森林轉(zhuǎn)換對(duì)地表徑流可溶性有機(jī)碳輸出濃度和通量的影響

胥 超， 林成芳,*，劉小飛，熊德成，林偉盛，陳仕東，謝錦升，楊玉盛

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

森林轉(zhuǎn)換對(duì)地表徑流可溶性有機(jī)碳輸出濃度和通量的影響

胥 超1,2， 林成芳1,2,*，劉小飛1,2，熊德成1,2，林偉盛1,2，陳仕東1,2，謝錦升1,2，楊玉盛1,2

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

米櫧次生林轉(zhuǎn)換成米櫧人工幼林和米櫧人工促進(jìn)天然更新幼林(以下簡(jiǎn)稱“人促幼林”)后，以這三種森林類型為研究對(duì)象，連續(xù)監(jiān)測(cè)每次降雨后地表徑流量及徑流水中可溶性有機(jī)碳(DOC)的含量及通量，比較不同森林類型觀測(cè)結(jié)果的差異，并分析降雨對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明：米櫧人工幼林單次產(chǎn)流量是米櫧次生林的1.5—19.0倍，觀測(cè)期間總徑流量為5.9倍；米櫧人促幼林單次徑流量和總徑流量均與米櫧次生林無(wú)顯著差異(P>0.05)。觀測(cè)期間米櫧次生林、人工幼林、人促幼林徑流水DOC濃度值范圍為5.9—18.4 mg/L，4.3—13.5 mg/L和3.2—9.9 mg/L，米櫧次生林徑流水濃度均值(12.6 mg/L)分別是米櫧人促幼林(7.6 mg/L)和米櫧人工幼林(5.3 mg/L)的1.6和2.4倍?；貧w分析表明，徑流水中DOC濃度與降雨前土壤含水率呈顯著相關(guān)；降雨前土壤含水率20.8%是一個(gè)臨界值，含水率低于20.8%時(shí)，徑流水DOC濃度與降雨前含水率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；高于20.8%時(shí)，徑流水DOC濃度與降雨前土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。米櫧人工幼林地表徑流DOC輸出通量是米櫧次生林的0.7—5.4倍，觀測(cè)期間總輸出通量為2.1倍；米櫧人促林DOC單次通量和觀測(cè)期間總通量均與米櫧次生林差異不顯著(P>0.05)。三種森林類型DOC輸出通量均與降雨量呈顯著相關(guān)(P<0.05)?？梢?，米櫧次生林轉(zhuǎn)變成米櫧人工幼林后DOC輸出濃度降低，但徑流量顯著增加，導(dǎo)致DOC輸出通量增加；而轉(zhuǎn)變成米櫧人促幼林后DOC輸出濃度也降低，但徑流量并未增加，因而并未增加DOC輸出通量。

森林轉(zhuǎn)換；地表徑流；可溶性有機(jī)碳

DOC的流動(dòng)性強(qiáng)，DOC在水驅(qū)動(dòng)下的遷移構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵組成部分[1,2]。陸地生態(tài)系統(tǒng)DOC的輸出一方面能夠?yàn)樗愷B(yǎng)生物提供外來(lái)能源，影響水生系統(tǒng)的生產(chǎn)力[3,4]；另一方面與部分金屬元素發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，合成有害的副產(chǎn)物，從而影響飲用水安全[5]。而森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，亦是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳吸存庫(kù)[6]。因此森林生態(tài)系統(tǒng)DOC的輸出是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)和和水生環(huán)境的關(guān)鍵。DOC隨水流遷移過(guò)程受到土壤類型、植被類型和地貌特征以及降雨特征等因素的影響[7- 9]。當(dāng)植被類型和地貌特征等下墊面因素發(fā)生改變時(shí)，DOC在水中遷移的生物化學(xué)和水文學(xué)過(guò)程亦隨之改變[8]。森林轉(zhuǎn)換將天然/次生林砍伐后轉(zhuǎn)換成其他森林類型徹底改變生態(tài)系統(tǒng)原有的下墊面特征，從而影響生態(tài)系統(tǒng)DOC的輸出過(guò)程。

降雨特征也是影響DOC輸出的重要因素。有研究發(fā)現(xiàn)全年高達(dá)36%—50%的DOC輸出量是由高強(qiáng)度短歷時(shí)的降雨事件所引起[10- 12]，甚至有記錄表明一次暴風(fēng)雨造成的流域內(nèi)DOC的流失量占全年DOC總流失量的31%—66%[11,13]。因此，在雨量充足、暴雨頻發(fā)的區(qū)域，對(duì)每次降雨事件后的DOC輸出進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)有助于明晰DOC-降雨之間的內(nèi)在聯(lián)系。但是，已有的研究大多數(shù)只關(guān)注季節(jié)性的甚至年際性的DOC輸出變化[11]。

福建三明地區(qū)是我國(guó)南方集體林區(qū)重要的商品林基地，近年來(lái)區(qū)域內(nèi)大量的地帶性植被(常綠闊葉天然/次生林)砍伐后采用不同的經(jīng)營(yíng)方式進(jìn)行森林再更新，形成了人工林、人促幼林和保留下來(lái)的天然/次生林等一系列的森林類型。受亞熱帶季風(fēng)性氣候的影響，該區(qū)降雨量大、且集中，暴雨頻繁[14]。并且，人為活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變暖將使該區(qū)域的暴雨和年降雨總量呈逐漸增加趨勢(shì)[15]。因此，在氣候變化的背景下，將原有天然/次生林轉(zhuǎn)變成其它森林類型極大改的變生態(tài)系統(tǒng)DOC的生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程。本研究選擇雨季時(shí)期(2013年5月—7月)以每次侵蝕性降雨事件為觀測(cè)頻率，收集每次降雨后的徑流水并測(cè)其DOC含量。此時(shí)期降雨頻繁，且分布有不同類型的降雨類型，因而本研究的開展能夠很好地揭示森林轉(zhuǎn)換之后下墊面的變化對(duì)DOC的輸出影響及其對(duì)降雨變化的響應(yīng)機(jī)制。

1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于福建省三明市，該區(qū)西北倚靠武夷山脈，東南毗連戴云山脈。在地質(zhì)構(gòu)造上，處于閩東燕山斷陷帶中段。地貌特征以陡峭的低丘陵為主，平均坡度 25—35°，山地面積占全境的82%。地勢(shì)北高南低，平均海拔為300m。本區(qū)屬中亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，年均溫17—19.4 ℃；多年平均降水量1749 mm，最大年降水量達(dá)2422.4 mm，最小年降水量904.6 mm；年均蒸發(fā)量1585 mm，相對(duì)濕度81%。

試驗(yàn)地設(shè)在三明市陳大國(guó)有林場(chǎng)金絲灣森林公園內(nèi)的黃坑工區(qū)(26°19′N,117°36′E)的米櫧次生林內(nèi)，該林地于1978年由米櫧天然林經(jīng)強(qiáng)度擇伐后，封山育林而形成。喬木層優(yōu)勢(shì)種為米櫧，其林分密2650 株/hm2,平均樹高為 19.7 m，平均胸徑13.5 cm；其他喬木樹種有閩粵栲(Castanopsisfissa)、木荷(Schimasuperba)等；林下灌木主要由鼠刺(Iteachinensis)、黃瑞木(Adinandramillettii)和山礬(Symplocoscaudata)等構(gòu)成；草本則以黑莎草(GanniatristisNees)、芒萁(Dicramopterisdichotama)和毛冬青(Ilexpubescens)等為主。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

選取米櫧次生林內(nèi)坡向一致、坡度相近的一面坡地(面積約1.14 hm2)作為研究樣地，對(duì)其進(jìn)行采伐后以不同的森林經(jīng)營(yíng)方式進(jìn)行再造林。具體的森林經(jīng)營(yíng)措施如下：

米櫧人促幼林：2011年12月對(duì)原有的米櫧次生林進(jìn)行采伐，采伐時(shí)以每畝300—400株的標(biāo)準(zhǔn)保留米櫧萌生幼苗，采伐完后將采伐剩余物均勻地平鋪、保留在采伐跡地內(nèi)。加以封禁，任其自然更新。

米櫧人工幼林：2011年12月對(duì)原有米櫧次生林進(jìn)行皆伐。皆伐后僅對(duì)干材進(jìn)行收獲，采伐剩余物平鋪于采伐跡地內(nèi)，暴曬數(shù)月后于2012年3月進(jìn)行火燒，火燒完后種植米櫧實(shí)生苗，種植密度為2300株/hm2。造林初期(前三年)，每年對(duì)米櫧人工幼林進(jìn)行兩次撫育劈草，整個(gè)觀測(cè)期間不做任何施肥管理。

米櫧人促幼林和米櫧人工幼林的森林經(jīng)營(yíng)面積均約為0.36 hm2，每種森林經(jīng)營(yíng)模式各設(shè)3個(gè)重復(fù)區(qū)域，各自分布于上、中、下坡位，每個(gè)重復(fù)區(qū)域面積約為0.12 hm2，其中心部位建20 m×5 m(順坡方向×等高線方向)徑流小區(qū)。未砍伐的米櫧次生林內(nèi)同樣在上、中、下坡位設(shè)3個(gè)重復(fù)的徑流小區(qū)。

2013年調(diào)查時(shí)林分特征情況如表1所示，土壤主要理化性質(zhì)見表2。

表1 福建三明米楮次生林、人工幼林和人促幼林的林分特征

表2 福建三明米楮次生林、人工幼林和人促幼林土壤理化性質(zhì)

2.2 樣品與數(shù)據(jù)采集

本研究選擇2013年5月至2013年7月期間于每次侵蝕性降雨后測(cè)量徑流量并采集徑流溶液樣品。于每次侵蝕性降雨的次日早上八點(diǎn)進(jìn)行取樣，取樣前先測(cè)量徑流池內(nèi)徑流水的深度以確定徑流量。然后對(duì)徑流池內(nèi)徑流水均勻攪拌，并用1.5L試劑瓶在徑流池內(nèi)不同位置和不同深度取徑流樣品。室內(nèi)置于4℃環(huán)境下保存，采用0.45 μm濾膜對(duì)徑流溶液進(jìn)行過(guò)濾，島津TOC-VcPh測(cè)定濾液的DOC濃度。

在實(shí)驗(yàn)樣地空曠處設(shè)置氣象站(雨根RR1008，北京)對(duì)降雨進(jìn)行觀測(cè),樣地內(nèi)設(shè)置EC5土壤水分傳感器(AVALON，USA)對(duì)土壤含水率進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。分析時(shí)提取氣象站降雨過(guò)程數(shù)據(jù)和EC5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將有降雨記錄開始前一刻對(duì)應(yīng)的土壤含水率定義為降雨前土壤含水率。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)分析在SPSS 19.0內(nèi)進(jìn)行，觀測(cè)期間三種森林類型徑流量、徑流水DOC濃度、通量之間的差異用重復(fù)測(cè)量方差分析進(jìn)行檢驗(yàn)(顯著性水平設(shè)為α=0.05)。圖形制作在Origin 9.0內(nèi)完成。

3 結(jié)果

3.1 降雨與產(chǎn)流

2013年5月至2013年7月期間共計(jì)發(fā)生侵蝕性降雨16次，最小和最大降雨量分別為16.6 mm和120.8 mm。侵蝕性降雨總量705.4 mm，占全年(2013年1月1日至2013年12月31日)侵蝕性降雨總量的43%。

重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果表明米櫧人工幼林徑流量顯著高于米櫧次生林和米櫧人促幼林，米櫧人促幼林徑流量與米櫧次生林無(wú)顯著差異(P>0.05)。米櫧人工幼林單次產(chǎn)流量是米櫧次生林的1.5—19.0倍,總徑流量為5.9倍。

3.2 徑流水中DOC濃度及其影響因素

3.2.1 徑流水中DOC濃度

重復(fù)測(cè)量方差分析顯示觀測(cè)期間米櫧人工幼林徑流水DOC濃度顯著(P<0.05)低于次生林,而米櫧人促幼林與次生林差異不顯著(P>0.05)。米櫧次生林、米櫧人促幼林和米櫧人工幼林徑流水DOC濃度值范圍為5.9—18.4 mg/L，4.3—13.5 mg/L和3.2—9.9 mg/L。米櫧次生林歷次徑流水DOC濃度均值為12.6 mg/L，是米櫧人工幼林(5.3 mg/L)的2.4倍。因此，米櫧次生林轉(zhuǎn)換成米櫧人工幼林后DOC在地表徑流中的輸出濃度明顯降低。

圖1 米楮人促幼林、米楮人工幼林和米楮次生林徑流量與降雨量Fig.1 Runoff volume and rainfall amount of NR, BC and SFNR, 米櫧人促幼林，assisted naturally regenerated C. carlesii young forest；BC，米櫧人工幼林，C. carlesii young plantation；SF，米櫧次生林，C. carlesii secondary forest

3.2.2 徑流水DOC濃度的影響因素

米櫧人促幼林和米櫧人工幼林地表徑流DOC濃度均與降雨前土壤含水率呈顯著的(P<0.05)負(fù)相關(guān)(圖3a和圖3b)，但是米櫧次生林地表徑流DOC濃度與降雨前土壤含水率呈顯著(P<0.05)正相關(guān)(圖3c)。觀測(cè)期間正值雨季，土壤水分蒸發(fā)量小，米櫧人促幼林和米櫧人工幼林地上生物量明顯小于次生林，因而地上植被對(duì)水分的吸收量小，導(dǎo)致米櫧人促幼林和米櫧人工幼林土壤含水率處在較高的范圍而次生林土壤含水率則集中在略低的水平(圖3)，從而導(dǎo)致兩種幼林徑流水DOC濃度隨土壤含水率的變化規(guī)律不同于米櫧次生林。

3.3 徑流水中DOC通量及其影響因素

圖4 米楮人促幼林、米楮人工幼林和米楮次生林徑流水DOC通量Fig.4 Runoff DOC flux in NR, BC and SFNR, 米櫧人促幼林，assisted naturally regenerated C. carlesii young forest；BC，米櫧人工幼林，C. carlesii young plantation；SF，米櫧次生林，C. carlesii secondary forest

圖5 米楮人促幼林、米楮人工幼林和米楮次生林徑流水 DOC通量與降雨量相關(guān)關(guān)系Fig.5 Regression between runoff water DOC flux and rainfall amount NR, 米櫧人促幼林，assisted naturally regenerated C. carlesii young forest；BC，米櫧人工幼林，C. carlesii young plantation；SF，米櫧次生林，C. carlesii secondary forest

重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示米櫧人工幼林徑流水DOC通量顯著(P<0.05)高于次生林和米櫧人促幼林，人促幼林和次生林之間差異不顯著(P>0.05)。就單次降雨事件而言，米櫧人工幼林DOC通量是米櫧次生林的0.7—5.4倍(圖4)，觀測(cè)期間累積DOC通量為2.1倍；而米櫧人促幼林DOC通量與米櫧次生林差異不顯著(P>0.05)。

米櫧人促林、米櫧人工幼林和米櫧次生林地表徑流DOC輸出通量均與降雨量呈極顯著(P<0.001)線性相關(guān)(圖5)。因此，該區(qū)頻繁的暴雨極容易造成土壤DOC的大量輸出。

圖6 徑流水DOC濃度隨降雨前土壤含水率變化規(guī)律 Fig.6 DOC concentration of runoff water vary with pre-rain soil water content圖內(nèi)空心圓圈代表觀測(cè)期間三種森林類型降雨前土壤含水率小于20.8%的觀測(cè)事件(n=17), 黑色實(shí)心圓圈代表觀測(cè)期間三種森林類型降雨前土壤含水率大于20.8%的觀測(cè)事件(n=31)

4 討論

4.1 徑流水DOC濃度的影響因素

4.1.1 森林類型對(duì)徑流水DOC濃度的影響

本研究三種森林類型地表徑流水DOC的濃度大小表現(xiàn)為米櫧次生林>米櫧人促幼林>米櫧人工幼林，可見米櫧次生林轉(zhuǎn)變成其他不同森林類型之后對(duì)徑流水DOC輸出濃度有顯著影響。

本研究中的三種不同下墊面實(shí)際上代表了三種不同大小的DOC庫(kù)。米櫧次生林地上生物量最高，降雨經(jīng)過(guò)樹冠/樹干時(shí)所攜帶的DOC濃度更高，項(xiàng)目組前期研究發(fā)現(xiàn)米櫧次生林穿透雨和樹干莖流中DOC濃度高達(dá)5.5—18.3 mg/L和11.3—18.6 mg/L[16]。有研究認(rèn)為林分生物量越高，降雨經(jīng)過(guò)樹冠層所能淋溶出來(lái)的養(yǎng)分濃度更高[17]。此外，與幼齡林不同的是次生林能夠在地表形成凋落物層，而凋落物層是DOC的主要來(lái)源之一[18]。米櫧次生林年凋落物量達(dá)5.8 t/hm2，而2年生米櫧人工幼林地表未能形成明顯的凋落物層。再者，次生林經(jīng)皆伐、火燒后轉(zhuǎn)變成人工林，土壤有機(jī)碳被火灼燒后瞬間大量損失，因此米櫧人工幼林可供徑流水淋溶的有機(jī)碳含量較低。

4.1.2 雨前土壤含水率對(duì)徑流水DOC濃度的影響

McDowell在早期提出了土壤中DOC的形成主要來(lái)源于微生物的分解產(chǎn)物[19]。而土壤含水率能夠通過(guò)影響微生物活性、土壤透氣性、氧化還原環(huán)境等一系列因素來(lái)作用于DOC的合成，從而使得這一過(guò)程變得復(fù)雜。有關(guān)土壤含水率對(duì)DOC濃度的影響已有諸多甚至是相反的結(jié)論，有研究認(rèn)為土壤含水率越高，所能浸提出來(lái)的DOC濃度越高，也有研究認(rèn)為干燥的土壤DOC含量更高，更有報(bào)道表明DOC濃度不會(huì)受到土壤含水率的影響[20]。目前，被普遍接受的觀點(diǎn)認(rèn)為干燥的土壤重新變濕潤(rùn)過(guò)程中，隨著土壤含水率的提高，DOC濃度也逐漸增加[21]。Lundquist就此規(guī)律給出了三種解釋：(1)土壤干旱時(shí)期，微生物利用DOC的能力弱，DOC得以儲(chǔ)存在土壤中；(2)干燥土壤重新濕潤(rùn)之后，微生物周轉(zhuǎn)加快，其代謝產(chǎn)物被濃縮；(3)干燥土壤被浸潤(rùn)之后，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，DOC有效性提高[22]。大量室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤水淹條件下DOC浸出濃度較高[23- 26]；在自然條件下，亦有諸多研究發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)溪流水DOC的輸出濃度和流域內(nèi)的泥炭地面積大小呈正相關(guān)[27- 29]，因?yàn)槟嗵康亻L(zhǎng)期處于水淹狀態(tài)。水淹條件下，土壤處于還原狀態(tài)，土壤中的鐵和錳被還原使得原來(lái)被鐵、錳氧化物吸附的DOC被釋放出來(lái)[30- 32]。

本研究的結(jié)果并沒有發(fā)現(xiàn)徑流水中DOC的輸出濃度隨降雨前土壤含水率的增加而逐漸增加(圖6)。和室內(nèi)培養(yǎng)環(huán)境與農(nóng)田土壤環(huán)境不同，森林土壤排水良好，不會(huì)出現(xiàn)水淹狀況。目前，在森林土壤的自然環(huán)境條件下，尚無(wú)研究發(fā)現(xiàn)DOC的浸出濃度隨著含水率的增加而增加的規(guī)律。本研究借助EC5對(duì)森林土壤含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并收集每一次降雨過(guò)后的徑流溶液測(cè)其DOC含量，因而能夠建立起自然條件下森林土壤徑流水DOC的輸出濃度與土壤含水率的良好關(guān)系。本研究的觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤DOC的浸出濃度與降雨前土壤含水率呈顯著線性相關(guān)，觀測(cè)期間降雨前土壤含水率變幅為12.0%—30.7%，該含水率變化范圍基本能代表我國(guó)亞熱帶各森林類型土壤含水率的季節(jié)變化[33](易志剛 2003 生態(tài)學(xué)報(bào))。當(dāng)降雨前土壤含水率低于20.8%時(shí)，DOC浸出濃度隨含水率的增加而增加，當(dāng)降雨前土壤含水率高于20.8%時(shí)，DOC浸出濃度隨含水率的增加而降低(圖6)。Michalzik通過(guò)整合多個(gè)研究發(fā)現(xiàn)土壤存在一個(gè)最適含水率，在這個(gè)含水率下，DOC的輸出濃度最高[34]。本研究的數(shù)據(jù)顯示，土壤含水率處在20%環(huán)境下，最利DOC的輸出。

4.2 降雨對(duì)DOC輸出通量的影響

徑流水中DOC的最終輸出通量是生物化學(xué)過(guò)程和地表水文過(guò)程相互、共同作用的結(jié)果[35-39]。降雨是影響地表水文過(guò)程的關(guān)鍵因素。本研究中米櫧次生林、米櫧人工幼林和米櫧人促幼林DOC輸出總量均與降雨量呈極顯著線性相關(guān)，其他大量研究也得到類似的結(jié)果[40]。可見，在雨量充沛、暴雨頻繁的本研究區(qū)域，將有大量DOC隨徑流水流失。據(jù)報(bào)道，一次暴風(fēng)雨所引起的徑流水中DOC的輸出量占全年DOC累積輸出量的比例可高達(dá)31%—66%[11,13]。

4.3 森林轉(zhuǎn)換對(duì)DOC輸出通量的影響

綜合以上分析，森林轉(zhuǎn)換對(duì)DOC輸出通量的影響主要是通過(guò)兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，一是改變了DOC的養(yǎng)分庫(kù)，從而影響徑流水中DOC的濃度；二是改變了雨水流經(jīng)的下墊面特征，從而改變了地表徑流量。森林轉(zhuǎn)換后，DOC的最終輸出量是兩個(gè)過(guò)程的綜合結(jié)果。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，雨水經(jīng)過(guò)地上植被層后穿過(guò)地表凋落物層最終到達(dá)土壤層，并形成徑流。因此徑流水中DOC濃度直接受到各個(gè)層次DOC庫(kù)存大小的影響。本研究的次生林轉(zhuǎn)換成米櫧人工幼林和米櫧人促幼林后，地上生物量明顯降低、凋落物層幾乎沒有。但是林分生物量越大，所能淋溶出的養(yǎng)分濃度就越高[17]，而凋落物層又是DOC的主要來(lái)源之一[18]，因此次生林轉(zhuǎn)換后DOC濃度有所降低。雖然也有相當(dāng)研究發(fā)現(xiàn)，森林砍伐將地上生物量收獲提高了土壤微生物的活性，使養(yǎng)分從不可移動(dòng)狀態(tài)變成可移動(dòng)狀態(tài)，從而導(dǎo)致徑流水中DOC濃度增加[41-43]，但這只是一個(gè)短期效應(yīng)[44,45]。

次生林轉(zhuǎn)換成人工幼林之后，降雨-產(chǎn)流過(guò)程發(fā)生的下墊面也發(fā)生改變。復(fù)雜多層次的林分結(jié)果變得單一，地上植被對(duì)降雨動(dòng)能的緩沖能力被削弱，導(dǎo)致地表產(chǎn)流顯著增加。而且地表徑流的增加幅度高于徑流水中DOC濃度的減少幅度，最終表現(xiàn)為DOC的輸出通量增加。而次生林轉(zhuǎn)換成米櫧人促幼林之后，雖然林分結(jié)構(gòu)和生物量發(fā)生改變，但覆蓋度并未下降，因而徑流亦未增加，DOC輸出通量也沒增加。

5 結(jié)論

米櫧次生林轉(zhuǎn)變成米櫧人工幼林和米櫧人促幼林之后使得不同森林類型之間的生物學(xué)過(guò)程和水文學(xué)過(guò)程發(fā)生改變，從而導(dǎo)致了降雨之后DOC的輸出濃度和輸出通量的差異。米櫧次生林轉(zhuǎn)變成米櫧人工幼林后地上生物量降低土壤有機(jī)碳含量有所下降，因此DOC輸出濃度降低。同時(shí)由于人工幼林地表覆蓋度低，徑流量顯著增加，最終導(dǎo)致DOC輸出通量增加。而人促幼林自形成時(shí)未經(jīng)人為擾動(dòng)，至本研究觀測(cè)時(shí)地表覆蓋度已較高，因而產(chǎn)流并未增加，DOC輸出通量也未增加。DOC輸出濃度還受到土壤含水率的顯著影響，當(dāng)土壤含水率處在20.8%左右時(shí)最利于DOC輸出，且降雨量越大DOC輸出量越多。因此，在雨量充足，降雨頻繁的本研究區(qū)域，森林轉(zhuǎn)換加劇了人工幼林地的DOC輸出通量，而對(duì)人促幼林的影響不大。

[1] Scott E E, Rothstein D E. The dynamic exchange of dissolved organic matter percolating through six diverse soils. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 69: 83- 92.

[2] Laudon H, Berggren M, ?gren A, Buffam I, Bishop K, Grabs T, Jansson M, K?hler S. Patterns and dynamics of dissolved organic carbon (DOC) in boreal streams: the role of processes, connectivity, and scaling. Ecosystems, 2011, 14(6): 880- 893.

[3] Aller R C, Blair N E. Carbon remineralization in the Amazon-Guianas tropical mobile mudbelt: a sedimentary incinerator. Continental Shelf Research, 2006, 26(17- 18): 2241- 2259.

[4] Pace M L, Cole J J, Carpenter S R, Kitchell J F, Hodgson J R, Van de Bogert M C, Bade D L, Kritzberg E S, Bastviken D. Whole-lake carbon- 13 additions reveal terrestrial support of aquatic food webs. Nature, 2004, 427(6971): 240- 243.

[5] Raymond P A, Saiers J E. Event controlled DOC export from forested watersheds. Biogeochemistry, 2010, 100(1/3): 197- 209.

[6] 劉世榮, 王暉, 欒軍偉. 中國(guó)森林土壤碳儲(chǔ)量與土壤碳過(guò)程研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(19): 5437- 5448.

[7] Strohmeier S, Knorr K H, Reichert M, Frei S, Fleckenstein J, Peiffer S, Matzner E. Concentrations and fluxes of dissolved organic carbon in runoff from a forested catchment: insights from high frequency measurements. Biogeosciences, 2013, 10(2): 905- 916.

[8] Sebestyen S D, Boyer E W, Shanley J B. Responses of stream nitrate and DOC loadings to hydrological forcing and climate change in an upland forest of the northeastern United States. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2009, 114(G2): G02002.

[9] Mattsson T, Kortelainen P, R?ike A. Export of DOM from boreal catchments: impacts of land use cover and climate. Biogeochemistry, 2005, 76(2): 373- 394.

[10] Buffam I, Galloway J N, Blum L K, McGlathery K J. A stormflow/baseflow comparison of dissolved organic matter concentrations and bioavailability in an Appalachian stream. Biogeochemistry, 2001, 53(3): 269- 306.

[11] Hinton M J, Schiff S L, English M C. The significance of storms for the concentration and export of dissolved organic carbon from two Precambrian Shield catchments. Biogeochemistry, 1997, 36(1): 67- 88.

[12] Inamdar S P, Leary N, Mitchell M J, Riley J T. The impact of storm events on solute exports from a glaciated forested watershed in western New York, USA. Hydrological Processes, 2006, 20(16): 3423- 3439.

[13] Eimers M C, Buttle J, Watmough S A. Influence of seasonal changes in runoff and extreme events on dissolved organic carbon trends in wetland-and upland-draining streams. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 2008, 65(5): 796- 808.

[14] Yang Y S, Guo J F, Chen G S, Xie J S, Gao R, Li Z, Jin Z. Carbon and nitrogen pools in Chinese fir and evergreen broadleaved forests and changes associated with felling and burning in mid-subtropical China. Forest Ecology and Management, 2005, 216(1/3): 216- 226.

[15] 丁一匯, 任國(guó)玉, 石廣玉, 宮鵬, 鄭循華, 翟盤茂, 張德二, 趙宗慈, 王紹武, 王會(huì)軍, 羅勇, 陳德亮, 高學(xué)杰, 戴曉蘇. 氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告(Ⅰ): 中國(guó)氣候變化的歷史和未來(lái)趨勢(shì). 氣候變化研究進(jìn)展, 2006, 2(1): 3- 8.

[16] 呂茂奎, 謝錦升, 江淼華, 羅水金, 曾少娟, 紀(jì)淑蓉, 萬(wàn)菁娟, 楊玉盛. 米櫧常綠闊葉次生林和杉木人工林穿透雨和樹干徑流可溶性有機(jī)質(zhì)濃度和質(zhì)量的比較. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 25(8): 2201- 2208.

[17] Ukonmaanaho L, Starr M, Lindroos A J, Nieminen T M. Long-term changes in acidity and DOC in throughfall and soil water in Finnish forests. Environmental monitoring and assessment, 2014, 186(11): 7733- 7752.

[18] Huang W Z, Schoenau J. Fluxes of water-soluble nitrogen and phosphorus in the forest floor and surface mineral soil of a boreal aspen stand. Geoderma, 1998, 81(3/4): 251- 264.

[19] McDowell W H, Likens G E. Origin, composition, and flux of dissolved organic carbon in the Hubbard Brook Valley. Ecological Monographs, 1988, 58(3): 177- 195.

[20] Guggenberger G, Zech W. Composition and dynamics of dissolved carbohydrates and lignin-degradation products in two coniferous forests, N E Bavaria, Germany. Soil Biology and Biochemistry, 1994, 26(1): 19- 27.

[21] Kalbitz K, Solinger S, Park J H, Michalzik B, Matzner E. Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils: a review. Soil Science, 2000, 165(4): 277- 304.

[22] Lundquist E J, Jackson L E, Scow K. Wet-dry cycles affect dissolved organic carbon in two California agricultural soils. Soil Biology and Biochemistry, 1999, 31(7): 1031- 1038.

[23] Homann P S, Grigal D F. Molecular weight distribution of soluble organics from laboratory-manipulated surface soils. Soil Science Society of America Journal, 1992, 56(4): 1305- 1310.

[24] Kalbitz K, Knappe S. Influence of soil properties on the release of dissolved organic matter (DOM) from the topsoil. Zeitschrift fuer Pflanzenernaehrung und Bodenkunde (Germany), 1997, 160: 475- 483.

[25] 郝瑞軍, 李忠佩, 車玉萍. 水分狀況對(duì)水稻土有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)的影響. 土壤, 2006, 38(6): 750- 754.

[26] Christ M J, David M B. Temperature and moisture effects on the production of dissolved organic carbon in a Spodosol. Soil Biology and Biochemistry, 1996, 28(9): 1191- 1199.

[27] Eckhardt B W, Moore T R. Controls on dissolved organic carbon concentrations in streams, southern Québec. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1990, 47(8): 1537- 1544.

[28] Koprivnjak J F, Moore T R. Sources, sinks, and fluxes of dissolved organic carbon in subarctic fen catchments. Arctic and Alpine Research, 1992, 24(3): 204- 210.

[29] Hope D, Billett M F, Cresser M S. A review of the export of carbon in river water: fluxes and processes. Environmental pollution, 1994, 84(3): 301- 324.

[30] Grybos M, Davranche M, Gruau G, Petitjean P, Pédrot M. Increasing pH drives organic matter solubilization from wetland soils under reducing conditions. Geoderma, 2009, 154(1/2): 13- 19.

[31] Gruau G, Dia A, Olivié -Lauquet G, Davranche M, Pinay G. Controls on the distribution of rare earth elements in shallow groundwaters. Water Research, 2004, 38(16): 3576- 3586.

[32] Olivie-Lauquet G, Gruau G, Dia A, Riou C, Jaffrezic A, Henin O. Release of trace elements in wetlands: role of seasonal variability. Water Research, 2001, 35(4): 943- 952.

[33] 易志剛, 蟻偉民, 周國(guó)逸, 周麗霞, 張德強(qiáng), 丁明懋. 鼎湖山三種主要植被類型土壤碳釋放研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(8): 1673- 1678.

[34] Michalzik B, Kalbitz K, Park J H, Solinger S, Matzner E. Fluxes and concentrations of dissolved organic carbon and nitrogen-a synthesis for temperate forests. Biogeochemistry, 2001, 52(2): 173- 205.

[35] Lambert T, Pierson-Wickmann A C, Gruau G, Jaffrezic A, Petitjean P, Thibault J N, Jcu L. Hydrologically driven seasonal changes in the sources and production mechanisms of dissolved organic carbon in a small lowland catchment. Water Resources Research, 2013, 49(9): 5792- 5803.

[36] Aitkenhead J A, Hope D, Billett M F. The relationship between dissolved organic carbon in stream water and soil organic carbon pools at different spatial scales. Hydrological Processes, 1999, 13(8): 1289- 1302.

[37] Laudon H, K?hler S, Buffam I. Seasonal TOC export from seven boreal catchments in northern Sweden. Aquatic Sciences, 2004, 66(2): 223- 230.

[38] Sanderman J, Lohse K A, Baldock J A. Amundson R. Linking soils and streams: Sources and chemistry of dissolved organic matter in a small coastal watershed. Water Resources Research, 2009, 45(3): W03418.

[39] Stutter M I, Lumsdon D G, Rowland A P. Three representative UK moorland soils show differences in decadal release of dissolved organic carbon in response to environmental change. Biogeosciences, 2011, 8(12): 3661- 3675.

[40] Jeong J J, Bartsch S, Fleckenstein J H, Matzner E, Tenhunen J D, Lee S D, Park S K, Park J H. Differential storm responses of dissolved and particulate organic carbon in a mountainous headwater stream, investigated by high-frequency, in situ optical measurements. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2012, 117(G3):G30313.

[41] Kreutzweiser D P, Hazlett P W, Gunn J M. Logging impacts on the biogeochemistry of boreal forest soils and nutrient export to aquatic systems: a review. Environmental Reviews, 2008, 16: 157- 179.

[42] Creed I F, Band L E, Foster N W, Morrison I K, Nicolson J A, Semkin R S, Jeffries D S. Regulation of nitrate-N release from temperate forests: A test of the N flushing hypothesis. Water Resources Research, 1996, 32(11): 3337- 3354.

[43] Hornberger G M, Bencala K E, McKnight D M. Hydrological controls on dissolved organic carbon during snowmelt in the Snake River near Montezuma, Colorado. Biogeochemistry, 1994, 25(3): 147- 165.

[44] Kreutzweiser D P, Good K P, Capell S S, Holmes S B. Leaf-litter decomposition and macroinvertebrate communities in boreal forest streams linked to upland logging disturbance. Journal of the North American Benthological Society, 2008, 27(1): 1- 15.

[45] Lamontagne S, Carignan R, D′Arcy P, Prairie Y T, Paré D. Element export in runoff from eastern Canadian Boreal Shield drainage basins following forest harvesting and wildfires. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 2000, 57(S2): 118- 128.

Effects of forest conversion on concentrations and fluxes of dissolved organic carbon in runoff

XU Chao1,2, LIN Chengfang1,2,*, LIU Xiaofei1,2, XIONG Decheng1,2, LIN Weisheng1,2, CHEN Shidong1,2, XIE Jinsheng1,2, YANG Yusheng1,2

1SchoolofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcology(FoundedbyMinistryofScienceandTechnologyandFujianProvince),FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

In order to elucidate the relationships between runoff parameters and variation in rainfall, we compared the volume, dissolved organic carbon (DOC) concentration, and DOC flux of runoff fromCastanopsiscarlesii(C.carlesii)secondary forest (SF) and from SF plots converted to young plantation (BC) or assisted naturally regenerated young forest (NR) after individual rainfall events. Our results indicated that the volume of the BC runoff was 1.5 to 19.0 times that that of the SF runoff, depending on the specific rainfall event. The total accumulated volume of the BC runoff during the research period was 5.9 times that of the SF runoff. However, neither the per-event nor the accumulated volume of the NR runoff differed significantly from those of the SF runoff. Meanwhile, the DOC concentration of the NR, BC, and SF runoff ranged from 5.9 to 18.4 mg/L, 4.3 to 13.5 mg/L, and 3.2 to 9.9 mg/L, respectively, and the mean DOC concentration of the SF runoff (12.6 mg/L) was 1.6 times that of the NR runoff (7.6 mg/L) and 2.4 times that of the BC runoff (5.3 mg/L). Regression analysis indicated that the DOC concentration of runoff water was significantly related to pre-rain soil water content, and DOC concentration was observed to increase with soil water content when the pre-rain soil water content was lower than 20.8%, and to decrease with soil water content when the pre-rain soil water content was higher than 20.8%. In addition, the DOC flux of the BC runoff was 0.7 to 5.4 times that of the SF runoff, and the total accumulated DOC flux from the BC runoff was 2.1 times that of the SF runoff. However, differences between the DOC flux of the NR and SF runoff were insignificant (P>0.05), and for all three forests, the DOC flux was significantly (P<0.05) related to rainfall. Therefore, the conversion of SF to BC reduced the DOC concentration of the runoff, but increased overall DOC flux owing to dramatic increases in runoff volume, whereas the conversion of SF to NR had no significant effects on DOC flux owing to the runoff′s relatively low DOC concentration and volume.

forest conversion; runoff; dissolved organic carbon

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(31130013)；國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目(U1505233)

2016- 07- 29;

2016- 12- 08

10.5846/stxb201607291557

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tonylcf99@163.com

胥超， 林成芳，劉小飛，熊德成，林偉盛，陳仕東，謝錦升，楊玉盛.森林轉(zhuǎn)換對(duì)地表徑流可溶性有機(jī)碳輸出濃度和通量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):84- 92.

Xu C, Lin C F, Liu X F, Xiong D C, Lin W S, Chen S D, Xie J S, Yang Y S.Effects of forest conversion on concentrations and fluxes of dissolved organic carbon in runoff.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):84- 92.