小陇山林区锐齿栎林降雨再分配及矿质元素输入特征

郑子龙，杨海裕，刘小林，陈瑞锋，张江涛

(甘肃省小陇山林业科学研究所，甘肃省小陇山森林生态系统定位研究站，甘肃省次生林培育重点实验室，甘肃 天水 741022)

大气降水在森林生态系统中发挥着重要作用，是生态学研究的重要内容[1].森林生态系统中的降水分配和养分输入，是维持生态系统有机物质生产的基本功能过程，是进一步研究森林生态系统生物化学循环、矿质元素平衡和评价森林净化水质服务功能的基础[2-3].中国近代的森林水文研究始于20世纪20年代，前金陵大学美籍学者罗德民博士和李德毅先生等在山东、山西等地研究了不同森林植被对雨季径流和水土保持效应的影响[4].近年来，许多学者对不同林种水分循环的各个环节进行了较全面的研究[5-7].同时，我国在森林生态系统养分循环方面也做了大量的研究工作，主要对森林生态系统的生物地球化学循环进行了相应的研究[8-10].

锐齿栎林(Quercusalienavar.acuteserrata)是秦岭西段小陇山林区最具有代表性的群落类型.随着天保工程、封山育林等森林保护和恢复工程的展开，小陇山林区植被面积大大提高，但森林质量难以在短时间恢复，林区水土流失情况仍然严重[11].唐臻[12]曾对秦岭西部南坡辛家山林区锐齿栎林林冠截留与大气降雨关系进行过研究；袁一超等[13]研究了本林区日本落叶松(Larixkaempferi)林冠截留特征.目前未见对该地区锐齿栎林在不同降雨量和降雨强度下，大气降雨再分配和矿质元素输入特征研究的报道.因此，本文依据2013～2018年4～9月份水文观测结果，比较分析不同雨量级下，穿透雨、树干茎流和林冠截留的变化，探讨锐齿栎林降雨再分配特征及矿质元素输入情况，为科学评价森林生态功能和栎类次生林可持续经营提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

小陇山林区位于甘肃省东南部、地处秦岭西段，地理坐标E 104°23′～106°43′，N 33°31′～34°41′，区域总面积83万hm2，是嘉陵江、渭河中上游重要的水源涵养林和甘肃省东南部重要的生态屏障.该区是长江流域与黄河流域的分水岭，植物种类丰富，是温带向亚热带过渡的植物基因库，有木本植物800多种，草本植物1986种，珍贵树种30余种[14].

研究区位于甘肃小陇山森林生态系统定位研究站，地处小陇山林区腹地，行政区域隶属天水市秦州区娘娘坝镇，地理坐标E 105°54′，N 34°07′，属大陆性季风气候，年均气温7.2℃，最高气温30.3 ℃，最低气温-22.4 ℃；年均降水量757 mm；土壤以山地褐土和山地棕壤为主.河流属长江上游嘉陵江水系.该试验区有高等植物163种，其中乔木层48种，灌木层59种，草本层55种.锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)为乔木层优势树种，千金榆(Carpinuscordata)、四照花(Dendrobenthamiajaponicavar.chinensis)、水榆花楸(Sorbusalnifolia)、多毛樱桃(Cerasuspolytricha)、灯台树(Comuscontroversa)为主要伴生树种；灌木层以平榛(Corylushetrophylla)和白檀(Symplocospaniculata)为优势种；草本层以堇菜(Violaverecunda)和羊胡子草(Carexlanceolata)为主[15-16].

1.2 群落调查

采用典型抽样的方法，选择半阴坡坡下65 a锐齿栎天然次生林，设置面积为20 m×20 m固定观测样地.样地内林分结构为乔木层、灌木层、草本层和层间埴物，总盖度约90%.乔木层以锐齿栎为主，其平均胸径20.4 cm，平均树高14 m，平均冠幅4.9 m，密度345株/hm2，郁闭度0.8，坡度37°；灌木层主要以白檀(Symplocospaniculata)、平榛(Corylushetrophylla)组成，高度为1.5～3 m，盖度75%.草本层以羊胡子草(Carexlanceolata)、堇菜(Violaverecunda)为主，高度30 cm，盖度70%.

1.3 降雨量测定

从2013年4月份开始，在固定样地内布设林冠截留观测设施，连续观测大气降雨量和锐齿栎林冠截留降雨量.为了方便计算与分析，对2013～2018年75次降雨过程依据降水强度划分为13个雨量级(表1).

表1 雨量级划分表

1.3.1 林外降雨 在距离观测区最近的空旷地放置标准雨量桶测定大气降雨量，利用自动气象站数据进行校正(距观测研究区1 km).

1.3.2 树干茎流 在每个样地内根据乔木平均胸径，划分14～18、18～22、22～26 cm 3个径级，每个径级取2株作为样木，两个监测样地共选12株.在株样木上，用橡皮导管法将直径为2.0 cm聚乙烯塑料管沿中缝剪开一段，沿树干基部1.5 m处呈S型向下缠绕一周半，接缝处固定并密封，塑料管的下端接1个集水桶.每次降雨后及时测量集水桶内雨水体积(mL)，并换算成标准降雨量(mm).树干茎流按下列公式计算[17].

式中，C为树干茎流量(mm)；M为单位面积上的树木株数；Ci为每个茎级树干茎流量(mm)；Mi为每个径级的树木株数；Ki为各径级的树冠平均投影面积(m2).

1.3.3 穿透雨 在每株样木下随机放置1 m×0.2 m×0.2 m集水槽，由于穿透雨受到灌木及草本植物的影响，集水槽离地面40 cm，同时在林外空旷地上安置1个集水槽作为对照.两个样地共放置集水槽24个.每次降雨后及时测量集水槽内雨水体积(mL)，并换算成标准降雨量(mm).

1.3.4 林冠截留 林冠截留量利用水量平衡法计算，即：

I=P-(Fr+Fs)

式中：I为林冠截留量(mm)；P为林外降雨量(mm)；Fr为穿透雨量(mm)；Fs为树干茎流量(mm).

1.4 矿质元素测定

本研究采用2018年4月和2018年10月2次观测数据，2次取样216个，共分析样品54个.大气降雨水样用在林间空地上的雨量筒采集，穿透雨水样用在锐齿栎林内放置的集水槽采集，树干茎流水样用锐齿栎林树干茎流样木集水桶采样.水样用蒸馏水清洗干净的玻璃瓶保存，送实验室进行测定.Na、K、Ca、Mg、Fe、Cr、Cu、Ni、Cd、Mn用石墨炉原子吸收光谱(美国PE 900H)测定；B、Ti、Mo、As、Se用等离子发射光谱法(赛默飞X2 ICP-MS)测定；水解氮、亚硝态氮用流动分析仪(德国Seal-AA3)测定；总氮用过硫酸钾消解紫外可见分光光度法(日本岛津UV-1900)测定；总磷用过硫酸钾消解紫外可见分光光度法(日本岛津UV-1900)测定；有效磷用紫外可见分光光度法(日本岛津UV-1900)测定；CODCr用重铬酸钾消解(美国哈希 DRB200)紫外可见分光光度比色法(日本岛津UV-1900)测定.

1.5 数据统计分析

根据采样数据的汇总，应用Excel 2003进行基本数据的处理分析，对降雨分配数据进行数学模型模拟.

2 结果与分析

2.1 不同雨量级林内降雨特征

从表2可以看出，3个生长季共有75次有效降雨过程，总降雨量1 508.22 mm，平均7 d就有一次降雨，平均每次降雨20.11 mm.雨量级以10.1～15 mm降雨最多，占总降雨次数的16.9%.观测期小雨27次(日降雨量≤10 mm)、中雨30次(日降雨量10.1～30.0 mm)、大雨13次(日降雨量30.1～50 mm)、暴雨5次(日降雨量50.1 mm以上)，小到中雨占总降雨次数的74.7%.

对于不同雨量级来说，当林外降雨量>1.8 mm时，穿透雨量(穿透率)和茎流量(茎流率)都随着降雨量的增加而递增，但茎流量较小；林冠截留量也随着降雨量的增加而递增，林冠截留率则随着降雨量增加而递减.大气降雨量<1.8 mm时林内净降雨(穿透水和树干茎流)为0，林冠全部截留大气降雨.经计算分析，林冠截留率与穿透率、树干茎流率呈反方向变化，林冠截留率始终大于树干茎流率.当降雨量<25 mm时，林冠截留率随着降雨量的增加而减小，林冠截留率在38.92%～11.33%之间，变幅较大；当降雨量>25 mm时，随着降雨量的增加，林冠截留率继续减小，减小幅度平缓.当降雨量<20 mm时，穿透率随降雨量的增加而增加，且增加幅度较大；当降雨量>20.1 mm时，随着降雨量的增加，穿透率继续增加，但增加幅度平缓.

表2 不同雨量级林内降雨分配量

2.2 树干茎流

从图1可以看出茎流和大气降雨关系密切，随着大气降雨量的增大，茎流量随之增大，但茎流量占降雨量的比率非常小，且当降雨量<4 mm时，树干不产生茎流；当降雨量达到50 mm时，径流率最大.通过数学模型拟合，幂函数方程表达的回归模型最能反映茎流量与降雨量的关系(图1).

2.3 林冠截留

从图2可知，林分对降雨的截留率与降雨量呈负相关.当降雨<4 mm时，截留率随降雨量的增加下降的幅度较大，林冠对降雨截留效果最明显；在降雨量<10 mm时，林冠截留降水明显，其截留率都达到20%以上，之后随着降雨量增加，截留率继续下降；在降雨量达到18.20 mm时，林冠截留率趋于平缓，此时截留量为2.28 mm，截留率为12.53%，相比10 mm降雨时的截留率，降幅为9.32%.对锐齿栎林冠截留率(y1)、冠截留量(y2)与降雨量(x)进行了拟合，发现呈幂函数关系.

图1 锐齿栎树干茎流量与降雨量的拟合曲线

图2 锐齿栎林冠截留与降雨量的拟合曲线

2.4 穿透雨

由图3可知，穿透率的变化为0～85.5%.当降雨量<1.8 mm时，林冠几乎截留全部降雨，即穿透雨为0；当降雨量为40.8 mm时，穿透雨量为34.29 mm，穿透率达到85.5%.充分表明穿透雨量随降雨量的增大而增加，其穿透率也在增加.对71次降水观测结果进行了曲线拟合，穿透雨与降雨量呈线性关系，穿透率与降雨量呈对数函数关系.

图3 锐齿栎穿透雨量与降雨量的拟合曲线

2.5 矿质元素输入特征

从表3可以看出，大气降雨通过树冠穿透后，矿质元素N、P、K、Ca、Mg、Na、Fe、B、Ni、Cu等出现了明显的增多，而Zn、Se、Cd反而降低.经过树干茎流后N、P、K、Ca、Mg、Fe、Na、B、Cr、Ni、Cu、Mn、Ti等矿质元素比大气降雨中的含量明显增大，其中的N、P、Fe、Cr、Cu、As、Mo、Mn、Ti元素含量大于穿透水中的元素含量.大气降雨通过树干茎流后Zn、Se、Cd的含量有所降低.从整体来看，小陇山林区锐齿栎林分矿质元素平均含量的排列顺序为：穿透雨>树干茎流>大气降雨.

表3 大气降雨、穿透雨和树干茎流矿质元素对比表

据计算，2018年大气降雨输入锐齿栎林中的18种矿质元素的总量为28.43 kg/(hm2·a)，其中矿质元素K输入量最大，占大气降雨输入总量的47.07%，其他占总量比例较大的元素有N(19.78%)、Ca(18.03%)、Mg(6.04%)、Zn(3.94%)、Na(3.66%)、P(1.16%).对于不同雨量级，大气降雨平均穿透率为79.86%，穿透雨输入林内的矿质元素总量为607.83 kg/(hm2·a)，其中占总量比例较大的元素有K(63.04%)、Ca(22.82%)、Mg(6.30%)、N(5.43%)、Na(1.98%).平均茎流率为7.43%，通过树干茎流输入林内的矿质元素总量为26.46 kg/(hm2·a)，其中含量较高的元素有，K(66.12%)、N(13.21%)、Ca(11.02%)、Mg(4.94%)、Na(2.78%)、P(1.65%).

3 讨论与结论

1) 小陇山锐齿栎林的树干茎流量随着大气降雨量的增加而增加.当降雨量达到4.0 mm时，开始产生树干茎流，茎流量所占比率非常小，平均茎流率为7.43%.袁一超等[13]在该林区研究的25 a日本落叶松树干茎流率为0.86%，明显低于本研究站中锐齿栎树干茎流率(7.43%)，这是由于锐齿栎树冠侧枝以40°斜向上生长，树皮光滑纵向开裂，裂沟较深，当树冠茎流由林冠层通过树干汇集的时候，水流很容易通过纵裂沟流下，流速快，树皮对水分的吸收相对较小，所以茎流率较大.

2) 锐齿栎林分对降雨的截留量与降雨量呈负相关.当降雨<4 mm时，林冠截留率为100%；在降雨量在4～10 mm时，林冠截留降水明显，其截留率能达到20%以上；随着降雨量的增加，林冠截留能力逐渐降低.本研究中锐齿栎林冠截留临界值高于日本落叶松25 a林分林冠截留的临界值(0.5 mm)[13]，也高于祁连山青海云杉(Piceacrassifolia)林冠截留临界值(0.8 mm)[18]，与高人等[19]关于林冠饱和截留量(2.75～6.4 mm)的研究结果基本一致.说明锐齿栎林分林冠截留直接影响地表径流的产生，可以减少当地的水土流失.

3) 目前为了准确地体现森林生态系统降雨再分配特征，许多学者用线性相关、幂函数相关、对数函数3种数学模型研究森林降雨分配[20-21].对于锐齿栎林分，在不同雨量级的林内降雨，经曲线拟合，穿透率(y1)、茎流率(y2)、截留率(y3)与降雨级(x)之间存在着明显的幂函数关系(如下)：

y1=64.923x0.113 6(R2=0.825 8，n=13，P<0.001)

y2=1.160 2x0.972(R2=0.951 8，n=13，P<0.001)

y3=41.701x-0.749 2(R2=0.985 1，n=13，P<0.001)

文中对65 a锐齿栎乔木层降雨截留特征进行了初步研究，而有关灌木层、凋落物层的截留降雨的能力还需进一步观测研究.

4) 对于天然林来说，大气降水可能是小陇山锐齿栎林短期内矿质元素输入的最主要途径.2018年大气降雨输入锐齿栎林中的18种矿质元素的总量为28.43 kg/(hm2·a)，含量较高的元素有K(47.07%)、N(19.78%)、Ca(18.03%)、Mg(6.04%)、Zn(3.94%)；根据不同雨量级，大气降雨平均穿透率为79.86%，穿透雨输入林内的矿质元素总量为607.83 kg/(hm2·a)，其中占总量比例较大的元素有K(63.04%)、Ca(22.82%)、Mg(6.30%)、N(5.43%)、Na(1.98%)；平均茎流率为7.43%，通过树干茎流输入林内的矿质元素总量为26.46 kg/(hm2·a)，其中含量较高的元素有K(66.12%)、N(13.21%)、Ca(11.02%)、Mg(4.94%)、Na(2.78%).由此可以看出，大气降雨通过林冠层和树干后，元素K、N、Ca、Mg等出现了养分富集.

5) 从整体来看，小陇山林区锐齿栎林分矿质元素平均含量的排列顺序为：穿透雨>树干茎流>大气降雨，这与陈永瑞[22]对千烟洲试区湿松人工林中降雨对矿质元素淋溶的变化研究结果基本一致.由此可以看出，林冠穿透雨对小陇山林区锐齿栎林营养物质输入量最大，对锐齿栎林分生态系统的功能效益贡献最大，且有效地补充了林地土壤肥力.