山澗口流域2種林分降雨及再分配特征

李聯地，左萬星，忻富寧，任啟文，尤海舟，畢 君

(1.河北小五臺山森林生態系統定位研究站、河北省林業科學研究院，河北 石家莊 050061； 2.河北省小五臺自然保護區管理局，河北 蔚縣 075700)

森林能否增加降水量與森林植被對流域產水量的影響是森林水文學長期爭論的問題，這些爭議說明降雨與森林存在著密切關系，其中在降水的作用下森林的養分在系統內部和系統之間不斷進行交換是一個不爭的事實，每年都有一定的養分隨降雨、降雪和灰塵進入生態系統中，有一部分養分隨著流域徑流流出生態系統[1]；雨水在流經林木葉、枝、干過程中對樹木表層吸附吸滯的大氣顆粒物的洗脫、組織內物質的淋溶[2]及植物組織對離子的吸收3個方面可以加速養分循環和促進植物生長[3]，研究不同森林對于降雨化學特性的作用，對于了解森林植被與水相互作用以及參與流域水文調節過程與機制，不同森林植被對水環境的影響有積極的意義；并且對于適地造林模式的篩選、探索森林生態系統營養循環及凈化水源的作用機制也有重要意義。本文對小五臺山地區山澗口流域落葉松及白樺2種林分在降雨及再分配過程中的水化學特征、營養物質的流轉規律進行研究，以期為今后林分的健康經營和可持續發展提供數據參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區及樣地概況

小五臺山屬太行山余脈，坐標114°47′—115°30′E、39°50′—40°07′N，有亞高山、中山、低山、丘陵、河灘及階地等多種地貌類型；海拔890～2882 m；氣候為東部季風區高寒半濕潤性多雨氣候，四季分明，水熱同季。年均氣溫3～7 ℃，活動積溫為1800～2800 ℃；年均降水量450～620 mm，降水多集中在7—9月，約占全年降水量的55%左右。

白樺林和落葉松人工林是小五臺山典型的植物群落類型，對于維持當地生態環境的穩定發揮著重要作用。選擇地理位置接近的2塊林地作為研究樣地，白樺林樣地伴生植物有山楊、六道木、繡線菊、山刺玫、黑果栒子、毛榛、胭脂花等；落葉松人工林伴生植物有六道木、繡線菊、山刺玫、黑果栒子、毛蓮蒿、藁本等；總體上白樺林林下物種豐富度及數量高于落葉松林。基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

1.2 水樣的采集方法

降雨水樣在空曠地使用3個塑料槽收集；穿透雨水樣采用林內布設3個雨水收集槽的方法收集，放置時水槽上覆蓋一層紗網防止枯枝落葉進入；根據樣地每木檢尺結果，選擇有代表性的落葉松和白樺各3株，使用塑料軟管分別螺旋狀纏繞于樹干的方法收集樹干徑流水樣[4]，落葉松開裂樹皮要削刮平整；取原狀枯落物平鋪于用紗布包裹的3個塑料盆上收集枯落物滲透水水樣，為增加收集量，塑料盆擺放在林窗位置；坡面徑流水樣利用坡面徑流場收集。以上收集的同類水樣混合在一起測量總量。取樣時間為2017年7月13日、7月26日、8 月12日，3次采集水樣進行分析。

1.3 水樣的測定方法

2 結果與分析

2.1 2種林分降雨再分配過程水化學特征分析

表2 降雨及再分配過程中的水化學特征

*：數據為3次測定的加權平均值。

2.2 2種林分再分配過程中離子特征比較

圖1 再分配過程中離子含量差

2.3 2種林分水量分配格局

降雨通過林木的再分配，分為林內降雨、穿透雨、樹干徑流、枯落物滲透水、坡面徑流5部分，其中白樺林穿透雨占降雨量的80.1%，落葉松林穿透雨達到85.7%，具體分配見表3。

白樺林36°坡面徑流5.7%，截留94.3%的降雨量；落葉松林17°坡面徑流4.8%，截留95.2%的降雨量；2種林分雨水截留相差接近1%[13]。本研究沒有36°坡面落葉松林地的徑流，但是參考杜阿朋[14]的研究：在同等降雨條件下，華北落葉松產流量陡坡(25°≤a≤36°)16.5 mm、緩坡(10°≤a≤16°)1.5 mm，可以推測落葉松林在36°坡上產流量要遠高于白樺林，所以在水源涵養功能上，白樺林高于落葉松林。

表3 再分配過程中的水量分配格局 L·m-2

*：為了測算方便，V樹用標準木調查平均值(L·株-1)乘以密度(株·hm-2)換算成統一單位(L·m-2)。

2.4 2種林分降雨再分配過程中土壤層營養物質的流轉

降雨作為營養物質流轉的一個載體，經過再分配過程，最后以坡面徑流的方式將部分物質輸出，這個過程中向土壤輸送營養物質的過程包括林內降雨、穿透雨、樹干徑流及枯落物滲透水，坡面徑流是土壤營養物質的輸出過程[15-18]。結合表2、表3，利用公式：ρ穿=m穿×V穿，式中：ρ穿為穿透雨物質流轉量(mg·m-2)；m穿為穿透雨物質含量(mg·L-1)；V穿為穿透雨量(L·m-2)。計算降雨、樹干徑流、枯落物滲透水、坡面徑流流轉量ρ降、ρ樹、ρ枯、ρ坡。利用凈余量公式：ρ凈=cρ穿+(1-c)ρ降+ρ樹+(ρ枯-ρ降)-ρ坡，式中：凈余量ρ凈為各物質輸入土壤層流轉量的和減去輸出土壤層流轉量的差值(mg·m-2)；c為林地郁閉度(%)；cρ穿為穿透雨林地分配量；(1-c)ρ降為林內降雨分配量[7]；(ρ枯-ρ降)為枯落物滲透水流轉量減去降雨的輸入。計算凈余量結果見表4。

表4 再分配過程中的物質流轉量 mg·m-2

3 結論與討論

有關植被對降水水化學的研究已有較多報道，結果表明植被對水化學的影響與降雨(降雨量、降雨強度、降雨歷時等)、樹種、林分狀況(林冠的干凈程度、郁閉度、樹皮粗糙度等)、大氣狀況等有很大關系[10]。樹干徑流與他人研究差異明顯，主要原因是：華北落葉松的樹皮開裂，很難直接從水體中吸收營養物質，而且本身也含有一定量的養分元素，當被雨水沖刷時就淋洗出可溶性部分，所以元素含量表現為增加(研究收集降雨量比較大的水樣)；降水較少，降雨強度不大，樹皮表面干燥，吸附力大，同時樹皮中存在大量的空氣塵埃，養分元素與塵埃物質形成難溶物質或是大顆粒導致元素含量下降[8]。

研究不足之處是只分析總結白樺林與落葉松林生長旺季的水化學特性，未對整個生長期或年度的特性進行分析說明，今后在可能的條件下要延長調查時段及持續調查，利用多年的數據提高研究的代表性。