連栽第1代和第2代杉木近熟林水文過程養(yǎng)分動態(tài)比較

何介南， 康文星,2,3,*， 王　東， 姚利輝

1 中南林業(yè)科技大學(xué), 長沙　410004 2 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室, 長沙　410004 3 國家野外科學(xué)觀測研究站, 會同 418307

連栽第1代和第2代杉木近熟林水文過程養(yǎng)分動態(tài)比較

何介南1， 康文星1,2,3,*， 王東1， 姚利輝1

1 中南林業(yè)科技大學(xué), 長沙410004 2 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室, 長沙410004 3 國家野外科學(xué)觀測研究站, 會同 418307

利用小集水區(qū)徑流場技術(shù)和定位研究方法, 在獲得連栽兩代杉木近熟林的大氣降水、穿透林冠水、地表、地下徑流量等水文學(xué)數(shù)據(jù)，并測定其養(yǎng)分含量的基礎(chǔ)上，研究了連栽兩代杉木近熟林水文過程的營養(yǎng)動態(tài)特征。結(jié)果表明:降水中養(yǎng)分濃度第2 代林比第1 代林高20.30%—39.64%，養(yǎng)分的輸入量比第1 代多38.52%；穿透水中養(yǎng)分濃度，第1 代和第2 代林分別比大氣降水中高4.149—4.895 g/kg和4.271—5.605g/kg，雨水對冠層營養(yǎng)物質(zhì)的淋溶，第2 代比第1 代高2.94%—21.37%；地表徑流中的養(yǎng)分濃度兩代林差異不大，地下徑流中的養(yǎng)分濃度第2 代林比第1 代高48.06%—78.87%，徑流輸出的養(yǎng)分量第2 代林是第1 代林的1.58—2.61倍；養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)中，第1 代林養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)速率26.75%—29.95%，第2 代林37.24%—47.43%，養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)的周期第1 代林3.3—3.7a, 第2 代林2.1—2.7a，養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)中第2 代林的養(yǎng)分流失率是第1 代林的1.30—1.72倍，養(yǎng)分的凈積累率只有第1 代林的73.57%—87.14%。系統(tǒng)持留與利用由外界輸入的養(yǎng)分功能上，第2 代林低于第1 代林。

杉木人工林; 連栽; 水文過程; 營養(yǎng)動態(tài); 地球化學(xué)循環(huán)

早在1876 年, Ebermayer分析了森林養(yǎng)分循環(huán)中凋落物的重要作用[1]。但是直到1930年，森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的研究才逐漸被人們重視。Bazilevich 和Bobin通過枯落物及其養(yǎng)分轉(zhuǎn)化分析建立了植被類型中養(yǎng)分循環(huán)的分類理論[2],把植物養(yǎng)分學(xué)研究擴(kuò)展到生物地球化學(xué)領(lǐng)域。地球化學(xué)循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)是兩個不同的概念，確定它們之間的定量關(guān)系的是Cole[3]。從此，森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的研究從生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的生物循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)擴(kuò)展到不同生態(tài)系統(tǒng)之間的地球化學(xué)循環(huán)[4-8]。

國內(nèi)多集中在森林生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分積累、分配和循環(huán)的研究[9-13]，在養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)方面，大多對降雨過程中森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分輸入、降雨對植物的淋溶和淋洗[14-16],以及土壤水分滲透、滲漏、水土流失對森林養(yǎng)分輸出的影響進(jìn)行研究[17-18]。我國最早較為系統(tǒng)地研究森林養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)是潘維儔，他利用小集水區(qū)徑流場測定技術(shù)，研究了杉木林水文過程養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)[19]。隨后，海南島熱帶山地雨林主要養(yǎng)分的地球化學(xué)循環(huán)[20]，云南哀牢山大氣降雨過程中養(yǎng)分輸入及輸出變化[21]，第2代杉木林水文過程的養(yǎng)分動態(tài)[22-23]，西藏南伊溝原始林芝云杉林水文過程的水化學(xué)特征[24]等成果先后出現(xiàn)。相對于養(yǎng)分生物地球化學(xué)循環(huán)而言，養(yǎng)分的地球化學(xué)循環(huán)研究成果較少。

本研究以湖南會同“國家野外科學(xué)觀測研究站”的連栽第1 和第2 代杉木林為研究對象，利用定位連續(xù)測定數(shù)據(jù)，研究連栽兩代杉木林近熟林(17—21 年生)水文過程的養(yǎng)分動態(tài)特征。揭示連栽兩代杉木林在養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)中功能差異，同時為杉木人工林連栽生產(chǎn)力下降問題的研究提供思路和依據(jù)。

1 　研究地區(qū)概況

本研究在“湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站”第3 小集水試驗區(qū)進(jìn)行。第3 小集水試驗區(qū)面積1.9 483 hm2,主流場230 m,平均寬度25.6 m, 流域形狀系數(shù)0.37,平均坡度25°,坡向 N,海拔高度280—355 m。研究地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)。年均氣溫16.8 ℃，年均相對濕度80%以上，年降雨量1 000—1 500 mm。母巖為震旦紀(jì)板溪系變質(zhì)的板(頁)巖，風(fēng)化程度甚深。土層厚度80 cm 以上，土壤為中有機(jī)質(zhì)厚層黃壤。

第3小集水試驗區(qū)原為殘存的闊葉次生林。1966 年煉山、全墾挖穴營造杉木人工林[25]，21 年生后(1987 年冬)，杉木全部皆伐(采伐時林分密度2 286 株/hm2,林分平均高14.5 m，平均胸徑14.7 cm，林冠層厚度9.5 m，林分郁閉度0.90)。1988 年春，在采伐跡地，營造第2 代杉木林(造林密度2 400 株/hm2)。到2009 年，林齡為21a，林分密度2 310株/hm2，林分平均高13.8 m，平均胸徑14.1 cm，林冠層厚度9.0 m，郁閉度約為0.88[26]。兩代杉木林栽植后都是前3 年春秋兩季各撫育一次，以后沒有進(jìn)行追肥、間伐撫育與管理。

離研究林地西北方向不足500 m(其間是農(nóng)田)，有一條平行于研究林地由湖南(會同縣)進(jìn)入貴州(天柱縣)的公路。1983—1987 年(第1代林17—21年生)，該公路為泥沙路面， 2005—2009 年(第2代林17—21年生)，該公路已擴(kuò)寬成水泥路面，成為由湖南進(jìn)入貴州天柱縣的主要干道。

2　研究方法

2.1水文過程測定方法

1982年(第1 代林16 年生)在林場實驗林內(nèi)修建了8 個杉木林小集水區(qū)徑流場(小集水區(qū)徑流場,即在集水區(qū)的天然分水界線上修筑水墻,準(zhǔn)確控制匯水面積,在集水區(qū)口最低處，從不透水的基巖層上建筑截水墻封閉起來，分別修建地表、地下水測流堰口)[27]，連續(xù)定位測定杉木林的水文過程。

降雨量：用安裝在兩座觀測鐵塔(高于林冠)上的SL-1 型遙測雨量計和標(biāo)準(zhǔn)雨量筒測定。

穿透雨量：在小集水區(qū)山坡的上、中、下部各安裝1 個18—20 m2的穿透雨承接裝置，穿過林冠層落入承接裝置內(nèi)的穿透雨量流入SW-40 型日記水位計測定(穿透雨量的測流堰箱安裝有水流岀囗為6°三角形測流堰板，用SW-40 型日記水位計測定穿透雨量流岀6°三角形堰板的水位高度。通過實驗，建立6°三角形測流堰板的水位高度與流量的關(guān)系方程，將方程展開制成數(shù)表，便可根據(jù)水位計紀(jì)錄的水位高度，由表查岀流量值[27])。在樹干1.5 m高處到基部用聚乙烯塑料管蛇形纏繞把樹干流引入一個特制的瓷罐中測定樹干流，另把10 株杉木樹干流導(dǎo)管梱扎在一起插入SL-1 型遙測雨量計中，實現(xiàn)樹干流量自動記錄。

地表、地下徑流量：用分別安裝在地表、地下徑流測流堰口的SW-40 型日記水位計測定(地表、地下徑流測流堰口分別安裝流水岀囗為60°和20°三角形測流堰板，用SW-40 型日記水位計分別測定地表徑流流岀60°和地下徑流流岀20°三角形測流堰板的水位高度，然后根據(jù)紀(jì)錄的水位高度，分別從已編制好的20°和60°角度三角形測流堰板的水位高度與流量關(guān)系的數(shù)表中，查岀某1水位高度的流量值(20°和60°三角形測流堰板水位高度與流量關(guān)系都有編制好的數(shù)表，一般水文站都有這樣的數(shù)表))[27]。

2.2營養(yǎng)元素測定

雨水中的養(yǎng)分不僅與降水性質(zhì)有關(guān)，而且還受降水時天氣狀況(久晴或久雨、雷電、風(fēng)向、風(fēng)速等)以及大氣環(huán)境受污染的程度等諸多因素的影響。為了使降水中的各種養(yǎng)分濃度的測定值更加逼近實際，對其樣本的取樣，采取了3 條措施[19]：(1)必須分別采集不同季節(jié)、不同天氣狀況下的樣本(包括冠上降雨、穿透雨、樹干流、地表徑流、地下徑流，下同)；(2)根據(jù)一次性降水的雨量和雨強(qiáng)分別采集樣本，尤其注重一次性降水雨量大的雨水樣本收集；(3)采用大樣本法，降水次數(shù)多的月份取樣次數(shù)不少于5次(每年取樣的降水次數(shù)占全年降水次數(shù)的比例，第1 代林為31.54%—47.06%，第2 代林35.33%—47.37%(表1))，取樣樣品代表的降雨量，都應(yīng)在70%以上(凡是一次性降雨量大于10mm的降雨都一定要取樣)。所取水樣裝入小塑料瓶內(nèi)，滴2—3 甲醛溶液(殺菌)后，即送入實驗室進(jìn)行分析。

營養(yǎng)元素測定：蒸餾比色法測定水樣中的NH4-N、NO3-N和有機(jī)N，P用磷鉬蘭比色法，K、Ca、Mg用原子吸收分光光度計測定。計算岀樣品降雨量、穿透雨量、樹干流量、地表徑流量、地下徑流量的養(yǎng)分濃度，再根據(jù)每年在各次取樣的降雨量、穿透雨量、樹干流量、地表徑流量、地下徑流量分別相應(yīng)占全年的各自的比例，用加權(quán)平均法計算其各自的年平均養(yǎng)分濃度(表2和表3，表2中穿透雨養(yǎng)分濃度是把樹干流、穿透雨量養(yǎng)分濃度分別按它們所占權(quán)重統(tǒng)計計算成的(由于杉木樹皮特性，沿樹干流入林地的雨水量非常少，為了表格制作方便把它們歸納在一起))。

2.3養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)功能估算

每年從外界輸入系統(tǒng)的養(yǎng)分量，由每年水文過程測定的大氣降雨量乘上雨量中的養(yǎng)分濃度求得。每年從系統(tǒng)內(nèi)輸出系統(tǒng)外的養(yǎng)分量，利用系統(tǒng)每年的徑流量(地表和地下)與其中的養(yǎng)分濃度相乘得到。系統(tǒng)每年凈積累養(yǎng)分量，用每年從系統(tǒng)外輸入養(yǎng)分量減去每年輸出系統(tǒng)外的養(yǎng)分量求算。養(yǎng)分循環(huán)速率則是每年輸出系統(tǒng)外的養(yǎng)分量與每年從系統(tǒng)外輸入養(yǎng)分量的比值。

表1　杉木人工林生志系統(tǒng)水文過程養(yǎng)分測定次數(shù)Table 1　Nutrients determination number of hydrological processes in Chinese fir plantation ecosystem(N)

測定地表徑流養(yǎng)分次數(shù)少于取樣次數(shù)，是因為有些一次性降水過程沒有地表徑流產(chǎn)生，但這些一次性降水采取了大氣降水、穿透雨等水樣，沒有地表徑流樣品，只對大氣降水、穿透雨等水樣進(jìn)行養(yǎng)分測定，而沒有地表徑流養(yǎng)分測定

3　結(jié)果與分析

3.1降水中營養(yǎng)輸入

從表2 中看出，相同林齡時大氣降雨中，第1 代林降雨中N、K、Mg元素濃度均低于第2 代，P的濃度均高于第2 代，Ca的濃度只有1a低于第2代，其余高于第2 代。兩代林同一林齡的降雨中各養(yǎng)分元素濃度，除個別年份的P或Mg差異不顯著(P≥0.05)外，其余都存在差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)(表2)。第2 代林降雨中養(yǎng)分濃度比第1 代高20.30%—39.64%。兩代林大氣降水中的養(yǎng)分濃度差異，可能與兩代林大氣降水時天氣狀況有關(guān)。此外，離研究林地西北方向平行于研究林地的公路，第2 代林17—21年生的車流量己是第1 代的幾十倍，汽車排放的尾氣，以及行駛中揚(yáng)起的灰塵比第1 代時多，大氣環(huán)境受污染的程度嚴(yán)重些。這可能是第2 代大氣降水中的養(yǎng)分濃度高于第1 代林的主要原因。

每年伴隨降雨進(jìn)入第1 和第 2代林的養(yǎng)分，第2 代 比第 1代多6.92—18.63 kg hm-2a-1。其中，N 和K 的輸入量第2 代分別比第1 代多2.64—5.61 kg hm-2a-1，5.58—8.83 kg hm-2a-1；P 的輸入量兩代林相差不大；Ca的輸入量除第2 代17 年生多于第1 代17 年生，其余年份比第1 代少；Mg的輸入量僅只有20 年生第1 代高于20 年生第2 代，其余都比第2 代低。第2 代林降水中輸入養(yǎng)分量比第1 代多，不僅與降水量大小有關(guān)(第2 代林年平均降水量比第1 代多11.58%)，而且也與雨水的養(yǎng)分濃度有關(guān)(第2 代林降水中的平均養(yǎng)分濃度比第1 代多0.767 g/kg)。

3.2雨水對林冠層的淋溶作用

從表2 中看出，兩代林同一林齡穿透雨中各養(yǎng)分元素濃度大小, N、P、Ca的濃度第1 代低于第2 代林；K的濃度第1 代林只有1年比第2 代低，其余比第 2代高， Mg的濃度與K的濃度完全相反。兩代林同一林齡穿透雨中K 元素濃度，大部分差異不顯著(P≥0.05)，其余N、P、Ca和Mg都存在差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)(表2)。透雨中總的養(yǎng)分濃度第1 代林6.911—8.025 g/kg，第2代林8.123—9.373 g/kg，分別比大氣降水中高4.149—4.895 g/kg和4.271—5.605 g/kg。穿透雨中營養(yǎng)化學(xué)發(fā)生了富集，養(yǎng)分濃度增加，這是穿透雨對冠層枝葉的淋溶作用引起的。

表2　杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)水文過程的養(yǎng)分輸入特性Table 2　Characteristic of nutrient input in hydrological processes in Chinese fir plantation ecosystem

差異顯著性檢驗只對兩代林同一林齡時的降雨同一種養(yǎng)分元素濃度、養(yǎng)分量，穿透雨同一種養(yǎng)分元素濃度、養(yǎng)分量之間，(兩代林同一林齡時的不同養(yǎng)分元素濃度、養(yǎng)分量之間，不同林齡; 同一種養(yǎng)分元素濃度、養(yǎng)分量之間沒有進(jìn)行差異顯著性檢驗)， 它們之間小寫字母相同為差異不顯著(P≥0.05)，*表示顯著(P< 0.05)，**表示極顯著(P<0.01), 括號內(nèi)為降雨量或穿透雨量mm

第2代林平均淋溶養(yǎng)分濃度比第1 代多1.389g kg-1a-1。有可能停留在兩代林冠層枝葉表面來自聚結(jié)在細(xì)胞壁和角質(zhì)層內(nèi)某些營養(yǎng)物質(zhì)[9]，或蒸騰作用所帶出積累在葉面的的元素量[19]有差異；也有可能是，在無雨天由于離林地不遠(yuǎn)處公路上車輛行駛中揚(yáng)起的灰塵沉淀在林冠層中的塵埃物質(zhì)第2 代比第1 代林多。

每年降水過程中穿過林冠層到達(dá)林內(nèi)的雨水?dāng)y帶的養(yǎng)分量，第1 代林是54.95—61.18 kg hm-2a-1，其中有29.71—34.48 kg hm-2a-1是降雨中含的養(yǎng)分，有25.24.—31.19 kg hm-2a-1是雨水對冠層的淋溶作用增加的；第2 代林76.43—91.48 kg hm-2a-1，其中，含有大氣降水?dāng)y帶的養(yǎng)分量39.59—51.06 kg hm-2a-1，由淋溶作用增加35.27—51.06 kg hm-2a-1。雨水對冠層淋溶增加的養(yǎng)分，第2 代比第1 代林多4.08—25.65 kg hm-2a-1。

3.3徑流中的養(yǎng)分輸出

從表3看出，第1 代林地表徑流中的養(yǎng)分濃度9.698—10.870 g/kg，平均10.255 g/kg；2 代林9.962—11.779 g/kg，平均11.708 g/kg，第 2代稍高于第1 代林。就平均值而言，第1 代地表徑流中N、P、K、Mg濃度稍高于第2 代林，由此可見，第2 代林表徑流中的養(yǎng)分濃度高于第1代，主要是第2 代林地表徑流中Ca的濃度高于第1代引起的(表3)。兩代林相同林齡的地表徑流中同一元素的差異分析見表3。

無論是第1 代還是第2 代林，地表徑流中的養(yǎng)分濃度不僅比大氣降水中多，而且也比穿透雨中高。因為地表徑流是穿透雨水通過林地凋落物層接觸土壤表面后，因土壤滲透性能的關(guān)系形成的。地表徑流中不僅包含了穿透雨中的養(yǎng)分，而且也含有從凋落物層淋溶岀的養(yǎng)分。

與兩代林穿透雨中養(yǎng)分濃度差異相比，其地表徑流中的養(yǎng)分濃度差要少些(表3)。因為兩代林近熟林階段林地凋落物量不一樣，第1 代林地凋落物量4.39—4.84 t/hm2[28]，第2 代3.71—4.13t/hm2[29]。當(dāng)穿透水通過林地凋落物層形成地表徑流時，凋落物層淋溶岀的養(yǎng)分量，第1 代可能比第 2代林多，這就縮少了原穿透水的養(yǎng)分濃度第2 代比第1 代高的差距。因此，也就縮減了兩代林地表徑流中的養(yǎng)分濃度差異。

從表3看岀，兩代林地下徑流中的養(yǎng)分濃度相同點是：N的濃度比大氣降水中低，Mg的濃度比大氣降水中高3—4倍。不同點是：第1代林P的濃度比大氣降水中高, Ca的濃度與大氣降水中相差不大，K的濃度比大氣降水中低；第2代林則是，K、Ca的濃度高于大氣降水，P的濃度與大氣降水中相差不大。

第2 代林地下徑流中的平均養(yǎng)分濃度6.144 g/kg，是第1 代林平均3.918 g/kg的1.57倍。但是相同林齡的第1 代地下徑流中N、P、Mg濃度比第2 代林高，K、Ca濃度比第 2代林低(差異分析見表3)，可見，第2 代林地下徑流中的平均養(yǎng)分濃度比第1 代高，主要是第2 代林地下徑流中K、Ca比第1 代高許多的緣故。第1 和第2 代林地下徑流中養(yǎng)分濃度差異產(chǎn)生的原因，可能是第1代林采伐時林木的隨意倒下，搬運(yùn)木材的拖拽擠壓土壤表層，破壞了表層土壤的物理性能。其0—20cm土層土壤非毛管孔隙度、總孔隙度、土壤容重都發(fā)生了不同程度的變化[30]。土壤物理性能的轉(zhuǎn)變是一個較為緩慢的過程[31-32]，第2 代林21年生土壤物理性能有可能還沒有完全恢復(fù)到造林前的水平，這或多或少地影響?zhàn)B分在其表面的持留和粘附，進(jìn)而影響地下徑流中的養(yǎng)分濃度。此外，連栽第2 代林進(jìn)入漸熟期的土壤中轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶等土壤酶的活性均顯著低于笫1代[33]。土壤酶的活性與土壤營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化有重要的作用，兩代林土壤酶活性的差異，很有可能是產(chǎn)生地下徑流中的養(yǎng)分濃度差異的重要原因。

通過徑流輸出的養(yǎng)分量，第1 代林為7.95—9.85 kg hm-2a-1，其中，地下徑流養(yǎng)分輸出占87.30%—88.77%，地表徑流輸出占11.23%—12.70%；第2 代林是15.33—24.26kg hm-2a-1，有86.48%—93.37%是地下徑流貢獻(xiàn)的，地表徑流僅占6.63%—13.52%。就平均而言，第2 代徑流輸出的養(yǎng)分量18.92 kg hm-2a-1，是第1 代8.87 kg hm-2a-1的2.23倍，其中，第2 代地表徑流比第1 代多輸出0.82 kg hm-2a-1，地下表徑流多輸出9.23 kg hm-2a-1。

3.4養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)

伴隨大氣降水進(jìn)入第1 代林的養(yǎng)分29.71—34.48 kg hm-2a-1，通過徑流輸出系統(tǒng)的養(yǎng)分量為7.95—9.85 kg hm-2a-1,輸入減去輸出,每年凈積累的養(yǎng)分量21.66—25.23 kg hm-2a-1。由大氣降水進(jìn)入第2 代林的養(yǎng)分是39.59—51.06 kg hm-2a-1，通過徑流輸出系統(tǒng)的養(yǎng)分量為15.33—24.26 kg hm-2a-1,輸入與輸出相抵，第2 代林每年凈積累養(yǎng)分量22.05—26.84 kg hm-2a-1。兩代林相比，林分凈積累養(yǎng)分量第2 代稍多于第1 代林。這是第2 代林降水量及雨水的養(yǎng)分含量比第1 代林多的緣故。

表3　杉木人工林生志系統(tǒng)水文過程的養(yǎng)分輸出特性Table 3　Characteristic of nutrient output in hydrological processes in Chinese fir plantation ecosystem

差異顯著性檢驗只對兩代林同一林齡時的地表徑流同一種養(yǎng)分元素濃度、養(yǎng)分量， 地下徑流同一種養(yǎng)分元素濃度、養(yǎng)分量之間的分析(地表、地下徑流不同養(yǎng)分元素濃度、養(yǎng)分量，兩代林同一林齡時的地表與地下徑流同一種養(yǎng)分元素濃度、養(yǎng)分量之間，沒有進(jìn)行差異顯著性檢驗)，它們之間小寫字母相同為差異不顯著(P≥0.05)，*表示顯著(P< 0.05)，**表示極顯著(P<0.01), 括號內(nèi)為地表或地下徑流量mm, 總徑流養(yǎng)分濃度一欄中為空格，是因為它應(yīng)是地表與地下徑流的加權(quán)平均值，而地表與地下徑流輸岀的養(yǎng)分量是分別計算的，總徑流輸岀養(yǎng)分量,為地表與地下徑流輸岀的養(yǎng)分量之和，故總徑流養(yǎng)分濃度在此已無意義

從另一個角度即從徑流中的養(yǎng)分輸出及凈積累養(yǎng)分量占降水中輸入的比例，來分析第1 和第2 代林的養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)功能。第1 代林每年輸出的養(yǎng)分占輸入養(yǎng)分的比例為26.75%—28.56%，凈積累養(yǎng)分量占輸入量的71.44%—73.25%，也就是說，每年從系統(tǒng)外輸入到第1 代林內(nèi)的養(yǎng)分中約有3/4 被系統(tǒng)持留利用，只有1/4 流失到系統(tǒng)外。第2 代林每年輸出到系統(tǒng)外的養(yǎng)分占輸入量的37.24%—47.43%，系統(tǒng)凈積累的養(yǎng)分只有輸入52.57%—62.76%。相互對比可知，第2 代林的養(yǎng)分流失率是第1 代林的1.30—1.72倍，養(yǎng)分的積累率只有第1 代林的73.57%—87.14%。

第1 代林地球化學(xué)循環(huán)中N、P、K、Ca、Mg循環(huán)速率分別為16.35%—20.27%，70.37%—90.91%，17.75%—18.97%，19.21%—25.96%，89.02%—95.56%，平均26.75%—29.95%；第2 代 相應(yīng)為10.34.%—19.48%，45.45%—89.47%，26.16%—36.85%，52.16%—67.95%，85.11%—95.23%，平均37.24%—47.43%。

第1 代林N、P、K、Ca、Mg地球化學(xué)循環(huán)周期分別是4.9—6.1a，1.1—1.4a，5.3—5.6a，3.9—5.2a，1.1a，平均3.3—3.7a；2 代林是5.1—9.7a，1.1—2.0a，2.7—3.9a，1.5—1.9a，2.1—2.7a，平均2.1—2.7a。

以上分析看岀，第2 代林養(yǎng)分循環(huán)速率比第 1代快，第1 代林養(yǎng)分循環(huán)周期比第2 代長。養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)的速率越快，意味著從外界輸入到杉木林系統(tǒng)內(nèi)的養(yǎng)分，有些還來不及被林木吸收利用就有可能輸出系統(tǒng)外了。外界輸入到系統(tǒng)的養(yǎng)分在系統(tǒng)內(nèi)滯留的時間愈長，林木對它的吸收與利用的機(jī)會也愈多。從兩代林的養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)的速率和循環(huán)周期分析，在系統(tǒng)持留與利用外界輸入的養(yǎng)分功能上，第2 代不如第1代林。第2 代林這種養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)功能對林木生長和土壤肥力水平的維持都是不利的。

4　結(jié)論與討論

會同第1和第2 代杉木林大氣降雨中養(yǎng)分濃度均高于云南哀牢山山地常綠闊葉林(2.271 g/kg)[18]和西藏南伊溝原始林芝云杉林(1.208 g/kg)[24]；第1 代杉木林大氣降雨中養(yǎng)分濃度低于海南島尖峰嶺山地雨林(3.620 g/kg)[20]和江西省大崗山杉木林(3.558 g/kg)[14]，第2 代則高于它們。大氣降水中的養(yǎng)分濃度差異，可能與當(dāng)?shù)卮髿饨邓畷r天氣狀況有關(guān)外，還與大氣環(huán)境受污染的程度有關(guān)聯(lián)，云南哀牢山和西藏南伊溝地處我國邊陲，其大氣污染程度比內(nèi)地輕微些，因此其大氣降雨中養(yǎng)分濃度比大氣環(huán)境受污染的程度較重的內(nèi)地低。

穿透水中養(yǎng)分濃度，會同第1 代杉木林(7.482 g/kg)稍低于江西省大崗山第1 代杉木林(7.651 g/kg)[14]，會同第2 代杉木林(8.871g/kg)與海南島尖峰嶺山地雨林(8.640 g/kg)[20]差異不大；兩代林其濃度均高于云南哀牢山山地常綠闊葉林(5.580g/kg)[18]和西藏南伊溝原始林芝云杉林(6.799g/kg)[24]。穿透水中養(yǎng)分濃度是大氣降雨經(jīng)林冠、灌冠截留和淋溶綜合作用后的結(jié)果，其養(yǎng)分的濃度, 除了與降雨中養(yǎng)分多少有關(guān)外, 還與林分冠層密集度，沉淀在林冠層中的塵埃物質(zhì)，以及林木地上營養(yǎng)器官所含各種養(yǎng)分物質(zhì)量及其可溶程度有關(guān)聯(lián)。

林冠層被雨水淋溶出來的養(yǎng)分，有些研究者把它作為生物地球化學(xué)循環(huán)中的養(yǎng)分歸還量[21-22]，這點值得商討。被雨水淋溶出來的物質(zhì)可能是枝葉表面被淋溶代換出來的元素，或者是林木蒸騰作用所帶出積累在葉面的的元素[19]；也有可能是來自聚結(jié)在細(xì)胞壁和角質(zhì)層內(nèi)某些營養(yǎng)物質(zhì)，降雨時它們被氫離子交換出來[9]。當(dāng)然以上面幾種方式淋溶的養(yǎng)分應(yīng)視為生物地球化學(xué)循環(huán)中的養(yǎng)分歸還量。但是，被淋溶出來的物質(zhì)還包括兩次降雨相隔的無雨天，沉淀在冠層中的大氣塵埃物質(zhì)被淋洗出來的元素(在城郊或車流量大的公路旁的森林，這種情況更普遍)。這些養(yǎng)分應(yīng)該是地球化學(xué)循環(huán)中的輸入養(yǎng)分。

表4　杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)Table 4　Geochemical circulation of nutrient elements in Chinese fir plantation ecosystem

差異顯著性檢驗只對兩代林同一林齡時的降水量中同一種元素養(yǎng)分輸入量，經(jīng)流中養(yǎng)分輸岀量，養(yǎng)分凈積累量，養(yǎng)分凈積累率，養(yǎng)分循環(huán)率，養(yǎng)分循環(huán)周期之間的分析，它們之間小寫字母相同為差異不顯著(P≥0.05)，*表示顯著(P< 0.05)，**表示極顯著(P<0.01)

會同第1 代杉木林地表水中養(yǎng)分濃度(10.255 g/kg)與江西省大崗山第1 代杉木林(10.015 g/kg)[14]接近，因為林分相同、結(jié)構(gòu)特征相近，成土母巖也相同(變質(zhì)的板(頁)巖)[14]，但會同第2 代杉木林(11.708 g/kg)高于江西省大崗山的。無論是第1 代還是第2 代林都高于云南哀牢山山地常綠闊葉林(7.766 g/kg)[18]、西藏南伊溝原始林芝云杉林(6.581 g/kg)[24]和海南島尖峰嶺山地雨林(8.020 g/kg)[20]。會同第1 代杉木林地下水中養(yǎng)分濃度(6.144 g/kg)與西藏南伊溝原始林芝云杉林(6.910 g/kg)相近，高于云南哀牢山山地常綠闊葉林(3.972g/kg)和海南島尖峰嶺山地雨林(5.110 g/kg)[20]。徑流中養(yǎng)分濃度的差異除生物因素外, 在相當(dāng)程度上還受母巖類型及其化學(xué)成分的影響，會同林分植物種類與西藏南伊溝、云南哀牢山和海南島尖峰嶺不同，其植物組織所含各種養(yǎng)分有差異，彼此成土母巖也不同[18,20,24]，其化學(xué)成分也不一樣，因而造成其徑流中養(yǎng)分濃度的差異。

養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)功能，第2 代的養(yǎng)分凈積累率只有第1 代林的73.57%—87.14%；養(yǎng)分流失率是第1 代林的1.30—1.72倍；第1 代林養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)速率26.75%—29.95%，第2 代林37.24%—47.43%；養(yǎng)分循環(huán)的周期第1 代林3.3—3.7年，第2 代林2.1—2.7年，第2代林養(yǎng)分積累的地球化學(xué)循環(huán)功能比第一代林弱。當(dāng)然，有可能如前面分析，林木采伐過程造成兩代林表層土壤物理性能的差異，杉木連栽影響土壤酶的活性，降低了第2 代林土壤積累養(yǎng)分功能。然而，究竟是什么原因?qū)е碌? 代林養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)功能減弱，有待進(jìn)一步研究與探討。

杉木人工林連栽地力衰退和生產(chǎn)力下降問題一直是我國人工林持續(xù)經(jīng)營研究的熱點。眾多學(xué)者從連栽不同代數(shù)杉木人工林木材蓄積量,生物產(chǎn)量、土壤物理結(jié)構(gòu)特征的差異、林地化學(xué)特性的變化、不合理的營林措施和栽培制度等方面探求杉木人工林連栽地力衰退和生長力下降的原因與機(jī)制。雖然本研究只分析了連栽第1和第2 代杉木林近熟林階段水文過程養(yǎng)分動態(tài)和養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)功能,但是,研究的結(jié)果可為杉木人工林連栽生產(chǎn)力下降和地力衰退問題的研究提供依據(jù)和思路。

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Characteristics of nutrient dynamic in hydrological processes of first and second rotations of prematured Chinese fir plantations

HE Jienan1, KANG Wenxing1,2,3,*, WANG Dong1, YAO Lihui1

1CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China2NationalEngineeringLaboratoryforAppliedTechnologyofForestry&EcologyinSouthChina,Changsha410004,China3NationalFieldStationforScientificObservation&ExperimentinHuitongHunan,Huitong418307,China

Based on the small watershed technique and the located observation method, the hydrology data collected of the precipitation, penetrate the canopy water, surface and underground runoff, and determine its nutrient content, which were used for analyzing the nutrient dynamic in hydrologic process on the successive rotations of Chinese fir plantations at near mature forest. The replanting its purpose to reveal functional differences in the two generations of Chinese fir in biogeochemical cycling of nutrients, and study the problem of declining productivity even planted fir plantations provide ideas and evidence. The results showed that the nutrient concentrations in precipitation of the second generation forest was 20.30%—39.64% higher than that in first-generation forest, which accounted in total for 38.52% more input of nutrients in second generation than that in the first generation forest. The nutrient concentrations in the through fall in the forest of the first and the second generation was relatively 4.149—4.895 g/kg and 4.271—5.605 g/kg higher than that in the corresponding atmospheric precipitation, respectively. Rain canopy leaching of nutrients，which the nutrient content was 2.94% to 21.37% higher in the second generation forest than that in the first generation forest after leaching through the canopy. There was not significantly different between the nutrient concentrations in surface runoff of the first and that in the second generation forest. The nutrient concentrations subsurface runoff of second generation forest, however, was 48.06% —78.87% higher than that in the first generation forest, which induced the runoff output in the runoff， the second generation forest was 1.58 to 2.61 times more than that in the first generation forest. The nutrient geochemical rate was 26.75% to 29.95% in the first generation forest, while in the second generation forest the nutrient geochemical cycle was 37.24% to 47.43%, and The nutrient geochemical cycle was 3.3 to 3.7 years in the first generation forest, while was 2.1 to 2.7 years in the second generation forest. The nutrient loss rate of the second generation forest was from 1.30 to 1.72 times higher than that in the first generation forest, and the nutrient accumulation rate in the second generation forest was from 73.57% to 87.14% of that in the first generation forest. As to the retention and utilization in the input of nutrients from the outside, the nutrient retention and utilization efficiency of the second generation forest was lower than that of the first generation forest.

chinese fir plantation; successive rotations; hydrological processes; nutrient dynamic; geochemical cycling

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201104009); 科技部公益性研究項目(2007-4-15); 國家野外科學(xué)觀測研究站項目(20080615); 湖南省教育廳重點項目(2011A135)

2013-08-09;

日期:2014-7-25

10.5846/stxb201308092050

*通訊作者Corresponding author.E-mail: kwx1218@126. com

何介南， 康文星， 王東， 姚利輝.連栽第1和第2代杉木近熟林水文過程養(yǎng)分動態(tài)比較.生態(tài)學(xué)報,2015,35(8):2581-2591.

He J N, Kang W X, Wang D, Yao L H.Characteristics of nutrient dynamic in hydrological processes of first and second rotations of prematured Chinese fir plantations.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2581-2591.