宁夏六盘山4种典型森林伴随降水的无机氮通量变化特征

杨丽丽,邢元军,王彦辉,文仕知,李振华

1 中南林业科技大学林学院,长沙 410004 2 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,北京 100091 3 国家林业和草原局中南调查规划设计院,长沙 410014

1 研究区与样地概况

研究地点位于宁夏南端的六盘山自然保护区的香水河小流域,地理坐标为109°9′—109°30′E,35°15′—35°41′N。香水河小流域属黄河二级支流泾河的源区,海拔范围2060—2931 m。该区属暖温带大陆性季风气候,年均气温5.8℃,年降水量600—800 mm。小流域内森林茂盛,植被良好,森林覆盖率达72.9%,以天然次生林居多,主要树种为：华山松(PinusarmandiiFranch.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)、红桦(Betulaalbo-sinensisBuck.)、辽东栎(QuercuswutaishanicaBlume)、山杨(PopulusdavidianaDode)等；人工林主要为华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)和油松(PinustabulaeformisCarr.)纯林；灌丛以野李子(Prunussalicina)为主；亚高山草甸群落分布在海拔2700 m以上。区内成土母质为页岩、沙质泥岩、灰岩风化的坡积物和残积物,土壤以灰褐土为主。

本文选择了在小流域内具代表性的4种植被类型作为研究对象,即华山松次生林、桦木次生林、华北落叶松人工林及野李子灌丛。在洪沟子流域分别建立了3—4个面积30 m×30 m的华山松林、桦木林和华北落叶松林固定样地,在草沟子流域建立了3个面积20 m×20 m的野李子灌丛样地。华山松次生林中混生有少量红桦和白桦,林下植被数量较多,主要有榛(CorylusheterophyllaFisch. ex Trautv.)、忍冬(LonicerajaponicaThunb.)、冰草(Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.)、峨嵋蔷薇(RosaomeiensisRolf)、苔草(Carexspp.)等。桦木次生林样地由白桦和少量红桦组成,林下植被也较多,主要有箭竹(FargesiaspathaceaFranch.)、榛、三裂绣线菊(SpiraeatrilobataLinn.)、小叶丁香(SytingamicrophyllaDiels)、忍冬、菝契(SmilaxchinaL.)蕨(Pteridiumaquilinmm(Linn.) Kuhn var. latiusculum (Desv.) Underw. ex Heller)等。华北落叶松人工林样地林下植被较少,灌木主要有黄刺玫(RosaxanthinaLindl.)、华西箭竹(Fargesianitida(Mitford) Keng f. ex Yi)等,草本主要有蕨、华北苔草(CarexhancokianaMaxim.)等。野李子灌丛样地的林下草本主要由冰草(Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.)组成,数量较多。各样地基本特征见表1,土壤理化性质见表2。

表1 研究样地的立地和植被基本特征

*野李子灌丛样地的“平均胸径”和“平均树高”栏目中数据为野李子灌丛的“地径”和高度

2 研究方法

2.1 水样的采集与测定

在2011年生长季(5月24日至10月20日),连续监测了4种样地的林外降雨、穿透水、干流、枯落物渗漏水和土壤层渗漏水动态并采集样品。

林外降水量和降水过程用自动气象站(美国,Weatherhawk公司)配合虹吸式自计雨量计和标准雨量筒测定,同时用3个内径20 cm的自制雨量筒收集林外降水样品。穿透水的测定和收集是在4种样地内选择代表性地点,在距地面20 cm的高度,华山松和桦木林样地分别随机布设9个雨量筒,华北落叶松林样地随机布设12个雨量桶,野李子灌丛样地随机布设6个雨量桶,每次雨后测定水量并取样。

表2 典型森林样地0—100 cm土层的土壤理化性质

干流的测定和收集是按林木径级标准,在华山松、桦木和华北落叶松样地内分别选择6棵林木,野李子灌丛选择5棵样木,用聚乙烯塑料软管从树干2 m高处自上向下蛇形缠绕后引流至开口密封的塑料容器。每次雨后测定容器内水量并采样,单株和林分的干流深依据林冠投影面积换算。

枯落物层渗漏水的收集是在每个样地内选择5个样点,尽量不破坏原枯落物的层次结构,把0.5 m×0.5 m的原状枯落物整体移放到带小孔的塑料膜上,放置在塑料盆中。每次降雨后测定塑料盆中的枯落物渗漏水量并取样。

土壤渗漏水收集仅在华山松林和华北落叶松林样地内进行,随机布设7个自制的的蒸渗仪(内径20 cm),蒸渗仪内装填了轻微扰动的30 cm厚林地土壤,林地土壤上的枯落物及可能生长的小灌木和草本一并保留。在每次降雨后,测定蒸渗仪底筒收集的土壤渗漏水量并取样。

(1)

F=C·P/100

(2)

式中,P为通过各作用层的总水量(mm)。

ΔF=Fi-Fj

(3)

在Excel中建立数据库,运用SPSS软件进行数据分析。

3 结果与分析

3.1 植被作用下的水流通量变化

2011生长季的香水河小流域总降水量724.3 mm,但月份差异较大,集中在7—9月(表3)。

2011年生长季不同植被的林冠截留量(mm)变化为86.2—145.6,截留率(%)变化为11.91—20.11；干流量(mm)变化为1.3—4.7,干流率(%)变化为0.18—0.65；穿透水量(mm)变化为577.3—633.4,穿透水率(%)变化为79.71—87.44；林下降水量(mm)变化为578.7—638.1,林下降水率(%)变化为79.89—88.09。

生长季内各样地的枯落物层渗漏水量(mm)随各月降水量增大而增大,其变化为368.3—525.0,其中野李子灌丛最大,桦木林最小。华山松林和华北落叶松林在2011生长季的0—30 cm土壤渗漏水分别为275.9 mm和244.2 mm。

3.2 各水文分量的无机氮质量浓度变化

3.3 林内各作用层的无机氮通量

表3 2011年生长季六盘山主要森林样地的降水通量变化特征

*观测从5月24日开始,10月20日结束

表4 2011年生长季典型森林植被样地水文转化过程中的无机氮平均浓度/(mg/L)

表5 2011年生长季典型森林植被样地降水转化中各作用层的无机氮通量/(kg/hm2)

3.4 各作用层间无机氮通量的差别

无机氮通量在各作用层的差别是由降水接触植被表面、枯落物和土壤时发生的无机氮的淋失、吸附和吸收等过程和水量变化所共同导致的。

枯落物层渗漏水与林下降水携带的无机氮通量之差,可指示枯落物层对输入林地的无机氮通量的作用,其值在几种典型森林内均为负值,说明四种森林样地的枯落物层均具有对无机氮的净吸附或净储存的“汇”作用。

表6 2011年生长季典型森林植被样地的不同作用层的无机氮通量差别/(kg/hm2)

4 讨论与结论

4.1 水流通量的垂直变化特征

在2011年生长季(5月24日至10月20日),林外降水量达724.3 mm,已超过多年均值(610.0 mm),属湿润年。同期4种主要森林植被类型样地的林冠截留率为11.91%—20.11%,位于大多数国内研究的林冠截留率范围(10%—35%)[25-26]内,也与全国主要森林平均林冠截留率范围(14.7%—31.8%)[27]相近；本研究中各月截留率也接近徐丽宏等[28]报道的2004—2005年生长季六盘山主要植被类型的林冠截留结果。各森林植被样地的生长季干流率普遍不高,变化在0.18%—0.65%,这与研究树种的树干粗细、直立程度、树皮干燥程度等多种因素有关。各样地的穿透水比例变化在79.71%—87.44%。通过林冠拦截后的林下降水比例变化在79.89%—88.09%。这些水流通量变化,是降水输入无机氮通量变化的一个重要原因。

各样地的枯落物层进一步拦截林下降水,用于蒸发和植物蒸腾,在华山松次生林和华北落叶松人工林之间,存在枯落物层渗漏量差异,这与各样地的枯落物数量和分解状况等有关。枯落物层的降水拦截量变化在300.0—317.1 mm,拦截率变化在41.41%—43.78%,则渗漏水量和占空旷地降水的比例分别变化在407.2—424.3 mm和50.85%—58.59%。华北落叶松人工林枯落物层厚5.58 cm,重量为22.83 t/hm2,华山松人工林枯落物厚3.47 cm,重量为24.73 t/hm2[29],枯落物厚度和重量共同影响了样地的枯落物渗漏水量。枯落物层拦截造成的降水输入损失,也是降水输入无机氮通量变化的一个重要原因。

在0—30 cm土层,由于土壤蒸发和植物蒸腾,降水输入进一步被消耗,土壤渗漏水占空旷地降水比例进一步减小。华山松、华北落叶松林冠层(树枝+树叶)生物量分别为30.73、14.47 t/hm2；林下植被生物量分别为7.30、7.50 t/hm2[30],从林冠层和林下植被层生物量看来,华山松林的土壤渗漏水量应小于华北落叶松林。在本文研究的生长季内,华山松林的渗漏量为275.9 mm,高于华北落叶松林的244.2 mm,这与立地条件、土壤机械组成及森林植被生长情况和耗水多少等多种因素相关。需专门指出的是,由于测定方法是基于微型蒸渗仪,切断了树木根系,而且没有包括整个主根系层(0—60 cm),所以测定到的渗漏水数值比真正的林地渗漏水量会偏大很多。基于曹恭祥在六盘山的研究[31],华山松次生林和华北落叶松森林生态系统的林地蒸散占生长季同期降雨量的比例为21.07%和30.4%,据此可估算本文华山松和华北落叶松林的林地蒸散值为152.7 mm和220.3 mm,高于本研究中实测的华山松和华北落叶松林的蒸渗仪测定值(148.4 mm和163.0 mm),则对应的土壤渗漏水应该为271.6 mm和186.9 mm,可见存在着蒸渗仪测定方法高估土壤渗漏的不足。

4.2 各水文分量的无机氮质量浓度与变化

表7 一些研究地点降水转化中的无机氮浓度/(mg/L)

4.3 林内各作用层的无机氮通量与变化

在本文中,由于没有考虑大量落叶归还给土壤的无机氮输入,尤其是秋后的大量集中落叶,也没有考虑干沉降氮输入以及植物固氮作用,还有非生长季的氮输入与输出,所以还不能说是森林生态系统或森林根系层土壤的年元素平衡意义上的净氮流失,仅是一个生长季的过程特点或行为,有待深入研究。