寧夏六盤山4種典型森林伴隨降水的無機氮通量變化特征

楊麗麗,邢元軍,王彥輝,文仕知,李振華

1 中南林業科技大學林學院,長沙 410004 2 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,國家林業局森林生態環境重點實驗室,北京 100091 3 國家林業和草原局中南調查規劃設計院,長沙 410014

1 研究區與樣地概況

研究地點位于寧夏南端的六盤山自然保護區的香水河小流域,地理坐標為109°9′—109°30′E,35°15′—35°41′N。香水河小流域屬黃河二級支流涇河的源區,海拔范圍2060—2931 m。該區屬暖溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫5.8℃,年降水量600—800 mm。小流域內森林茂盛,植被良好,森林覆蓋率達72.9%,以天然次生林居多,主要樹種為：華山松(PinusarmandiiFranch.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、紅樺(Betulaalbo-sinensisBuck.)、遼東櫟(QuercuswutaishanicaBlume)、山楊(PopulusdavidianaDode)等；人工林主要為華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)和油松(PinustabulaeformisCarr.)純林；灌叢以野李子(Prunussalicina)為主；亞高山草甸群落分布在海拔2700 m以上。區內成土母質為頁巖、沙質泥巖、灰巖風化的坡積物和殘積物,土壤以灰褐土為主。

本文選擇了在小流域內具代表性的4種植被類型作為研究對象,即華山松次生林、樺木次生林、華北落葉松人工林及野李子灌叢。在洪溝子流域分別建立了3—4個面積30 m×30 m的華山松林、樺木林和華北落葉松林固定樣地,在草溝子流域建立了3個面積20 m×20 m的野李子灌叢樣地。華山松次生林中混生有少量紅樺和白樺,林下植被數量較多,主要有榛(CorylusheterophyllaFisch. ex Trautv.)、忍冬(LonicerajaponicaThunb.)、冰草(Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.)、峨嵋薔薇(RosaomeiensisRolf)、苔草(Carexspp.)等。樺木次生林樣地由白樺和少量紅樺組成,林下植被也較多,主要有箭竹(FargesiaspathaceaFranch.)、榛、三裂繡線菊(SpiraeatrilobataLinn.)、小葉丁香(SytingamicrophyllaDiels)、忍冬、菝契(SmilaxchinaL.)蕨(Pteridiumaquilinmm(Linn.) Kuhn var. latiusculum (Desv.) Underw. ex Heller)等。華北落葉松人工林樣地林下植被較少,灌木主要有黃刺玫(RosaxanthinaLindl.)、華西箭竹(Fargesianitida(Mitford) Keng f. ex Yi)等,草本主要有蕨、華北苔草(CarexhancokianaMaxim.)等。野李子灌叢樣地的林下草本主要由冰草(Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.)組成,數量較多。各樣地基本特征見表1,土壤理化性質見表2。

表1 研究樣地的立地和植被基本特征

*野李子灌叢樣地的“平均胸徑”和“平均樹高”欄目中數據為野李子灌叢的“地徑”和高度

2 研究方法

2.1 水樣的采集與測定

在2011年生長季(5月24日至10月20日),連續監測了4種樣地的林外降雨、穿透水、干流、枯落物滲漏水和土壤層滲漏水動態并采集樣品。

林外降水量和降水過程用自動氣象站(美國,Weatherhawk公司)配合虹吸式自計雨量計和標準雨量筒測定,同時用3個內徑20 cm的自制雨量筒收集林外降水樣品。穿透水的測定和收集是在4種樣地內選擇代表性地點,在距地面20 cm的高度,華山松和樺木林樣地分別隨機布設9個雨量筒,華北落葉松林樣地隨機布設12個雨量桶,野李子灌叢樣地隨機布設6個雨量桶,每次雨后測定水量并取樣。

表2 典型森林樣地0—100 cm土層的土壤理化性質

干流的測定和收集是按林木徑級標準,在華山松、樺木和華北落葉松樣地內分別選擇6棵林木,野李子灌叢選擇5棵樣木,用聚乙烯塑料軟管從樹干2 m高處自上向下蛇形纏繞后引流至開口密封的塑料容器。每次雨后測定容器內水量并采樣,單株和林分的干流深依據林冠投影面積換算。

枯落物層滲漏水的收集是在每個樣地內選擇5個樣點,盡量不破壞原枯落物的層次結構,把0.5 m×0.5 m的原狀枯落物整體移放到帶小孔的塑料膜上,放置在塑料盆中。每次降雨后測定塑料盆中的枯落物滲漏水量并取樣。

土壤滲漏水收集僅在華山松林和華北落葉松林樣地內進行,隨機布設7個自制的的蒸滲儀(內徑20 cm),蒸滲儀內裝填了輕微擾動的30 cm厚林地土壤,林地土壤上的枯落物及可能生長的小灌木和草本一并保留。在每次降雨后,測定蒸滲儀底筒收集的土壤滲漏水量并取樣。

(1)

F=C·P/100

(2)

式中,P為通過各作用層的總水量(mm)。

ΔF=Fi-Fj

(3)

在Excel中建立數據庫,運用SPSS軟件進行數據分析。

3 結果與分析

3.1 植被作用下的水流通量變化

2011生長季的香水河小流域總降水量724.3 mm,但月份差異較大,集中在7—9月(表3)。

2011年生長季不同植被的林冠截留量(mm)變化為86.2—145.6,截留率(%)變化為11.91—20.11；干流量(mm)變化為1.3—4.7,干流率(%)變化為0.18—0.65；穿透水量(mm)變化為577.3—633.4,穿透水率(%)變化為79.71—87.44；林下降水量(mm)變化為578.7—638.1,林下降水率(%)變化為79.89—88.09。

生長季內各樣地的枯落物層滲漏水量(mm)隨各月降水量增大而增大,其變化為368.3—525.0,其中野李子灌叢最大,樺木林最小。華山松林和華北落葉松林在2011生長季的0—30 cm土壤滲漏水分別為275.9 mm和244.2 mm。

3.2 各水文分量的無機氮質量濃度變化

3.3 林內各作用層的無機氮通量

表3 2011年生長季六盤山主要森林樣地的降水通量變化特征

*觀測從5月24日開始,10月20日結束

表4 2011年生長季典型森林植被樣地水文轉化過程中的無機氮平均濃度/(mg/L)

表5 2011年生長季典型森林植被樣地降水轉化中各作用層的無機氮通量/(kg/hm2)

3.4 各作用層間無機氮通量的差別

無機氮通量在各作用層的差別是由降水接觸植被表面、枯落物和土壤時發生的無機氮的淋失、吸附和吸收等過程和水量變化所共同導致的。

枯落物層滲漏水與林下降水攜帶的無機氮通量之差,可指示枯落物層對輸入林地的無機氮通量的作用,其值在幾種典型森林內均為負值,說明四種森林樣地的枯落物層均具有對無機氮的凈吸附或凈儲存的“匯”作用。

表6 2011年生長季典型森林植被樣地的不同作用層的無機氮通量差別/(kg/hm2)

4 討論與結論

4.1 水流通量的垂直變化特征

在2011年生長季(5月24日至10月20日),林外降水量達724.3 mm,已超過多年均值(610.0 mm),屬濕潤年。同期4種主要森林植被類型樣地的林冠截留率為11.91%—20.11%,位于大多數國內研究的林冠截留率范圍(10%—35%)[25-26]內,也與全國主要森林平均林冠截留率范圍(14.7%—31.8%)[27]相近；本研究中各月截留率也接近徐麗宏等[28]報道的2004—2005年生長季六盤山主要植被類型的林冠截留結果。各森林植被樣地的生長季干流率普遍不高,變化在0.18%—0.65%,這與研究樹種的樹干粗細、直立程度、樹皮干燥程度等多種因素有關。各樣地的穿透水比例變化在79.71%—87.44%。通過林冠攔截后的林下降水比例變化在79.89%—88.09%。這些水流通量變化,是降水輸入無機氮通量變化的一個重要原因。

各樣地的枯落物層進一步攔截林下降水,用于蒸發和植物蒸騰,在華山松次生林和華北落葉松人工林之間,存在枯落物層滲漏量差異,這與各樣地的枯落物數量和分解狀況等有關。枯落物層的降水攔截量變化在300.0—317.1 mm,攔截率變化在41.41%—43.78%,則滲漏水量和占空曠地降水的比例分別變化在407.2—424.3 mm和50.85%—58.59%。華北落葉松人工林枯落物層厚5.58 cm,重量為22.83 t/hm2,華山松人工林枯落物厚3.47 cm,重量為24.73 t/hm2[29],枯落物厚度和重量共同影響了樣地的枯落物滲漏水量。枯落物層攔截造成的降水輸入損失,也是降水輸入無機氮通量變化的一個重要原因。

在0—30 cm土層,由于土壤蒸發和植物蒸騰,降水輸入進一步被消耗,土壤滲漏水占空曠地降水比例進一步減小。華山松、華北落葉松林冠層(樹枝+樹葉)生物量分別為30.73、14.47 t/hm2；林下植被生物量分別為7.30、7.50 t/hm2[30],從林冠層和林下植被層生物量看來,華山松林的土壤滲漏水量應小于華北落葉松林。在本文研究的生長季內,華山松林的滲漏量為275.9 mm,高于華北落葉松林的244.2 mm,這與立地條件、土壤機械組成及森林植被生長情況和耗水多少等多種因素相關。需專門指出的是,由于測定方法是基于微型蒸滲儀,切斷了樹木根系,而且沒有包括整個主根系層(0—60 cm),所以測定到的滲漏水數值比真正的林地滲漏水量會偏大很多。基于曹恭祥在六盤山的研究[31],華山松次生林和華北落葉松森林生態系統的林地蒸散占生長季同期降雨量的比例為21.07%和30.4%,據此可估算本文華山松和華北落葉松林的林地蒸散值為152.7 mm和220.3 mm,高于本研究中實測的華山松和華北落葉松林的蒸滲儀測定值(148.4 mm和163.0 mm),則對應的土壤滲漏水應該為271.6 mm和186.9 mm,可見存在著蒸滲儀測定方法高估土壤滲漏的不足。

4.2 各水文分量的無機氮質量濃度與變化

表7 一些研究地點降水轉化中的無機氮濃度/(mg/L)

4.3 林內各作用層的無機氮通量與變化

在本文中,由于沒有考慮大量落葉歸還給土壤的無機氮輸入,尤其是秋后的大量集中落葉,也沒有考慮干沉降氮輸入以及植物固氮作用,還有非生長季的氮輸入與輸出,所以還不能說是森林生態系統或森林根系層土壤的年元素平衡意義上的凈氮流失,僅是一個生長季的過程特點或行為,有待深入研究。