大興安嶺北部森林流域內積雪與融雪徑流化學特征*

朱賓賓 滿秀玲 孫雙紅 張紅蕾 孫旭

（1.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.呼倫貝爾市林業科學研究所，內蒙古海拉爾 021000；3.呼倫貝爾市產品質量計量檢測所，內蒙古海拉爾 021000）

大興安嶺北部森林流域內積雪與融雪徑流化學特征*

朱賓賓1,2滿秀玲1*孫雙紅2張紅蕾2孫旭3

（1.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.呼倫貝爾市林業科學研究所，內蒙古海拉爾 021000；3.呼倫貝爾市產品質量計量檢測所，內蒙古海拉爾 021000）

采集2015年3月16日最大積雪期流域內積雪樣品和2015年4～5月河川融雪徑流樣品，分析其離子質量濃度特征，結果表明：1）森林流域內積雪離子質量濃度從大到小依次為(5.91 mg/L)(5.15 mg/L)、Cl-(1.90 mg/L)、K+(1.16 mg/L)(0.96 mg/L)、(0.89 mg/L)(0.33 mg/L)和Mn(0.011 mg/L)，其中樟子松林對積雪離子濃度影響最大，白樺林次之，興安落葉松林最小。2）河川融雪徑流中離子成分以和為主，二者占78.50%左右，融雪徑流和K+相對流域積雪表現為淋失型遷移，其中的遷移量最大，遷移系數為15.84，而和Mn則表現為內貯型遷移。

大興安嶺；森林流域；雪化學；積雪；融雪徑流

我國東北、內蒙古高原以及青藏高原都有廣袤的季節性積雪分布，尤其大興安嶺北部林區冬季降水主要以雪的形式為主，負溫期長達5個月之久[1,2]，加之林區茂密的植被以及深厚的枯枝落葉等有利條件，使其成為天然的蓄水庫與營養庫[3,4]，林內積雪除了可以防止土壤凍結過深而傷害樹木根系以及保護幼樹越冬等作用外，春季遇到一定的氣候條件便形成冰雪融水，所引起的水文效應對春季植物萌動提供有效的水分與養分，可有效緩解林木春季生長期干旱和缺乏營養物質等問題的發生[5,6,7]。融雪徑流作為積雪養分[6]釋放的主要方式，積雪養分的釋放過程會因淋融土壤[7]、枯枝落葉或被生物分解、吸收而發生變化，因此積雪在森林生態系統能量和物質循環中具有重要作用。大興安嶺作為我國唯一的高緯度寒溫帶林區[2]，在維護東北地區生態平衡具有舉足輕重的地位，本文以大興安嶺北部森林流域為研究對象，研究冬季降雪、不同林型內積雪及河川融雪徑流化學特征，為寒區森林生態系統雪生態功能的評估提供科學依據。

1 采樣地點與研究方法

1.1 采樣地點與立地條件

采樣地點設在老爺嶺流域，位于漠河縣北極村漠河林場內，該流域面積22.22 km2，地形為2山夾1溝，坡度在12°～25°之間。研究區為多年連續凍土區，屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長、嚴寒，夏季短促、涼爽，秋季降溫迅速，常有凍害發生。5～6月份為旱季，7～8月份為汛期，年平均氣溫-4.9℃，年降水量350～500 mm，多集中于7～8月份，降雪量占年降水量的10%～20%，集中在11月～翌年2月，太陽輻射總量平均為96～107 kcal/cm2·d。土壤以棕色針葉林土為主，局部地帶有草甸土和沼澤土，流域內主要分布有興安落葉松(Larix gmelinii)林、山楊（Populus davidiana）林、白樺（Betula platyphylla）林和樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)林，沿河分布有喬木沼澤和草本沼澤濕地，還有少量的草甸植被。

1.2 樣品采集與處理

結合地形圖進行實地考察，于老爺嶺流域內選取興安落葉松林、白樺次生林和樟子松林3個林型，在各林型內分別設置20m×30m的樣地，在2015年3月16日最大積雪期，分別在上述3塊樣地內多點采集積雪樣品。2015年4月16日～5月9日定期采集森林流域下游的溪流水樣。積雪樣品均采用一次性塑料保鮮袋收集，溪流樣品采用蒸餾水處理過的采樣瓶進行采取，積雪樣品帶回室內自然融化的水樣以及溪流水樣，經孔徑0.45μm水溶性微孔濾膜過濾后存儲于100 mL試劑瓶，放入-15℃冰箱內進行冷藏，過濾后的樣品結成冰塊后放入保鮮箱內，分批次送回東北林業大學濕地綜合實驗室進行化學分析。和Mn的質量濃度經由原子吸收分光光度計（德國耶拿）火焰法測定的質量濃度通過離子色譜儀（瑞士）進行測定，水樣均重復測定3次，重復間差異過大時增加重復次數，剔除明顯不合理者取均值。

2 結果與分析

2.1 流域內積雪化學特征

攜帶離子的降雪對下墊面而言是一種有效的養分輸入過程,然而降雪在通過不同森林生態系統時，不同林型的林冠對降雪的截留量以及截留時間不同，截留的降雪或吸附林冠的干沉降和空氣中的膠體顆粒，或進行蒸發升華，在風力及自重作用下落入林下，使林下積雪某些離子濃度發生改變。

2.1.1 不同林型內積雪陰離子濃度特征

對不同林型內的積雪進行取樣分析，結果表明：不同林型內積雪陰離子Cl-質量濃度從大到小依次為樟子松林（2.32mg/L）、白樺次生林（1.81mg/L）和興安落葉松林（1.58 mg/L）為樟子松林（5.79 mg/L）、白樺次生林（4.97 mg/L）和興安落葉松林（4.68 mg/L）為樟子松林（6.54 mg/L）、白樺次生林（5.68 mg/L）和興安落葉松林（5.51 mg/L），為樟子松林（1.05mg/L）、白樺次生林（0.87mg/L）和興安落葉松林（0.75 mg/L），由此看出，郁閉度最大的樟子松林內積雪陰離子含有量最大，原因可能是樟子松作為常綠針葉樹種，林冠可反射更多的太陽輻射，林下所形成低溫環境有利于積雪養分的累積[3]。白樺次生林冬季郁閉度幾乎為零，加之外界對林內積雪養分輸入影響較大，以致白樺次生林內積雪的離子含量介于上述二者林型之間。

2.1.2 不同林型內積雪陽離子濃度特征

圖1 不同林型內積雪陰離子濃度特征

除了Mn外，不同林型內積雪陽離子質量濃度從大到小依次表現為樟子松林、白樺次生林和興安落葉松林，其中質量濃度從大到小依次為小樟子松林（1.19 mg/L）、白樺次生林（0.92 mg/L）和興安落葉松林（0.78 mg/L）為樟子松林（0.41 mg/L）、白樺次生林（0.31 mg/L）和興安落葉松林（0.28 mg/L），K+為樟子松林（1.36 mg/L）和白樺次生林（1.15 mg/L）和興安落葉松林（0.99 mg/L），原因可能是樟子松對降雪的截留量較大，被截留的降雪在落入林內過程中，會吸附更多樹冠灰塵，白樺次生林透風系數較大，對積雪進行養分再次輸入，使源于巖石風化的陽離子的質量濃度明顯高于興安落葉松林，而Mn質量濃度從大到小依次為白樺次生林（0.13 mg/L）、樟子松林（0.11 mg/L）和興安落葉松林（0.092 mg/L）。由此看出，樟子松林內積雪質量濃度最大，白樺次生林次之，興安落葉松林內積雪離子濃度最小。方差分析結果表明，不同林型內積雪中和Mn無顯著差異顯著性水平(P＜0.05)，而達到極顯著水平(P＜0.01)。終上所述，樟子松林內積雪可吸附更多的陸源性鹽類，減弱陰離子的揮發，而白樺次生林對積雪化學特征的影響次之，興安落葉松林最弱，由此看出大興安嶺北部不同林型對積雪養分的積累起著互補作用。

2.2 流域內融雪徑流化學特征

林內積雪隨著氣溫的回升而融化，產生的融雪徑流逐漸匯入河川，溪流化學的本質反映著森林流域生態系統行為特征和系統結構，融雪徑流中離子質量濃度從大到小依次為(15.21 mg/L)、(2.24 mg/L)、(0.38 mg/L)和Mn(0 mg/L)。融雪徑流形成過程中，因融雪徑流初期流速緩慢[5]，土表進行反復的凍融循環，融雪徑流接觸地表時間較長等原因，融雪水會攜帶土壤中大量離子釋放到溪流中，加之積雪中80%的化學物質將于融雪徑流峰值前期會集中排出[8]，導致融雪徑流初期溪流離子質量濃度相對較高，溪流離子質量濃度于4月18日前后分別達到峰值(圖4)。

圖2 不同林型內積雪陽離子濃度特征

隨著氣溫的升高，地表徑流匯入河川的速率逐漸加快，融雪徑流與土壤接觸時間縮短，加之林內積雪含量減少，致使河川融雪徑流中的離子質量濃度呈下降規律，其中的質量濃度降幅最大，由4月16日的1.33 mg/L波動減小到5月2日的0.13 mg/L，降幅高達90.47%，陽離子中的變化量也較大，降幅分別為70.56%和62.51%，而降幅最小，由4月16日的1.34 mg/L波動減小到5月2日的1.16 mg/L，降幅僅為12.87%。隨著季節性凍土融化深度的加大，春季降雨的發生，壤中流會淋融更多土壤化學元素等原因，河川融雪徑流中化學元素的質量濃度呈不同幅度的上升規律，其中質量濃度漲幅最大，由最小值7.52 mg/L波動增加到5月9日的20.59 mg/L，增加了1.74倍，次之，由最小值0.13mg/L波動增加到5月9日的0.61 mg/L，增加了1.66倍最小，由最小值1.16 mg/L波動增加到5月9日的1.41mg/L，僅僅增加了0.21倍。

2.3 流域內雪水化學成分的變化

大興安嶺北部河川融雪徑流是森林流域內積雪融化后的地面輸出水，若以融雪徑流化學成分輸出量與林內積雪學成分儲存量的比值（遷移系數）為平衡界限[9]，比值若小于1，則河川融雪徑流中的化學成分相對于積雪為內貯型，即積雪中部分離子在森林生態系統內被吸收貯存，若大于臨界值，則為淋失型，即融雪徑流侵蝕土壤而增加了融雪徑流化學成分含量，使輸出含量大于儲存量。大興安嶺春季林內積雪所形成的融雪徑流中4種離子表現為淋失型，分別是遷移系數依次為15.84、3.79、2.04和1.93，說明冬季降雪和春季融雪徑流對林冠層、植物凋落物以及土壤具有較強的淋溶作用，尤其對陽離子的淋溶能力較強，其中對的淋溶遷移能力最強。而陰離子和Mn表現為內貯型，遷移系數均小于1，遷移系數分別0.57、0.43、0.35和0，說明冬末春初森林生態系統對積雪所形成的融雪徑流中的陰離子具有較強的吸附能力。

圖3 融雪徑流化學特征

表1 融雪徑流相對積雪化學濃度的遷移量和遷移系數

3 結論與討論

3.1 冬季大興安嶺北部高寒地區，林內積雪幾乎不融化，降雪養分以及沉降在積雪層中的雜質可累積保留到春季，研究發現流域內積雪離子質量濃度從大到小依次為(0.33 mg/L)和Mn(0.011 mg/L)。然而受不同林型對降雪的截留量以及削減風沙輸入量不同等多重原因，導致樟子松林內積雪對離子富集量最大，對Mn的涵養能力也僅次于白樺次生林，而興安落葉松林對積雪養分的涵養能力最弱，白樺次生林居中，說明在林內積雪養分涵養方面，流域內的樟子松林、白樺次生林對地帶性植被興安落葉松林是一種有效彌補，但如何對森林生態系統進行最優配置，使流域內積累更多冬季降雪養分，仍有待進一步研究。

3.2 春季隨著氣溫回升積雪逐漸融化，林內積雪養分含量會伴隨融雪水滲出雪層而發生變化，融雪徑流形成過程融雪水與枯落物層、土壤表層直接接觸，隨著植被逐漸萌動，植被對液態水的吸收等一系列的生理作用，致使融雪徑流養分含量發生變化。河川融雪徑流中離子含量從大到小依次為(0.38 mg/L)和Mn(0 mg/L)，其中陽離子為主，這一結果與李華[11]等對涼水國家級自然保護區溪流水化學的研究一致。受融雪徑流速率、流域積雪含量、凍土解凍深度以及春季降雨的影響，融雪徑流中離子質量濃度均表現出“先減小后增大”的規律，其中和質量濃度變化較劇烈的變化量最小。融雪徑流中表現為淋失型，其中的流失量最大，遷移系數高達15.84，大興安嶺北部生態系統對融雪徑流養分具有一定的貯濾功能[13]，其中對和Mn的吸收吸附能力較強，致使溪流中上述離子含量相對積雪有所減小。

［1］常娟，王根緒，高永恒，等.青藏高原多年凍土區積雪對沼澤、草甸淺層土壤水熱過程的影響［J］.生態學報，2012，32(23)：7 289-7 301.

［2］劉海亮，蔡體久，閆麗，等.不同類型原始紅松林對降雪融雪過程的影響［J］.水土保持學報，2010，24(6)：24-27+ 31.

［3］關俊祺，蔡體久，滿秀玲.小興安嶺不同類型人工林積雪化學特征［J］.北京林業大學學報，2013(4):41-46.

［4］李杰，王曉輝，蔡體久，等.西溝水庫流域融雪效應［J］．東北林業大學學報，2002，30(2):69-72．

［5］李華，蔡體久，盛后財，等.涼水自然保護區雪化學特征分析［J］.水土保持學報，2008(2):107-110+165.

［6］張國春，劉琪璟，徐倩倩，等.長白山高山苔原帶雪斑地段牛皮杜鵑群落的土壤氮礦化與凈初級生產力［J］.應用生態學報，2010(9):2 187-2 193.

［7］殷睿，蔣先敏，徐振鋒，等.季節性雪被對川西亞高山岷江冷杉林冬季土壤氮礦化和淋溶的影響［J］.水土保持學報，2013(5):138-143.

［8］李華，盛后財，武秀娟，等.涼水國家級自然保護區溪流水化學特征分析［J］.中國水土保持科學，2007(6):70-75.

［9］羅韋慧,滿秀玲,田野宏,等.大興安嶺寒溫帶地區森林流域溪流水化學特征［J］.水土保持學報，2013(5):119-124.

第1作者簡介：朱賓賓（1991-），男，碩士研究生，工程師，研究方向為荒漠化防治與森林水文。

（責任編輯：張亞楠）

Chemical Characteristics of Snowpack and Snowmelt-runoff in Forest Watershed in Northern Region of Greater Xing，an Mountains

ZHUBinbin
（Northeast Forestry University,HeilongjiangHarbin150040）

In order to reveal characteristics of snow-chemistry in forest-watershed in boreal，the samples of snowpack in forest-watershed and snowmelt-runoff in stream were collectedduring March 2014 to May 2015 in the northern region of Greater Xing，an Mountains,weanalysed the ion-concentrations of all samples to provide scientific basises for correctly evaluating water-conservation function of forest-ecosystem in boreal. The results were shown as the followings:1)In forest watershed,the concentration of snowpack-ions from large to small was consecutively(5.91 mg/L)(5.15 mg/L)(1.90 mg/L)、(1.16 mg/L)、(0.96 mg/L)(0.89 mg/L)、(0.33 mg/L)and Mn(0.011 mg/L),and different forest types had different influences on the chemical-characteristics of snowpack in forest-ecosystem,Pinus sylvestris forest was the largest,Birch forest was second,and Larix gmelini forest was the least.2)The concentration ofandin all ions of snowmelt-runoff was the largest,the two accounted for about 78.50%,andshowed leaching-migration,migration quantity ofwas the largest,migration coefficient was 20.01, however,and Mn showed internal storage migration.

Greater Xing′an Mountains;Forest watershed;Snow chemistry;Snowpack;Snowmelt-runoff

S717.1,S714.7

A

1001-9499（2016）06-0053-04

滿秀玲（1964-），女，教授，主要從事水土保持研究工作。

2016-09-20

*國家自然科學基金項目（31370460）