城市樟子松人工林降雨分配过程中养分变化特征1)

薛婷 盛后财 石磊

(东北石油大学，大庆，163318) (东北林业大学) (大庆市规划建筑设计研究院)

森林冠层对降雨的截留分配，不仅改变了进入森林内降雨量的空间分布[1]，对森林生态系统水循环起着重要作用[2]，而且随着降雨与林冠层的接触而改变雨水化学特征，影响森林生态系统的生物地球化学循环[3-4]。随着全球气候变化的加剧，降水量的变化必将变得越来越频繁、剧烈。降水方式的变化可能会影响森林生态系统的养分循环[5]。因此，全面认识和了解降水与养分循环之间的关系，对探索森林生态系统涵养水源、净化水质的作用机理，量化区域森林的生态系统服务功能价值意义重大[6]。

大气降水中养分的输入是森林生态系统养分的重要来源。在养分受限区域，降水可能是养分输入的唯一来源，并且能够影响森林群落的生长和演替[3，5]。近年来，森林降水化学特征的研究已成为国内外森林水文学和生态学研究的重点[7-10]。以往的研究主要针对不同区域、不同类型天然林而开展[4，11-12]，虽然部分人工林生态系统的降水分配和水化学也进行了一定初探[13-15]，但对我国东北林区森林的水化学研究缺乏探讨，特别是对复杂、多变环境下的城市人工林生态系统降雨分配过程养分通量变化特征鲜见报道[11，16]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)耐干旱贫瘠且适应性强，被列为三北防护林重点工程重要树种。其形成的群落防风固沙、改良土壤水分与养分效果显著[17-18]，对控制沙地、保护农田起到重要作用[19]。作为固碳、治沙的主要植被，樟子松人工林生态水文过程的研究较少，且集中于土壤[17，20-21]、枯落物层[22]水文功能的研究，对降雨截留过程水化学变化的研究很少[16]，目前，仅在黑龙江省东部山地进行了少量报道[23]，但对樟子松林降雨分配过程的养分通量特征尚不完全明晰，因此，对樟子松林降雨分配过程各分量水化学特征的测定就十分必要。基于此，本研究以东北林业大学城市林业示范研究基地樟子松人工林为研究对象，通过对其大气降雨、穿透雨和树干径流的定位观测和养分质量浓度分析，探讨城市环境中樟子松人工林生态系统伴随降雨的养分循环过程的基本规律和特征，以期为该林分的养分管理及其净化水质功能提供参考依据和基础数据。

1 研究区概况

本研究于2015年生长季(5—9月份)在东北林业大学城市林业示范研究基地(126°37′15″E；45°43′10″N)的樟子松人工林内开展。示范基地位于哈尔滨市区，占地面积为44 hm2，其中樟子松人工林面积约为0.5 hm2(70 m×70 m)。哈尔滨市属温带大陆性季风性气候，多年平均气温3.5 ℃，多年平均降水量500.1 mm，且集中在6—8月份，占全年总降水量的60%～70%，多年平均水面蒸发量726 mm，其他气候条件详见文献[24]。

樟子松人工林是1957年用2年实生苗穴状定植形成。据2013年调查数据显示，樟子松林平均树高为17.5 m，平均胸径20.1 cm，林分密度1 140株·hm-2，蓄积量为159.2 m3·hm-2。经60多年抚育和管护，林分郁闭度0.80以上，林下有水曲柳(Fraxinusmandshurica)、黄檗(Phellodendronamurense)、家榆(Ulmuspumila)等幼树和幼苗，灌木主要为金银忍冬(Loniceramaackii)和乌苏里鼠李(Rhamnusussuriensis)，草本植物主要为苦荬菜(Ixerispolycephala)。

2 研究方法

2.1 大气降雨、穿透雨和树干径流量的测定及样品收集

大气降雨：利用距观测样地150 m处楼顶平台上设置的翻斗式雨量计(HOBO RG3-M)和3个自制雨量筒(直径20 cm，截面积为314.16 cm2·筒-1；下同)获取大气降雨量数据，并于每次降雨后快速收集大气降雨样品，以备大气降雨水化学分析。

穿透雨：在樟子松人工林中心区域设置20 m×20 m的观测样地，以样地中心点为中心，十字交叉布设13个自制雨量筒(同上)，同一方向相邻雨量筒间距2 m，雨量筒距离地面不低于50 cm，以避免小灌木及草本的影响。每次降雨结束立即测定雨量筒内雨水体积(mL或cm3)，并换算成深度(mm)。穿透雨深度的算术平均值即为样地穿透雨量(mm)。在测定穿透雨的同时，收集穿透雨样品以备水化学特征分析。

树干径流：由于人工林内树木胸径相近，因此根据平均胸径选择5株典型(非优势木或被压木)樟子松作为标准木观测树干径流。树干径流观测设施制备及安装详见文献[24]。每次降雨后立即测定树干径流体积(mL或cm3)，并结合林冠投影面积算树干径流深(mm)。树干径流深的算术平均值与样地内樟子松的株数的乘积即为样地树干径流深(mm)。在测定树干径流的同时，收集树干径流样品以备水化学特征分析。

2.2 样品处理及水化学分析

2.3 数据处理

养分质量浓度计算：大气降雨、穿透雨、树干径流的质量浓度计算公式如下：

式中：C代表大气降雨、穿透雨或树干径流中养分的质量浓度(mg·L-1)；Ci为单次降雨后测定的平均质量浓度(mg·L-1)；Pi为对应降雨事件的大气降雨、穿透雨或树干径流量(mm)；n为生长季内降雨事件次数。

养分输入量计算：大气降雨、穿透雨和树干径流的养分输入量，可按下式计算：

F=C·P/100。

式中：F代表大气降雨、穿透雨和树干径流的养分输入量(kg·hm-2)；C为养分质量浓度(mg·L-1)；P为大气降雨、穿透雨或树干径流的总水量(mm)。

其他相关计算如下[9]：淋溶系数=穿透雨或树干径流中养分质量浓度/大气降雨中养分质量浓度；净淋溶量=穿透雨养分输入量+树干径流养分输入量-大气降水养分输入量；净淋溶沉积比=净淋溶量/大气降雨养分输入量。

3 结果与分析

3.1 大气降雨的养分特征

表1 不同时期大气降雨、穿透雨和树干径流中养分质量浓度

3.2 穿透雨的养分特征

3.3 树干径流的养分特征

3.4 大气降雨的淋溶效应

表2 穿透雨和树干径流各养分的淋溶系数

3.5 樟子松人工林养分输入特征

表3 生长季樟子松人工林养分输入情况

4 结论与讨论