亞高山粗枝云杉人工林對冬季降雪過程中4種金屬養(yǎng)分元素的截留效應

譚思懿，劉 利，劉 輝，趙海蓉， 譚 波，吳福忠 *

（1.四川農(nóng)業(yè)大學生態(tài)林業(yè)研究所/林業(yè)生態(tài)工程重點實驗室/高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，成都 611130；2.四川省都江堰市環(huán)境保護監(jiān)測站，四川 都江堰 611830）

養(yǎng)分元素通過大氣降雨進入森林生態(tài)系統(tǒng)是物質(zhì)遷移的重要途徑，而林冠會對降水起到第一次分配作用[1]，進而改變養(yǎng)分元素的遷移過程。K、Ca、Na和Mg作為植物必需的非氣態(tài)養(yǎng)分元素，不會在植物葉片呼吸作用和水分蒸發(fā)過程中損失，其輸入輸出形式相對較單一。而降雪作為高海拔和高緯度地區(qū)降水的主要形式，其攜帶養(yǎng)分元素輸入林地，對于大量補充早春植物生長所需的養(yǎng)分具有重要意義[2]。林冠對降雪的截留作用往往高于降水，一方面由于冠層截留的降雪升華作用非常明顯，會導致金屬元素濃度在降雪過程中出現(xiàn)濃縮現(xiàn)象；另一方面由于凍融作用，導致植物葉片的細胞膜的損傷，組織水的含量發(fā)生變化影響了細胞與離子間的交換能力，改變金屬元素的遷移過程[3-5]。但是，目前關于冬季降雪過程中金屬元素遷移的認識相對不足，極大限制了對高寒森林生態(tài)系統(tǒng)金屬元素源、匯過程的理解。

四川西部的亞高山針葉林是青藏高原東部高寒林區(qū)的重要組成部分，在區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、水土保持、水源涵養(yǎng)和生物多樣性保育方面有不可替代的作用和地位[6]。云杉（Picea asperata）作為亞高山針葉林人工更新的主要樹種，在該地區(qū)已經(jīng)形成了大面積的人工純林[7]。然而，相對于天然原始針葉林，人工云杉林林下有機物和土壤養(yǎng)分庫均有退化趨勢。其原因是：一方面云杉人工林林地土壤中的營養(yǎng)元素對植物的供應較低，而低營養(yǎng)的供應被認為是限制森林生產(chǎn)力的主要因素之一[8]。另一方面云杉人工林的地上部分養(yǎng)分貯量主要集中在針葉，但林內(nèi)針葉分解速度及養(yǎng)分釋放與天然林相比較遲緩[9]，使得亞高山云杉人工林養(yǎng)分循環(huán)效率較差，也充分體現(xiàn)出外源養(yǎng)分輸入（如降水）對人工林的養(yǎng)分循環(huán)和林木生長的重要性。由于該地區(qū)的森林具有特殊的降水（雪、霧、霜）時間[6]，使得冠層對降雪中K、Ca、Na和Mg 4種金屬元素截留的影響并不明確，限制了對高緯度高海拔地區(qū)人工林金屬養(yǎng)分輸入的認識。因此，以典型的亞高山粗枝云杉人工林為研究對象，通過動態(tài)監(jiān)測降雪過程中幾種金屬元素的輸入特征及林冠對元素的截留效應，以期更清晰地認識亞高山人工林金屬養(yǎng)分元素遷移過程。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣畢棚溝四川農(nóng)業(yè)大學高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，地處青藏高原-四川盆地，即中亞熱帶季風氣候向大陸性高原氣候過渡地區(qū)，四姑娘山北麓，區(qū)域總面積180 km2。受季風的影響，區(qū)域內(nèi)干濕季節(jié)差異顯著，表現(xiàn)為干季日照強、降水少、氣候寒冷干燥；濕季日照少、降水多、氣候溫暖多霧。氣溫變化劇烈，晝夜溫差大。依據(jù)該區(qū)氣象統(tǒng)計，年平均氣溫2～4℃，最高溫23.7℃（7月），最低溫-18.1℃（1月）。年平均降水量隨海拔高度變化，約為801～850 mm，降水主要集中在雨季（5—8月），冬季降雪期為11月—次年4月[10]。主要喬木樹種為粗枝云杉（Picea asperata）：林齡約60 a，蓋度0.8，林下主要物種有三顆針（Berberis diaphana）、紅毛花楸（Sorbus rufopilosa）和青茅（Deyeuxia scabrescens）等[11]。

1.2 樣地設置

根據(jù)研究目的和內(nèi)容，在典型云杉林（102°53′E～102°57′E，31°14′N～31°19′N；海拔 3 000 m）內(nèi)選擇林分的位置、海拔、坡向、坡度、坡長和微地形等條件相近的面積為400 m2（20 m×20 m）3個樣方，選取距離林外50 m無喬灌層的空曠地（20 m×20 m）作為對照（圖1）。各樣地特征見表1。

實驗時間為2015年11月初雪期至2016年4月雪被完全融化，由于研究點地處高山峽谷地區(qū)，冬季環(huán)境條件惡劣導致交通不暢，每月底進行降雪的觀測與采集。降雪收集裝置為直徑1 m、高1 m規(guī)格的圓錐形收集器，可以收集通過大氣的降雪和降雨，也可以收集穿透林冠的降雪、降雨以及融雪穿透水，樣地內(nèi)根據(jù)代表性和可操作性設置5個重復。每次采集雪（水）樣共20樣品：3個樣地中3×5=15個樣品，空地中5×1=5個樣品。

1.3 樣品采集與指標測定

圖1 采樣點位置示意圖Figure 1 Location of sampling site

表1 樣地植被特征Table 1 Characteristics of vegetation in the plot

取樣時，對大氣降雪和林內(nèi)積雪中的雪被深度進行現(xiàn)場測定并記錄。根據(jù)水樣采集標準（HJ 493—2009）及時收集不能立即進行測定的項目，樣品保存于500 mL清潔的聚乙烯瓶內(nèi)，送回實驗室進行化學分析。取樣后，清除降雪收集裝置中多余的雪，并及時清理降雪收集裝置內(nèi)的枯枝落葉，以保證實驗的精確度。

測量前，所有樣品需用濾紙進行過濾，濾液用優(yōu)級純硝酸調(diào)制pH至1～2，保存于4℃條件下，采用原子吸收分光光度法（AA-7000，日本島津有限公司）及時測定 K、Ca、Na、Mg 的含量[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

林冠截留量及截留率的計算：

式中：Pg為林冠截留量；Pc為林外降雪；Pn為林內(nèi)積雪；Ic為林冠截留率。

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 20.0軟件完成統(tǒng)計分析，采用Excel軟件繪圖。利用回歸分析，擬合出大氣降雪量以及截留量之間的相關線性方程，采用獨立樣本t檢驗分析各元素濃度及含量在大氣降雪和林內(nèi)積雪之間的差異，界定P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 粗枝云杉人工林降雪截留特征

2015年11月—2016年4月，月降雪變化如圖1所示。降雪總量為138.56 mm，月降雪中最小值為（15.74±0.27）mm、最大值為（34.95±1.62）mm（圖2）。林內(nèi)積雪量共93.91 mm，占總降雪的67.78%。月降雪截留量分別為（5.53±1.12）、（8.88±3.90）、（8.66±3.12）、（6.56±2.52）、（5.91±3.26）、（9.29±2.76）mm。平均截留量7.44 mm，截留總量為44.56 mm。粗枝云杉林的截留率在25.40%～37.94%范圍波動，并且在降雪量最大時（34.94±1.62）mm，冠層有最低截留率為（25.40±11.61）%。

2.2 金屬元素變化特征

2.2.1 K、Ca、Na和 Mg濃度變化特征

大氣降雪中K元素的濃度在0.14～3.73 mg/L范圍波動，平均濃度為（1.39±0.14）mg/L。大氣降雪中Ca元素的濃度波動范圍在2.16～9.92 mg/L，平均濃度達到5.03 mg/L；Na在0.43～3.23 mg/L，平均濃度為1.40 mg/L；Mg在0.12～0.68 mg/L，平均濃度最在4種金屬元素中最?。?.34 mg/L）。大氣降雪中各元素的濃度大小依次是：Ca＞Na＞K＞Mg。Ca、K、Mg和Na在林內(nèi)積雪中的平均濃度分別為（7.15±0.98）、（2.60±0.48）、（1.00±0.04）和（2.34±0.20）mg/L，其中Mg的濃度增幅最大，是大氣降雪的2.96倍，Ca元素變幅最小，是大氣降雪的1.42倍。在降雪末期Mg、Ca元素濃度有顯著升高（圖3）。林內(nèi)積雪中各元素的濃度大小依次是：Ca＞K＞Na＞Mg。

圖2 亞高山粗枝云杉人工林降雪截留特征Figure 2 The characteristics of snowfall interception in subalpine forest

2.2.2 林冠對大氣降雪中金屬元素的截留

大氣降雪中K、Ca、Na和Mg元素輸入量分別為（圖 4）（1.93±0.35）、（6.79±0.79）、（1.94±0.32）和（0.45±0.14）kg/hm2。林內(nèi)積雪中 K、Ca、Na和 Mg輸入量分別為（2.31±0.36）、（6.42±0.47）、（2.05±0.34）和（0.88±0.14）kg/hm2。經(jīng)林冠層作用后4種金屬元素的截留量出現(xiàn)了不同程度的變化。Ca、K和Na的淋溶高峰期出現(xiàn)在2月，淋溶量分別為（-0.67±0.00）、（-0.35±0.00）和（-0.28±0.00）kg/hm2，之后截留率又逐漸增加，冠層對Ca、K和Na截留作用增強。Ca和Na元素分別在4月、3月達到了截留高峰，截留量分別為（1.09±0.00）、（0.09±0.00）kg/hm2。12 月后冠層主要對Mg表現(xiàn)出淋溶作用并在4月出現(xiàn)了淋溶高峰，淋溶量為（-0.17±0.00）kg/hm2。K、Ca、Na和Mg的總截留量分別為：（-0.38±0.01）、（-0.11±0.02）和（-0.43±0.01）kg/hm2；截留率分別為（-19.47±0.37）%、（5.49±1.21）%、（-5.74±0.36）%、（-95.46±0.50）%。降雪對冠層中K、Mg和Na元素總體表現(xiàn)為淋溶效應，其中對Mg元素的淋溶作用最大，而冠層對Ca元素表現(xiàn)為截留作用。統(tǒng)計分析表明大氣降雪量與4種金屬元素的截留量均無相關性。

3 討論

樹種差異會顯著改變森林生態(tài)系統(tǒng)降水再分配模式，導致冠層的截留程度不同[13]。與闊葉紅松林（21.2%）、次生白樺林（8.5%）和樟子松林（21.39%）相比，粗枝云杉人工林的截留率較高，為32.22%，與原始云冷杉紅松林（39.7%）相比較低[14-15]。因林冠無法截留過量的降雪，當總降雪量超過一定值時，森林植被對林內(nèi)積雪的影響隨之下降[16]。同時，在水資源管理中林冠截留量是一個重要的攔截過程，因此對降水量和林冠截留量的關系是認識森林截留效應的重要內(nèi)容[17]。為進一步分析粗枝云杉人工林的林冠截留的特征，將降雪量和林冠截留量進行相關分析，結果表明降雪量與截留量存在著顯著的正相關關系，通過擬合發(fā)現(xiàn)了截留量與降雪量之間的最佳方程（表2）：I=0.732P0.748（R2=0.764，P＜0.05）。而Yi L.等[15]研究發(fā)現(xiàn)在樟子松林中降雪量與截留率之間有緊密的線性相關關系（R2=0.940），其主要原因是由于不同林分之間的差異導致冠層對降雪截留量的閾值不同。

圖3 大氣降雪與林內(nèi)積雪中元素濃度的變化Figure 3 Variations of elements concentrations in snowfall and snowpack

圖4 金屬元素元素的輸入量月變化Figure 4 Monthly variations of metallic element input

圖5 大氣降雪與林內(nèi)積雪中元素截留量與截留率的月變化Figure 5 Monthly variations of metallic element interception loss and interception loss rate

冠層的截留作用除了會顯著影響森林生態(tài)系統(tǒng)的水文平衡之外，降水對林冠淋溶作用有助于加速養(yǎng)分的再循環(huán)速率和促進植物生長[18]，不同季節(jié)的養(yǎng)分濃度變化與樹木生長活動有關系，樹木在冬季進入生長停滯時期，植物組織上的養(yǎng)分元素易溶脫[19]。本研究中降雪對粗枝云杉人工林冠層4種金屬元素的化學淋溶為增值效應，尤其是在降雪末期，Ca和Mg的濃度有明顯的升高現(xiàn)象，該結果與李華等的研究一致[20]。Ca和Mg主要來源于陸地塵埃[21]，在降雪初期由于溫度較低地表被雪被覆蓋，且云杉林郁閉度較大，林內(nèi)溫度較低且風速較小，積雪不易受風的影響而揮發(fā)，空氣中含有的堿性陸源性離子較少，所以離子濃度較低。而降雪養(yǎng)分以及沉降在林內(nèi)積雪中的金屬元素可保留到春季[22]。在2—4月隨著氣溫回升積雪融化，部分地表裸露，使得空氣中堿性物質(zhì)增多，使得Ca和Mg兩種離子濃度升高。

在整個冬季降雪期間，葉片的濕潤度隨著持續(xù)的降雪作用而增加，使葉片表皮的滲透性增加[23-24]，而降雨與冠層之間的交換作用會調(diào)節(jié)穿透雨中的離子含量[25]。在滲透性增加的情況下，離子更容易被淋洗出來，2月持續(xù)的降雪使冠層達到一定的濕潤程度，4種金屬元素的淋溶量急劇增加，且K、Ca和Na元素出現(xiàn)淋溶高峰。并且通過冠層對降雪的截留作用改變降雪中金屬元素的輸入輸出，從而影響了生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)過程[26]。從對4種金屬元素總的截留量來看，降雪淋溶了冠層的K、Mg和Na元素，而冠層僅對Ca元素表現(xiàn)為吸收作用。首先升華作用是冰雪消融的主要形式之一，并且對于針葉樹種來說，雪被在冠層的升華量是森林年平均降雪量的25%～50%，所以冬季的降雪升華作用顯得尤為明顯，加之冠層對大氣沉降物質(zhì)有較強的截留能力[27-28]，郁閉度較大的云杉林在承接了大量的大氣沉降物后，其中金屬沉降物并不隨著降雪的升華作用而損失。其次因樹冠具有選擇吸收作用與交換特點，所以Ca有可能通過植物的吸收作用，截留并在植物細胞中富集。同時葉片在凍融作用下會改變對水分和養(yǎng)分的有效利用程度，所以造成冠層對K、Mg、Na和Ca元素總體在截留作用上的差異[29]。

4 結論

綜上所述，亞高山粗枝云杉人工林林林冠對降雪中4種金屬元素均具有明顯的截留特征，但在不同的降雪期對不同元素的截留量表現(xiàn)出較大的差異。其中，林冠層對降雪中Ca元素的吸收作用較強，而由于降雪作用對冠層K、Mg和Na元素具有明顯的淋溶作用，其中對Mg元素的淋溶率最高（-95.46±0.50）%。降雪對冠層的K、Mg和Na元素的淋溶作用會改變了土壤中金屬元素的營養(yǎng)供應，土壤對金屬元素的利用程度以及效率的影響從而進一步影響林地的生產(chǎn)能力。這些結果表明冬季截留輸入對春季林木生長及林地養(yǎng)分循環(huán)有重要的意義，為進一步了解冬季川西亞高山粗枝云杉人工林大氣-森林-土壤系統(tǒng)金屬養(yǎng)分元素源、匯過程提供了理論依據(jù)。