-
大气降水是森林生态系统水分和养分的主要来源[1],也是生物地球化学循环在生态系统中的重要组成部分[2]。降水携带的多种养分离子不需要经过矿化过程就能够直接被植物吸收利用[3],通过冠层作用(淋溶/截留)后,降水的化学组成会发生显著变化[4-5],调节了森林生态系统的养分输入与输出[6-7]。钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)等盐基离子是植物生长发育不可缺少的营养元素,具有溶解度高、易于转移的特点,如植物表层的K+在雨水作用下易被淋溶,冠层淋失率高达412% ~ 681%[8],Ca2+是森林冠层缓冲降水酸度的主要介质[9]等。有研究表明,酸雨会导致森林土壤中盐基离子淋出,且随着酸雨pH的降低,盐基淋失量增加[10-11],从而影响森林群落对营养元素的吸收利用,制约森林植物的健康生长。因此,研究森林生态系统中降水盐基离子的分配及迁移特征,不仅对揭示森林生态系统的养分循环、森林植物的生长具有重要作用[12],也为评价森林的水质净化效应提供重要依据。
钱江流域地处我国东南沿海经济发达地区,大气沉降污染物和酸雨危害等环境问题日趋严重[13],降水引起森林养分离子淋失会影响整个森林生态系统的生长和养分循环,进而影响生态系统结构和功能。目前,关于森林群落对养分淋溶效应的研究多集中在生长季内,而在酸雨高发[14]的秋冬季节研究较欠缺,且现有研究表明,流域出口的水质与大气降水差异明显且季节波动较大[14-16]。酸雨易造成森林土壤矿质元素的流失[10-11],研究水文过程中盐基离子动态变化,是评价森林群落缓冲酸雨能力及净化水质效益的重要依据。本研究选择北亚热带地区3种典型森林群落——毛竹(Phyllostachys edulis (Carrière) J. Houz.)林、杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)林和青冈(Cyclobalanopsis glauca (Thunberg) Oersted)为主的阔叶林,通过1 a的定位监测,研究随着大气降水输入发生的森林群落不同水文分量中Na+、K+、Ca2+、Mg2+离子年度内生长季和非生长季浓度和通量的动态变化,揭示森林群落各层次对养分的分配和迁移规律,对比3种森林群落对盐基离子的截留/淋溶能力,为森林环境效应评价以及提升森林生态功能提供理论依据。
HTML
-
研究区位于浙江省杭州市富阳区庙山坞林区(119°56′ ~ 120°02′ E,30°03′ ~ 30°06′ N),属于国家林业和草原局钱江源森林生态系统定位观测研究站。该区属北亚热带季风气候区,四季分明,降水充沛。全年降水日数160 d左右,年平均降水量1 441.9 mm[15],雨量季节分配不均。年平均气温16.1℃,年平均日照时数1 995 h。依据植物生长特性以及气温、降水等情况划分,研究区森林群落的生长季为3—10月,非生长季为11月至次年2月[17]。研究区地质类型属志留系、泥盆系地质,土壤类型是酸性红壤土[15],土层中含有较多石块。区内水系直接外流注入富春江,属钱塘江水系富春江段。林区主要人工林有毛竹林、杉木林等,天然林有针阔混交林和以青冈(占比45%左右)、木荷(Schima superba Gardn. et Champ.)(占比25%左右)为主的天然常绿、落叶阔叶林等。
本研究选择毛竹人工林、杉木人工林和青冈为主的天然阔叶林(青冈阔叶林)3种北亚热带典型森林群落作为研究对象,分别建立2个10 m×20 m(投影面积)的径流小区(共计6个样地),各样地基本特征见表1,土壤理化性质见表2。
森林类型
Forest type海拔
Altitude/m坡度
Slope/(°)坡向
Aspect林分密度
Stand density/
(株·hm−2)树木高度
Tree hight/m胸径
Diameter at breast
height/cm郁闭度
Canopy density叶面积指数
LAI毛竹林
P. edulis forest158 19 阳坡 5 150 13.4±2.2 10.4±1.5 0.96 4.56 20 Sunny 5 050 11.6±2.0 10.1±1.7 杉木林
C. lanceolata forest222 27 阳坡 800 9.3±2.5 14.8±5.8 0.70 1.72 30 Sunny 650 12.2±3.4 21.7±12.5 青冈阔叶林
C. glauca broadleaf forest130 28 阳坡 950 7.8±4.0 13.7±6.1 0.88 3.20 27 Sunny 1 250 8.3±3.6 14.7±9.1 Table 1. The basic characteristics of sample plots
森林类型
Forest typepH Ca/(g·kg−1) Mg/(g·kg−1) Na/(g·kg−1) 全钾
Total K/(g·kg−1)速效钾
Available K/(mg·kg−1)毛竹林
P. edulis forest4.75±0.09 1.07±0.08 3.54±0.01 2.40±0.04 7.55±0.36 57.37±5.61 杉木林
C. lanceolata forest4.20±0.19 0.80±0.39 2.99±0.34 2.87±0.30 7.23±0.34 60.33±31.64 青冈阔叶林
C. glauca broadleaf forest4.11±0.14 0.64±0.05 3.47±0.09 3.11±0.08 8.75±0.27 75.50±5.30 Table 2. The physi-chemical properties of the surface soil of the sample plots
-
观测期内,大气降水总量达到2146 mm,降水量呈现“双峰型”分布趋势,2018年7—9月、2018年11月至2019年3、5、6月降水量较大,2018年10月和2019年4月降水量较小。每月采样的降水历时最少1 d(8月),最长11 d(12月),平均4.7 d,每月采样的降水量情况(图1)与降水量全年的变化趋势规律一致。大气降水pH值整体呈现出“U型”变化,生长季内降水偏中性,均值为6.46;非生长季降水酸性较强,pH均值为4.93(图1)。大气降水中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的年均浓度分别为0.27、0.36、0.89和0.17 mg·L−1(表3),且K+和Ca2+在生长季的平均浓度均大于非生长季(图2),通过相关分析发现,大气降水中Na+、K+、Mg2+的浓度与降水量无显著相关性,而降水中Ca2+浓度与降水量显著负相关(r =−0.69)。
Figure 2. Concentration dynamics of four kind of base cations in atmospheric precipitation during growing season and non-growing season
森林类型
Forest Type水文分量
Water components平均降水量
Average precipitation/mmpH 不同水文分量中盐基阳离子的浓度
The concentrations of base cations of different hydrological components/(mg·L−1)Na+ K+ Ca2+ Mg2+ 大气降水 Precipitation 83.4 6.04 0.27 0.36 0.89 0.17 毛竹林
P. edulis forest穿透雨 Throughfall 52.7 6.54 0.37 1.39 1.94 0.56 树干茎流 Stemflow 1.5 5.15 0.28 1.35 1.83 0.40 枯透水 Litterfall 54.7 6.44 0.31 2.21 2.59 0.81 地表径流 Surface runoff 0.4 8.24 6.88 15.26 17.53 0.74 杉木林
C. lanceolata forest穿透雨 Throughfall 60.7 6.59 0.31 1.35 2.11 0.39 树干茎流 Stemflow 3.1 3.70 0.71 1.53 3.34 1.05 枯透水 Litterfall 64.2 6.36 0.42 2.94 4.54 0.96 地表径流 Surface runoff 0.4 8.37 8.18 24.58 12.48 0.72 青冈阔叶林
C. glauca broadleaf forest穿透雨 Throughfall 51.7 6.73 0.33 2.35 2.13 0.48 树干茎流 Stemflow 3.7 5.84 0.33 4.29 2.22 0.36 枯透水 Litterfall 54.7 6.08 0.30 2.65 3.77 0.80 地表径流 Surface runoff 0.1 8.15 3.82 12.75 25.54 0.86 Table 3. Average indicators of rainwater per rainfall at different levels of three forest communities
大气降水经3种森林群落的冠层后,穿透雨中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的浓度均有提高,增幅分别为15% ~ 37%、275% ~ 553%、118% ~ 139%和129% ~ 229%,且穿透雨的pH均有提高(表3)。此外,穿透雨中Na+、Ca2+和Mg2+的浓度在降水呈酸性的非生长季均高于偏中性的生长季(图3),且研究表明,穿透雨中Na+、Ca2+、Mg2+ 3种离子的浓度与大气降水中对应离子的浓度显著正相关(毛竹林:r = 0.76,r = 0.80,r = 0.78;杉木林:r = 0.72,r = 0.76,r = 0.79;青冈阔叶林:r = 0.69,r = 0.77,r = 0.77),而K+浓度则无显著相关性。与大气降水相比,3种森林群落树干茎流中盐基离子的浓度均有提高,在生长季和非生长季的离子浓度变化规律与穿透雨基本相同(图3),树干茎流中4种盐基离子的浓度也与穿透雨中的离子浓度显著正相关(0.84 < r < 0.99)。另外,毛竹林和杉木林内穿透雨和树干茎流中盐基离子的浓度在季节间的波动幅度较大,远大于青冈阔叶林内降水浓度的季节差异。
Figure 3. Concentration dynamics of four kind of base cations in the throughfall and stemflow of P. edulis forest, C. lanceolata forest and C. glauca broadleaf forest during growing season and non-growing season
林下降水通过枯落物层后,枯透水中K+、Ca2+、Mg2+的浓度分别是穿透雨中3种离子浓度的1.13 ~ 2.18倍、1.34 ~ 2.15倍和1.45 ~ 2.46倍,而Na+浓度略有减少。枯透水中Na+和Mg2+离子浓度的季节变化规律与穿透雨中相同(图3、4),且枯透水中4种盐基离子浓度与穿透雨中的离子浓度均显著正相关(0.81< r <1.00)。
Figure 4. Concentration dynamics of four kind of base cations in the litterfall and surface runoff of P. edulis forest, C. lanceolata forest and C. glauca broadleaf forest during growing season and non-growing season
森林群落的地表径流中4种盐基离子的浓度显著提高,远高于大气降水、林下降水和枯透水中离子浓度。3种森林群落地表径流中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的浓度分别是大气降水中离子浓度的14.15 ~ 30.30倍、35.42 ~ 68.28倍、14.02 ~ 28.70倍和4.24 ~ 5.06倍。在降水呈酸性的非生长季,地表径流中4种盐基离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)的浓度分别比生长季高出34.97% ~ 87.19%、1.45% ~ 29.81%、13.12% ~ 35.97%和188.46% ~ 577.03%(图4)。经分析可知,林地地表径流中Na+、K+的浓度与大气降水量显著负相关(毛竹林:r = −0.62,r = −0.59;杉木林:r = −0.64,r = −0.64;青冈阔叶林:r = −0.64,r = −0.62),而Ca2+、Mg2+的浓度与大气降水量无显著相关性。
-
研究期内大气降水中Na+、K+、Ca2+和Mg2+的通量分别为2.72、3.61、8.93、1.66 kg·hm−2(表4),且降水中K+、Ca2+和Mg2+的输入量与大气降水量显著相关(r = 0.61, r = 0.66, r = 0.88)。经分析可知,在整个观测期内,3种森林群落的冠层对Na+表现出截留作用,对K+、Ca2+和Mg2+均表现出强烈的淋溶作用,淋失的盐基离子中和酸性降水,提高穿透雨的pH值(表3)。同时,不同森林群落对各盐基离子的截留作用呈现明显的季节差异,如在非生长季,林冠层对Na+表现出淋溶作用,对Ca2+和Mg2+的淋溶强于生长季,3种森林群落的冠层对Na+的年总截留率分别为12.86%、7.26%和19.90%;而在生长季,毛竹林和青冈阔叶林的冠层对K+的淋溶作用最强,淋溶率分别为125.28%和288.49%。冠层是林内养分K+循环的重要来源,毛竹林、杉木林和青冈阔叶林冠层对K+的淋溶量与大气降水量显著正相关(r = 0.64, r = 0.81, r = 0.79),雨量越大,林冠层淋溶的K+就越多。
森林降水层次
Levels of forest precipitation毛竹林
P. edulis forest杉木林
C. lanceolata forest青冈阔叶林
C. glauca broadleaf forestNa+ K+ Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Ca2+ Mg2+ 大气降水通量
Bulk precipitation
flux生长季
Growing season/(kg·hm−2)1.73 2.80 6.45 0.96 1.73 2.80 6.45 0.96 1.73 2.80 6.45 0.96 非生长季
Non-growing season/(kg·hm−2)0.99 0.81 2.48 0.70 0.99 0.81 2.48 0.70 0.99 0.81 2.48 0.70 林冠层
Canopy生长季截留量
Interception in growing season/(kg·hm−2)0.63 −3.51 −1.36 −0.25 0.57 −2.50 −3.05 −0.20 0.59 −8.09 −2.11 −0.51 生长季截留率
Interception rate in growing season/%36.59 −125.28 −21.13 −26.07 32.85 −89.14 −47.36 −20.51 33.98 −288.49 −32.67 −53.06 非生长季截留量
Interception in non-growing season/(kg·hm−2)−0.28 −1.90 −2.32 −1.71 −0.37 −4.31 −4.60 −1.41 0.01 −4.27 −2.81 −0.90 非生长季截留率
Interception rate in non- growing season/%−28.40 −234.68 −93.53 −244.44 −37.23 −531.77 −185.49 −201.59 0.69 −526.82 −113.26 −129.05 总截留率
Total interception rate/%12.86 −149.80 −41.25 −118.11 7.26 −188.37 −85.75 −96.83 19.90 −355.56 −59.28 −88.09 枯落物层
Litter生长季截留量
Interception in growing season/(kg·hm−2)0.14 −5.18 −4.06 −1.48 −0.14 −5.30 −11.35 −1.56 0.16 −1.14 −7.85 −0.69 生长季截留率
Interception rate in growing season/%12.35 −82.04 −52.03 −122.65 −12.39 −99.93 −119.50 −134.64 13.81 −10.45 −91.82 −45.71 非生长季截留量
Interception in non-growing season/(kg·hm−2)0.21 −0.30 −0.32 −0.24 −0.57 −6.90 −7.08 −2.55 −0.02 −0.27 −3.08 −1.52 非生长季截留率
Interception rate in non- growing season/%16.6 −11.21 −6.74 −9.84 −41.87 −134.86 −100.01 −120.98 −1.80 −5.25 −58.19 −94.64 总截留率
Total interception rate/%14.63 −60.76 −34.79 −47.56 −28.32 −117.09 −111.17 −125.82 8.82 −5.54 −74.23 −68.97 地表层
Surface layer生长季截留量
Interception in growing season/(kg·hm−2)0.79 11.07 11.35 2.68 1.05 9.81 20.45 2.70 0.94 11.88 16.12 2.15 生长季截留率
Interception rate in growing season/%82.57 96.26 95.63 99.50 80.40 92.47 98.09 99.62 95.76 98.73 98.26 99.65 非生长季截留量
Interception in non-growing season/(kg·hm−2)0.93 2.77 4.87 2.62 1.83 11.73 14.01 4.64 0.99 5.31 8.27 3.11 非生长季截留率
Interception rate in non- growing season/%87.19 91.94 95.02 99.26 94.45 97.58 98.90 99.53 98.43 99.27 98.83 99.83 总截留率
Total interception rate/%85.00 95.36 95.45 99.39 88.79 95.18 98.42 99.56 97.11 98.90 98.45 99.75 森林群落内总截留率
Total interception rate in forest communities/%88.84 98.02 91.34 81.37 86.66 98.06 93.80 69.85 97.89 99.22 95.70 94.70 Table 4. Interception and interception rates of four kinds of base cations at different levels of three forest communities
林内降水与枯透水的通量差可以指示枯落物层对于输入林地内的营养元素的吸收和淋溶能力。毛竹林和青冈阔叶林枯落物层对Na+表现出截留的状态,3种森林群落林内降水与枯透水中K+、Ca2+和Mg2+的通量差均为负值,说明3种森林群落的枯落物层均对K+、Ca2+和Mg2+有淋溶或释放的作用,且生长季枯落物层的Ca2+淋溶率远超过非生长季(表4)。在3种森林群落中,杉木林枯透水中4种盐基离子浓度最高,其枯落物层对盐基离子的淋溶率最大,Na+、K+、Ca2+和Mg2+的淋溶率分别为28.32%、117.09%、111.17%和125.82%。
地表径流中Na+、K+、Ca2+离子浓度均有显著提高,但由于地表径流量仅占大气降水量的0.12% ~ 0.48%,且非生长季地表径流量低于生长季,因此尽管非生长季地表径流中4种盐基离子浓度更高,但只有Mg2+的地表径流通量在非生长季更大。3种森林群落的地表层对Na+、K+、Ca2+和Mg2+均表现为截留作用,截留率超过85%。地表层对Na+的截留率最低,在生长季地表层对Na+的截留能力最弱,对另外3种盐基离子的截留能力在生长季与非生长季间没有显著差异。
大气降水在流经3种森林群落后,4种盐基离子的浓度大幅增加,这主要是林冠层、枯落物层对K+、Ca2+和Mg2+的较强淋溶作用所致;而地表层对4种盐基离子呈现截留作用,其中,森林群落对Na+和Mg2+的截留率最低,对Ca2+和K+截留率较高,超过91.34%。对比3种森林群落的截留能力发现,青冈阔叶林对盐基离子的截留能力最强,截留率超过94.70%。