北亞熱帶3種典型森林群落對(duì)降水中氮、磷、硫的截留及分配特征

康希睿,張涵丹,王小明,陳光才

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所, 杭州 311400

工業(yè)化及交通運(yùn)輸快速發(fā)展導(dǎo)致大量有害物質(zhì)隨煙氣排放進(jìn)入到大氣中,大部分污染物質(zhì)通過(guò)大氣運(yùn)動(dòng),以干沉降或濕沉降的方式返回到陸地。大氣降水?dāng)y帶的氮、磷、硫等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),是陸地生態(tài)系統(tǒng)尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要養(yǎng)分來(lái)源之一[1]。這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以直接被植物吸收利用[2-4],促進(jìn)植物生長(zhǎng)和養(yǎng)分循環(huán),為森林生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮提供營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充[5-6]。另一方面,大氣中過(guò)量的游離態(tài)物質(zhì)、氣溶膠、粉塵等污染物進(jìn)入地表,成為河流[7]、湖泊[8]、農(nóng)田[9]污染的重要來(lái)源,導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤酸化和生物多樣性降低等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[8,10-11]。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省杭州市富陽(yáng)區(qū)廟山塢試驗(yàn)林場(chǎng)(119°56′E—120°02′E、30°03′N(xiāo)—30°06′N(xiāo)),屬于國(guó)家林業(yè)和草原局錢(qián)江源森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀(guān)測(cè)研究站的一部分。該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,降水充沛。年平均降水量1441.9 mm,全年降水日數(shù)為160 d左右,雨量季節(jié)分配不均。年平均氣溫16.1℃,極端最高氣溫40.2℃,極端最低氣溫-14.4℃。年平均日照時(shí)數(shù)1995 h,年平均日照百分率44%。地質(zhì)類(lèi)型屬志留系、泥盆系地質(zhì),土壤類(lèi)型是酸性紅壤土[19],土層中石塊較多。區(qū)內(nèi)水系直接外流注入富春江,屬錢(qián)塘江水系富春江段。林區(qū)主要的人工林有毛竹林(Phyllostachyspubescens)、杉木林(Cunninghamialanceolata)等,天然林有針闊混交林和以青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)(占比45%左右)、木荷(Schimasuperba)(占比25%左右)為主的天然常綠、落葉次生林等。

本研究選擇毛竹人工林、杉木人工林和青岡櫟為主的天然闊葉次生林(青岡闊葉林)等3種典型森林群落作為研究對(duì)象,分別建立2個(gè)水平投影面積10 m×20 m的徑流小區(qū)(共計(jì)6個(gè)樣地),各樣地基本特征見(jiàn)表1,土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 研究樣地的基本特征Table 1 The basic characteristics of sample plots

表2 研究樣地表層土壤的理化性質(zhì)Table 2 The physicochemical properties of the surface soil of the sample plots

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)施布設(shè)與樣品收集

大氣降水：在研究區(qū)林外空曠處布設(shè)1臺(tái)QY-DGHYL雨量計(jì)(中國(guó),上海精密)記錄降水過(guò)程,并在周邊配備1臺(tái)ISC-10型降水降塵自動(dòng)采樣器(中國(guó),青島埃侖)和3個(gè)5 L玻璃燒杯用于收集大氣降水。

穿透雨：在3種森林群落樣地內(nèi)隨機(jī)布置3個(gè)面積為0.5 m×0.4 m的集水槽,距地面40 cm,與地面保持約5°的傾角,集水槽較低的一端底部開(kāi)口,用PVC塑料管連接至25 L塑料桶中,用于收集林內(nèi)穿透雨。同時(shí),在集水槽附近布置1臺(tái)自記式雨量計(jì)用于記錄穿透雨發(fā)生過(guò)程。

樹(shù)干莖流：在3種森林群落樣地內(nèi),通過(guò)每木檢尺,選擇3株標(biāo)準(zhǔn)木,將直徑約2.0 cm 的聚乙烯塑料軟管沿中縫剖開(kāi),從樹(shù)干1.5 m高處自上向下蛇形纏繞一周半后引流至50 L塑料桶中,用于收集樹(shù)干莖流。單株和林分的樹(shù)干莖流量依據(jù)林冠投影面積進(jìn)行換算。

枯透水：在3種森林群落樣地內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn),將 0.2 m×0.2 m 的地表枯落物按原狀整體移放在紗布濾網(wǎng)上,放置在直徑24.0 cm的聚乙烯桶上,每次降雨后記錄聚乙烯桶內(nèi)的水量并取樣。

地表徑流：在徑流小區(qū)下端建立1 m×1 m×1 m的集水池,地表徑流量按照徑流小區(qū)投影面積換算。

研究期為2018年6月—2019年5月,于雨后采集水樣：大氣降水樣品混勻后收集3份,各樣地的穿透雨、樹(shù)干莖流、枯透水和地表徑流分別采樣,每個(gè)收集器內(nèi)采集300 mL樣品,記錄體積后立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。研究期內(nèi)每月收集一次典型降水,共測(cè)定12次降水事件,獲得432份樣品。

1.3 水樣分析

1.4 數(shù)據(jù)處理

水樣中各化學(xué)指標(biāo)的年均濃度(C,mg/L)是每月單次降雨后測(cè)定的相應(yīng)水量(Pi,mm) 的加權(quán)計(jì)算值：

式中,Ci為單場(chǎng)降雨后測(cè)定的各物質(zhì)的濃度(mg/L),n為測(cè)定的降雨次數(shù)[16]。

林下降水量=穿透雨量+樹(shù)干莖流量,其各類(lèi)氮(N)、磷(P)、硫(S)的濃度平均值是單次測(cè)定的穿透雨與干流水量的加權(quán)平均值[16]。由于青岡闊葉林中樹(shù)干莖流的收集桶(50 L)內(nèi)水樣多次裝滿(mǎn)/溢出,無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算收集量,因此假設(shè)每株青岡收集到的樹(shù)干莖流總量最大值為50 L,而3株青岡標(biāo)準(zhǔn)木的平均林冠投影面積為7.4 m2,則青岡闊葉林平均樹(shù)干莖流量統(tǒng)一按照Pi=3.7 mm計(jì)算。

隨著降雨過(guò)程通過(guò)森林群落各個(gè)層次(林冠層、枯落物層和地表層)的N、S和P的總物質(zhì)通量(F,kg/hm2)計(jì)算公式如下：

大氣降水在通過(guò)森林不同層次時(shí)不僅水量發(fā)生變化,也會(huì)因吸附、洗脫、交換等作用導(dǎo)致降水中的營(yíng)養(yǎng)鹽(N、S、P)濃度發(fā)生變化,各層次對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的截留量和截留率計(jì)算公式如下：

ΔF=Fi-Fj

式中,i是j的上一層次降水,ΔF截留量是Fj層次對(duì)相鄰上層輸入通量的影響。

數(shù)據(jù)分析用Microsoft Excel 2016完成,用Origin 9制圖,運(yùn)用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DPS 7.05進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同層次降水pH值的變化

從表3和圖1可以得知,研究區(qū)全年大氣降水pH在4.50至7.28之間變化,年均pH是5.88,其中,秋冬季節(jié)(9月—次年2月)大氣降水酸性較強(qiáng),pH值平均為4.96,酸性最強(qiáng)的降水出現(xiàn)在2月,pH達(dá)到4.50；春夏季節(jié)(6—8月、3—5月)降水偏中性,平均pH為6.74,最大值在8月,為7.28。

圖1 3種森林群落不同層次降水pH的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of the rainwater pH at different levels of three forest communities

表3 3種森林群落不同層次降水次均結(jié)果Table 3 Average indicators of rainwater per rainfall at different levels of three forest communities

3種森林群落穿透雨的pH值在6.64—6.73之間,穿透雨的pH值在群落之間無(wú)明顯差異,并且不隨大氣降水pH的改變而變化,秋冬兩季酸性降水經(jīng)過(guò)林冠層后pH明顯提高,升高幅度達(dá)到1.68—1.97,而春夏兩季森林內(nèi)穿透雨pH未有顯著變化。降水沿枝葉匯集到樹(shù)干形成樹(shù)干莖流,與穿透降雨相比,3種群落的樹(shù)干莖流pH值均降低,毛竹林、杉木林、青岡闊葉林的樹(shù)干莖流pH值分別減少1.46、2.99、0.88,其中杉木林中穿透雨和樹(shù)干莖流的pH差異達(dá)顯著性水平(P< 0.05)。與穿透雨相比,林內(nèi)枯透水的pH值小幅降低,毛竹林、杉木林、青岡闊葉林分別減少0.12、0.28、0.58。

2.2 不同層次降水無(wú)機(jī)N的濃度變化

圖2 毛竹林、杉木林、青岡闊葉林不同層次降水中質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of rainwater concentrations at different levels of P. pubescens plantation,C. lanceolata plantation, and Broadleaf forest of C.glauca

2.3 不同層次降水的TP和濃度變化

圖3 毛竹林、杉木林、青岡闊葉林不同層次降水中TP和質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of rainwater TP and concentrations at different levels of P. pubescens plantation, C. lanceolata plantation, and Broadleaf forest of C. glauca

2.4 3種森林群落對(duì)N、P和S的截留特征

表4 3種森林群落各層次對(duì)氮硫磷的截留Table 4 Interception and interception rates of nitrogen, phosphorus and sulfur at different levels of three forest communities

3 討論

3.1 大氣降水特征

3.2 森林冠層的截留分配作用

3.3 森林群落內(nèi)枯落物層的淋溶作用

3.4 森林群落地表層截留凈化作用

4 結(jié)論