祁連山排露溝流域青海云杉林對降水化學(xué)特征的影響

成彩霞 ，趙維俊 ，王榮新 ，王順利 ，車宗璽 ，馬 劍 ，李雯靖

（1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 甘肅 張掖 734000；2.甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅 張掖 734000；3.甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 張掖 734000）

祁連山排露溝流域青海云杉林對降水化學(xué)特征的影響

成彩霞1，2，趙維俊1，2，王榮新1，2，王順利1，2，車宗璽3，馬 劍1，2，李雯靖1

（1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 甘肅 張掖 734000；2.甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅 張掖 734000；3.甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 張掖 734000）

以祁連山排露溝流域青海云杉林為研究對象，2013年5—9月份測定了33場大氣降水、穿透雨和樹干莖流的TOC、N、P、K、Ca和Mg等化學(xué)元素的濃度，分析了青海云杉林對降水化學(xué)特征的影響。結(jié)果表明：（1）生長季穿透雨和樹干莖流與大氣降水化學(xué)元素濃度相比，除穿透雨N和P濃度比值變小或沒明顯的變化外，其他化學(xué)元素濃度增加的倍數(shù)明顯大于大氣降水，其中K、Ca和Mg元素表現(xiàn)尤為明顯；（2）生長季大氣降水TOC、N、P、K、Ca、Mg等元素濃度大小分別為22.25、12.06、0.76、1.00、1.91、0.43 mg/L，穿透雨和樹干莖流對應(yīng)元素濃度大小分別為32.72、11.08、0.70、4.74、3.51、1.34 mg/L和40.71、17.97、3.00、26.16、11.49、2.47 mg/L；（3）總體來看，除TOC外，其他元素濃度較大值出現(xiàn)在5月份；隨時(shí)間推移，樹干莖流元素濃度均不斷減小且波動(dòng)明顯，大氣降水和穿透雨的TOC、N、P、K、Ca和Mg等元素濃度變化規(guī)律相似且波動(dòng)不明顯。

青海云杉林；大氣降水；穿透雨；樹干莖流；祁連山

植物層與大氣近地面層中的能量和物質(zhì)交換過程一直是生態(tài)學(xué)研究的核心[1]。關(guān)于森林對大氣降水化學(xué)的影響，通過研究大氣降水、穿透雨和樹干莖流等水體的化學(xué)性質(zhì)為這個(gè)問題的解決提供了有效的途徑[2]，國內(nèi)外基于這個(gè)途徑對不同森林類型降水分配及其水化學(xué)進(jìn)行了大量的研究，Xu等[3]對日本沖繩亞熱帶森林中的降水分配和相關(guān)營養(yǎng)流量進(jìn)行了研究，Schmitt等[4]基于瑞士長期森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測樣地利用2種方法研究了穿透雨的氮總沉降量，趙雨森等[5]對安徽老山自然保護(hù)區(qū)亞熱帶常綠闊葉林的降雨過程中的化學(xué)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究，這些研究為了解森林生態(tài)系統(tǒng)特別是脆弱生態(tài)系統(tǒng)對水化學(xué)形成過程的響應(yīng)提供了依據(jù)。然而森林對降水化學(xué)的影響除了與森林類型有關(guān)外，還具有明顯的空間異質(zhì)性和時(shí)間異質(zhì)性[6]，需要加強(qiáng)森林過程中的水化學(xué)性質(zhì)研究。另外在目前森林水文過程的研究中，對降水中的總有機(jī)碳研究較少，雖然水體中的碳不是營養(yǎng)元素，但對其的研究已成為全面了解碳在森林循環(huán)中的重要組成部分，需要加強(qiáng)伴隨降水輸入轉(zhuǎn)化過程中的碳素變化特征研究[7]。

祁連山青海云杉林作為地帶性植被寒溫性針葉林，在水土保持、氣候調(diào)節(jié)、涵養(yǎng)水源、生物多樣性保持等方面具有重要的作用和地位。目前對青海云杉林的研究主要集中在生態(tài)水文過程、生物多樣性、氣候變化、土壤呼吸、土壤理化性質(zhì)等方面的研究[8-11]，但對生態(tài)水文化學(xué)過程研究較少，本研究以分布在祁連山排露溝流域海拔2 700 m青海云杉林固定樣地為研究場地，在2013年生長季的5—9月份進(jìn)行大氣降水、穿透雨和樹干莖流的定位取樣和室內(nèi)分析，定量地描述青海云杉林對大氣降水、穿透雨和樹干莖流中TOC（總有機(jī)碳）、N（全氮）、P（全磷）、K（全鉀）、Ca（全鈣）、Mg（全鎂）等化學(xué)元素的濃度的影響和季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，闡述青海云杉林水文過程中的化學(xué)元素的遷移和循環(huán)特點(diǎn)，為青海云杉林元素循環(huán)、養(yǎng)分平衡、固碳功能、生態(tài)功能評價(jià)等相關(guān)過程提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山中段西水林區(qū)的排露溝流域（100°17′E，38°24′N），流域總面積 2.85 km2，長4.25 km，縱坡比降1∶4.2，海拔2 600～3 800 m。年平均氣溫-0.6～2.0 ℃，年蒸發(fā)量1 052 mm，年日照時(shí)數(shù)1 893 h，日輻射總量110.28 kW/m2，年平均相對濕度為60%[12-13]，屬高寒半干旱山地森林草原氣候。流域自然條件復(fù)雜，水熱條件差異大，形成了多種具有明顯垂直梯度的植被類型和土壤類型，海拔從低到高，植被類型依次為山地草原植被、山地森林草原植被、亞高山灌叢草甸植被、高山冰雪植被；土壤類型依次為山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土、高山寒漠土。在各類土壤中山地灰褐土和亞高山灌叢草甸土是生長森林的土壤，山地灰褐土分布在海拔2 600～3 300 m地帶，是喬木林的主要分布帶；亞高山灌叢草甸土分布在海拔3 300～3 800 m亞高山地帶，是濕性灌木林的主要分布帶。建群種青海云杉呈斑塊狀或條狀分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)海拔2 600～3 300 m陰坡和半陰坡地帶，與陽坡草地犬齒交錯(cuò)分布；灌木優(yōu)勢種有金露梅Potentilla fruticasa、鬼箭錦雞兒Caragana jubata和吉拉柳Salix gilashanica等，草本主要有珠牙蓼Polygonum viviparum、黑穗苔Carex atrata和針茅Stipa capillata等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

本研究選取了一塊大小為20 m×20 m的青海云杉林樣地，其海拔2 762 m，坡向30°，位于坡面的中下部，平均坡度為27°；該林分密度為1 725 株/hm2，林齡72 a，郁閉度0.68，平均樹高（10.1±2.7）m，平均胸徑（14.1±5.5）cm，平均冠厚（5.6±2.6）m，平均冠幅（3.6±3.3）m。林下灌木層主要由金露梅和鮮黃小檗Bereris diaphana組成，蓋度在3%左右；草本層主要有披針苔草Koeleria crisrata、蘚生馬先蒿Pedicularis muscicola、棘豆Oxytropis kansuensis等，蓋度在35%左右；苔蘚層平均厚度9.2 cm，蓋度在30%左右[14]。土壤為森林灰褐土，平均厚度0.7 m，其淀積層相對其他剖面具有較明顯的黏粒累積現(xiàn)象，質(zhì)地主要為壤土，碳酸鹽等水溶、酸溶性物質(zhì)較多，風(fēng)化較弱[15]。

1.2.2 水樣采集

大氣降水 在樣地臨近的林外空曠地布設(shè)2個(gè)口徑為20 cm的標(biāo)準(zhǔn)雨量筒，用于收集林外降水樣品。

穿透雨 在樣地內(nèi)根據(jù)林木林冠的遮蔽程度，選擇代表性樣點(diǎn)，在樣地內(nèi)距離地面20 cm的高度布設(shè)6個(gè)承雨槽（100 cm×20 cm×20 cm），用于收集穿透雨。每次降雨結(jié)束后，過濾后收集穿透雨樣品。

樹干莖流 根據(jù)樣地內(nèi)青海云杉林的徑級分布，按每隔4 cm為一徑級，每一徑級各選1～3株樣樹測定樹干莖流，共選取10株樣樹，將聚乙烯塑料管剖開做槽纏繞在每株樣樹基部50～140 cm處，然后用釘子及玻璃膠將其固定，并將降雨產(chǎn)生的樹干液流導(dǎo)入容量為10 L的塑料桶，用于收集樹干莖流樣品。

1.2.3 水樣處理和化學(xué)分析

每場降雨后，將2個(gè)雨量筒采集的林外大氣降水以及樣地內(nèi)多點(diǎn)采集的穿透水、樹干莖流液混合，分別形成混合水樣，混合均勻后取部分水樣分別置于200 mL聚乙烯塑料瓶盡快帶回實(shí)驗(yàn)室，以4 ℃溫度冷藏于恒溫箱，用于分析不同水樣中的TOC、N、P、K、Ca、Mg的濃度，其中：TOC的測定采用燃燒氧化—非分散紅外吸收法測定，N用紫外分光光度法測定，P用鉬酸銨分光光度法測定，K、Ca、Mg均用原子吸收法測定。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析

用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析，生長季（5—9月）和每月的大氣降水、穿透雨和樹干莖流化學(xué)元素濃度為既定的時(shí)間內(nèi)多次采集水樣化學(xué)濃度的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 穿透雨、樹干莖流與大氣降水的主要化學(xué)元素組成對比

大氣降水在經(jīng)過森林林冠時(shí)，不僅對降雨進(jìn)行了再分配，同時(shí)改變了大氣降水中各化學(xué)元素的濃度[16]。大氣降水經(jīng)過青海云杉林林冠時(shí)，發(fā)生了淋溶和洗脫作用，其穿透雨和樹干莖流化學(xué)元素濃度均發(fā)生了變化，從穿透雨和樹干莖流與大氣降水的化學(xué)元素的濃度之比可以看出（見圖1），除穿透雨中的N和P濃度變小或沒明顯的變化外，其他化學(xué)元素的濃度均明顯高于大氣降水中的相應(yīng)的化學(xué)元素濃度，樹干莖流中各化學(xué)元素的濃度增加的倍數(shù)明顯大于穿透雨中化學(xué)元素的濃度，其增加的倍數(shù)有的甚至達(dá)到了26倍多（見表1），這是因?yàn)闃涓汕o流量很小[14]，同時(shí)融入了樹干分泌、積累的有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)。林內(nèi)雨中的穿透雨和樹干莖流的化學(xué)元素增加量相對較高，K、Ca和Mg表現(xiàn)尤為明顯，穿透雨和樹干莖流濃度分別是林外降雨的4.72倍、1.84倍3.09倍和26.05倍、6.03倍、5.69倍，說明穿透雨和樹干莖流對化學(xué)元素K、Ca和Mg的富集作用強(qiáng)，這與針葉林林冠穿透雨對K和N的作用的研究結(jié)論不一致[17]。除了K元素的易溶性[18]，Ca和Mg元素濃度呈現(xiàn)出青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)固有的特點(diǎn)，這可能與生長的土層較薄，土壤母質(zhì)是碳酸鹽的風(fēng)化有關(guān)[15]，林木個(gè)體上吸附了較多的Ca和Mg元素[19]。

表1 穿透雨和樹干莖流與大氣降水化學(xué)元素濃度之比Table 1 Throughfall and stemflow compared with the concentration of atmospheric precipitation chemical element

2.2 大氣降水、穿透雨和樹干莖流中主要化學(xué)元素濃度大小

圖1 大氣降水、穿透雨和樹干莖流化學(xué)元素濃度Fig.1 Concentration of chemical elements in atmospheric precipitation, throughfall and stem flow

處在不同地理位置的不同森林類型，其林外雨和林內(nèi)雨化學(xué)元素濃度存在著諸多的差異。從圖1可以看出，在青海云杉林生長季期間，大氣降水中各化學(xué)元素濃度大小表現(xiàn)為TOC＞N＞Ca＞K＞P＞Mg，TOC生長季平均濃度為22.25 mg/L。N、P、K、Ca和Mg在生長季濃度大小均值分別為12.06、0.76、1.00、1.91和0.43 mg/L。大氣降水中的P元素主要來源于大氣降塵的溶解，因研究區(qū)離工業(yè)園區(qū)和城市居民生活區(qū)較遠(yuǎn)，P元素濃度較小。K元素雖然是一種容易溶解的營養(yǎng)元素，因此在通過林冠和樹干時(shí)候，其富集作用非常明顯。Ca元素同P元素一樣，其溶解度也較小，在林內(nèi)富集沒有P元素明顯。Mg元素也是一種較難溶解和淋洗的一種化學(xué)元素，其濃度是這幾種元素濃度最小的一種。穿透雨和樹干莖流元素TOC、N、P、K、Ca和Mg濃度大小分別為32.72、11.08、0.70、4.74、3.51、1.34 mg/L 和 40.71、17.97、3.00、26.16、11.49、2.47 mg/L，大小順序分別為TOC＞N＞K＞Ca＞Mg＞P和TOC＞K＞N＞Ca＞Mg＞P，樹干莖流的富集能力明顯強(qiáng)于穿透雨。

2.3 大氣降水、穿透雨和樹干莖流中主要化學(xué)元素濃度季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

圖2 大氣降水、穿透雨和樹干莖流化學(xué)元素濃度季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Seasonal dynamic changes of chemical elements concentration in atmospheric precipitation, throughfall and stem flow

大氣降水、穿透雨和樹干莖流中化學(xué)元素濃度除了在空間上存在差異性，在時(shí)間也存在差異性。對祁連山青海云杉林生長季期間的林外雨和林內(nèi)雨化學(xué)元素濃度月動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了分析（見圖2）。從圖2可以看出，TOC、N、P、K、Ca和Mg等元素濃度的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律各不相同，總體來看，除TOC之外，其他幾種元素的濃度在不同月份表現(xiàn)出：樹干莖流的濃度均明顯大于大氣降水和穿透雨的濃度，樹干莖流在不同月份富集養(yǎng)分的能力明顯穿透雨，濃度較高的月份為5月份，濃度較低的月份為6—9月，而且隨時(shí)間的推后，其濃度值不斷減小。這是因?yàn)樵谄钸B山林區(qū)，地處嚴(yán)高山地帶，林地大氣降水在5月中下旬以雨水的形式降落，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生樹干莖流，而且產(chǎn)流量小，化學(xué)元素濃度高，到了6—9月，降雨量增多，降雨頻率高，歷時(shí)時(shí)間長，雨水稀釋了溶解的養(yǎng)分濃度，濃度降低，這在其他地區(qū)的相關(guān)研究中也得到了驗(yàn)證[20]。樹干莖流中TOC濃度在生長季的變化規(guī)律同大氣降水和穿透雨中的TOC濃度變化規(guī)律相反，濃度最小值出現(xiàn)在6月份，最大值出現(xiàn)在8月份，一般來講，隨著時(shí)間的推移，有機(jī)碳濃度表現(xiàn)為下降的趨勢[21]，究其原因，有待深入定量研究。大氣降水和穿透雨的TOC、N、P、K、Ca和Mg等元素濃度隨時(shí)間推移，其變化規(guī)律相似，濃度大小呈現(xiàn)出穿透雨的化學(xué)元素濃度大于大氣降雨化學(xué)元素濃度的規(guī)律。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

因祁連山地處高寒地區(qū)，海拔高、溫度低，青海云杉林產(chǎn)生樹干莖流的時(shí)間段是5月中旬至9月份，因此對青海云杉林大氣降水、穿透雨和樹干莖流的化學(xué)測定取樣時(shí)間是青海云杉林的生長季5—9月份。在較長的時(shí)間內(nèi)，積累在樹干和枝葉上大量大氣塵埃和新陳代謝產(chǎn)物，經(jīng)過大氣降水的淋溶和沖洗進(jìn)入到根系附近的土壤中，主要化學(xué)元素濃度在青海云杉生長季初期濃度較高，這對青海云杉林養(yǎng)分吸收非常重要。隨著降雨頻率、降雨量的增加，這些化學(xué)元素濃度不斷減小，特別是樹干莖流的化學(xué)元素，大氣降水和穿透雨化學(xué)元素含量較為穩(wěn)定。本研究結(jié)果顯示青海云杉林樹干莖流的富集能力明顯強(qiáng)于穿透雨，這與青海云杉林個(gè)體生長特性、生長的基質(zhì)、局域氣候環(huán)境有很大的關(guān)系，另外青海云杉林冠層對林外大氣降水輸入的TOC具有凈增加的作用，以穿透雨和樹干莖流的形式聚集在土壤中，一定程度上發(fā)揮了森林的固碳作用。

3.2 討 論

青海云杉林降水轉(zhuǎn)化的過程中，其穿透雨、樹干莖流中TOC、N、P、K、Ca和Mg等元素濃度均呈不同程度的增加，樹干莖流元素濃度大于穿透雨對應(yīng)元素濃度，而且林內(nèi)雨中的穿透雨和樹干莖流的K、Ca和Mg表現(xiàn)尤為明顯，研究結(jié)果與大多數(shù)研究研究結(jié)果較為一致[7,22-23]，主要是由于降水通過樹冠及樹干對植被體表面附著的灰塵粒子的洗脫與淋溶的影響有關(guān)。TOC生長季平均濃度高于六盤山地區(qū)等國內(nèi)一些林區(qū)和國外溫帶地區(qū)森林研究結(jié)果[7]，這可能與祁連山地區(qū)少的降雨量有關(guān)。N元素濃度明顯高于其他幾種元素的濃度，說明該地區(qū)氮素沉降明顯，一般來講，氮素沉降量大，容易造成土壤酸化[24]，但研究區(qū)土壤呈弱堿性[25]，一定程度上說明，研究區(qū)土壤氮素濃度未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。P、K、Ca和Mg這些元素濃度大小順序與Parker對全球范圍內(nèi)大氣降水化學(xué)元素濃度大小順序S＞Na＞Cl＞N＞Ca＞K＞P研究結(jié)論一致[26]。本研究大氣降水、穿透雨和樹干莖流化學(xué)元素濃度季節(jié)動(dòng)態(tài)變化與其他地區(qū)存在差異[23,27]，可能與林型及其生長生理特性有一定的關(guān)系。

本研究對青海云杉林不同水文過程的取樣只是在一個(gè)生長季，深入認(rèn)識青海云杉林對大氣降水化學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制需要長期的定位觀測，并需要將枯落物滲漏水、土壤滲漏水及地下水作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行取樣和分析，實(shí)現(xiàn)不同水文過程的化學(xué)元素濃度變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，深入闡明青海云杉林水文過程中的化學(xué)元素的遷移規(guī)律和循環(huán)特點(diǎn)，為其生態(tài)功能評價(jià)和管理提供科學(xué)依據(jù)，豐富西北干旱、半干旱地區(qū)森林對水體化學(xué)性質(zhì)的作用機(jī)制。

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In fluence on precipitation chemical characteristic of Picea crassifolia forest in Pailugou watershed of Qilian mountains

CHENG Caixia1,2, ZHAO Weijun1,2, WANG Rongxin1,2, WANG Shunli1,2, CHE Zongxi3, Ma Jian1,2, LI Wenjing1
(1. Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu,China; 2. Key Laboratory of Hydrology and Water Resources of Forest Ecology and Frozen Soil of Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China; 3. Gansu Qilian Mountains National Nature Reserve Authority, Zhangye 734000, Gansu, China)

ThePicea crassifoliaforest in Pailugou watershed of Qilian mountains was selected as the research object, the concentration of TOC, N, P, K, Ca and Mg chemical elements of atmospheric precipitation, throughfall and stem flow were measured, the sample from 33 rain events from May to September,2013. Analyzed the in fluence on precipitation chemical characteristic ofPicea crassifoliaforest.The results showed that: (1)At growing season, throughfall and stem flow compared with the concentration of atmospheric precipitation chemical element, in addition to N and P concentration ratio of throughfall smaller or no obvious changes, the increase were bigger than that of atmospheric precipitation in the concentration of other chemical elements concentrations, especially the K, Ca and Mg element;(2) At growing season, the TOC, N, P, K, Ca and Mg element concentration of atmospheric precipitation size were 22.25, 12.06,0.76, 1.00, 1.91, 0.43 mg/L of throughfall and the stem flow concentration of corresponding element size were 32.72, 11.08, 0.70, 4.74,3.51,1.34 mg/L and 40.71, 17.97, 3.00, 26.16, 11.49, 2.47 mg/L;(3) On the whole, in addition to the TOC, other elements concentration larger values appear in May, as time goes on, stem flow element concentrations were decreased and fluctuated signi fi cantly; the TOC N,P, K, Ca and Mg element concentrations of atmospheric precipitation and throughfall changing law is similar and the fluctuation is not obvious.

Picea crassifoliaforest; atmospheric precipitation; throughfall; stem flow; Qilian mountains

S715

A

1673-923X(2017)11-0127-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.11.021

2017-05-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91425301、31260141）；國家林業(yè)局陸地生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)（CTERN）

成彩霞，助理研究員；E-mail：shych0868@126.com

王榮新，高級工程師

成彩霞，趙維俊，王榮新，等.祁連山排露溝流域青海云杉林對降水化學(xué)特征的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017,37(11): 127-131, 145.

[本文編校：吳 毅]