寧夏六盤山4種典型森林伴隨降水的無(wú)機(jī)氮通量變化特征

楊麗麗,邢元軍,王彥輝,文仕知,李振華

1 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院,長(zhǎng)沙 410004 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091 3 國(guó)家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)沙 410014

1 研究區(qū)與樣地概況

研究地點(diǎn)位于寧夏南端的六盤山自然保護(hù)區(qū)的香水河小流域,地理坐標(biāo)為109°9′—109°30′E,35°15′—35°41′N。香水河小流域?qū)冱S河二級(jí)支流涇河的源區(qū),海拔范圍2060—2931 m。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫5.8℃,年降水量600—800 mm。小流域內(nèi)森林茂盛,植被良好,森林覆蓋率達(dá)72.9%,以天然次生林居多,主要樹(shù)種為：華山松(PinusarmandiiFranch.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、紅樺(Betulaalbo-sinensisBuck.)、遼東櫟(QuercuswutaishanicaBlume)、山楊(PopulusdavidianaDode)等；人工林主要為華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)和油松(PinustabulaeformisCarr.)純林；灌叢以野李子(Prunussalicina)為主；亞高山草甸群落分布在海拔2700 m以上。區(qū)內(nèi)成土母質(zhì)為頁(yè)巖、沙質(zhì)泥巖、灰?guī)r風(fēng)化的坡積物和殘積物,土壤以灰褐土為主。

本文選擇了在小流域內(nèi)具代表性的4種植被類型作為研究對(duì)象,即華山松次生林、樺木次生林、華北落葉松人工林及野李子灌叢。在洪溝子流域分別建立了3—4個(gè)面積30 m×30 m的華山松林、樺木林和華北落葉松林固定樣地,在草溝子流域建立了3個(gè)面積20 m×20 m的野李子灌叢樣地。華山松次生林中混生有少量紅樺和白樺,林下植被數(shù)量較多,主要有榛(CorylusheterophyllaFisch. ex Trautv.)、忍冬(LonicerajaponicaThunb.)、冰草(Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.)、峨嵋薔薇(RosaomeiensisRolf)、苔草(Carexspp.)等。樺木次生林樣地由白樺和少量紅樺組成,林下植被也較多,主要有箭竹(FargesiaspathaceaFranch.)、榛、三裂繡線菊(SpiraeatrilobataLinn.)、小葉丁香(SytingamicrophyllaDiels)、忍冬、菝契(SmilaxchinaL.)蕨(Pteridiumaquilinmm(Linn.) Kuhn var. latiusculum (Desv.) Underw. ex Heller)等。華北落葉松人工林樣地林下植被較少,灌木主要有黃刺玫(RosaxanthinaLindl.)、華西箭竹(Fargesianitida(Mitford) Keng f. ex Yi)等,草本主要有蕨、華北苔草(CarexhancokianaMaxim.)等。野李子灌叢樣地的林下草本主要由冰草(Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.)組成,數(shù)量較多。各樣地基本特征見(jiàn)表1,土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 研究樣地的立地和植被基本特征

*野李子灌叢樣地的“平均胸徑”和“平均樹(shù)高”欄目中數(shù)據(jù)為野李子灌叢的“地徑”和高度

2 研究方法

2.1 水樣的采集與測(cè)定

在2011年生長(zhǎng)季(5月24日至10月20日),連續(xù)監(jiān)測(cè)了4種樣地的林外降雨、穿透水、干流、枯落物滲漏水和土壤層滲漏水動(dòng)態(tài)并采集樣品。

林外降水量和降水過(guò)程用自動(dòng)氣象站(美國(guó),Weatherhawk公司)配合虹吸式自計(jì)雨量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)雨量筒測(cè)定,同時(shí)用3個(gè)內(nèi)徑20 cm的自制雨量筒收集林外降水樣品。穿透水的測(cè)定和收集是在4種樣地內(nèi)選擇代表性地點(diǎn),在距地面20 cm的高度,華山松和樺木林樣地分別隨機(jī)布設(shè)9個(gè)雨量筒,華北落葉松林樣地隨機(jī)布設(shè)12個(gè)雨量桶,野李子灌叢樣地隨機(jī)布設(shè)6個(gè)雨量桶,每次雨后測(cè)定水量并取樣。

表2 典型森林樣地0—100 cm土層的土壤理化性質(zhì)

干流的測(cè)定和收集是按林木徑級(jí)標(biāo)準(zhǔn),在華山松、樺木和華北落葉松樣地內(nèi)分別選擇6棵林木,野李子灌叢選擇5棵樣木,用聚乙烯塑料軟管從樹(shù)干2 m高處自上向下蛇形纏繞后引流至開(kāi)口密封的塑料容器。每次雨后測(cè)定容器內(nèi)水量并采樣,單株和林分的干流深依據(jù)林冠投影面積換算。

枯落物層滲漏水的收集是在每個(gè)樣地內(nèi)選擇5個(gè)樣點(diǎn),盡量不破壞原枯落物的層次結(jié)構(gòu),把0.5 m×0.5 m的原狀枯落物整體移放到帶小孔的塑料膜上,放置在塑料盆中。每次降雨后測(cè)定塑料盆中的枯落物滲漏水量并取樣。

土壤滲漏水收集僅在華山松林和華北落葉松林樣地內(nèi)進(jìn)行,隨機(jī)布設(shè)7個(gè)自制的的蒸滲儀(內(nèi)徑20 cm),蒸滲儀內(nèi)裝填了輕微擾動(dòng)的30 cm厚林地土壤,林地土壤上的枯落物及可能生長(zhǎng)的小灌木和草本一并保留。在每次降雨后,測(cè)定蒸滲儀底筒收集的土壤滲漏水量并取樣。

(1)

F=C·P/100

(2)

式中,P為通過(guò)各作用層的總水量(mm)。

ΔF=Fi-Fj

(3)

在Excel中建立數(shù)據(jù)庫(kù),運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被作用下的水流通量變化

2011生長(zhǎng)季的香水河小流域總降水量724.3 mm,但月份差異較大,集中在7—9月(表3)。

2011年生長(zhǎng)季不同植被的林冠截留量(mm)變化為86.2—145.6,截留率(%)變化為11.91—20.11；干流量(mm)變化為1.3—4.7,干流率(%)變化為0.18—0.65；穿透水量(mm)變化為577.3—633.4,穿透水率(%)變化為79.71—87.44；林下降水量(mm)變化為578.7—638.1,林下降水率(%)變化為79.89—88.09。

生長(zhǎng)季內(nèi)各樣地的枯落物層滲漏水量(mm)隨各月降水量增大而增大,其變化為368.3—525.0,其中野李子灌叢最大,樺木林最小。華山松林和華北落葉松林在2011生長(zhǎng)季的0—30 cm土壤滲漏水分別為275.9 mm和244.2 mm。

3.2 各水文分量的無(wú)機(jī)氮質(zhì)量濃度變化

3.3 林內(nèi)各作用層的無(wú)機(jī)氮通量

表3 2011年生長(zhǎng)季六盤山主要森林樣地的降水通量變化特征

*觀測(cè)從5月24日開(kāi)始,10月20日結(jié)束

表4 2011年生長(zhǎng)季典型森林植被樣地水文轉(zhuǎn)化過(guò)程中的無(wú)機(jī)氮平均濃度/(mg/L)

表5 2011年生長(zhǎng)季典型森林植被樣地降水轉(zhuǎn)化中各作用層的無(wú)機(jī)氮通量/(kg/hm2)

3.4 各作用層間無(wú)機(jī)氮通量的差別

無(wú)機(jī)氮通量在各作用層的差別是由降水接觸植被表面、枯落物和土壤時(shí)發(fā)生的無(wú)機(jī)氮的淋失、吸附和吸收等過(guò)程和水量變化所共同導(dǎo)致的。

枯落物層滲漏水與林下降水?dāng)y帶的無(wú)機(jī)氮通量之差,可指示枯落物層對(duì)輸入林地的無(wú)機(jī)氮通量的作用,其值在幾種典型森林內(nèi)均為負(fù)值,說(shuō)明四種森林樣地的枯落物層均具有對(duì)無(wú)機(jī)氮的凈吸附或凈儲(chǔ)存的“匯”作用。

表6 2011年生長(zhǎng)季典型森林植被樣地的不同作用層的無(wú)機(jī)氮通量差別/(kg/hm2)

4 討論與結(jié)論

4.1 水流通量的垂直變化特征

在2011年生長(zhǎng)季(5月24日至10月20日),林外降水量達(dá)724.3 mm,已超過(guò)多年均值(610.0 mm),屬濕潤(rùn)年。同期4種主要森林植被類型樣地的林冠截留率為11.91%—20.11%,位于大多數(shù)國(guó)內(nèi)研究的林冠截留率范圍(10%—35%)[25-26]內(nèi),也與全國(guó)主要森林平均林冠截留率范圍(14.7%—31.8%)[27]相近；本研究中各月截留率也接近徐麗宏等[28]報(bào)道的2004—2005年生長(zhǎng)季六盤山主要植被類型的林冠截留結(jié)果。各森林植被樣地的生長(zhǎng)季干流率普遍不高,變化在0.18%—0.65%,這與研究樹(shù)種的樹(shù)干粗細(xì)、直立程度、樹(shù)皮干燥程度等多種因素有關(guān)。各樣地的穿透水比例變化在79.71%—87.44%。通過(guò)林冠攔截后的林下降水比例變化在79.89%—88.09%。這些水流通量變化,是降水輸入無(wú)機(jī)氮通量變化的一個(gè)重要原因。

各樣地的枯落物層進(jìn)一步攔截林下降水,用于蒸發(fā)和植物蒸騰,在華山松次生林和華北落葉松人工林之間,存在枯落物層滲漏量差異,這與各樣地的枯落物數(shù)量和分解狀況等有關(guān)?？萋湮飳拥慕邓?dāng)r截量變化在300.0—317.1 mm,攔截率變化在41.41%—43.78%,則滲漏水量和占空曠地降水的比例分別變化在407.2—424.3 mm和50.85%—58.59%。華北落葉松人工林枯落物層厚5.58 cm,重量為22.83 t/hm2,華山松人工林枯落物厚3.47 cm,重量為24.73 t/hm2[29],枯落物厚度和重量共同影響了樣地的枯落物滲漏水量?？萋湮飳訑r截造成的降水輸入損失,也是降水輸入無(wú)機(jī)氮通量變化的一個(gè)重要原因。

在0—30 cm土層,由于土壤蒸發(fā)和植物蒸騰,降水輸入進(jìn)一步被消耗,土壤滲漏水占空曠地降水比例進(jìn)一步減小。華山松、華北落葉松林冠層(樹(shù)枝+樹(shù)葉)生物量分別為30.73、14.47 t/hm2；林下植被生物量分別為7.30、7.50 t/hm2[30],從林冠層和林下植被層生物量看來(lái),華山松林的土壤滲漏水量應(yīng)小于華北落葉松林。在本文研究的生長(zhǎng)季內(nèi),華山松林的滲漏量為275.9 mm,高于華北落葉松林的244.2 mm,這與立地條件、土壤機(jī)械組成及森林植被生長(zhǎng)情況和耗水多少等多種因素相關(guān)。需專門指出的是,由于測(cè)定方法是基于微型蒸滲儀,切斷了樹(shù)木根系,而且沒(méi)有包括整個(gè)主根系層(0—60 cm),所以測(cè)定到的滲漏水?dāng)?shù)值比真正的林地滲漏水量會(huì)偏大很多?；诓芄樵诹P山的研究[31],華山松次生林和華北落葉松森林生態(tài)系統(tǒng)的林地蒸散占生長(zhǎng)季同期降雨量的比例為21.07%和30.4%,據(jù)此可估算本文華山松和華北落葉松林的林地蒸散值為152.7 mm和220.3 mm,高于本研究中實(shí)測(cè)的華山松和華北落葉松林的蒸滲儀測(cè)定值(148.4 mm和163.0 mm),則對(duì)應(yīng)的土壤滲漏水應(yīng)該為271.6 mm和186.9 mm,可見(jiàn)存在著蒸滲儀測(cè)定方法高估土壤滲漏的不足。

4.2 各水文分量的無(wú)機(jī)氮質(zhì)量濃度與變化

表7 一些研究地點(diǎn)降水轉(zhuǎn)化中的無(wú)機(jī)氮濃度/(mg/L)

4.3 林內(nèi)各作用層的無(wú)機(jī)氮通量與變化

在本文中,由于沒(méi)有考慮大量落葉歸還給土壤的無(wú)機(jī)氮輸入,尤其是秋后的大量集中落葉,也沒(méi)有考慮干沉降氮輸入以及植物固氮作用,還有非生長(zhǎng)季的氮輸入與輸出,所以還不能說(shuō)是森林生態(tài)系統(tǒng)或森林根系層土壤的年元素平衡意義上的凈氮流失,僅是一個(gè)生長(zhǎng)季的過(guò)程特點(diǎn)或行為,有待深入研究。