北亚热带3种典型森林群落对降水中氮、磷、硫的截留及分配特征

康希睿,张涵丹,王小明,陈光才

中国林业科学研究院亚热带林业研究所, 杭州 311400

工业化及交通运输快速发展导致大量有害物质随烟气排放进入到大气中,大部分污染物质通过大气运动,以干沉降或湿沉降的方式返回到陆地。大气降水携带的氮、磷、硫等营养物质,是陆地生态系统尤其是森林生态系统的主要养分来源之一[1]。这些营养物质可以直接被植物吸收利用[2-4],促进植物生长和养分循环,为森林生态服务功能的发挥提供营养补充[5-6]。另一方面,大气中过量的游离态物质、气溶胶、粉尘等污染物进入地表,成为河流[7]、湖泊[8]、农田[9]污染的重要来源,导致水体富营养化、土壤酸化和生物多样性降低等一系列生态环境问题[8,10-11]。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省杭州市富阳区庙山坞试验林场(119°56′E—120°02′E、30°03′N—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的一部分。该区属北亚热带季风气候区,四季分明,降水充沛。年平均降水量1441.9 mm,全年降水日数为160 d左右,雨量季节分配不均。年平均气温16.1℃,极端最高气温40.2℃,极端最低气温-14.4℃。年平均日照时数1995 h,年平均日照百分率44%。地质类型属志留系、泥盆系地质,土壤类型是酸性红壤土[19],土层中石块较多。区内水系直接外流注入富春江,属钱塘江水系富春江段。林区主要的人工林有毛竹林(Phyllostachyspubescens)、杉木林(Cunninghamialanceolata)等,天然林有针阔混交林和以青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)(占比45%左右)、木荷(Schimasuperba)(占比25%左右)为主的天然常绿、落叶次生林等。

本研究选择毛竹人工林、杉木人工林和青冈栎为主的天然阔叶次生林(青冈阔叶林)等3种典型森林群落作为研究对象,分别建立2个水平投影面积10 m×20 m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。

表1 研究样地的基本特征Table 1 The basic characteristics of sample plots

表2 研究样地表层土壤的理化性质Table 2 The physicochemical properties of the surface soil of the sample plots

1.2 监测设施布设与样品收集

大气降水：在研究区林外空旷处布设1台QY-DGHYL雨量计(中国,上海精密)记录降水过程,并在周边配备1台ISC-10型降水降尘自动采样器(中国,青岛埃仑)和3个5 L玻璃烧杯用于收集大气降水。

穿透雨：在3种森林群落样地内随机布置3个面积为0.5 m×0.4 m的集水槽,距地面40 cm,与地面保持约5°的倾角,集水槽较低的一端底部开口,用PVC塑料管连接至25 L塑料桶中,用于收集林内穿透雨。同时,在集水槽附近布置1台自记式雨量计用于记录穿透雨发生过程。

树干茎流：在3种森林群落样地内,通过每木检尺,选择3株标准木,将直径约2.0 cm 的聚乙烯塑料软管沿中缝剖开,从树干1.5 m高处自上向下蛇形缠绕一周半后引流至50 L塑料桶中,用于收集树干茎流。单株和林分的树干茎流量依据林冠投影面积进行换算。

枯透水：在3种森林群落样地内随机选择3个样点,将 0.2 m×0.2 m 的地表枯落物按原状整体移放在纱布滤网上,放置在直径24.0 cm的聚乙烯桶上,每次降雨后记录聚乙烯桶内的水量并取样。

地表径流：在径流小区下端建立1 m×1 m×1 m的集水池,地表径流量按照径流小区投影面积换算。

研究期为2018年6月—2019年5月,于雨后采集水样：大气降水样品混匀后收集3份,各样地的穿透雨、树干茎流、枯透水和地表径流分别采样,每个收集器内采集300 mL样品,记录体积后立即带回实验室进行水质分析。研究期内每月收集一次典型降水,共测定12次降水事件,获得432份样品。

1.3 水样分析

1.4 数据处理

水样中各化学指标的年均浓度(C,mg/L)是每月单次降雨后测定的相应水量(Pi,mm) 的加权计算值：

式中,Ci为单场降雨后测定的各物质的浓度(mg/L),n为测定的降雨次数[16]。

林下降水量=穿透雨量+树干茎流量,其各类氮(N)、磷(P)、硫(S)的浓度平均值是单次测定的穿透雨与干流水量的加权平均值[16]。由于青冈阔叶林中树干茎流的收集桶(50 L)内水样多次装满/溢出,无法准确计算收集量,因此假设每株青冈收集到的树干茎流总量最大值为50 L,而3株青冈标准木的平均林冠投影面积为7.4 m2,则青冈阔叶林平均树干茎流量统一按照Pi=3.7 mm计算。

随着降雨过程通过森林群落各个层次(林冠层、枯落物层和地表层)的N、S和P的总物质通量(F,kg/hm2)计算公式如下：

大气降水在通过森林不同层次时不仅水量发生变化,也会因吸附、洗脱、交换等作用导致降水中的营养盐(N、S、P)浓度发生变化,各层次对营养物质的截留量和截留率计算公式如下：

ΔF=Fi-Fj

式中,i是j的上一层次降水,ΔF截留量是Fj层次对相邻上层输入通量的影响。

数据分析用Microsoft Excel 2016完成,用Origin 9制图,运用数据处理系统DPS 7.05进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同层次降水pH值的变化

从表3和图1可以得知,研究区全年大气降水pH在4.50至7.28之间变化,年均pH是5.88,其中,秋冬季节(9月—次年2月)大气降水酸性较强,pH值平均为4.96,酸性最强的降水出现在2月,pH达到4.50；春夏季节(6—8月、3—5月)降水偏中性,平均pH为6.74,最大值在8月,为7.28。

图1 3种森林群落不同层次降水pH的动态变化Fig.1 Dynamic changes of the rainwater pH at different levels of three forest communities

表3 3种森林群落不同层次降水次均结果Table 3 Average indicators of rainwater per rainfall at different levels of three forest communities

3种森林群落穿透雨的pH值在6.64—6.73之间,穿透雨的pH值在群落之间无明显差异,并且不随大气降水pH的改变而变化,秋冬两季酸性降水经过林冠层后pH明显提高,升高幅度达到1.68—1.97,而春夏两季森林内穿透雨pH未有显著变化。降水沿枝叶汇集到树干形成树干茎流,与穿透降雨相比,3种群落的树干茎流pH值均降低,毛竹林、杉木林、青冈阔叶林的树干茎流pH值分别减少1.46、2.99、0.88,其中杉木林中穿透雨和树干茎流的pH差异达显著性水平(P< 0.05)。与穿透雨相比,林内枯透水的pH值小幅降低,毛竹林、杉木林、青冈阔叶林分别减少0.12、0.28、0.58。

2.2 不同层次降水无机N的浓度变化

图2 毛竹林、杉木林、青冈阔叶林不同层次降水中质量浓度动态变化Fig.2 Dynamic changes of rainwater concentrations at different levels of P. pubescens plantation,C. lanceolata plantation, and Broadleaf forest of C.glauca

2.3 不同层次降水的TP和浓度变化

图3 毛竹林、杉木林、青冈阔叶林不同层次降水中TP和质量浓度动态变化Fig.3 Dynamic changes of rainwater TP and concentrations at different levels of P. pubescens plantation, C. lanceolata plantation, and Broadleaf forest of C. glauca

2.4 3种森林群落对N、P和S的截留特征

表4 3种森林群落各层次对氮硫磷的截留Table 4 Interception and interception rates of nitrogen, phosphorus and sulfur at different levels of three forest communities

3 讨论

3.1 大气降水特征

3.2 森林冠层的截留分配作用

3.3 森林群落内枯落物层的淋溶作用

3.4 森林群落地表层截留净化作用

4 结论