楊樹人工林生態系統降水再分配及主要離子特征

葛曉敏, 唐羅忠, 王瑞華, 李 勇, 朱 玲, 賈志遠, 丁 暉

1 南京大學生命科學學院, 南京 210046 2 南京林業大學林學院, 南京 210037 3 環境保護部南京環境科學研究所/武夷山國家生物多樣性綜合觀測站/ 國家環境保護武夷山生態環境科學觀測研究站/國家環境保護生物安全重點實驗室, 南京 210042

大氣降水不僅是森林生態系統水分的主要來源,也是養分的主要來源[1- 3]。森林主要是通過冠層截留、凋落物層截持、土壤入滲、蒸散以及逕流等途徑來分流大氣降水[4]。不同的森林結構(物種結構和空間結構)和季節會導致森林水文的多樣性,例如大氣降水通過林冠時,常常會由于枝葉的吸附和淋溶作用,使穿透水和樹干莖流的養分含量發生變化,同時也使生態系統的水質發生變化[5]。與地表凋落物和土壤有機質分解所產生的養分相比,通過降水所輸入的養分對促進植物生長和養分循環具有更加直接的作用[6- 8]。所以,在森林生態系統物質循環中,大氣降水具有極其重要的作用,研究森林生態系統降水再分配及其養分特征不僅為評價森林的環境效應具有重要意義,也為研究森林生態系統的生物地球化學循環規律提供重要依據。

我國楊樹人工林面積已達850多萬公頃,居世界第一。楊樹人工林為我國的木材生產、生態防護、經濟建設起到了重要作用。迄今為止,針對楊樹人工林的品種選育、立地選擇、造林與營林技術等方面已開展了深入研究[9- 12],取得了大量的成果,但是關于楊樹人工林生態系統的降水規律及其養分特征卻鮮有報道。本文以13年生的楊樹人工林為對象,對林外雨、林內雨、樹干流和地表徑流等降水分配規律及其養分特征進行了調查研究,旨在為了解楊樹人工林生態系統的養分輸入與輸出狀況提供依據,也為楊樹人工林可持續經營提供參考。

1 研究地概況

南京市浦口區位于118°37′E,32°04′N,屬北亞熱帶季風氣候區,年均降雨量1102 mm,年均氣溫14.4℃,全年無霜期240 d左右。被調查林分為2002年3月營造的I- 69楊(PopulusdeltoidesBartr. cv. “Lux” I- 69/55)成片林,面積150 hm2,株行距6 m×6 m,林相整齊,林木保存率98.2%。調查時樹齡13年,平均胸徑27.9 cm,平均樹高26.1 m。林地土壤為重壤土,0—50 cm層土壤容重為1.37 g/cm3,全氮、全磷、全鉀和有機質含量分別為0.58、0.38、0.52 g/kg和16.07 g/kg,土壤pH值為7.8。林下植被豐富,但主要是天明精(Carpesiumabrotanoides)、竊衣(Torilisscabra)、白蘇(Perillafrutescens)、反枝莧(Amaranthusretroflexus)等草本植物。

2 調查方法

2.1 降水收集方法

(1)林外雨的收集

在距林分200 m左右的空曠地上,采用自制的雨水收集器收集降雨,即設置2個容積均為18.9 L的塑料桶(口徑5 cm),用兩個沙袋支撐并固定其位置；將口徑為27 cm的圓形塑料漏斗下端插入塑料桶,并用3根帶鉤的不銹鋼彈簧將漏斗與塑料桶連接在一起,在漏斗邊沿下方的3個方向分別用3根高度相同、嵌入地下的木樁支撐和平衡漏斗,使漏斗承雨口始終保持水平狀態。

(2)林內雨的收集

在固定樣地內隨機布設6個雨水收集器,收集器規格及固定方法同林外雨。

(3)樹干流的收集

對固定樣地中的林木進行每木檢尺,選取4株平均木,將內徑3 cm,長2 m的塑料軟管對稱剖開,分別纏繞在樹干上,并用玻璃膠密封塑料管與樹皮之間的縫隙,將塑料管尾部插入到帶蓋的塑料桶中,用以收集樹干流。

(4)地表徑流的收集

在固定樣地內設置2個小樣地,用硬質塑料板嵌入地表10 cm左右,分別圍成8.708 m2和9.12 m2的2個小型圍堰,在圍堰下方放置大型塑料箱,通過塑料水管將地表徑流導引至塑料箱中。

2.2 測定方法

2.3 計算方法

(1)降水量的計算

樹干流量(mm)以樣木的樹干流量和單位面積內的楊樹株數的乘積進行推算。

林外雨量(mm)和林內雨量(mm)根據收集降水的漏斗口徑面積進行推算；地表徑流量(mm)根據徑流場面積進行推算。

(2)冠層截留量的計算

冠層截留量(mm)=大氣降水量-林內雨量-樹干流量

(3)蒸發散量的計算

根據Thornthwaite法[13- 14]進行計算：

E0=16(10T/I)a

a=(0.675I3-77.1I2+17921I+492390)×10-6

I=∑ (T/5)1.514

E0：月潛在蒸發散量(mm)；T：大氣月平均溫度(℃)；a：因地而異的常數；I：一年12個月的熱量指標總和。

(4)土壤水分滲漏量(mm)=林內雨量+樹干流量-地表徑流量-蒸發散量[15- 16]

(5)數據處理方法

林外雨、林內雨、樹干流以及地表徑流中的pH值、電導率及各類離子的年平均濃度根據容積加權平均法求得。由于2014年10月試驗地降水極少,各個容器中沒有收集到足夠數量的水分進行分析,所以下文中的各類降水數據均以2013年11月—2014年9月表示。

2.4 數據處理

數據整理及繪圖使用Microsoft Excel 2007軟件,單因素方差分析采用SPSS 18.0統計軟件。

3 結果與分析

3.1 降水量再分配動態

楊樹人工林林外雨、林內雨和樹干流的水量動態如圖1所示。從2013年11月—2014年9月年大氣降水量為1154.1 mm(由于2014年10月試驗地降水極少,故在圖中沒有標示,下同),與多年的平均降水量1102 mm十分相近。其中75%以上的大氣降水發生在4月—9月間,7月份的累計降水量最大,為206.2 mm；單次降水量最大是2014年4月24日,達130 mm。林內雨和樹干流與林外雨的降水量動態相似。樹干流占林外雨的2.3%,而15.4%的大氣降水被楊樹人工林的冠層截留,年截留量為177.2 mm。

圖1 林外雨、林內雨和樹干流水量的動態Fig.1 Temporal fluctuations of precipitation amount in bulk precipitation, throughfall and stemflow

3.2 降水的pH值動態

如圖2所示,在本研究中,林外雨的pH值基本在6.3至8.4之間,最大值出現在5月,最小值出現在9月,年加權平均值為7.3；林內雨的pH值范圍為6.7至9.6,最大值在9月,最小值在3月,年加權平均值為7.9；樹干流的pH值范圍為5.6至8.2,最大值在9月,最小值在12月,年加權平均值為6.9。所以平均pH值表現為林內雨>林外雨>樹干流。

圖2 林外雨、林內雨和樹干流的pH值動態Fig.2 Temporal fluctuations of pH value in bulk precipitation, throughfall and stemflow

3.3 降水的電導率動態

如圖3所示,不同降水的電導率表現為林外雨<林內雨<樹干流。林外雨的電導率范圍是12.2—44.8 μs/cm,最大值出現在11月份,最小值出現在6月份,年加權平均值為19.2 μs/cm；林內雨的電導率范圍是18.3—59.3 μs/cm,最大值也在11月份,最小值在6月份,年加權平均值為25.2 μs/cm；樹干流的電導率范圍是32.7—105.7 μs/cm,最大值出現在1月份,最小值出現在7月份,年加權平均值為44.7 μs/cm。

圖3 林外雨、林內雨和樹干流的電導率動態Fig.3 Temporal fluctuations of electrical conductivity in bulk precipitation, throughfall and stemflow

3.4 林外雨離子濃度動態

圖4 林外雨中主要陰陽離子濃度的動態Fig.4 Temporal fluctuations of concentration of elements in bulk precipitation

3.5 林內雨離子濃度動態

圖5 林內雨中主要陰陽離子濃度的動態Fig.5 Temporal fluctuations of concentration of elements in throughfall

3.6 樹干流離子濃度動態

圖6 樹干流中主要陰陽離子濃度的動態Fig.6 Temporal fluctuations of concentration of elements in stemflow

3.7 地表徑流離子濃度動態

圖7 地表徑流中主要陰陽離子濃度的動態Fig.7 Temporal fluctuations of concentration of elements in surface runoff

3.8 降水通量主要離子的輸入和輸出

4 討論

4.1 降水分配特征

大氣降水(林外雨)是森林生態系統主要養分元素的輸入途徑之一。大氣降水進入森林后經過林冠截留、吸收和淋溶,隨穿透雨和樹干莖流進入土壤,并以地表徑流和地下滲漏等形式輸出系統,期間降水的物質含量發生了一系列復雜的變化[17]。

大氣降水進入林冠后,首先被林冠截留,可以削弱雨滴對地表的沖擊,減少降水對地表的侵蝕；同時也減少了地表徑流量,起到削減洪峰流量和涵養水源的功效,并能有效減少養分流失[4]。本研究發現,在13年生的楊樹人工林中林冠截留量為177.2 mm,截留率為15.4%,這一結果與溫遠光和劉世榮[18]報道的我國主要森林生態系統林冠平均截留量(134.0—843.4 mm)、截留率(1.4%—36.5%)相符,但Miralles等[19]通過衛星觀察數據分析的全球范圍內的各森林生態系統的林冠截留率發現,闊葉常綠、闊葉落葉和針葉林的平均林冠截留率分別為13%、19%和22%,楊樹屬于闊葉落葉樹種,與Miralles等[19]的研究結果相比,本研究地的楊樹人工林林冠截留率略低。影響林冠截留的因素很多,如降水量、降水強度、森林覆蓋率、冠層結構等,不同地域、不同樹種的森林生態系統林冠截留量會出現一定范圍的波動,但整體上林冠截留量一般隨著林外雨量的增加而增大,而林冠截留率隨林外雨量的增加而減小[20]。

樹干莖流量占降雨總量的比例一般在0—5%之間[21]。本研究的楊樹人工林年樹干莖流量為26.7 mm,占林外雨量的2.3%,這一結果高于Tian等[15]在貴州喀斯特森林生態系統中的調查結果(0.5%),也高于黃采藝[20]在楓香人工林生態系統中的結果(1.9%)和Meiresonne等[22]的調查結果(1%—2%),但明顯低于周光益等[23]的熱帶山地雨林調查結果(7%)。樹干莖流量的大小主要受林分特征的影響,與林木的樹皮吸水性能、分枝角度、樹干直徑、樹皮粗糙度、干型以及林分密度有關[21]；此外,林外降水量對樹干莖流量也有顯著影響。一般而言,樹干莖流量隨降水量的增大而增加,降水量較小時一般不會產生樹干莖流[4,20]。

林外雨經過冠層截留和樹干莖流的再分配后,還會經過林下植被、地表凋落物和土壤的截留,最終以地表徑流和土壤滲漏的方式輸出系統。Laclau等[24]認為,在地勢平坦的林地中地表徑流量較小,通過地表徑流輸出的養分可忽略不計。但Meiresonne等[22]在地勢平坦的楊樹人工林研究中發現年地表徑流量可達到56.4 mm至156.1 mm。本研究地較為平坦,年地表徑流量達到了169.6 mm。表明坡度雖然在很大程度上影響地表徑流量,但土壤的結構、質地和孔隙度與地表徑流量也密切相關[4,21]。

表1 楊樹人工林各類降水中的主要離子年輸入與輸出量

淋溶量=林內雨+樹干流-大氣降水；輸入總量=大氣降水+淋溶量；輸出總量=地表徑流+土壤滲漏；*,為地下50 cm處的土壤滲漏,主要陰陽離子年滲漏量為試驗前期收集測定的養分容積加權平均濃度與年水分滲漏量的乘積

由于條件的限制,本次試驗未能完整收集土壤水分滲漏量,基于水文學方法,本文的土壤水分滲漏量根據蒸發散量進行推算。根據已有的氣象資料,結合Thornthwaite的經驗公式,估算出本試驗地楊樹人工林的年蒸發散量為750 mm左右,占林外雨量的65%左右,表明大量的降水以蒸發散的形式輸出該系統；而土壤滲漏的水量較少,為59.4 mm,低于Tian等[15]的貴州喀斯特森林生態系統調查結果(396 mm),這可能與降雨狀況、植被特性以及土壤性質不同有關。

4.2 降水化學成分特征

楊樹人工林生態系統林外雨的年平均pH值為7.3,經過冠層截留形成的林內雨pH值提高為7.9,而樹干流pH值為6.9,明顯低于林外雨和林內雨。周光益等[25]在海南島尖峰嶺熱帶山地雨林,黃采藝[20]在楓香人工林研究中均發現這一變化規律。林內雨pH值增加的原因可能是林外雨中的H+與冠層植物組織中細胞液中的鹽基陽離子發生離子交換[26-27]；而樹干流在流動過程中會溶入樹體分泌的有機酸或無機酸等,進而降低樹干流pH值[7,20,25]。

降雨經過冠層截留可以淋溶葉面和枝條上的塵埃、鹽分、有機物等沉積物,同時可以溶解植物細胞的分泌物,故林內雨的養分量往往高于林外雨[28]。馮宗煒等[27]也認為,林內雨營養元素含量的增加主要是來自于細胞壁的蒸騰液,細胞原生質只是選擇性地從液流中吸取了所需要的營養元素,其余的營養物質聚集在細胞壁和角質層內,當降水時這些營養物質就會被氫離子交換出來,進而提高林內雨的相關離子濃度。此外,林冠截留使一部分大氣降水直接從冠層蒸發,減少了林內雨降水量,相對地增加了林內雨的離子濃度[7]。林內雨中的無機氮濃度低于大氣降水的主要原因可能是因為無機氮被林冠葉面吸收和吸附所致[28]。

與林內雨相比,樹干流的離子濃度更高,主要是因為降水經過冠層截留后一部分沿樹干流動,進一步沖洗樹干上的沉積物,且樹皮粗糙開裂,比表面積大,既增加了離子交換的面積,又延長了降雨對樹干表面沉積物的沖刷和淋溶時間,導致樹干流中離子濃度明顯高于林外雨和林內雨[7]。另外,研究結果表明,各類降水中離子濃度在降水量大的月份較小,反之,在降水量小的月份離子濃度較大,這主要是由于降雨量較少時,干沉降時間長,降雨對林冠層及樹干物質的沖刷作用明顯,而隨著降雨的增加,降水對雨中養分元素以稀釋作用為主。

4.3 養分輸入與輸出

與凋落物分解、土壤有機質礦化等相比,通過降水輸入到森林生態系統的養分由于大多是水溶性的,易被植物直接吸收,因此,大氣降水及其淋溶作用對人工林生態系統養分循環而言具有重要作用。林內雨是養分輸入的主要形式,本研究表明林內雨的養分輸入量占降水過程總養分輸入量的90%以上；當然,雖然樹干流輸入的養分總量相對較小,但樹干流的養分濃度較高,并且能直接到達林木根部,對其生長以及根際土壤的理化性質具有重要影響[7]。

由于條件限制,本次試驗未能完整收集土壤水分滲漏量,基于已有的水文學方法和相關研究,本文的土壤水分滲漏量由模型估算的潛在蒸發散量推算而來,其離子含量是根據試驗前期所測定的地下50 cm土層滲漏水離子平均濃度以及估算的年水分滲漏量計算而來,所以土壤水分年滲漏量及其離子含量可能與實際情況存在一定差異。此外,本文僅對南京地區的13年生楊樹人工林降水特征進行了初步研究,其結果還存在較大的局限性,有必要在更大的空間和時間范圍內開展研究,以全面了解我國楊樹人工林生態系統的水分特征和離子特征,為楊樹人工林可持續經營提供參考。