楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)降水再分配及主要離子特征

葛曉敏, 唐羅忠, 王瑞華, 李 勇, 朱 玲, 賈志遠(yuǎn), 丁 暉

1 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 南京 210046 2 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 南京 210037 3 環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所/武夷山國(guó)家生物多樣性綜合觀測(cè)站/ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)武夷山生態(tài)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)研究站/國(guó)家環(huán)境保護(hù)生物安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210042

大氣降水不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)水分的主要來源,也是養(yǎng)分的主要來源[1- 3]。森林主要是通過冠層截留、凋落物層截持、土壤入滲、蒸散以及逕流等途徑來分流大氣降水[4]。不同的森林結(jié)構(gòu)(物種結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu))和季節(jié)會(huì)導(dǎo)致森林水文的多樣性,例如大氣降水通過林冠時(shí),常常會(huì)由于枝葉的吸附和淋溶作用,使穿透水和樹干莖流的養(yǎng)分含量發(fā)生變化,同時(shí)也使生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)發(fā)生變化[5]。與地表凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解所產(chǎn)生的養(yǎng)分相比,通過降水所輸入的養(yǎng)分對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)和養(yǎng)分循環(huán)具有更加直接的作用[6- 8]。所以,在森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中,大氣降水具有極其重要的作用,研究森林生態(tài)系統(tǒng)降水再分配及其養(yǎng)分特征不僅為評(píng)價(jià)森林的環(huán)境效應(yīng)具有重要意義,也為研究森林生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)規(guī)律提供重要依據(jù)。

我國(guó)楊樹人工林面積已達(dá)850多萬公頃,居世界第一。楊樹人工林為我國(guó)的木材生產(chǎn)、生態(tài)防護(hù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了重要作用。迄今為止,針對(duì)楊樹人工林的品種選育、立地選擇、造林與營(yíng)林技術(shù)等方面已開展了深入研究[9- 12],取得了大量的成果,但是關(guān)于楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的降水規(guī)律及其養(yǎng)分特征卻鮮有報(bào)道。本文以13年生的楊樹人工林為對(duì)象,對(duì)林外雨、林內(nèi)雨、樹干流和地表徑流等降水分配規(guī)律及其養(yǎng)分特征進(jìn)行了調(diào)查研究,旨在為了解楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分輸入與輸出狀況提供依據(jù),也為楊樹人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 研究地概況

南京市浦口區(qū)位于118°37′E,32°04′N,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均降雨量1102 mm,年均氣溫14.4℃,全年無霜期240 d左右。被調(diào)查林分為2002年3月營(yíng)造的I- 69楊(PopulusdeltoidesBartr. cv. “Lux” I- 69/55)成片林,面積150 hm2,株行距6 m×6 m,林相整齊,林木保存率98.2%。調(diào)查時(shí)樹齡13年,平均胸徑27.9 cm,平均樹高26.1 m。林地土壤為重壤土,0—50 cm層土壤容重為1.37 g/cm3,全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量分別為0.58、0.38、0.52 g/kg和16.07 g/kg,土壤pH值為7.8。林下植被豐富,但主要是天明精(Carpesiumabrotanoides)、竊衣(Torilisscabra)、白蘇(Perillafrutescens)、反枝莧(Amaranthusretroflexus)等草本植物。

2 調(diào)查方法

2.1 降水收集方法

(1)林外雨的收集

在距林分200 m左右的空曠地上,采用自制的雨水收集器收集降雨,即設(shè)置2個(gè)容積均為18.9 L的塑料桶(口徑5 cm),用兩個(gè)沙袋支撐并固定其位置；將口徑為27 cm的圓形塑料漏斗下端插入塑料桶,并用3根帶鉤的不銹鋼彈簧將漏斗與塑料桶連接在一起,在漏斗邊沿下方的3個(gè)方向分別用3根高度相同、嵌入地下的木樁支撐和平衡漏斗,使漏斗承雨口始終保持水平狀態(tài)。

(2)林內(nèi)雨的收集

在固定樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)6個(gè)雨水收集器,收集器規(guī)格及固定方法同林外雨。

(3)樹干流的收集

對(duì)固定樣地中的林木進(jìn)行每木檢尺,選取4株平均木,將內(nèi)徑3 cm,長(zhǎng)2 m的塑料軟管對(duì)稱剖開,分別纏繞在樹干上,并用玻璃膠密封塑料管與樹皮之間的縫隙,將塑料管尾部插入到帶蓋的塑料桶中,用以收集樹干流。

(4)地表徑流的收集

在固定樣地內(nèi)設(shè)置2個(gè)小樣地,用硬質(zhì)塑料板嵌入地表10 cm左右,分別圍成8.708 m2和9.12 m2的2個(gè)小型圍堰,在圍堰下方放置大型塑料箱,通過塑料水管將地表徑流導(dǎo)引至塑料箱中。

2.2 測(cè)定方法

2.3 計(jì)算方法

(1)降水量的計(jì)算

樹干流量(mm)以樣木的樹干流量和單位面積內(nèi)的楊樹株數(shù)的乘積進(jìn)行推算。

林外雨量(mm)和林內(nèi)雨量(mm)根據(jù)收集降水的漏斗口徑面積進(jìn)行推算；地表徑流量(mm)根據(jù)徑流場(chǎng)面積進(jìn)行推算。

(2)冠層截留量的計(jì)算

冠層截留量(mm)=大氣降水量-林內(nèi)雨量-樹干流量

(3)蒸發(fā)散量的計(jì)算

根據(jù)Thornthwaite法[13- 14]進(jìn)行計(jì)算：

E0=16(10T/I)a

a=(0.675I3-77.1I2+17921I+492390)×10-6

I=∑ (T/5)1.514

E0：月潛在蒸發(fā)散量(mm)；T：大氣月平均溫度(℃)；a：因地而異的常數(shù)；I：一年12個(gè)月的熱量指標(biāo)總和。

(4)土壤水分滲漏量(mm)=林內(nèi)雨量+樹干流量-地表徑流量-蒸發(fā)散量[15- 16]

(5)數(shù)據(jù)處理方法

林外雨、林內(nèi)雨、樹干流以及地表徑流中的pH值、電導(dǎo)率及各類離子的年平均濃度根據(jù)容積加權(quán)平均法求得。由于2014年10月試驗(yàn)地降水極少,各個(gè)容器中沒有收集到足夠數(shù)量的水分進(jìn)行分析,所以下文中的各類降水?dāng)?shù)據(jù)均以2013年11月—2014年9月表示。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理及繪圖使用Microsoft Excel 2007軟件,單因素方差分析采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量再分配動(dòng)態(tài)

楊樹人工林林外雨、林內(nèi)雨和樹干流的水量動(dòng)態(tài)如圖1所示。從2013年11月—2014年9月年大氣降水量為1154.1 mm(由于2014年10月試驗(yàn)地降水極少,故在圖中沒有標(biāo)示,下同),與多年的平均降水量1102 mm十分相近。其中75%以上的大氣降水發(fā)生在4月—9月間,7月份的累計(jì)降水量最大,為206.2 mm；單次降水量最大是2014年4月24日,達(dá)130 mm。林內(nèi)雨和樹干流與林外雨的降水量動(dòng)態(tài)相似。樹干流占林外雨的2.3%,而15.4%的大氣降水被楊樹人工林的冠層截留,年截留量為177.2 mm。

圖1 林外雨、林內(nèi)雨和樹干流水量的動(dòng)態(tài)Fig.1 Temporal fluctuations of precipitation amount in bulk precipitation, throughfall and stemflow

3.2 降水的pH值動(dòng)態(tài)

如圖2所示,在本研究中,林外雨的pH值基本在6.3至8.4之間,最大值出現(xiàn)在5月,最小值出現(xiàn)在9月,年加權(quán)平均值為7.3；林內(nèi)雨的pH值范圍為6.7至9.6,最大值在9月,最小值在3月,年加權(quán)平均值為7.9；樹干流的pH值范圍為5.6至8.2,最大值在9月,最小值在12月,年加權(quán)平均值為6.9。所以平均pH值表現(xiàn)為林內(nèi)雨>林外雨>樹干流。

圖2 林外雨、林內(nèi)雨和樹干流的pH值動(dòng)態(tài)Fig.2 Temporal fluctuations of pH value in bulk precipitation, throughfall and stemflow

3.3 降水的電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)

如圖3所示,不同降水的電導(dǎo)率表現(xiàn)為林外雨<林內(nèi)雨<樹干流。林外雨的電導(dǎo)率范圍是12.2—44.8 μs/cm,最大值出現(xiàn)在11月份,最小值出現(xiàn)在6月份,年加權(quán)平均值為19.2 μs/cm；林內(nèi)雨的電導(dǎo)率范圍是18.3—59.3 μs/cm,最大值也在11月份,最小值在6月份,年加權(quán)平均值為25.2 μs/cm；樹干流的電導(dǎo)率范圍是32.7—105.7 μs/cm,最大值出現(xiàn)在1月份,最小值出現(xiàn)在7月份,年加權(quán)平均值為44.7 μs/cm。

圖3 林外雨、林內(nèi)雨和樹干流的電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)Fig.3 Temporal fluctuations of electrical conductivity in bulk precipitation, throughfall and stemflow

3.4 林外雨離子濃度動(dòng)態(tài)

圖4 林外雨中主要陰陽(yáng)離子濃度的動(dòng)態(tài)Fig.4 Temporal fluctuations of concentration of elements in bulk precipitation

3.5 林內(nèi)雨離子濃度動(dòng)態(tài)

圖5 林內(nèi)雨中主要陰陽(yáng)離子濃度的動(dòng)態(tài)Fig.5 Temporal fluctuations of concentration of elements in throughfall

3.6 樹干流離子濃度動(dòng)態(tài)

圖6 樹干流中主要陰陽(yáng)離子濃度的動(dòng)態(tài)Fig.6 Temporal fluctuations of concentration of elements in stemflow

3.7 地表徑流離子濃度動(dòng)態(tài)

圖7 地表徑流中主要陰陽(yáng)離子濃度的動(dòng)態(tài)Fig.7 Temporal fluctuations of concentration of elements in surface runoff

3.8 降水通量主要離子的輸入和輸出

4 討論

4.1 降水分配特征

大氣降水(林外雨)是森林生態(tài)系統(tǒng)主要養(yǎng)分元素的輸入途徑之一。大氣降水進(jìn)入森林后經(jīng)過林冠截留、吸收和淋溶,隨穿透雨和樹干莖流進(jìn)入土壤,并以地表徑流和地下滲漏等形式輸出系統(tǒng),期間降水的物質(zhì)含量發(fā)生了一系列復(fù)雜的變化[17]。

大氣降水進(jìn)入林冠后,首先被林冠截留,可以削弱雨滴對(duì)地表的沖擊,減少降水對(duì)地表的侵蝕；同時(shí)也減少了地表徑流量,起到削減洪峰流量和涵養(yǎng)水源的功效,并能有效減少養(yǎng)分流失[4]。本研究發(fā)現(xiàn),在13年生的楊樹人工林中林冠截留量為177.2 mm,截留率為15.4%,這一結(jié)果與溫遠(yuǎn)光和劉世榮[18]報(bào)道的我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)林冠平均截留量(134.0—843.4 mm)、截留率(1.4%—36.5%)相符,但Miralles等[19]通過衛(wèi)星觀察數(shù)據(jù)分析的全球范圍內(nèi)的各森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠截留率發(fā)現(xiàn),闊葉常綠、闊葉落葉和針葉林的平均林冠截留率分別為13%、19%和22%,楊樹屬于闊葉落葉樹種,與Miralles等[19]的研究結(jié)果相比,本研究地的楊樹人工林林冠截留率略低。影響林冠截留的因素很多,如降水量、降水強(qiáng)度、森林覆蓋率、冠層結(jié)構(gòu)等,不同地域、不同樹種的森林生態(tài)系統(tǒng)林冠截留量會(huì)出現(xiàn)一定范圍的波動(dòng),但整體上林冠截留量一般隨著林外雨量的增加而增大,而林冠截留率隨林外雨量的增加而減小[20]。

樹干莖流量占降雨總量的比例一般在0—5%之間[21]。本研究的楊樹人工林年樹干莖流量為26.7 mm,占林外雨量的2.3%,這一結(jié)果高于Tian等[15]在貴州喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)中的調(diào)查結(jié)果(0.5%),也高于黃采藝[20]在楓香人工林生態(tài)系統(tǒng)中的結(jié)果(1.9%)和Meiresonne等[22]的調(diào)查結(jié)果(1%—2%),但明顯低于周光益等[23]的熱帶山地雨林調(diào)查結(jié)果(7%)。樹干莖流量的大小主要受林分特征的影響,與林木的樹皮吸水性能、分枝角度、樹干直徑、樹皮粗糙度、干型以及林分密度有關(guān)[21]；此外,林外降水量對(duì)樹干莖流量也有顯著影響。一般而言,樹干莖流量隨降水量的增大而增加,降水量較小時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生樹干莖流[4,20]。

林外雨經(jīng)過冠層截留和樹干莖流的再分配后,還會(huì)經(jīng)過林下植被、地表凋落物和土壤的截留,最終以地表徑流和土壤滲漏的方式輸出系統(tǒng)。Laclau等[24]認(rèn)為,在地勢(shì)平坦的林地中地表徑流量較小,通過地表徑流輸出的養(yǎng)分可忽略不計(jì)。但Meiresonne等[22]在地勢(shì)平坦的楊樹人工林研究中發(fā)現(xiàn)年地表徑流量可達(dá)到56.4 mm至156.1 mm。本研究地較為平坦,年地表徑流量達(dá)到了169.6 mm。表明坡度雖然在很大程度上影響地表徑流量,但土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和孔隙度與地表徑流量也密切相關(guān)[4,21]。

表1 楊樹人工林各類降水中的主要離子年輸入與輸出量

淋溶量=林內(nèi)雨+樹干流-大氣降水；輸入總量=大氣降水+淋溶量；輸出總量=地表徑流+土壤滲漏；*,為地下50 cm處的土壤滲漏,主要陰陽(yáng)離子年滲漏量為試驗(yàn)前期收集測(cè)定的養(yǎng)分容積加權(quán)平均濃度與年水分滲漏量的乘積

由于條件的限制,本次試驗(yàn)未能完整收集土壤水分滲漏量,基于水文學(xué)方法,本文的土壤水分滲漏量根據(jù)蒸發(fā)散量進(jìn)行推算。根據(jù)已有的氣象資料,結(jié)合Thornthwaite的經(jīng)驗(yàn)公式,估算出本試驗(yàn)地楊樹人工林的年蒸發(fā)散量為750 mm左右,占林外雨量的65%左右,表明大量的降水以蒸發(fā)散的形式輸出該系統(tǒng)；而土壤滲漏的水量較少,為59.4 mm,低于Tian等[15]的貴州喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查結(jié)果(396 mm),這可能與降雨?duì)顩r、植被特性以及土壤性質(zhì)不同有關(guān)。

4.2 降水化學(xué)成分特征

楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)林外雨的年平均pH值為7.3,經(jīng)過冠層截留形成的林內(nèi)雨pH值提高為7.9,而樹干流pH值為6.9,明顯低于林外雨和林內(nèi)雨。周光益等[25]在海南島尖峰嶺熱帶山地雨林,黃采藝[20]在楓香人工林研究中均發(fā)現(xiàn)這一變化規(guī)律。林內(nèi)雨pH值增加的原因可能是林外雨中的H+與冠層植物組織中細(xì)胞液中的鹽基陽(yáng)離子發(fā)生離子交換[26-27]；而樹干流在流動(dòng)過程中會(huì)溶入樹體分泌的有機(jī)酸或無機(jī)酸等,進(jìn)而降低樹干流pH值[7,20,25]。

降雨經(jīng)過冠層截留可以淋溶葉面和枝條上的塵埃、鹽分、有機(jī)物等沉積物,同時(shí)可以溶解植物細(xì)胞的分泌物,故林內(nèi)雨的養(yǎng)分量往往高于林外雨[28]。馮宗煒等[27]也認(rèn)為,林內(nèi)雨?duì)I養(yǎng)元素含量的增加主要是來自于細(xì)胞壁的蒸騰液,細(xì)胞原生質(zhì)只是選擇性地從液流中吸取了所需要的營(yíng)養(yǎng)元素,其余的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)聚集在細(xì)胞壁和角質(zhì)層內(nèi),當(dāng)降水時(shí)這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)就會(huì)被氫離子交換出來,進(jìn)而提高林內(nèi)雨的相關(guān)離子濃度。此外,林冠截留使一部分大氣降水直接從冠層蒸發(fā),減少了林內(nèi)雨降水量,相對(duì)地增加了林內(nèi)雨的離子濃度[7]。林內(nèi)雨中的無機(jī)氮濃度低于大氣降水的主要原因可能是因?yàn)闊o機(jī)氮被林冠葉面吸收和吸附所致[28]。

與林內(nèi)雨相比,樹干流的離子濃度更高,主要是因?yàn)榻邓?jīng)過冠層截留后一部分沿樹干流動(dòng),進(jìn)一步?jīng)_洗樹干上的沉積物,且樹皮粗糙開裂,比表面積大,既增加了離子交換的面積,又延長(zhǎng)了降雨對(duì)樹干表面沉積物的沖刷和淋溶時(shí)間,導(dǎo)致樹干流中離子濃度明顯高于林外雨和林內(nèi)雨[7]。另外,研究結(jié)果表明,各類降水中離子濃度在降水量大的月份較小,反之,在降水量小的月份離子濃度較大,這主要是由于降雨量較少時(shí),干沉降時(shí)間長(zhǎng),降雨對(duì)林冠層及樹干物質(zhì)的沖刷作用明顯,而隨著降雨的增加,降水對(duì)雨中養(yǎng)分元素以稀釋作用為主。

4.3 養(yǎng)分輸入與輸出

與凋落物分解、土壤有機(jī)質(zhì)礦化等相比,通過降水輸入到森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分由于大多是水溶性的,易被植物直接吸收,因此,大氣降水及其淋溶作用對(duì)人工林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)而言具有重要作用。林內(nèi)雨是養(yǎng)分輸入的主要形式,本研究表明林內(nèi)雨的養(yǎng)分輸入量占降水過程總養(yǎng)分輸入量的90%以上；當(dāng)然,雖然樹干流輸入的養(yǎng)分總量相對(duì)較小,但樹干流的養(yǎng)分濃度較高,并且能直接到達(dá)林木根部,對(duì)其生長(zhǎng)以及根際土壤的理化性質(zhì)具有重要影響[7]。

由于條件限制,本次試驗(yàn)未能完整收集土壤水分滲漏量,基于已有的水文學(xué)方法和相關(guān)研究,本文的土壤水分滲漏量由模型估算的潛在蒸發(fā)散量推算而來,其離子含量是根據(jù)試驗(yàn)前期所測(cè)定的地下50 cm土層滲漏水離子平均濃度以及估算的年水分滲漏量計(jì)算而來,所以土壤水分年滲漏量及其離子含量可能與實(shí)際情況存在一定差異。此外,本文僅對(duì)南京地區(qū)的13年生楊樹人工林降水特征進(jìn)行了初步研究,其結(jié)果還存在較大的局限性,有必要在更大的空間和時(shí)間范圍內(nèi)開展研究,以全面了解我國(guó)楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的水分特征和離子特征,為楊樹人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。