北亞熱帶3種典型森林群落對降水中氮、磷、硫的截留及分配特征

康希睿,張涵丹,王小明,陳光才

中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所, 杭州 311400

工業(yè)化及交通運(yùn)輸快速發(fā)展導(dǎo)致大量有害物質(zhì)隨煙氣排放進(jìn)入到大氣中,大部分污染物質(zhì)通過大氣運(yùn)動,以干沉降或濕沉降的方式返回到陸地。大氣降水?dāng)y帶的氮、磷、硫等營養(yǎng)物質(zhì),是陸地生態(tài)系統(tǒng)尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要養(yǎng)分來源之一[1]。這些營養(yǎng)物質(zhì)可以直接被植物吸收利用[2-4],促進(jìn)植物生長和養(yǎng)分循環(huán),為森林生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮提供營養(yǎng)補(bǔ)充[5-6]。另一方面,大氣中過量的游離態(tài)物質(zhì)、氣溶膠、粉塵等污染物進(jìn)入地表,成為河流[7]、湖泊[8]、農(nóng)田[9]污染的重要來源,導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、土壤酸化和生物多樣性降低等一系列生態(tài)環(huán)境問題[8,10-11]。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省杭州市富陽區(qū)廟山塢試驗(yàn)林場(119°56′E—120°02′E、30°03′N—30°06′N),屬于國家林業(yè)和草原局錢江源森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站的一部分。該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,降水充沛。年平均降水量1441.9 mm,全年降水日數(shù)為160 d左右,雨量季節(jié)分配不均。年平均氣溫16.1℃,極端最高氣溫40.2℃,極端最低氣溫-14.4℃。年平均日照時數(shù)1995 h,年平均日照百分率44%。地質(zhì)類型屬志留系、泥盆系地質(zhì),土壤類型是酸性紅壤土[19],土層中石塊較多。區(qū)內(nèi)水系直接外流注入富春江,屬錢塘江水系富春江段。林區(qū)主要的人工林有毛竹林(Phyllostachyspubescens)、杉木林(Cunninghamialanceolata)等,天然林有針闊混交林和以青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)(占比45%左右)、木荷(Schimasuperba)(占比25%左右)為主的天然常綠、落葉次生林等。

本研究選擇毛竹人工林、杉木人工林和青岡櫟為主的天然闊葉次生林(青岡闊葉林)等3種典型森林群落作為研究對象,分別建立2個水平投影面積10 m×20 m的徑流小區(qū)(共計6個樣地),各樣地基本特征見表1,土壤理化性質(zhì)見表2。

表1 研究樣地的基本特征Table 1 The basic characteristics of sample plots

表2 研究樣地表層土壤的理化性質(zhì)Table 2 The physicochemical properties of the surface soil of the sample plots

1.2 監(jiān)測設(shè)施布設(shè)與樣品收集

大氣降水：在研究區(qū)林外空曠處布設(shè)1臺QY-DGHYL雨量計(中國,上海精密)記錄降水過程,并在周邊配備1臺ISC-10型降水降塵自動采樣器(中國,青島埃侖)和3個5 L玻璃燒杯用于收集大氣降水。

穿透雨：在3種森林群落樣地內(nèi)隨機(jī)布置3個面積為0.5 m×0.4 m的集水槽,距地面40 cm,與地面保持約5°的傾角,集水槽較低的一端底部開口,用PVC塑料管連接至25 L塑料桶中,用于收集林內(nèi)穿透雨。同時,在集水槽附近布置1臺自記式雨量計用于記錄穿透雨發(fā)生過程。

樹干莖流：在3種森林群落樣地內(nèi),通過每木檢尺,選擇3株標(biāo)準(zhǔn)木,將直徑約2.0 cm 的聚乙烯塑料軟管沿中縫剖開,從樹干1.5 m高處自上向下蛇形纏繞一周半后引流至50 L塑料桶中,用于收集樹干莖流。單株和林分的樹干莖流量依據(jù)林冠投影面積進(jìn)行換算。

枯透水：在3種森林群落樣地內(nèi)隨機(jī)選擇3個樣點(diǎn),將 0.2 m×0.2 m 的地表枯落物按原狀整體移放在紗布濾網(wǎng)上,放置在直徑24.0 cm的聚乙烯桶上,每次降雨后記錄聚乙烯桶內(nèi)的水量并取樣。

地表徑流：在徑流小區(qū)下端建立1 m×1 m×1 m的集水池,地表徑流量按照徑流小區(qū)投影面積換算。

研究期為2018年6月—2019年5月,于雨后采集水樣：大氣降水樣品混勻后收集3份,各樣地的穿透雨、樹干莖流、枯透水和地表徑流分別采樣,每個收集器內(nèi)采集300 mL樣品,記錄體積后立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。研究期內(nèi)每月收集一次典型降水,共測定12次降水事件,獲得432份樣品。

1.3 水樣分析

1.4 數(shù)據(jù)處理

水樣中各化學(xué)指標(biāo)的年均濃度(C,mg/L)是每月單次降雨后測定的相應(yīng)水量(Pi,mm) 的加權(quán)計算值：

式中,Ci為單場降雨后測定的各物質(zhì)的濃度(mg/L),n為測定的降雨次數(shù)[16]。

林下降水量=穿透雨量+樹干莖流量,其各類氮(N)、磷(P)、硫(S)的濃度平均值是單次測定的穿透雨與干流水量的加權(quán)平均值[16]。由于青岡闊葉林中樹干莖流的收集桶(50 L)內(nèi)水樣多次裝滿/溢出,無法準(zhǔn)確計算收集量,因此假設(shè)每株青岡收集到的樹干莖流總量最大值為50 L,而3株青岡標(biāo)準(zhǔn)木的平均林冠投影面積為7.4 m2,則青岡闊葉林平均樹干莖流量統(tǒng)一按照Pi=3.7 mm計算。

隨著降雨過程通過森林群落各個層次(林冠層、枯落物層和地表層)的N、S和P的總物質(zhì)通量(F,kg/hm2)計算公式如下：

大氣降水在通過森林不同層次時不僅水量發(fā)生變化,也會因吸附、洗脫、交換等作用導(dǎo)致降水中的營養(yǎng)鹽(N、S、P)濃度發(fā)生變化,各層次對營養(yǎng)物質(zhì)的截留量和截留率計算公式如下：

ΔF=Fi-Fj

式中,i是j的上一層次降水,ΔF截留量是Fj層次對相鄰上層輸入通量的影響。

數(shù)據(jù)分析用Microsoft Excel 2016完成,用Origin 9制圖,運(yùn)用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DPS 7.05進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同層次降水pH值的變化

從表3和圖1可以得知,研究區(qū)全年大氣降水pH在4.50至7.28之間變化,年均pH是5.88,其中,秋冬季節(jié)(9月—次年2月)大氣降水酸性較強(qiáng),pH值平均為4.96,酸性最強(qiáng)的降水出現(xiàn)在2月,pH達(dá)到4.50；春夏季節(jié)(6—8月、3—5月)降水偏中性,平均pH為6.74,最大值在8月,為7.28。

圖1 3種森林群落不同層次降水pH的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of the rainwater pH at different levels of three forest communities

表3 3種森林群落不同層次降水次均結(jié)果Table 3 Average indicators of rainwater per rainfall at different levels of three forest communities

3種森林群落穿透雨的pH值在6.64—6.73之間,穿透雨的pH值在群落之間無明顯差異,并且不隨大氣降水pH的改變而變化,秋冬兩季酸性降水經(jīng)過林冠層后pH明顯提高,升高幅度達(dá)到1.68—1.97,而春夏兩季森林內(nèi)穿透雨pH未有顯著變化。降水沿枝葉匯集到樹干形成樹干莖流,與穿透降雨相比,3種群落的樹干莖流pH值均降低,毛竹林、杉木林、青岡闊葉林的樹干莖流pH值分別減少1.46、2.99、0.88,其中杉木林中穿透雨和樹干莖流的pH差異達(dá)顯著性水平(P< 0.05)。與穿透雨相比,林內(nèi)枯透水的pH值小幅降低,毛竹林、杉木林、青岡闊葉林分別減少0.12、0.28、0.58。

2.2 不同層次降水無機(jī)N的濃度變化

圖2 毛竹林、杉木林、青岡闊葉林不同層次降水中質(zhì)量濃度動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of rainwater concentrations at different levels of P. pubescens plantation,C. lanceolata plantation, and Broadleaf forest of C.glauca

2.3 不同層次降水的TP和濃度變化

圖3 毛竹林、杉木林、青岡闊葉林不同層次降水中TP和質(zhì)量濃度動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of rainwater TP and concentrations at different levels of P. pubescens plantation, C. lanceolata plantation, and Broadleaf forest of C. glauca

2.4 3種森林群落對N、P和S的截留特征

表4 3種森林群落各層次對氮硫磷的截留Table 4 Interception and interception rates of nitrogen, phosphorus and sulfur at different levels of three forest communities

3 討論

3.1 大氣降水特征

3.2 森林冠層的截留分配作用

3.3 森林群落內(nèi)枯落物層的淋溶作用

3.4 森林群落地表層截留凈化作用

4 結(jié)論