北亚热带3 种典型森林群落水文过程中盐基离子年内动态变化特征

康希睿，张涵丹，王小明，陈光才＊

(1. 中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；2. 南京林业大学，江苏 南京 210037)

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 lanc eolata(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。

1 研究区概况

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 superbaGardn. 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。

2 研究方法

2.1 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QYDGHYL 雨量计（上海精密仪器仪表有限公司），记录降水过程，并布设1 台ISC-10 型降水降尘自动采样器（青岛埃仑通用科技有限公司）和3 个5 L 玻璃烧杯，用于收集大气降水。

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养分含量 Table 2 The physi-chemical properties of the surface soil of the sample plots

穿透雨：在3 种森林群落样地区域内随机分散布置3 个面积为0.5 m×0.4 m 的集水槽，距地面40 cm，与水平面保持约5 ～ 10°的倾角，集水槽较低的一端底面角落打孔引流，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，用于测定树干茎流。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，每次降水后记录聚乙烯桶内的水量并取样。

地表径流：在各径流小区底部建立1 m×1 m×1 m 的集水池，用于收集地表径流，地表径流量按照径流小区水平投影面积换算。

研究期为2018 年7 月至2019 年6 月，每月采集降水量大于30 mm（10 月除外）的一次连续降水：大气降水样品混匀后收集3 份，对各样地的穿透雨、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。研究期内共测定12 次降水事件，其中，生长季（3—10 月）共8 次降水，非生长季（11 月至次年2 月）共4 次降水，获得432 份样品。

2.2 水样分析

采集的水样用中速定性滤纸抽滤后，在4℃环境下保存，进行水质化学分析。利用FE28 型pH计（METTLER TOLEDO, Switzerland）测定水样pH 值；利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICPAES，Perkin Elmer Optima 8000，USA）测定样品中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的浓度。

2.3 数据处理

各水文分量中盐基离子的年平均浓度（ C ，mg·L－1）是每个月单次降水后测定的相应水文分量降水量（ Pi，mm) 的加权计算值：

式中： Ci为单场降水后测定的各盐基离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）浓度（mg·L－1），n 为测定的降水次数。生长季降水中盐基离子的平均浓度为2018 年7 月 至10 月 与2019 年3 月 至6 月 共8 次降水样品的水量加权浓度，非生长季降水中盐基离子的平均浓度为2018 年11 月至2019 年2 月共4 次降水样品的水量加权浓度。

林下降水量=穿透雨量+树干茎流量，林下降水中各盐基离子的浓度平均值是单次测定的穿透雨与树干茎流水量的加权平均值[18]。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，无法准确计算树干茎流的收集量，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，则青冈阔叶林树干茎流量统一按照 Pi=3.7 mm 计算。

随大气降水通过森林群落各层次（林冠层、枯落物层和地表层）的Na+、K+、Ca2+、Mg2+总物质通量（F，kg·hm-2）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盐基离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）浓度发生变化，各层次对营养物质的截留量（ ΔF）和截留率计算公式如下：

式中：i 是j 的上一层次降水，Fi和Fj是对应层次各盐基离子的通量， ΔF （截留量）反映 j层次对相邻上层输入降水中盐基离子的截留能力，若为负说明j 层次对该盐基离子呈淋溶作用。

数据分析利用Microsoft Excel 2016 完成，并用Origin 9.0 制图，运用数据处理系统DPS 7.05 进行单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较不同水文分量中盐基离子浓度的差异，采用Pearson 法对因子间进行相关分析，显著性水平设定为α=0.05。

3 结果与分析

3.1 各层次降水中盐基离子浓度的时间变化特征

观测期内，大气降水总量达到2 146 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）。

图1 庙山坞林区2018 年7 月至2019 年6 月大气降水pH 值与降水量动态Fig. 1 Dynamics of pH and precipitation of Miaoshanwu from July 2018 to June 2019

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。

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）。

表3 3 种森林群落不同层次降水特征的平均值 Table 3 Average indicators of rainwater per rainfall at different levels of three forest communities

图2 生长季和非生长季大气降水中4 种盐基离子的浓度动态Fig. 2 Concentration dynamics of four kind of base cations in atmospheric precipitation 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。

3.2 3 种森林群落对Na+、K+、Ca2+、Mg2+的截留特征

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。

图3 毛竹林、杉木林和青冈阔叶林生长季与非生长季穿透雨和树干茎流中4 种盐基离子的浓度动态Fig. 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

图4 毛竹林、杉木林和青冈阔叶林生长季和非生长季枯透水和地表径流中4 种盐基离子的浓度动态Fig. 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

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%。

4 讨论

大气降水是森林生态系统养分输入的主要形式之一[5]，杭州富阳庙山坞林区大气降水中K+和Ca2+的浓度在生长季高于非生长季，这与刘一霖等[19]在四川华西雨屏区的研究规律类似。已有的研究表明，大气沉降的盐基离子能够中和降水中76% 的酸负荷[11]，Ca2+是主要的酸中和剂[20]，在抵御森林生态系统土壤酸化和阳离子流失方面起着重要作用，且降水中Ca2+浓度与降水量显著负相关，K+、Ca2+和Mg2+的输入量与大气降水量显著正相关，降水量会影响降水中盐基离子的输入量[19]，而降水中盐基离子的含量也与降水强度、降水间隔期、降水历时等降水特征密切相关[8]。

表4 3 种森林群落各层次生长季和非生长季对4 种盐基离子的截留 Table 4 Interception and interception rates of four kinds of base cations at different levels of three forest communities

大气降水经森林冠层后形成林内穿透雨和树干茎流，其盐基离子的浓度均有提高，冠层对K+、Ca2+和Mg2+的淋溶率分别超过149.80%、41.25%和88.09%（表4），这与卢晓强等[21]、安思危等[6]对冠层截留盐基离子的研究规律相似，说明降水淋洗林冠层表面的尘埃、盐分等沉积物[22]，成为林内盐基离子的重要来源[23]。Na+、K+、Ca2+和Mg2+参与植物新陈代谢，在叶面或叶表面细胞内相对活跃，易被降水淋溶。研究表明，Mg 元素溶解度较低[6]，林内雨淋溶出的Mg2+含量相对较少，林内各水文分量中Mg2+的浓度增幅较小；K+是易于转移的大量元素，植物表面的K+在雨水作用下易被淋溶[24]，因此，林内降水中K+质量浓度增长幅度最大，且淋溶量随降水量的增大而增大；Na 对促进植物生长起着重要的作用，但从植物组织中浸出的效果不明显[25]，森林群落各层次对来自上一层次的Na+均起截留的作用，这与安思危等[6]在四面山的研究情况一致。同时，林冠特征[7]还会影响穿透雨中离子特征， 通常郁闭程度和叶面积指数（LAI）越高，降水在冠层可以淋洗的物质越多，穿透雨中相应离子的浓度也越高。本研究中，毛竹林和青冈阔叶林的郁闭度和LAI 远高于杉木林，其森林群落内穿透雨中盐基离子的浓度也高于杉木林；另一方面降水与冠层会发生养分交换和林冠吸收的作用[25]，3 种森林群落穿透雨中Na+、Ca2+和Mg2+的浓度在植物生长活跃的生长季偏低，这与刘一霖等[19]研究的结果相同，说明在生长季有更多的养分被林冠层吸收。

枯落物层在涵养水源、保持水土等森林水文过程中具有极为重要的作用[26]。枯枝落叶的降解是导致各离子质量浓度在枯透水中增加的重要原因[27]，而林内降水输入、枯枝落叶的分解及矿化是森林养分从地上部转移到地被物及土壤层的重要内循环途径[28]，共同推动森林养分循环。枯枝落叶经过微生物分解，释放植物自身的K+、Ca2+和Mg2+，使其随林内降水淋溶出来，导致枯透水中K+、Ca2+和Mg2+含量有所增加。此外，相对于非生长季，生长季内的温度、湿度更适于微生物活动，枯落物层的分解也更为彻底[29]，其盐基离子淋溶率更高，更多的盐基离子返还到土壤当中，推动森林养分/物质循环。

Na+、K+是移动性很强的离子[24]，经常会以溶液的形式淋溶流失。研究表明，林内降水在流经土壤表层后Na+、K+和Ca2+离子浓度明显增加，超过穿透雨中相应离子浓度的5 倍多，这与葛晓敏等[22]的报道一致。此外，各盐基离子也呈现出明显的季节变化：非生长季的浓度远高于生长季，一方面试验研究区域非生长季地表径流量远小于生长季，随地表径流溶出的离子浓度相对较大；另一方面，非生长季穿透雨和枯透水中Na+和Mg2+盐基离子的浓度均高于生长季，而地表径流中离子浓度与枯透水显著相关，非生长季枯透水离子浓度增加，地表径流中各离子浓度也相应提高。但整体而言，3 种森林群落的地表层对Na+、K+、Ca2+和Mg2+均表现为截留作用，其中，对Ca2+和Mg2+的截留率超过95.45% 和99.39%，对Na+的截留率相对较低，最低仅为85.00%。

5 结论

通过对3 种北亚热带地区典型森林群落毛竹人工林、杉木人工林和青冈阔叶林内不同层次各水文分量进行为期1 a 的定位观测，研究生长季与非生长季森林降水的浓度与通量变化规律发现：

（1）森林群落在改善水质、调节养分循环等方面具有重要作用，森林群落的不同层次对盐基离子的影响各异，其中，林冠层和枯落物层对K+、Ca2+和Mg2+有强烈的淋溶作用，淋溶率为5.54% ～355.56%，是林内盐基离子的重要释放源，杉木林枯落物层的离子淋溶作用最强；地表层对各盐基离子均表现为截留作用，截留率超过85%。

（2）经输入（降水）与输出（地表径流）的对比可知，各森林群落对Na+和Mg2+的截留率较低，对Ca2+和K+截留率较高，超过91.34%，其中，青冈阔叶林的截留能力最强，截留率超过94.7%，毛竹林和杉木林次之，截留率分别超过81.37% 和69.85%。

（3）降水内各盐基离子浓度呈现明显的季节动态，主要表现为其在非生长季的浓度高于生长季，但地表层对离子的截留能力在不同生长季节差异不明显，即3 种森林群落对不同季节降水中盐基离子的截留能力相近。总体而言，季节差异并未影响研究区3 种森林群落对盐基离子的调控能力，各森林群落能够维持正常的养分循环，保证森林出水水质的稳定与安全。