小隴山林區(qū)銳齒櫟林降雨再分配及礦質(zhì)元素輸入特征

鄭子龍，楊海裕，劉小林，陳瑞鋒，張江濤

(甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所，甘肅省小隴山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，甘肅省次生林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741022)

大氣降水在森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容[1].森林生態(tài)系統(tǒng)中的降水分配和養(yǎng)分輸入，是維持生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)的基本功能過(guò)程，是進(jìn)一步研究森林生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)、礦質(zhì)元素平衡和評(píng)價(jià)森林凈化水質(zhì)服務(wù)功能的基礎(chǔ)[2-3].中國(guó)近代的森林水文研究始于20世紀(jì)20年代，前金陵大學(xué)美籍學(xué)者羅德民博士和李德毅先生等在山東、山西等地研究了不同森林植被對(duì)雨季徑流和水土保持效應(yīng)的影響[4].近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)不同林種水分循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了較全面的研究[5-7].同時(shí)，我國(guó)在森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)方面也做了大量的研究工作，主要對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)進(jìn)行了相應(yīng)的研究[8-10].

銳齒櫟林(Quercusalienavar.acuteserrata)是秦嶺西段小隴山林區(qū)最具有代表性的群落類(lèi)型.隨著天保工程、封山育林等森林保護(hù)和恢復(fù)工程的展開(kāi)，小隴山林區(qū)植被面積大大提高，但森林質(zhì)量難以在短時(shí)間恢復(fù)，林區(qū)水土流失情況仍然嚴(yán)重[11].唐臻[12]曾對(duì)秦嶺西部南坡辛家山林區(qū)銳齒櫟林林冠截留與大氣降雨關(guān)系進(jìn)行過(guò)研究；袁一超等[13]研究了本林區(qū)日本落葉松(Larixkaempferi)林冠截留特征.目前未見(jiàn)對(duì)該地區(qū)銳齒櫟林在不同降雨量和降雨強(qiáng)度下，大氣降雨再分配和礦質(zhì)元素輸入特征研究的報(bào)道.因此，本文依據(jù)2013～2018年4～9月份水文觀測(cè)結(jié)果，比較分析不同雨量級(jí)下，穿透雨、樹(shù)干莖流和林冠截留的變化，探討銳齒櫟林降雨再分配特征及礦質(zhì)元素輸入情況，為科學(xué)評(píng)價(jià)森林生態(tài)功能和櫟類(lèi)次生林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

小隴山林區(qū)位于甘肅省東南部、地處秦嶺西段，地理坐標(biāo)E 104°23′～106°43′，N 33°31′～34°41′，區(qū)域總面積83萬(wàn)hm2，是嘉陵江、渭河中上游重要的水源涵養(yǎng)林和甘肅省東南部重要的生態(tài)屏障.該區(qū)是長(zhǎng)江流域與黃河流域的分水嶺，植物種類(lèi)豐富，是溫帶向亞熱帶過(guò)渡的植物基因庫(kù)，有木本植物800多種，草本植物1986種，珍貴樹(shù)種30余種[14].

研究區(qū)位于甘肅小隴山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，地處小隴山林區(qū)腹地，行政區(qū)域隸屬天水市秦州區(qū)娘娘壩鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)E 105°54′，N 34°07′，屬大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫7.2℃，最高氣溫30.3 ℃，最低氣溫-22.4 ℃；年均降水量757 mm；土壤以山地褐土和山地棕壤為主.河流屬長(zhǎng)江上游嘉陵江水系.該試驗(yàn)區(qū)有高等植物163種，其中喬木層48種，灌木層59種，草本層55種.銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)為喬木層優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，千金榆(Carpinuscordata)、四照花(Dendrobenthamiajaponicavar.chinensis)、水榆花楸(Sorbusalnifolia)、多毛櫻桃(Cerasuspolytricha)、燈臺(tái)樹(shù)(Comuscontroversa)為主要伴生樹(shù)種；灌木層以平榛(Corylushetrophylla)和白檀(Symplocospaniculata)為優(yōu)勢(shì)種；草本層以堇菜(Violaverecunda)和羊胡子草(Carexlanceolata)為主[15-16].

1.2 群落調(diào)查

采用典型抽樣的方法，選擇半陰坡坡下65 a銳齒櫟天然次生林，設(shè)置面積為20 m×20 m固定觀測(cè)樣地.樣地內(nèi)林分結(jié)構(gòu)為喬木層、灌木層、草本層和層間埴物，總蓋度約90%.喬木層以銳齒櫟為主，其平均胸徑20.4 cm，平均樹(shù)高14 m，平均冠幅4.9 m，密度345株/hm2，郁閉度0.8，坡度37°；灌木層主要以白檀(Symplocospaniculata)、平榛(Corylushetrophylla)組成，高度為1.5～3 m，蓋度75%.草本層以羊胡子草(Carexlanceolata)、堇菜(Violaverecunda)為主，高度30 cm，蓋度70%.

1.3 降雨量測(cè)定

從2013年4月份開(kāi)始，在固定樣地內(nèi)布設(shè)林冠截留觀測(cè)設(shè)施，連續(xù)觀測(cè)大氣降雨量和銳齒櫟林冠截留降雨量.為了方便計(jì)算與分析，對(duì)2013～2018年75次降雨過(guò)程依據(jù)降水強(qiáng)度劃分為13個(gè)雨量級(jí)(表1).

表1 雨量級(jí)劃分表

1.3.1 林外降雨 在距離觀測(cè)區(qū)最近的空曠地放置標(biāo)準(zhǔn)雨量桶測(cè)定大氣降雨量，利用自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行校正(距觀測(cè)研究區(qū)1 km).

1.3.2 樹(shù)干莖流 在每個(gè)樣地內(nèi)根據(jù)喬木平均胸徑，劃分14～18、18～22、22～26 cm 3個(gè)徑級(jí)，每個(gè)徑級(jí)取2株作為樣木，兩個(gè)監(jiān)測(cè)樣地共選12株.在株樣木上，用橡皮導(dǎo)管法將直徑為2.0 cm聚乙烯塑料管沿中縫剪開(kāi)一段，沿樹(shù)干基部1.5 m處呈S型向下纏繞一周半，接縫處固定并密封，塑料管的下端接1個(gè)集水桶.每次降雨后及時(shí)測(cè)量集水桶內(nèi)雨水體積(mL)，并換算成標(biāo)準(zhǔn)降雨量(mm).樹(shù)干莖流按下列公式計(jì)算[17].

式中，C為樹(shù)干莖流量(mm)；M為單位面積上的樹(shù)木株數(shù)；Ci為每個(gè)莖級(jí)樹(shù)干莖流量(mm)；Mi為每個(gè)徑級(jí)的樹(shù)木株數(shù)；Ki為各徑級(jí)的樹(shù)冠平均投影面積(m2).

1.3.3 穿透雨 在每株樣木下隨機(jī)放置1 m×0.2 m×0.2 m集水槽，由于穿透雨受到灌木及草本植物的影響，集水槽離地面40 cm，同時(shí)在林外空曠地上安置1個(gè)集水槽作為對(duì)照.兩個(gè)樣地共放置集水槽24個(gè).每次降雨后及時(shí)測(cè)量集水槽內(nèi)雨水體積(mL)，并換算成標(biāo)準(zhǔn)降雨量(mm).

1.3.4 林冠截留 林冠截留量利用水量平衡法計(jì)算，即：

I=P-(Fr+Fs)

式中：I為林冠截留量(mm)；P為林外降雨量(mm)；Fr為穿透雨量(mm)；Fs為樹(shù)干莖流量(mm).

1.4 礦質(zhì)元素測(cè)定

本研究采用2018年4月和2018年10月2次觀測(cè)數(shù)據(jù)，2次取樣216個(gè)，共分析樣品54個(gè).大氣降雨水樣用在林間空地上的雨量筒采集，穿透雨水樣用在銳齒櫟林內(nèi)放置的集水槽采集，樹(shù)干莖流水樣用銳齒櫟林樹(shù)干莖流樣木集水桶采樣.水樣用蒸餾水清洗干凈的玻璃瓶保存，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定.Na、K、Ca、Mg、Fe、Cr、Cu、Ni、Cd、Mn用石墨爐原子吸收光譜(美國(guó)PE 900H)測(cè)定；B、Ti、Mo、As、Se用等離子發(fā)射光譜法(賽默飛X2 ICP-MS)測(cè)定；水解氮、亞硝態(tài)氮用流動(dòng)分析儀(德國(guó)Seal-AA3)測(cè)定；總氮用過(guò)硫酸鉀消解紫外可見(jiàn)分光光度法(日本島津UV-1900)測(cè)定；總磷用過(guò)硫酸鉀消解紫外可見(jiàn)分光光度法(日本島津UV-1900)測(cè)定；有效磷用紫外可見(jiàn)分光光度法(日本島津UV-1900)測(cè)定；CODCr用重鉻酸鉀消解(美國(guó)哈希 DRB200)紫外可見(jiàn)分光光度比色法(日本島津UV-1900)測(cè)定.

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的匯總，應(yīng)用Excel 2003進(jìn)行基本數(shù)據(jù)的處理分析，對(duì)降雨分配數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型模擬.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同雨量級(jí)林內(nèi)降雨特征

從表2可以看出，3個(gè)生長(zhǎng)季共有75次有效降雨過(guò)程，總降雨量1 508.22 mm，平均7 d就有一次降雨，平均每次降雨20.11 mm.雨量級(jí)以10.1～15 mm降雨最多，占總降雨次數(shù)的16.9%.觀測(cè)期小雨27次(日降雨量≤10 mm)、中雨30次(日降雨量10.1～30.0 mm)、大雨13次(日降雨量30.1～50 mm)、暴雨5次(日降雨量50.1 mm以上)，小到中雨占總降雨次數(shù)的74.7%.

對(duì)于不同雨量級(jí)來(lái)說(shuō)，當(dāng)林外降雨量>1.8 mm時(shí)，穿透雨量(穿透率)和莖流量(莖流率)都隨著降雨量的增加而遞增，但莖流量較??；林冠截留量也隨著降雨量的增加而遞增，林冠截留率則隨著降雨量增加而遞減.大氣降雨量<1.8 mm時(shí)林內(nèi)凈降雨(穿透水和樹(shù)干莖流)為0，林冠全部截留大氣降雨.經(jīng)計(jì)算分析，林冠截留率與穿透率、樹(shù)干莖流率呈反方向變化，林冠截留率始終大于樹(shù)干莖流率.當(dāng)降雨量<25 mm時(shí)，林冠截留率隨著降雨量的增加而減小，林冠截留率在38.92%～11.33%之間，變幅較大；當(dāng)降雨量>25 mm時(shí)，隨著降雨量的增加，林冠截留率繼續(xù)減小，減小幅度平緩.當(dāng)降雨量<20 mm時(shí)，穿透率隨降雨量的增加而增加，且增加幅度較大；當(dāng)降雨量>20.1 mm時(shí)，隨著降雨量的增加，穿透率繼續(xù)增加，但增加幅度平緩.

表2 不同雨量級(jí)林內(nèi)降雨分配量

2.2 樹(shù)干莖流

從圖1可以看出莖流和大氣降雨關(guān)系密切，隨著大氣降雨量的增大，莖流量隨之增大，但莖流量占降雨量的比率非常小，且當(dāng)降雨量<4 mm時(shí)，樹(shù)干不產(chǎn)生莖流；當(dāng)降雨量達(dá)到50 mm時(shí)，徑流率最大.通過(guò)數(shù)學(xué)模型擬合，冪函數(shù)方程表達(dá)的回歸模型最能反映莖流量與降雨量的關(guān)系(圖1).

2.3 林冠截留

從圖2可知，林分對(duì)降雨的截留率與降雨量呈負(fù)相關(guān).當(dāng)降雨<4 mm時(shí)，截留率隨降雨量的增加下降的幅度較大，林冠對(duì)降雨截留效果最明顯；在降雨量<10 mm時(shí)，林冠截留降水明顯，其截留率都達(dá)到20%以上，之后隨著降雨量增加，截留率繼續(xù)下降；在降雨量達(dá)到18.20 mm時(shí)，林冠截留率趨于平緩，此時(shí)截留量為2.28 mm，截留率為12.53%，相比10 mm降雨時(shí)的截留率，降幅為9.32%.對(duì)銳齒櫟林冠截留率(y1)、冠截留量(y2)與降雨量(x)進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)呈冪函數(shù)關(guān)系.

圖1 銳齒櫟樹(shù)干莖流量與降雨量的擬合曲線(xiàn)

圖2 銳齒櫟林冠截留與降雨量的擬合曲線(xiàn)

2.4 穿透雨

由圖3可知，穿透率的變化為0～85.5%.當(dāng)降雨量<1.8 mm時(shí)，林冠幾乎截留全部降雨，即穿透雨為0；當(dāng)降雨量為40.8 mm時(shí)，穿透雨量為34.29 mm，穿透率達(dá)到85.5%.充分表明穿透雨量隨降雨量的增大而增加，其穿透率也在增加.對(duì)71次降水觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了曲線(xiàn)擬合，穿透雨與降雨量呈線(xiàn)性關(guān)系，穿透率與降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系.

圖3 銳齒櫟穿透雨量與降雨量的擬合曲線(xiàn)

2.5 礦質(zhì)元素輸入特征

從表3可以看出，大氣降雨通過(guò)樹(shù)冠穿透后，礦質(zhì)元素N、P、K、Ca、Mg、Na、Fe、B、Ni、Cu等出現(xiàn)了明顯的增多，而Zn、Se、Cd反而降低.經(jīng)過(guò)樹(shù)干莖流后N、P、K、Ca、Mg、Fe、Na、B、Cr、Ni、Cu、Mn、Ti等礦質(zhì)元素比大氣降雨中的含量明顯增大，其中的N、P、Fe、Cr、Cu、As、Mo、Mn、Ti元素含量大于穿透水中的元素含量.大氣降雨通過(guò)樹(shù)干莖流后Zn、Se、Cd的含量有所降低.從整體來(lái)看，小隴山林區(qū)銳齒櫟林分礦質(zhì)元素平均含量的排列順序?yàn)椋捍┩赣?樹(shù)干莖流>大氣降雨.

表3 大氣降雨、穿透雨和樹(shù)干莖流礦質(zhì)元素對(duì)比表

據(jù)計(jì)算，2018年大氣降雨輸入銳齒櫟林中的18種礦質(zhì)元素的總量為28.43 kg/(hm2·a)，其中礦質(zhì)元素K輸入量最大，占大氣降雨輸入總量的47.07%，其他占總量比例較大的元素有N(19.78%)、Ca(18.03%)、Mg(6.04%)、Zn(3.94%)、Na(3.66%)、P(1.16%).對(duì)于不同雨量級(jí)，大氣降雨平均穿透率為79.86%，穿透雨輸入林內(nèi)的礦質(zhì)元素總量為607.83 kg/(hm2·a)，其中占總量比例較大的元素有K(63.04%)、Ca(22.82%)、Mg(6.30%)、N(5.43%)、Na(1.98%).平均莖流率為7.43%，通過(guò)樹(shù)干莖流輸入林內(nèi)的礦質(zhì)元素總量為26.46 kg/(hm2·a)，其中含量較高的元素有，K(66.12%)、N(13.21%)、Ca(11.02%)、Mg(4.94%)、Na(2.78%)、P(1.65%).

3 討論與結(jié)論

1) 小隴山銳齒櫟林的樹(shù)干莖流量隨著大氣降雨量的增加而增加.當(dāng)降雨量達(dá)到4.0 mm時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生樹(shù)干莖流，莖流量所占比率非常小，平均莖流率為7.43%.袁一超等[13]在該林區(qū)研究的25 a日本落葉松樹(shù)干莖流率為0.86%，明顯低于本研究站中銳齒櫟樹(shù)干莖流率(7.43%)，這是由于銳齒櫟樹(shù)冠側(cè)枝以40°斜向上生長(zhǎng)，樹(shù)皮光滑縱向開(kāi)裂，裂溝較深，當(dāng)樹(shù)冠莖流由林冠層通過(guò)樹(shù)干匯集的時(shí)候，水流很容易通過(guò)縱裂溝流下，流速快，樹(shù)皮對(duì)水分的吸收相對(duì)較小，所以莖流率較大.

2) 銳齒櫟林分對(duì)降雨的截留量與降雨量呈負(fù)相關(guān).當(dāng)降雨<4 mm時(shí)，林冠截留率為100%；在降雨量在4～10 mm時(shí)，林冠截留降水明顯，其截留率能達(dá)到20%以上；隨著降雨量的增加，林冠截留能力逐漸降低.本研究中銳齒櫟林冠截留臨界值高于日本落葉松25 a林分林冠截留的臨界值(0.5 mm)[13]，也高于祁連山青海云杉(Piceacrassifolia)林冠截留臨界值(0.8 mm)[18]，與高人等[19]關(guān)于林冠飽和截留量(2.75～6.4 mm)的研究結(jié)果基本一致.說(shuō)明銳齒櫟林分林冠截留直接影響地表徑流的產(chǎn)生，可以減少當(dāng)?shù)氐乃亮魇?

3) 目前為了準(zhǔn)確地體現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)降雨再分配特征，許多學(xué)者用線(xiàn)性相關(guān)、冪函數(shù)相關(guān)、對(duì)數(shù)函數(shù)3種數(shù)學(xué)模型研究森林降雨分配[20-21].對(duì)于銳齒櫟林分，在不同雨量級(jí)的林內(nèi)降雨，經(jīng)曲線(xiàn)擬合，穿透率(y1)、莖流率(y2)、截留率(y3)與降雨級(jí)(x)之間存在著明顯的冪函數(shù)關(guān)系(如下)：

y1=64.923x0.113 6(R2=0.825 8，n=13，P<0.001)

y2=1.160 2x0.972(R2=0.951 8，n=13，P<0.001)

y3=41.701x-0.749 2(R2=0.985 1，n=13，P<0.001)

文中對(duì)65 a銳齒櫟喬木層降雨截留特征進(jìn)行了初步研究，而有關(guān)灌木層、凋落物層的截留降雨的能力還需進(jìn)一步觀測(cè)研究.

4) 對(duì)于天然林來(lái)說(shuō)，大氣降水可能是小隴山銳齒櫟林短期內(nèi)礦質(zhì)元素輸入的最主要途徑.2018年大氣降雨輸入銳齒櫟林中的18種礦質(zhì)元素的總量為28.43 kg/(hm2·a)，含量較高的元素有K(47.07%)、N(19.78%)、Ca(18.03%)、Mg(6.04%)、Zn(3.94%)；根據(jù)不同雨量級(jí)，大氣降雨平均穿透率為79.86%，穿透雨輸入林內(nèi)的礦質(zhì)元素總量為607.83 kg/(hm2·a)，其中占總量比例較大的元素有K(63.04%)、Ca(22.82%)、Mg(6.30%)、N(5.43%)、Na(1.98%)；平均莖流率為7.43%，通過(guò)樹(shù)干莖流輸入林內(nèi)的礦質(zhì)元素總量為26.46 kg/(hm2·a)，其中含量較高的元素有K(66.12%)、N(13.21%)、Ca(11.02%)、Mg(4.94%)、Na(2.78%).由此可以看出，大氣降雨通過(guò)林冠層和樹(shù)干后，元素K、N、Ca、Mg等出現(xiàn)了養(yǎng)分富集.

5) 從整體來(lái)看，小隴山林區(qū)銳齒櫟林分礦質(zhì)元素平均含量的排列順序?yàn)椋捍┩赣?樹(shù)干莖流>大氣降雨，這與陳永瑞[22]對(duì)千煙洲試區(qū)濕松人工林中降雨對(duì)礦質(zhì)元素淋溶的變化研究結(jié)果基本一致.由此可以看出，林冠穿透雨對(duì)小隴山林區(qū)銳齒櫟林營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入量最大，對(duì)銳齒櫟林分生態(tài)系統(tǒng)的功能效益貢獻(xiàn)最大，且有效地補(bǔ)充了林地土壤肥力.