溪流是连接森林与水体生物地球化学联系的纽带,研究森林-溪流-河流连续体(continuum)的元素迁移过程,对于理解森林与对接水生生态系统的生物地球化学联系具有十分重要的意义。地处青藏高原东缘和长江上游地区的川西亚高山针叶林是我国的第三大林区以及长江上游淡水资源核心保护区,它不仅在生物多样性保育、碳吸存、水源涵养、水土保持等方面具有重要突出的生态战略地位,而且在维持长江上游水生生态系统结构和功能等方面具有不可替代的生态功能。因此,深入理解川西亚高山针叶林与对接水体的生物地球化学联系,可为长江上游水源涵养地保护和生态安全屏障建设提供关键科学依据。然而,有关重金属元素在亚高山针叶林-溪流-河流连续体的迁移特征尚未见报道。为理解川西亚高山针叶林生态系统与长江上游水体重金属元素的生物地球化学联系,本研究基于集合生态系统(meta-ecosystem)理论,于2015年7月-2016年9月,以地处四川省理县的四川农业大学毕棚沟高山森林生态系统定位研究站的亚高山针叶林、溪流和河流为研究对象,构建了亚高山针叶林-溪流-河流集合生态系统研究平台,研究了亚高山针叶林-溪流-河流集合生态系统重金属元素(Hg、As、Zn、Ni、Cu、Cd)的贮量、分配和迁移特征,以期为长江上游水源涵养地保护与管理提供科学依据。研究结果表明,亚高山针叶林-溪流-河流集合生态系统中重金属的贮量与水文特征直接相关。系统内重金属贮量从大到小排列为Zn>Ni>Cu>Cd>As>Hg。Hg、As、Zn元素的贮量变化较一致:在2015年9月-11月重金属贮量降低,11月-翌年4月重金属贮量升高,翌年4月-8月重金属贮量降低;Ni、Cd元素的贮量变化动态略有不同:在2015年9月-11月重金属贮量降低,11月-翌年5月贮量升高,翌年5月-8月贮量降低;Cu元素的贮量变化动态与其他元素都不一致:重金属贮量在2015年10月升高后到翌年8月一直降低。这可能是因为水系内凋落物的分解、沉积物的迁移、大气降水、雪被融化等因素影响,重金属的含量和各组分贮量不断变化,导致重金属贮量不断变化。具体而言,集合生态系统内Hg的贮量为72.04 mg/m2,As的贮量为725.94 mg/m2,Zn 的贮量为 147350.00 mg/m2,Ni 的贮量为 20702.03 mg/m2,Cu 的贮量为9543.53 mg/m2,Cd的贮量为2108.89 mg/m2;其中河流Hg的贮量为59.41 mg/m2,As 的贮量为 357.69 mg/m2,Zn 的贮量为 107850.00 mg/m2,Ni 的贮量为16284.35 mg/m2,Cu 的贮量为 4190.48 mg/m2,Cd 的贮量为 1759.71 mg/m2;溪流Hg的贮量均值为0.86 mg/m2,As的贮量均值为21.86 mg/m2,Zn的贮量均值为2640.10 mg/m2,Ni的贮量均值为295.03 mg/m2,Cu的贮量均值为357.68 mg/m2,Cd的贮量均值为23.29 mg/m2。亚高山针叶林-溪流-河流集合生态系统通过系统内不同组分(沉积物、凋落物和水体)的贮量影响重金属元素的分配。系统中的重金属主要集中于沉积物,它占系统重金属总贮量的99.42%-99.98%;凋落物的占比其次,为0.02%-0.58%;水体占比最少,为0.01%-0.04%。此外,不同重金属在溪流上、中、下游的分配表现出一致的规律:溪流上游、下游的重金属贮量较大,中游最小。不同溪流间的各重金属贮量差异不显著,但其在溪流和河流间的贮量差异达到显著水平。同一重金属在溪流和河流中的贮量相差几十倍,这说明它们在溪流、河流中的分配并不均匀,这和重金属含量及其不同组分(沉积物、凋落物、水体)贮量、水文特征密切相关。不同元素间贮量相差几倍到几千倍,说明不同重金属在集合生态系统内差异极其显著,这和重金属的性质相关。研究期间,亚高山针叶林-溪流-河流集合生态系统内凋落物的月产量为33.59-1625.04 kg/hm2。具体而言,通过凋落物输入到系统内的Hg、As、Zn、Ni、Cu、Cd 分别为 10.26 ug/m2,64.93 ug/m2,26.01 mg/m2,1.07 mg/m2,2.24 mg/m2,0.32mg/m2;通过凋落物从系统输出的Hg、As、Zn、Ni、Cu、Cd分别为0.24ug/m2,4.60ug/m2,0.60mg/m2,0.05mg/m2,0.10mg/m2,0.01mg/m2。凋落物的输出/输入结果显示系统对输入的绝大部分凋落物进行了沉降。在从溪流上游到入河口的过程中,凋落物的Hg、Cd元素输出含量较输入含量降低,说明其被凋落物释放进入溪流;凋落物的As、Ni、Cu元素输出含量较输入含量增高,说明凋落物对溪流内的这些元素进行了吸附;凋落物的Zn元素的变化则不大,说明凋落物Zn较稳定。集合生态系统的水体在本实验条件下仅检出重金属Hg、As元素。水样Hg元素含量在2015年9月-11月达到峰值,而后降低,但2016年8月后有增高趋势;水样As含量表现出不同的趋势,在2016年6月到7月升高达到峰值,但8月后开始降低。综上所述,亚高山针叶林内的重金属元素随溪流、河流中的沉积物、凋落物和水迁移沉降,系统内重金属贮量动态表明其有变小趋势。亚高山针叶林-溪流-河流集合生态系统的重金属分配格局表明绝大部分重金属贮量集中于沉积物中。凋落物的重金属贮量虽较沉积物少,但其对水系中的某些重金属元素(As、Ni、Cu)具有一定的吸附能力,能降低水系中的重金属浓度,起到一定的水质净化作用;同时一部分重金属也会随凋落物进入水系(Zn、Cd),在凋落物的降解迁移过程中,它们可能对下游水系的环境安全带来一定影响。溪流、河流水体中重金属含量低,贮量少,证明研究区域水质优良。以上研究结果,对深入认识亚高山森林与流域间的重金属源汇过程提供了基础数据,也为长江上游高山森林的水系环境管理提供了新的思路和科学依据。