山澗口流域2種林分降雨及再分配特征

李聯(lián)地，左萬星，忻富寧，任啟文，尤海舟，畢 君

(1.河北小五臺山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站、河北省林業(yè)科學(xué)研究院，河北 石家莊 050061； 2.河北省小五臺自然保護(hù)區(qū)管理局，河北 蔚縣 075700)

森林能否增加降水量與森林植被對流域產(chǎn)水量的影響是森林水文學(xué)長期爭論的問題，這些爭議說明降雨與森林存在著密切關(guān)系，其中在降水的作用下森林的養(yǎng)分在系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間不斷進(jìn)行交換是一個不爭的事實(shí)，每年都有一定的養(yǎng)分隨降雨、降雪和灰塵進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)中，有一部分養(yǎng)分隨著流域徑流流出生態(tài)系統(tǒng)[1]；雨水在流經(jīng)林木葉、枝、干過程中對樹木表層吸附吸滯的大氣顆粒物的洗脫、組織內(nèi)物質(zhì)的淋溶[2]及植物組織對離子的吸收3個方面可以加速養(yǎng)分循環(huán)和促進(jìn)植物生長[3]，研究不同森林對于降雨化學(xué)特性的作用，對于了解森林植被與水相互作用以及參與流域水文調(diào)節(jié)過程與機(jī)制，不同森林植被對水環(huán)境的影響有積極的意義；并且對于適地造林模式的篩選、探索森林生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)循環(huán)及凈化水源的作用機(jī)制也有重要意義。本文對小五臺山地區(qū)山澗口流域落葉松及白樺2種林分在降雨及再分配過程中的水化學(xué)特征、營養(yǎng)物質(zhì)的流轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行研究，以期為今后林分的健康經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)及樣地概況

小五臺山屬太行山余脈，坐標(biāo)114°47′—115°30′E、39°50′—40°07′N，有亞高山、中山、低山、丘陵、河灘及階地等多種地貌類型；海拔890～2882 m；氣候?yàn)闁|部季風(fēng)區(qū)高寒半濕潤性多雨氣候，四季分明，水熱同季。年均氣溫3～7 ℃，活動積溫為1800～2800 ℃；年均降水量450～620 mm，降水多集中在7—9月，約占全年降水量的55%左右。

白樺林和落葉松人工林是小五臺山典型的植物群落類型，對于維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用。選擇地理位置接近的2塊林地作為研究樣地，白樺林樣地伴生植物有山楊、六道木、繡線菊、山刺玫、黑果栒子、毛榛、胭脂花等；落葉松人工林伴生植物有六道木、繡線菊、山刺玫、黑果栒子、毛蓮蒿、藁本等；總體上白樺林林下物種豐富度及數(shù)量高于落葉松林?；厩闆r見表1。

表1 樣地基本情況

1.2 水樣的采集方法

降雨水樣在空曠地使用3個塑料槽收集；穿透雨水樣采用林內(nèi)布設(shè)3個雨水收集槽的方法收集，放置時水槽上覆蓋一層紗網(wǎng)防止枯枝落葉進(jìn)入；根據(jù)樣地每木檢尺結(jié)果，選擇有代表性的落葉松和白樺各3株，使用塑料軟管分別螺旋狀纏繞于樹干的方法收集樹干徑流水樣[4]，落葉松開裂樹皮要削刮平整；取原狀枯落物平鋪于用紗布包裹的3個塑料盆上收集枯落物滲透水水樣，為增加收集量，塑料盆擺放在林窗位置；坡面徑流水樣利用坡面徑流場收集。以上收集的同類水樣混合在一起測量總量。取樣時間為2017年7月13日、7月26日、8 月12日，3次采集水樣進(jìn)行分析。

1.3 水樣的測定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 2種林分降雨再分配過程水化學(xué)特征分析

表2 降雨及再分配過程中的水化學(xué)特征

*：數(shù)據(jù)為3次測定的加權(quán)平均值。

2.2 2種林分再分配過程中離子特征比較

圖1 再分配過程中離子含量差

2.3 2種林分水量分配格局

降雨通過林木的再分配，分為林內(nèi)降雨、穿透雨、樹干徑流、枯落物滲透水、坡面徑流5部分，其中白樺林穿透雨占降雨量的80.1%，落葉松林穿透雨達(dá)到85.7%，具體分配見表3。

白樺林36°坡面徑流5.7%，截留94.3%的降雨量；落葉松林17°坡面徑流4.8%，截留95.2%的降雨量；2種林分雨水截留相差接近1%[13]。本研究沒有36°坡面落葉松林地的徑流，但是參考杜阿朋[14]的研究：在同等降雨條件下，華北落葉松產(chǎn)流量陡坡(25°≤a≤36°)16.5 mm、緩坡(10°≤a≤16°)1.5 mm，可以推測落葉松林在36°坡上產(chǎn)流量要遠(yuǎn)高于白樺林，所以在水源涵養(yǎng)功能上，白樺林高于落葉松林。

表3 再分配過程中的水量分配格局 L·m-2

*：為了測算方便，V樹用標(biāo)準(zhǔn)木調(diào)查平均值(L·株-1)乘以密度(株·hm-2)換算成統(tǒng)一單位(L·m-2)。

2.4 2種林分降雨再分配過程中土壤層營養(yǎng)物質(zhì)的流轉(zhuǎn)

降雨作為營養(yǎng)物質(zhì)流轉(zhuǎn)的一個載體，經(jīng)過再分配過程，最后以坡面徑流的方式將部分物質(zhì)輸出，這個過程中向土壤輸送營養(yǎng)物質(zhì)的過程包括林內(nèi)降雨、穿透雨、樹干徑流及枯落物滲透水，坡面徑流是土壤營養(yǎng)物質(zhì)的輸出過程[15-18]。結(jié)合表2、表3，利用公式：ρ穿=m穿×V穿，式中：ρ穿為穿透雨物質(zhì)流轉(zhuǎn)量(mg·m-2)；m穿為穿透雨物質(zhì)含量(mg·L-1)；V穿為穿透雨量(L·m-2)。計(jì)算降雨、樹干徑流、枯落物滲透水、坡面徑流流轉(zhuǎn)量ρ降、ρ樹、ρ枯、ρ坡。利用凈余量公式：ρ凈=cρ穿+(1-c)ρ降+ρ樹+(ρ枯-ρ降)-ρ坡，式中：凈余量ρ凈為各物質(zhì)輸入土壤層流轉(zhuǎn)量的和減去輸出土壤層流轉(zhuǎn)量的差值(mg·m-2)；c為林地郁閉度(%)；cρ穿為穿透雨林地分配量；(1-c)ρ降為林內(nèi)降雨分配量[7]；(ρ枯-ρ降)為枯落物滲透水流轉(zhuǎn)量減去降雨的輸入。計(jì)算凈余量結(jié)果見表4。

表4 再分配過程中的物質(zhì)流轉(zhuǎn)量 mg·m-2

3 結(jié)論與討論

有關(guān)植被對降水水化學(xué)的研究已有較多報道，結(jié)果表明植被對水化學(xué)的影響與降雨(降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時等)、樹種、林分狀況(林冠的干凈程度、郁閉度、樹皮粗糙度等)、大氣狀況等有很大關(guān)系[10]。樹干徑流與他人研究差異明顯，主要原因是：華北落葉松的樹皮開裂，很難直接從水體中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，而且本身也含有一定量的養(yǎng)分元素，當(dāng)被雨水沖刷時就淋洗出可溶性部分，所以元素含量表現(xiàn)為增加(研究收集降雨量比較大的水樣)；降水較少，降雨強(qiáng)度不大，樹皮表面干燥，吸附力大，同時樹皮中存在大量的空氣塵埃，養(yǎng)分元素與塵埃物質(zhì)形成難溶物質(zhì)或是大顆粒導(dǎo)致元素含量下降[8]。

研究不足之處是只分析總結(jié)白樺林與落葉松林生長旺季的水化學(xué)特性，未對整個生長期或年度的特性進(jìn)行分析說明，今后在可能的條件下要延長調(diào)查時段及持續(xù)調(diào)查，利用多年的數(shù)據(jù)提高研究的代表性。