·L−1，满足GB 3838−2002《地表水环境质量标准》之Ⅲ类水标准限值要求。黄菖蒲、美人蕉和水芋块茎淀粉提取量分别为61.3、14.1和64.0 g·kg−1。100 m2植物种植试验区，黄菖蒲、美人蕉和水芋区分别回收淀粉量14.3、1.2、2.6 kg。植物块茎可富集重金属，当水中Cu2+、Zn2+、Cr3+和Pb2+初始质量浓度为2.01~2.08、2.56~2.87、0.22~0.26、0.24~0.26 mg·L−1时，黄菖蒲块茎淀粉中铜、锌、铬和铅质量分数分别为10.30、46.7、12.03和1.74 mg·kg−1，美人蕉依次为12.68、44.67、8.15和1.32 mg·kg−1，水芋则为19.28、66.91、9.63和3.97 mg·kg−1。 结论 3种块茎类水生植物对氮磷等营养物质具有较强的净化能力，可回收较为可观的淀粉量，但若污染水体中共存重金属时，不建议对植物块茎进行资源化利用。图4参17 Abstract:Objective This study aims to investigate the purification capacity for nutrients in polluted water and the yield of tuber starch of three common tuberous aquatic plants, and estimate the feasibility and potential risk of starch resource utilization. Method Purification efficiency of Iris pseudacorus, Canna indica and Calla palustris for polluted water body was compared using hydroponic experiment, and three replicates were set for each group. No plant treatment was used as control group. Removal efficiency of ammonium nitrogen, total nitrogen and total phosphorus in water was investigated. The contents of nitrogen and phosphorus in plant roots, stems, leaves and tubers were analyzed. The content of starch and heavy metals including Cu, Zn, Cr and Pb in plant tubers were measured. Result When initial concentrations of ammonium nitrogen and total phosphorus were 7.37−7.53 and 0.41−0.45 mg·L−1, concentrations of ammonium nitrogen, total nitrogen and total phosphorus in plant treatment groups decreased to 0.01−0.07, 0.61−0.91, and 0.025−0.031 mg·L−1 respectively after 20 days of treatment, which met the Class Ⅲ standard for surface water environmental quality (GB 3838−2002). The starch extracted from tubers of I. pseudacorus, C. indica and C. palustris was 61.3, 14.1 and 64.0 g·kg−1, respectively. Starch yields of these plant species were 14.3, 1.2 and 2.6 kg·m−2 respectively in the 100 m2 trial plot. The tuber could accumulate heavy metals. As initial concentrations of Cu2+, Zn2+, Cr3+ and Pb2+ in water were 2.01−2.08, 2.56−2.87, 0.22−0.26, and 0.24−0.26 mg·L−1, the contents of Cu, Zn, Cr and Pb in tuber starch of I. pseudacorus were 10.30, 46.7, 12.03, and 1.74 mg·kg−1, respectively and those of C. indica were 12.68, 44.67, 8.15 and 1.32 mg·kg−1, respectively, while those of C. palustris were 19.28, 66.91, 9.63 and 3.97 mg·kg−1, respectively. Conclusion The three tuberous aquatic plants can effectively purify nutrients such as nitrogen and phosphorus, and recover a considerable amount of starch. However if heavy metals coexist in the polluted water, plant tubers are not recommended for resource utilization. [Ch, 4 fig. 17 ref.] -
Key words:
- tuberous plant /
- starch /
- heavy metal /
- nitrogen /
- phosphorus /
- polluted water /
- purification efficiency
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森林是陆地生态系统的主体，起着调节大气、涵养水源、为人类提供生产资料等作用。截至2009年，中国人工林栽植面积已达5 300万hm2，约占全世界人工林面积的40%[1]，但受人为因素或诱导自然因素所致[2]，中国人工林普遍存在地力衰退、生物多样性差、水土流失严重等问题，对林地生态安全造成了一定的隐患[3]，因此，恢复和重建退化人工林生态系统势在必行。健康的森林生态系统功能，能够提高林地土壤肥力以及水土保持能力[4]。植被的存在能有效减少地表径流量，同时不同林地类型的减滞能力也不尽相同[5-6]。因此，降雨与径流及植被、土壤等因子之间的关系是目前研究的热点及难点问题[7-8]。近年来国内针对南方红壤区[9]和黄土高原[10]等区域坡地不同经营、利用方式下水土流失研究较多，针对川南地区的研究则鲜见报道。马尾松Pinus massoniana是广泛分布于中国南方的先锋树种，它具有耐贫瘠、速生、适应性强、经济价值高等特点，然而受不合理经营方式及人为活动的影响，长江流域低山丘陵区马尾松人工林普遍生长较差，生物多样性低，生态功能不强，已成为中国南方森林面积最大的退化类型之一。笔者针对长江上游低山丘陵区存在的生态安全以及生态工程建设中遇到的科学技术等问题，在前期研究工作的基础上，以川南低山丘陵区马尾松低效人工林为示范区，引入珍贵乡土树种，改造马尾松低效人工林，提升森林生态及经济功能，减少水土流失。本研究根据设立于四川省宜宾市高县来复镇的5个人工径流小区，分析马尾松低效人工林改造初期自然降雨与产流特征的关系及随植被恢复的演变规律，以期为川南马尾松低效人工林改造及经营管理提供参考。
1. 试验研究方法
1.1 研究区概况
研究区位于四川省宜宾市高县来复镇毛颠坳（28°11′~28°47′N, 104°21′~104°48′E）。该地区地处四川盆地与云贵高原的过渡地带，宜宾市中南部，属乌蒙山余脉。地貌以平坝、丘陵、低山为主。土壤多为山地黄壤，间断分布有少量紫色土。全年平均日照时数为1 107.7 h，大于等于10 ℃以上年积温为6 523.1 ℃，年平均气温为18.0 ℃，1月平均气温为8.0 ℃，7月平均气温为27.0 ℃。年平均降水量为1 037.9 mm，年平均无霜期为346.2 d。
1.2 研究方法
2012年初在试验区选择坡度约22°，东西走向并栽植有马尾松纯林的坡地，建立5个相邻规格为20 m × 5 m的标准径流小区，各径流小区出口处均设有一个径流收集室。5个径流小区采用不同的改造更新方式，分别用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ标识。Ⅰ号径流小区为马尾松低效人工林下植被自然生长恢复，Ⅱ号径流小区为马尾松低效人工林下空隙更新樟树Cinnamomum camphora，Ⅲ和Ⅳ号径流小区为马尾松低效人工林皆伐后当年更新樟树，Ⅴ号径流小区为马尾松低效人工林皆伐后第2年更新樟树（由于有时会出现因为工期或者苗木原因不能当年更新造林的情况，因此，将Ⅴ号径流小区设计为皆伐后第2年更新樟树）。小区内樟树为当年生幼苗，株高约30 cm，按1.5 m × 1.5 m间距种植。2012年3月对Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ号径流小区进行皆伐，随即在Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ号内更新樟树；Ⅴ号径流小区则自然恢复后于2013年3月更新樟树。试验开始前5个径流小区内地表灌草及凋落物均清理完毕。试验分为3个时段，分别为2012年7-12月、2013年1-12月、2014年1-12月。在每次自然降雨后收集降水、计算24 h降雨量，并量取径流桶内径流水深，换算成径流量。雨量级别根据气象学上对于降雨量的定义判定，即24 h降雨量小于10 mm为小雨，10.1~24.9 mm为中雨，25.0~49.9 mm为大雨，50.0~99.9 mm为暴雨。
1.3 数据处理
径流系数是地表径流量与降雨量的比值，表示有比例的降水变成了径流，它能够一定程度反映该区域植被和土壤的水源涵养能力以及水土流失状况。可利用公式r=Rn/P×10-3An计算径流系数。其中：r为径流系数，Rn为径流量（m3），P为降雨量（mm），An为径流小区面积（m2）[11]。
利用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行数据处理及统计学分析。
2. 结果与分析
2.1 川南马尾松低效人工林改造初期降雨特征
试验期年平均降雨总量约1 000 mm（表 1），与当地多年平均降雨量数据基本吻合。试验区降雨明显呈现夏季多、冬季少的特点。2013年和2014年全年多集中于每年6-9月，分别占全年降雨总量的73.23%和69.50%；1月、2月、11月、12月降雨极少，分别占全年降雨总量的3.72%和6.19%。
表 1 马尾松低效人工林改造初期降雨量及分布特征Table 1. Characteristics of rainfall capacity and distribution under the early of transformation on low eificiency Pinus massoniana forests年份 各月份降雨量 合计/mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2012 250.3 114.0 277.2 49.4 14.1 7.6 712.6 2013 3.2 8.1 23.0 85.9 92.1 130.8 279.4 231.7 137.8 44.4 12.7 15.6 1 064.7 2014 5.3 14.5 88.2 17.7 45.9 137.9 104.2 236.3 168.9 74.6 20.8 17.0 931.3 2012-2014年24 h最小降雨量分别为1.8，1.5和1.2 mm（表 2），最大降雨量分别为83.6，88.7和93.8 mm。2012年7-12月期间共出现5次暴雨天气，24 h最大降雨量为83.6 mm，累计降雨341.6 mm；大雨仅出现2次。2013年累计降雨73次，其中小雨47次，中雨16次，大雨6次，暴雨4次。2014年累计降雨78次，其中小雨47次，与2013年相同，降雨量减少28.8 mm；暴雨次数比2013年少2次，降雨量减少133.4 mm。纵观整个试验期，降雨次数以小雨和中雨居多，占85.56%，但雨量仅占49.05%；大雨和暴雨次数占14.44%，降雨量占比却达到50.95%。表明在1年中大到暴雨的次数比例虽然很低，但降雨量大且集中，是导致夏季地表产流较多的主要原因。
表 2 马尾松低效人工林改造初期雨量特征Table 2. Characteristics of rainfall under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests年份 总降雨量/mm 总降雨次数/次 小雨 中雨 大雨 暴雨 取大降雨量/mm 最小降雨量/mm 雨量/mm 占总降雨量比例/% 次数/次 占总降雨次数比例/% 雨量/mm 占总降雨量比例/% 次数/次 占总降雨次数比例/% 雨量/mm 占总降雨量比例/% 次数/次 占总降雨次数比例/% 雨量/mm 占总降雨量比例/% 次数/次 占总降雨次数比例/% 2012下半年 712.6 36 97.4 13.67 17 47.22 199.7 28.02 12 33.33 73.9 10.37 2 5.56 341.6 47.94 5 13.89 83.6 1.8 2013年 1 064.7 73 238.2 22.37 47 64.38 275.0 25.83 16 21.92 240.7 22.61 6 8.22 310.8 29.19 4 5.48 88.7 1.5 2014年 931.3 78 209.4 22.48 47 60.26 309.0 33.18 21 26.92 262.8 28.22 8 10.26 150.1 16.12 2 2.26 93.8 1.2 合计 2 708.6 187 545.0 20.12 111 59.36 783.7 28.93 49 26.20 577.4 21.32 16 8.56 802.5 29.63 11 5.88 266.1 4.5 2.2 川南马尾松低效人工林改造初期降雨与产流关系分析
从表 3可以看出：并非每次降雨都能引起地表径流。一般情况下，在达到最小产流降雨量后，才能产生地表径流。2012年下半年降雨36次，产流20次，产流次数占降雨次数比例为55.60%；2013年下半年与2014年下半年降雨次数相同，均为42次，产流次数占降雨次数比例分别为33.33%和45.24%，可见下半年产流降雨比例在不同年份间有较大变化。从全年看，2013年和2014年分别降雨73次和78次，产流25次和29次，产流次数占降雨次数比例为34.25%和37.18%，比较接近。对比表 2和表 3可以看出，2013年和2014年小雨都是47次，仅有1次产流，可见24 h降雨量小于10 mm时一般不会产生地表径流。而24 h降雨量达到中雨时，产流几率达到了85.00%以上，下半年甚至可能高于90.00%；在大雨及暴雨状态下，每次均有产流。
表 3 马尾松低效人工林改造初期降雨及产流次数Table 3. Times of rainfall and runoif under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests年份 降雨次数/次 产流次数/次 产流降雨比例/% 降雨量/mm 最小产流降雨量 小雨及产流次数/次 中雨及产流次数/次 大到暴雨及产流次数/次 2012下半年 26 20 55.56 712.6 6.9 2(17) 11(12) 7(7) 2012下半年 42 14 22.22 721.6 14.0 0(26) 7(8) 7(7) 2014下半年 42 19 45.24 621.8 8.2 1(22) 11(12) 7(7) 2012年 72 25 24.25 1 064.7 12.8 0(47) 15(16) 10(10) 2014年 78 29 27.18 921.2 8.2 1(47) 18(21) 10(10) 说明：表中括号内数字表示降雨次数，括号外表示产流次数。 同时可以看出，观测时期内，24 h最小产流降雨量为6.9~14.0 mm。造成这种差异的原因可能为该次小雨前有降雨发生，地表凋落物及土壤持水能力趋近于饱和，小雨过后就能形成蓄满产流；若前期降雨较少，凋落物和表层土壤含水率低，在中雨条件下雨水填洼、入渗等较多，降雨过后土壤仍未达到饱和，因此，无地表径流产生。当24 h降雨量达到大雨或暴雨条件时，5个径流小区皆有地表径流产生。
2.3 川南马尾松低效人工林不同模式改造初期产流特征
由表 4看出：Ⅰ~Ⅴ号小区最大径流量均出现在下半年，2013年最大径流量比2012年分别增加18.21%，35.62%，15.42%，13.66%和33.13%。鉴于2013年和2012年下半年降雨量仅相差9 mm，说明改造初期地表径流量差异主要由植被恢复状况及地被物覆盖变化等因素导致。其原因在于进行不同模式低效人工林改造后，植被生长、更替和人为干扰直接影响林冠层和地表层，影响了雨水拦截、入渗能力，更多的降雨转变为地表径流。说明在低效人工林改造开始阶段，林地水土保持功能体现并不明显，水土流失现象反而有可能加剧，因此，该时期应是水土流失重点监测、保护期。该结果与廖承彬等[12]研究结论相似。5个径流小区2014年最大量与2013年同期相比分别降低32.25%，26.49%，22.26%，25.08%和25.22%；其中Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ号小区最大径流量低于2012年同期水平，呈波状变化。造成这一现象的原因主要有：一是2014年7-12月降雨量比2013年同期减少近100 mm，更少降雨导致更少径流；二是改造后随着人为扰动减少，乔?鄄灌?鄄草体系逐渐恢复，凋落物增加，凋落物和土壤持水能力进一步增强。各径流小区间最小产流量差异不大，当降雨量为大雨到暴雨时，前期短时间内降水经过林冠截留、凋落物截留、地表填洼等阶段后，易形成超渗产流，这时降雨强度成为影响产流量大小的主导因子。
表 4 马尾松低效人工林不同模式改造初期产流量特征Table 4. Characteristics of runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests径流小区 产流量/m3 2012年下半年最小 2012年下半年最大 2012年下半年最小 2012年下半年最大 2013年最小 2013年最大 2014年下半年最小 2014年下半年最大 2014年最小 2014年最大 Ⅰ 0.010 2.202 0.098 2.603 0.018 2.603 0.022 2.185 0.008 2.185 Ⅱ 0.008 2.125 0.102 2.882 0.004 2.882 0.003 2.200 0.003 2.200 Ⅲ 0.012 2.601 0.086 3.002 0.006 3.002 0.006 2.006 0.006 2.006 Ⅳ 0.005 2.547 0.075 2.895 0.012 2.895 0.005 2.102 0.005 2.102 Ⅴ 0.010 2.092 0.070 2.785 0.012 2.785 0.018 1.956 0.018 1.956 表 5显示了2.5 a内5个径流小区累计产流量状况。由于Ⅲ号和Ⅳ号径流小区改造模式相同，其累计产流量十分接近，分别为36.339 m3和36.369 m3；而Ⅰ号由于郁闭度较高，林冠截留作用好于其他径流小区，且受人为扰动最小，因此，累计产流量最低，为31.315 m3，试验期内变化幅度最小。而平均单次产流量大小排序为Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅰ，排序规律与径流小区所受扰动强度一致。
表 5 马尾松低效人工林不同模式改造初期累计产流量特征Table 5. Characteristics of cumulative runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests径流小区 不同年份产流量/m3 累计产流次数/次 累计产流量/m3 平均单次产流量/m3 2012年下半年 2013年 2014年 Ⅰ 10.077 13.166 8.072 69 31.315 0.453 8 Ⅱ 10.165 14.355 8.562 72 33.082 0.459 5 Ⅲ 13.341 15.068 7.930 72 36.339 0.504 7 Ⅳ 13.045 14.768 8.556 74 36.369 0.491 5 Ⅴ 11.662 13.675 7.299 69 32.636 0.473 0 2.4 川南马尾松低效人工林不同模式改造初期径流系数分析
对2012-2014年下半年各径流小区径流系数进行比较。由表 6可看出：除Ⅱ号径流小区呈现先增大后减小的变化以外，其他径流小区径流系数均呈逐年减小趋势。与2012年下半年相比，各径流小区2014年下半年径流系数分别减少29.36%，26.30%，47.37%，41.54%和43.97%。2012年，5个径流小区径流系数大小排序为Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅰ，2014年则变化为Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅴ。2014年与2013年相比，5个径流小区径流系数都有明显下降，均在25%以上，特别是Ⅲ和Ⅴ小区，径流系数下降更为明显，达36%，超出Ⅰ号小区10%。随着时间推移，效果会更加明显。从径流系数来看，Ⅰ号径流小区虽然在改造初期郁闭度最高，林冠截留能力最强，但由于林下缺乏凋落物，导致对于林内降雨的拦滞能力较弱；其他径流小区由于拥有更好的光照、水热条件，植被生长较快，生物多样性更为丰富，因此，随着改造进行Ⅰ号小区的径流系数可能会逐渐高于其他径流小区。而Ⅴ号径流小区由于在2012年未更新樟树，有1 a自然更新时间，土体扰动少于Ⅲ和Ⅳ号径流小区，因此，其径流系数在3个皆伐小区最小。
表 6 马尾松低效人工林不同模式改造初期径流系数Table 6. Runoff coefficient under different transformation patterns of low eificiency Pinus massoniana forests时间 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 2012年下半年(r1) 0.139 3 0.140 7 0.1841 0.180 3 0.161 7 2011年下半年 0.136 9 0.148 4 0.152 4 0.150 6 0.142 2 2014年下半年(r2) 0.098 4 0.103 7 0.096 9 0.105 4 0.090 6 2013年(r3) 0.117 1 0.127 7 0.1347 0.131 9 0.122 9 2014年(r4) 0.086 7 0.091 9 0.085 2 0.091 9 0.078 4 r1/r2/% 29.36 26.30 47.37 41.54 43.97 r4/r3/% 25.99 28.03 36.75 30.33 36.21 2.5 川南马尾松低效人工林不同模式改造初期降雨量与径流量相关性分析
利用SPSS 19.0软件进行降雨量与各径流小区径流量相关性分析。由表 7可以看出：降雨量与径流量之间相关系数均大于0.905，径流量大小随降雨量变化而变化。与刘芝芹等[13]对30场降雨观测中得出的研究结论相吻合，说明降雨量是影响地表径流大小的重要因子。
表 7 马尾松低效人工林改造初期降雨量与各径流小区径流量相关性分析Table 7. Correlation coefficients of rainfall and runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests年份 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 2012 0.971** 0.971** 0.988** 0.988** 0.986** 2013 0.916** 0.909** 0.905** 0.913** 0.906** 2014 0.947** 0.957** 0.959** 0.960** 0.951** 说明：**表示在0.01水平（双侧）上极显著相关。 3. 结论
试验区年均降水量约为1 000 mm，集中于6-9月，季节性分布不均。2013年与2014年6-9月降雨量分别占全年降雨总量的73.23%和69.50%；1，2，11，12月降雨量则仅占3.72%和6.19%。
试验期内24 h最小降雨量为1.2 mm，最小产流降雨量为6.9 mm，最大降雨量为93.8 mm。全年产流次数约占降雨次数的30%~40%，雨量以中到暴雨为主，偶有小雨下产流和中雨下无产流状况发生。各径流小区最大径流量均呈现先增大后减小的情况，说明在低效人工林改造初期有水土流失加剧现象，是水土流失监测、治理的关键期。
径流系数反映了降雨转变为地表径流的比例。改造后第1年下半年Ⅰ号和Ⅱ号径流小区由于较好的植被覆盖以及相对较少的人为干扰，径流系数低于Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ号径流小区；但2013年和2014年Ⅰ号和Ⅱ号径流小区径流系数降低均超过30%，而Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ号径流小区降低50%左右，基本与Ⅰ号和Ⅱ号径流小区持平或更低。表明各径流场水土保持功能均在恢复中。2012年与2013年Ⅰ号径流小区径流系数均为最小，2014年则逐渐接近甚至高于皆伐小区；Ⅲ，Ⅳ与Ⅴ号径流小区在试验期内产流变化过程相似。目前来看，皆伐径流小区水源涵养功能恢复速度快于Ⅰ号和Ⅱ号径流小区，减滞径流效果更佳。
对降雨量和各径流小区径流量进行相关性分析发现，其相关系数均大于0.905。因此，减少林内降雨以及增强林地水源涵养能力是减少坡面径流的关键。由于试验尚处于改造初期，时间较短，相信随着改造的深入以及林地生态系统的恢复，樟树等阔叶林的水源涵养能力会显著优于马尾松低效纯林。
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图 1 3种植物对水中氮去除效能
不同小写字母表示不同处理间差异显著(P＜0.05)
Figure 1 Nitrogen removal by three plant species
图 2 3种植物对水中总磷去除效能
不同小写字母表示不同处理间差异显著(P＜0.05)
Figure 2 Phosphorus removal by three plant species
图 3 3种植物组织中氮和磷质量分数分布
不同小写字母表示不同处理间差异显著(P＜0.05)
Figure 3 Contents of phosphorus and nitrogen in the tissues of three plant species
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