Analysis on the Effects of Rainfall Characteristics on Potassium Content in Larix gmelinii Forest during Rainfall Redistribution

本研究于2015年在大兴安岭北部黑龙江漠河森林生态系统定位研究站进行，地理坐标为122°06′~122°27′ E，53°17′~53°30′ N，该地区属寒温带大陆性季风气候，具有明显的山地气候特点，冬季漫长寒冷，夏季短暂温热。年平均气温-4.9℃，极端最低气温达到-52.3℃，年平均降水量430 mm左右，多集中于7~8月份，初霜在9月初，终霜在5月中下旬，全年平均无霜期为89 d，冰封期为180~200 d。多年平均相对湿度70%，积雪深度多在50 cm以上，最大风速20 m/s。森林植被系欧亚大陆寒温带明亮针叶林，主要树种是兴安落叶松(Larix gmelinii(Rupr.) Kuzen.)，另外还有樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica Litv.)、白桦(Betula platyphylla Suk.)、山杨(Populus davidiana Dode.)等，灌木有兴安杜鹃(Rhododendron dauricum L.)、杜香(Ledum palustre L.)、越桔(Vaccinium vitis-idaea L.)等。土壤以棕色针叶林土为主，局部地带分布有草甸土和沼泽土等，并有永冻层存在。

本研究选择的兴安落叶松样地于2012年设置，是生态站的固定样地，样地面积为100 m×100 m，样地内除兴安落叶松外，还有少量的山杨和白桦。按照国家林业行业标准在样地内设置降雨收集装置，于2015年4月~2015年10月连续观测和收集林外降雨、林内穿透雨、灌木穿透雨、树干茎流和枯落物穿透雨。根据样地每木检尺数据可知，兴安落叶松平均胸径为12.31 cm，平均树高为11.39 m，林分郁闭度为0.7。

在林外开旷地放置美国ONSET公司生产的HOBORG3-M翻斗式雨量自记仪，距离地面1 m高，测定大气降雨。

在样地内随机布设5个由PVC材料制作的直径20 cm、长100 cm的降雨槽收集穿透雨，降雨槽距离地面1.3 m高，以避免林下灌木和草本对穿透雨量的影响，同时降雨槽应与地面保持约5°的倾角，降雨槽较低的一端开口，与HOBORG3-M翻斗式雨量自记仪相连，记录穿透雨量和过程，雨量自记仪下方接一自制的雨量筒以收集穿透雨。

标准地内的灌木主要是兴安杜鹃，在兴安杜鹃下方随机布设5个灌木穿透雨收集桶，直径为32 cm，高6 cm，收集桶上方铺设纱网，以避免落叶和昆虫进入，每次降雨后收集灌木层穿透雨水样。

在每木检尺的基础上，选择不同径阶的样木安装径流装置，共选择7株样木，测定树干径流。将高密度不透水泡沫板内壁用刀修成斜面，斜面最低处挖一个导水小槽，小槽的最低端与聚乙烯塑料管相接将树干径流导入HOBORG3-M型雨量自记仪，将泡沫板环绕于树干上，用勒死扣勒紧，并且用玻璃胶封严各接缝处，确保树干径流全部流入聚乙烯塑料管下的自计雨量仪中，雨量仪下方接一自制的雨量筒以收集树干径流。

在标准地内选择5个有代表性的样点，将原状枯落物原移到直径20 cm的圆筛中，圆筛下接一已经处理过的小塑料桶，并将小塑料桶埋入土壤中，以避免温度对水质的影响，每次降雨后立即逐一取样。

每次降雨后，用干净的500 mL塑料瓶收取各类水样，并放入4℃冰箱冷藏。

水样在测定前均用直径为25 mm、孔径0.45 μm的水溶性微孔滤膜过滤，采用德国耶拿公司的novAA400P火焰原子吸收光谱仪测定K⁺浓度，测定的样品需加入硝酸酸化。

运用Excel 2010和灰色关联分析法对数据进行图表绘制及分析^[11-13]。

整个生长季内共观测到36场降雨，林外降雨总量为266.0 mm，降雨量最小值为0.4 mm，最大值为24.2 mm。降雨主要以小雨(P≤10 mm)为主，多达25场，占降雨总次数的69.44%，占降雨总量的36.08%；中雨(10 mm＜P＜25 mm)共11场，占降雨总次数的30.56%，占降雨总量的63.92%。其中，4月份降雨量最小，为7.75 mm，8月份的降雨量最大，为79 mm，次降雨强度介于0.001~0.058 mm·min^-1之间，平均降雨强度为0.074 mm·min^-1。次降雨历时最短持续0.02 h，最长持续27.33 h，平均降雨历时为5.67 h。详见图 1。

Figure 1.  Characteristics of rainfall during the research time

由图 2可知，林外降雨中K⁺含量从5月至10月呈波动式变化，波动幅度在0.227~2.631 mg·L^-1之间, 其中5月和9月含量较高，月平均含量分别为2.631 mg·L^-1和2.068 mg·L^-1，其他月波动在0.227 mg·L^-1~0.681 mg·L^-1之间。穿透雨中K⁺含量从5月至8月呈波动式减少趋势，降低幅度达8.83%。9月后，K⁺含量增加至最高值3.053 mg·L^-1，这种大幅增加可能是落叶松在生长后期细胞内K⁺含量升高或植物细胞老化，从而K⁺析出量增高所致。穿透雨中K⁺含量除5月低于林外降雨外，其余月份均高于林外降雨。一方面是由于降雨对植物组织中K⁺的淋溶，另一方面是降雨洗脱附在树叶、树枝和树干表面的颗粒物质所致^[14]。灌木穿透雨中K⁺含量在5—8月呈下降趋势，由2.833 mg·L^-1降至1.977 mg·L^-1, 降低了43.30%，达极显著水平(P＜0.01)；8—10月K⁺含量呈上升趋势，增加至最大值3.233 mg·L^-1。树干径流和枯透水中的K⁺含量从5月到10月变化幅度很小，差异不显著(P＞0.05)。树干径流中K⁺含量波动在3.021~3.261 mg·L^-1之间，而枯透水中K⁺含量在波动在3.077 mg·L^-1~3.281 mg·L^-1之间。由图 2还可以看出，K⁺含量平均值大小排序为枯透水＞树干径流＞灌木穿透雨＞穿透雨＞林外降雨。通过差异显著性分析发现，林外降雨与枯透水中的K⁺含量差异达到极显著水平(P＜0.01)，而与穿透雨及树干径流之间差异显著(P＜0.05)，说明枯落物中K⁺输入量最大，而林冠层对K⁺的输入量最小。

Figure 2.  The content change of K+ on Larix gmelinii during the rainfall redistribution

为了更加准确地研究降雨量对K⁺含量的影响，我们选择了5场不同量级的降雨，见表 1，其中4月29日降雨量最小，仅有2.00 mm，降雨经过林冠后穿透雨中K⁺含量由2.061 mg·L^-1增加至2.713 mg·L^-1，仅增加了32%；5月23日降雨量为11.0 mm，穿透雨中K⁺含量由0.486 mg·L^-1增加至2.489 mg·L^-1，增加了4.12倍，增加幅度是4月29日的12.88倍；这主要是由于5月23日降雨量是4月29日的5.5倍，降雨量大可使降雨对林冠的淋洗更为彻底；6月8日和7月23日降雨量分别达到14.0 mm和17.0 mm时，其穿透雨中K⁺含量的增加幅度是5.02倍和6.81倍，这说明穿透雨中K⁺含量受降雨量影响较大，且随降雨量的增加K⁺含量呈上升趋势。同样地，这三场降雨的灌木穿透雨中K⁺含量的增加幅度分别为0.59倍、3.72倍及4.26倍，也表现出随着降雨量的增加，K⁺含量的增加幅度呈上升趋势，与穿透雨中表现一致。由表 1我们还可以看出，5月23日与8月4日这两场降雨，降雨量和降雨强度相近，5月23日穿透雨中K⁺含量增加了4.12倍，灌木穿透雨中K⁺含量增加了3.72倍，而8月4日穿透雨和灌木穿透雨中K⁺含量分别增加了6.37倍和5.34倍，增加幅度分别是5月23日的1.55倍和1.44倍。

树干径流中K⁺含量变化趋势与穿透雨相同，随着降雨量的增加，4月29日、6月8日和7月23日这三场降雨树干径流中K⁺含量分别增加了0.45倍、6.63倍和10.34倍，呈上升趋势。虽然K⁺在树干表面含量很少，但是由于树皮给大气沉降提供了良好的接受场所，并且是植物的非光合器官，它很难直接从水体中吸收营养元素，相反雨水易于淋洗树干附着物，使得树干径流中的化学元素含量呈增加趋势^[15-16]。枯透水中K⁺含量增加幅度变化较小，相差不大。除4月29日外，其它4场降雨的枯透水中K⁺含量增加幅度呈上升趋势，分别增加了17.33%、22.82%、25.72%和36.10%，而4月29日K⁺含量增加了25.88%，与6月8日几乎相同，主要是由于此时林分颗粒物质积累较长，使得降雨淋洗的干沉降物较多，同时降雨量仅为2.0 mm，反而发生了浓缩现象^[17]，使得K⁺含量较高。

为了更好说明降雨历时和降雨强度对K⁺含量的影响，我们选择10 mm左右和18 mm左右的2个降雨量级进行对比分析，见表 2。其中7月23日和8月19日降雨量分别为17.0 mm和18.2 mm，属于同一雨量级，7月23日的降雨经过林冠后穿透雨中K⁺含量较大气降雨增加了6.81倍，而8月19日增加了11.92倍，增加的幅度是7月23日的1.75倍。这是由于8月19日降雨历时达27.33 h，而7月23日仅为2.83 h，降雨历时长可使降雨对林冠的淋洗更为彻底。由表 2还可以看出，7月23日这场降雨的降雨间隔期为58.5 h，而8月19日为28.12 h，两者相差不到一天，即降雨量和降雨间隔期相差较小的情况下，降雨历时越长，穿透雨中K⁺含量越高。同样地，6月27日与8月4日这两场降雨，降雨量与降雨间隔期比较接近，而6月27日降雨历时为3.85 h，8月4日降雨历时为8.35 h，比6月27日高出4.50 h，使得8月4日穿透雨中K⁺增加幅度为6.37倍，而6月27日仅为3.03倍。这说明穿透雨中K⁺含量受降雨历时的影响较大，且与降雨历时呈正相关关系，与降雨强度呈负相关关系。

灌木穿透雨中，6月27日和8月4日的2场降雨，其降雨量与降雨间隔期相近，但降雨历时和降雨强度相差很大，6月27日K⁺含量由0.751 mg·L^-1增加至2.905 mg·L^-1，增加了2.87倍，8月4日K⁺含量增加幅度为5.34倍，较6月27日K⁺含量增加幅度高出86.06%；同样地，在7月23日和8月19日的两场降雨也表现出相同的规律，这说明降雨历时对灌木穿透雨中K⁺含量的变化幅度表现出正相关关系。树干径流与枯透水中K⁺含量变化幅度与穿透雨的相同，都是随着降雨历时的增加，K⁺含量增加幅度呈上升趋势。如8月4日树干径流中K⁺含量增加了7.73倍，而8月19日则增加了11.92倍；当8月4日降雨的枯透水中K⁺含量增加17.33%时，8月19日降雨的枯透水中K⁺含量增加了57.81%。由此可以看出，降雨历时对穿透雨、灌木穿透雨、树干径流及枯透水中K⁺含量的变化幅度影响较大。

由表 2还可以得知，K⁺含量的增加幅度随着降雨强度的增加而呈降低趋势，但当降雨强度增加至0.041 mm·min^-1，穿透雨中K⁺含量增加幅度降至最低，为3.03倍，灌木穿透雨、树干径流及枯透水中K⁺含量增加幅度也降至最低，分别为2.87倍、3.03倍和0.02倍，而后随着降雨强度由0.041 mm·min^-1增加至0.100 mm·min^-1时，降雨各层次中K⁺含量增加幅度反而呈上升趋势，分别为6.81倍、5.95倍、10.34倍和0.36倍，因此得出，K⁺含量的增加幅度随着降雨强度的增加呈现出先降低后上升的趋势，当降雨强度增加至0.041 mm·min^-1时，K⁺含量增加幅度降至最低，而后开始呈上升趋势。

由表 3可知，6月5日、6月15日和9月8日这3场降雨，降雨量接近，但降雨间隔期相差很大，分别为16.13 h、162.92 h和440.43 h。6月5日降雨经过林冠后穿透雨中K⁺含量由0.320 mg·L^-1增加至2.762 mg·L^-1，增加了7.64倍，6月15日降雨的穿透雨中K⁺含量增加了2.53倍；2场降雨K⁺含量增加均达到极显著水平(P＜0.01)。而9月8日穿透雨中K⁺含量由2.564 mg·L^-1上升至2.684 mg·L^-1，仅增加了0.05倍，没有达到显著水平(P＞0.05)。灌木穿透雨中，6月5日和6月15日这两场降雨中K⁺含量的增加幅度分别为7.69倍和2.47倍，而9月8日的增加幅度仅0.14倍，与穿透雨中K⁺的变化幅度表现出相同的规律；同样地，树干径流中K⁺含量增加幅度最大的是6月5日的降雨，增加了8.90倍，其次是6月15日的降雨，增加了2.99倍，而9月8日K⁺含量增加幅度最小，仅为0.05倍。在8月4日和9月30日的两场降雨中我们也发现了同样的规律，8月4日和9月30日这两场降雨的降雨量和降雨历时相差很小，但9月30日的降雨间隔期为233.28 h，而8月4日的降雨间隔期仅为6.12 h，两者相差高达227.16 h，使得8月4日降雨的穿透雨、灌木穿透雨及树干径流中K⁺含量分别增加了6.37倍、5.34倍、7.73倍，较9月30日的穿透雨、灌木穿透雨及树干径流中K⁺含量增加幅度高出很多。同时我们发现，K⁺含量的增加幅度并不是无限制的减小，当降雨间隔期由16.13 h增加至162.92 h时，穿透雨中K⁺含量增加幅度由7.64倍降至2.53倍，降低幅度较大；而当降雨间隔期由233.28 h增加至440.43 h时，穿透雨中K⁺含量增加幅度由16%仅降至5%，增加幅度逐渐变缓。同样地，灌木穿透雨和树干径流中K⁺含量的增加幅度变化也出现了相同的规律，由此得出穿透雨、灌木穿透雨和树干径流中K⁺含量增加幅度随着降雨间隔期的延长而逐渐减小，但并不是无限制减小，当降雨间隔期增加至233.28 h后，K⁺含量的增加幅度逐渐趋于平缓。而枯透水中K⁺含量增加幅度，6月5日枯透水中K⁺含量增加了13.83%，而随着降雨间隔期的增长，6月15日和9月8日枯透水中K⁺含量增加幅度分别为14.74%和21.80%。

影响K⁺含量的因素有很多，并且这些影响因子之间存在一定的相互影响，因此，本文采用灰色关联分析方法来确定各因素对K⁺含量影响的重要性。灰关联度越大，说明各因素对K⁺含量的影响就越大^[18]。

从表 4可知，林外降雨中K⁺含量与各影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨间隔期＞降雨强度＞降雨历时＞降雨量，这说明对林外降雨中K⁺含量起主要影响的是降雨间隔期，降雨间隔期越长，大气中所积累的颗粒物越多，降雨时K⁺含量增大；穿透雨中K⁺含量与各影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨量＞降雨历时＞降雨强度＞降雨间隔期，这说明对穿透雨中K⁺含量起主要影响的是降雨量。灌木穿透雨中K⁺含量与各影响因素的灰关联度大小顺序与穿透雨相同，林外降雨量对灌木穿透雨中K⁺含量起主要影响作用。树干径流中K⁺含量影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨量＞降雨历时＞降雨强度＞降雨间隔期，即林外降雨量对树干径流中K⁺含量影响较大。而在枯透水中，对枯透水K⁺含量影响较大的则是降雨强度，最小的为降雨量。并且，本研究中所涉及的影响因子中，与各层次的K⁺含量的灰色关联度都超过了0.4，说明林外降雨量、降雨历时、降雨强度及降雨间隔期均会对降雨再分配过程中K⁺含量变化产生一定的影响，不可忽略，只是不同的降雨特征值对降雨再分配各组分K⁺含量的影响程度有所不同。

在整个生长季内共观测到36场降雨，通过对采集的降雨进行分析，K⁺含量平均值排序为枯透水＞树干径流＞灌木穿透雨＞穿透雨＞林外降雨，这与刘世海^[16]、张娜^[19]等人的研究结果相一致，这说明降雨在经过林分的再分配过程中，对K⁺的淋溶呈增值效应，使得K⁺含量增加。而降雨量、降雨历时、降雨强度及降雨间隔期等降雨特征对K⁺含量产生一定的影响，这与甘建民^[20]、刘世海^[21]等人的研究结果相一致。

降雨历时对林冠穿透雨、灌木穿透雨、树干径流和枯透水中K⁺含量增加幅度的影响表现为随降雨历时的增长，K⁺含量增加幅度呈上升趋势，而降雨强度却相反，当降雨强度较低时，随降雨强度的增加K⁺含量的增加幅度表现为下降趋势，这与张伟^[22]等的研究结果一致，当降雨量小，降雨强度低，树木林冠层的吸收和吸附能力较强，元素所受吸附力大于冲刷力，表现为浓度值负增长。但本研究同时发现这种下降趋势并不是无限的，当降雨强度增加至0.041 mm·min^-1时，即降雨历时为3.85 h，K⁺含量的增加幅度反而开始呈上升趋势；同样地，降雨间隔期对穿透雨、灌木穿透雨和树干径流中的K⁺含量增加幅度影响也较大，随着降雨间隔期的增长，K⁺含量增加幅度却呈下降趋势，这可能是由于雨前干燥期越长，会导致枝叶、树皮更加干燥。降雨初期，落叶松的枝叶、树干吸收和吸附能力较强，会吸收大量的水分，吸收水分的同时，降雨淋洗的K⁺会被枝叶、树干大量吸收。而降雨后期，落叶松自身吸附达到饱和后，多余K⁺就会被淋洗出来；因此，降雨间隔期增长，落叶松自身吸收的水分和养分会升高，使得K⁺含量增加幅度降低。但当降雨间隔期增大至233.28 h时，K⁺含量的增加幅度开始出现拐点，不再随着降雨间隔期的延长而无限降低，反而是趋于平缓。这说明此时树皮、枝叶已经达到了饱和，不会随间隔期的延长而发生变化。而枯透水中的K⁺含量的增加幅度受降雨间隔期的影响较小。同样，分析发现在降雨量、降雨强度和降雨间隔期都相差很小的情况下，K⁺含量的变化与植物生长季有很大的关系，如5月23日与8月4日这两场降雨，5月23日穿透雨和灌木穿透雨中K⁺含量分别增加了4.12倍和3.72倍，而8月4日穿透雨中K⁺含量增加了6.37倍，灌木穿透雨中K⁺含量增加了5.34倍，导致这种情况的原因可能是由于K⁺在植物活跃的生长区，特别是芽、嫩叶和根尖部位含量很多，并且在化学上移动性极强，水中极易溶解，极易从叶、枝、花、果上溶脱^[23]；而落叶松及林内灌木8月达到生长顶峰，林冠枝叶繁茂，含有大量的K⁺，而5月落叶松及兴安杜鹃等灌木刚展叶，使得5月淋洗出的K⁺含量较少。这说明K⁺含量同时与植物生长季有很大的关系。

(1) 研究期间兴安落叶松林林外降雨总量为266.0 mm，平均次降雨强度达0.074 mm·min^-1；降雨再分配过程中K⁺含量平均值大小排序为枯透水＞树干径流＞灌木穿透雨＞穿透雨＞林外降雨，其中大气降雨中K⁺含量在5月和9月较高，分别为2.631 mg·L^-1和2.068 mg·L^-1，穿透雨中K⁺含量在5—10月呈波动式变化，其值波动在2.198~3.053 mg·L^-1之间，灌木穿透雨中K⁺含量波动在1.977~3.233 mg·L^-1之间，变化幅度较大，而树干径流和枯透水中K⁺含量较稳定，分别波动在3.021~3.261 mg·L^-1和3.077~3.281 mg·L^-1之间。

(2) 降雨量和降雨历时对降雨再分配过程中K⁺含量的影响均表现为正相关，随降雨量和降雨历时的增加K⁺含量增加幅度呈上升趋势；而降雨强度和降雨间隔期对K⁺含量增加幅度的影响则反之，当降雨强度大于0.041 mm·min^-1时，K⁺含量的增加幅度开始出现转折，呈上升趋势，当降雨间隔期增大至233.28 h时，K⁺含量的增加幅度趋于稳定。

(3) 通过灰色关联分析确定了各影响因子对K⁺含量影响的重要性，并且进行排序，对林外降雨中K⁺含量影响程度由大到小排序依次为降雨间隔期＞降雨强度＞降雨历时＞降雨量，穿透雨中K⁺含量与各影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨量＞降雨历时＞降雨强度＞降雨间隔期，灌木穿透雨和树干径流中K⁺含量与各影响因素的灰关联度排序和穿透雨一致，影响的主导因子均为降雨量，枯透水中K⁺含量与各影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨强度＞降雨间隔期＞降雨历时＞降雨量。