北亞熱帶3 種典型森林群落水文過程中鹽基離子年內動態變化特征

康希睿，張涵丹，王小明，陳光才＊

(1. 中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江 杭州 311400；2. 南京林業大學，江蘇 南京 210037)

大氣降水是森林生態系統水分和養分的主要來源[1]，也是生物地球化學循環在生態系統中的重要組成部分[2]。降水攜帶的多種養分離子不需要經過礦化過程就能夠直接被植物吸收利用[3]，通過冠層作用（淋溶/截留）后，降水的化學組成會發生顯著變化[4-5]，調節了森林生態系統的養分輸入與輸出[6-7]。鈉（Na）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）等鹽基離子是植物生長發育不可缺少的營養元素，具有溶解度高、易于轉移的特點，如植物表層的K+在雨水作用下易被淋溶，冠層淋失率高達412% ～681%[8]，Ca2+是森林冠層緩沖降水酸度的主要介質[9]等。有研究表明，酸雨會導致森林土壤中鹽基離子淋出，且隨著酸雨pH 的降低，鹽基淋失量增加[10-11]，從而影響森林群落對營養元素的吸收利用，制約森林植物的健康生長。因此，研究森林生態系統中降水鹽基離子的分配及遷移特征，不僅對揭示森林生態系統的養分循環、森林植物的生長具有重要作用[12]，也為評價森林的水質凈化效應提供重要依據。

錢江流域地處我國東南沿海經濟發達地區，大氣沉降污染物和酸雨危害等環境問題日趨嚴重[13]，降水引起森林養分離子淋失會影響整個森林生態系統的生長和養分循環，進而影響生態系統結構和功能。目前，關于森林群落對養分淋溶效應的研究多集中在生長季內，而在酸雨高發[14]的秋冬季節研究較欠缺，且現有研究表明，流域出口的水質與大氣降水差異明顯且季節波動較大[14-16]。酸雨易造成森林土壤礦質元素的流失[10-11]，研究水文過程中鹽基離子動態變化，是評價森林群落緩沖酸雨能力及凈化水質效益的重要依據。本研究選擇北亞熱帶地區3 種典型森林群落——毛竹（Phyllostachys edulis(Carrière) J. Houz.）林、杉木（Cunninghamia lanc eolata(Lamb.) Hook.）林和青岡（Cyclobalanopsis glauca(Thunberg) Oersted）為主的闊葉林，通過1 a的定位監測，研究隨著大氣降水輸入發生的森林群落不同水文分量中Na+、K+、Ca2+、Mg2+離子年度內生長季和非生長季濃度和通量的動態變化，揭示森林群落各層次對養分的分配和遷移規律，對比3 種森林群落對鹽基離子的截留/淋溶能力，為森林環境效應評價以及提升森林生態功能提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于浙江省杭州市富陽區廟山塢林區（119°56′ ～ 120°02′ E，30°03′ ～ 30°06′ N），屬于國家林業和草原局錢江源森林生態系統定位觀測研究站。該區屬北亞熱帶季風氣候區，四季分明，降水充沛。全年降水日數160 d 左右，年平均降水量1 441.9 mm[15]，雨量季節分配不均。年平均氣溫16.1℃，年平均日照時數1 995 h。依據植物生長特性以及氣溫、降水等情況劃分，研究區森林群落的生長季為3—10 月，非生長季為11 月至次年2 月[17]。研究區地質類型屬志留系、泥盆系地質，土壤類型是酸性紅壤土[15]，土層中含有較多石塊。區內水系直接外流注入富春江，屬錢塘江水系富春江段。林區主要人工林有毛竹林、杉木林等，天然林有針闊混交林和以青岡（占比45% 左右）、木荷（Schima superbaGardn. et Champ.）（占比25% 左右）為主的天然常綠、落葉闊葉林等。

本研究選擇毛竹人工林、杉木人工林和青岡為主的天然闊葉林（青岡闊葉林）3 種北亞熱帶典型森林群落作為研究對象，分別建立2 個10 m×20 m（投影面積）的徑流小區（共計6 個樣地），各樣地基本特征見表1，土壤理化性質見表2。

2 研究方法

2.1 監測設施布設與樣品收集

大氣降水：在研究區林外空曠處布設1 臺QYDGHYL 雨量計（上海精密儀器儀表有限公司），記錄降水過程，并布設1 臺ISC-10 型降水降塵自動采樣器（青島埃侖通用科技有限公司）和3 個5 L 玻璃燒杯，用于收集大氣降水。

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養分含量 Table 2 The physi-chemical properties of the surface soil of the sample plots

穿透雨：在3 種森林群落樣地區域內隨機分散布置3 個面積為0.5 m×0.4 m 的集水槽，距地面40 cm，與水平面保持約5 ～ 10°的傾角，集水槽較低的一端底面角落打孔引流，用PVC 塑料管連接至25 L 塑料桶中，用于收集林內穿透雨。同時，在集水槽附近布置1 臺自記式雨量計用于記錄穿透雨發生過程。

樹干莖流：在3 種森林群落樣地內，通過每木檢尺，選擇3 株標準木，將直徑約2.0 cm 的聚乙烯塑料軟管沿中縫剖開，從樹干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，用于測定樹干莖流。單株和林分的樹干莖流量依據林冠投影面積進行換算。

枯透水：在3 種森林群落樣地內隨機選擇3 個樣點，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上，放置在直徑24.0 cm 的聚乙烯桶上，每次降水后記錄聚乙烯桶內的水量并取樣。

地表徑流：在各徑流小區底部建立1 m×1 m×1 m 的集水池，用于收集地表徑流，地表徑流量按照徑流小區水平投影面積換算。

研究期為2018 年7 月至2019 年6 月，每月采集降水量大于30 mm（10 月除外）的一次連續降水：大氣降水樣品混勻后收集3 份，對各樣地的穿透雨、樹干莖流、枯透水和地表徑流分別采樣，每個收集器內采集300 mL 樣品，記錄體積后立即帶回實驗室進行水質分析。研究期內共測定12 次降水事件，其中，生長季（3—10 月）共8 次降水，非生長季（11 月至次年2 月）共4 次降水，獲得432 份樣品。

2.2 水樣分析

采集的水樣用中速定性濾紙抽濾后，在4℃環境下保存，進行水質化學分析。利用FE28 型pH計（METTLER TOLEDO, Switzerland）測定水樣pH 值；利用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICPAES，Perkin Elmer Optima 8000，USA）測定樣品中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的濃度。

2.3 數據處理

各水文分量中鹽基離子的年平均濃度（ C ，mg·L－1）是每個月單次降水后測定的相應水文分量降水量（ Pi，mm) 的加權計算值：

式中： Ci為單場降水后測定的各鹽基離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）濃度（mg·L－1），n 為測定的降水次數。生長季降水中鹽基離子的平均濃度為2018 年7 月 至10 月 與2019 年3 月 至6 月 共8 次降水樣品的水量加權濃度，非生長季降水中鹽基離子的平均濃度為2018 年11 月至2019 年2 月共4 次降水樣品的水量加權濃度。

林下降水量=穿透雨量+樹干莖流量，林下降水中各鹽基離子的濃度平均值是單次測定的穿透雨與樹干莖流水量的加權平均值[18]。由于青岡闊葉林中樹干莖流的收集桶（50 L）內水樣多次裝滿/溢出，無法準確計算樹干莖流的收集量，因此，假設每株青岡收集到的樹干莖流總量最大值為50 L，而3 株青岡標準木的平均林冠投影面積為7.4 m2，則青岡闊葉林樹干莖流量統一按照 Pi=3.7 mm 計算。

隨大氣降水通過森林群落各層次（林冠層、枯落物層和地表層）的Na+、K+、Ca2+、Mg2+總物質通量（F，kg·hm-2）計算公式如下：

大氣降水在通過森林不同層次時不僅水量發生變化，也會因吸附、洗脫、交換等作用導致降水中的鹽基離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）濃度發生變化，各層次對營養物質的截留量（ ΔF）和截留率計算公式如下：

式中：i 是j 的上一層次降水，Fi和Fj是對應層次各鹽基離子的通量， ΔF （截留量）反映 j層次對相鄰上層輸入降水中鹽基離子的截留能力，若為負說明j 層次對該鹽基離子呈淋溶作用。

數據分析利用Microsoft Excel 2016 完成，并用Origin 9.0 制圖，運用數據處理系統DPS 7.05 進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同水文分量中鹽基離子濃度的差異，采用Pearson 法對因子間進行相關分析，顯著性水平設定為α=0.05。

3 結果與分析

3.1 各層次降水中鹽基離子濃度的時間變化特征

觀測期內，大氣降水總量達到2 146 mm，降水量呈現 “雙峰型” 分布趨勢，2018 年7—9 月、2018 年11 月至2019 年3、5、6 月降水量較大，2018 年10 月和2019 年4 月降水量較小。每月采樣的降水歷時最少1 d（8 月），最長11 d（12月），平均4.7 d，每月采樣的降水量情況（圖1）與降水量全年的變化趨勢規律一致。大氣降水pH 值整體呈現出 “U 型” 變化，生長季內降水偏中性，均值為6.46；非生長季降水酸性較強，pH 均值為4.93（圖1）。大氣降水中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的年均濃度分別為0.27、0.36、0.89 和0.17 mg·L－1（表3），且K+和Ca2+在生長季的平均濃度均大于非生長季（圖2），通過相關分析發現，大氣降水中Na+、K+、Mg2+的濃度與降水量無顯著相關性，而降水中Ca2+濃度與降水量顯著負相關（r =－0.69）。

圖1 廟山塢林區2018 年7 月至2019 年6 月大氣降水pH 值與降水量動態Fig. 1 Dynamics of pH and precipitation of Miaoshanwu from July 2018 to June 2019

大氣降水經3 種森林群落的冠層后，穿透雨中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的濃度均有提高，增幅分別為15% ～ 37%、275% ～ 553%、118% ～ 139% 和129% ～ 229%，且穿透雨的pH 均有提高（表3）。此外，穿透雨中Na+、Ca2+和Mg2+的濃度在降水呈酸性的非生長季均高于偏中性的生長季（圖3），且研究表明，穿透雨中Na+、Ca2+、Mg2+3 種離子的濃度與大氣降水中對應離子的濃度顯著正相關（毛竹林：r = 0.76，r = 0.80，r = 0.78；杉木林：r =0.72，r = 0.76，r = 0.79；青岡闊葉林：r = 0.69，r =0.77，r = 0.77），而K+濃度則無顯著相關性。與大氣降水相比，3 種森林群落樹干莖流中鹽基離子的濃度均有提高，在生長季和非生長季的離子濃度變化規律與穿透雨基本相同（圖3），樹干莖流中4 種鹽基離子的濃度也與穿透雨中的離子濃度顯著正相關（0.84 ＜ r ＜ 0.99）。另外，毛竹林和杉木林內穿透雨和樹干莖流中鹽基離子的濃度在季節間的波動幅度較大，遠大于青岡闊葉林內降水濃度的季節差異。

林下降水通過枯落物層后，枯透水中K+、Ca2+、Mg2+的濃度分別是穿透雨中3 種離子濃度的1.13 ～ 2.18 倍、1.34 ～ 2.15 倍和1.45 ～ 2.46 倍，而Na+濃度略有減少。枯透水中Na+和Mg2+離子濃度的季節變化規律與穿透雨中相同（圖3、4），且枯透水中4 種鹽基離子濃度與穿透雨中的離子濃度均顯著正相關（0.81＜ r ＜1.00）。

表3 3 種森林群落不同層次降水特征的平均值 Table 3 Average indicators of rainwater per rainfall at different levels of three forest communities

圖2 生長季和非生長季大氣降水中4 種鹽基離子的濃度動態Fig. 2 Concentration dynamics of four kind of base cations in atmospheric precipitation during growing season and non-growing season

森林群落的地表徑流中4 種鹽基離子的濃度顯著提高，遠高于大氣降水、林下降水和枯透水中離子濃度。 3 種森林群落地表徑流中Na+、 K+、Ca2+、Mg2+的濃度分別是大氣降水中離子濃度的14.15 ～ 30.30 倍、35.42 ～ 68.28 倍、14.02 ～ 28.70倍和4.24 ～ 5.06 倍。在降水呈酸性的非生長季，地表徑流中4 種鹽基離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）的濃度分別比生長季高出34.97% ～ 87.19%、1.45% ～29.81%、 13.12% ～ 35.97% 和188.46% ～ 577.03%（圖4）。經分析可知，林地地表徑流中Na+、K+的濃度與大氣降水量顯著負相關（毛竹林：r =－0.62，r = －0.59；杉木林：r = －0.64，r = －0.64；青岡闊 葉 林：r = －0.64，r = －0.62），而Ca2+、Mg2+的濃度與大氣降水量無顯著相關性。

3.2 3 種森林群落對Na+、K+、Ca2+、Mg2+的截留特征

研究期內大氣降水中Na+、K+、Ca2+和Mg2+的通量分別為2.72、3.61、8.93、1.66 kg·hm－2（表4），且降水中K+、Ca2+和Mg2+的輸入量與大氣降水量顯著相關（r = 0.61, r = 0.66, r = 0.88）。經分析可知，在整個觀測期內，3 種森林群落的冠層對Na+表現出截留作用，對K+、Ca2+和Mg2+均表現出強烈的淋溶作用，淋失的鹽基離子中和酸性降水，提高穿透雨的pH 值（表3）。同時，不同森林群落對各鹽基離子的截留作用呈現明顯的季節差異，如在非生長季，林冠層對Na+表現出淋溶作用，對Ca2+和Mg2+的淋溶強于生長季，3 種森林群落的冠層對Na+的年總截留率分別為12.86%、7.26% 和19.90%；而在生長季，毛竹林和青岡闊葉林的冠層對K+的淋溶作用最強，淋溶率分別為125.28% 和288.49%。冠層是林內養分K+循環的重要來源，毛竹林、杉木林和青岡闊葉林冠層對K+的淋溶量與大氣降水量顯著正相關（r = 0.64, r = 0.81, r =0.79），雨量越大，林冠層淋溶的K+就越多。

圖3 毛竹林、杉木林和青岡闊葉林生長季與非生長季穿透雨和樹干莖流中4 種鹽基離子的濃度動態Fig. 3 Concentration dynamics of four kind of base cations in the throughfall and stemflow of P. edulis forest, C. lanceolata forest and C. glauca broadleaf forest during growing season and non-growing season

圖4 毛竹林、杉木林和青岡闊葉林生長季和非生長季枯透水和地表徑流中4 種鹽基離子的濃度動態Fig. 4 Concentration dynamics of four kind of base cations in the litterfall and surface runoff of P. edulis forest,C. lanceolata forest and C. glauca broadleaf forest during growing season and non-growing season

林內降水與枯透水的通量差可以指示枯落物層對于輸入林地內的營養元素的吸收和淋溶能力。毛竹林和青岡闊葉林枯落物層對Na+表現出截留的狀態，3 種森林群落林內降水與枯透水中K+、Ca2+和Mg2+的通量差均為負值，說明3 種森林群落的枯落物層均對K+、Ca2+和Mg2+有淋溶或釋放的作用，且生長季枯落物層的Ca2+淋溶率遠超過非生長季（表4）。在3 種森林群落中，杉木林枯透水中4 種鹽基離子濃度最高，其枯落物層對鹽基離子的淋溶率最大，Na+、K+、Ca2+和Mg2+的淋溶率分別為28.32%、117.09%、111.17% 和125.82%。

地表徑流中Na+、K+、Ca2+離子濃度均有顯著提高，但由于地表徑流量僅占大氣降水量的0.12% ～0.48%，且非生長季地表徑流量低于生長季，因此盡管非生長季地表徑流中4 種鹽基離子濃度更高，但只有Mg2+的地表徑流通量在非生長季更大。3 種森林群落的地表層對Na+、K+、Ca2+和Mg2+均表現為截留作用，截留率超過85%。地表層對Na+的截留率最低，在生長季地表層對Na+的截留能力最弱，對另外3 種鹽基離子的截留能力在生長季與非生長季間沒有顯著差異。

大氣降水在流經3 種森林群落后，4 種鹽基離子的濃度大幅增加，這主要是林冠層、枯落物層對K+、Ca2+和Mg2+的較強淋溶作用所致；而地表層對4 種鹽基離子呈現截留作用，其中，森林群落對Na+和Mg2+的截留率最低，對Ca2+和K+截留率較高，超過91.34%。對比3 種森林群落的截留能力發現，青岡闊葉林對鹽基離子的截留能力最強，截留率超過94.70%。

4 討論

大氣降水是森林生態系統養分輸入的主要形式之一[5]，杭州富陽廟山塢林區大氣降水中K+和Ca2+的濃度在生長季高于非生長季，這與劉一霖等[19]在四川華西雨屏區的研究規律類似。已有的研究表明，大氣沉降的鹽基離子能夠中和降水中76% 的酸負荷[11]，Ca2+是主要的酸中和劑[20]，在抵御森林生態系統土壤酸化和陽離子流失方面起著重要作用，且降水中Ca2+濃度與降水量顯著負相關，K+、Ca2+和Mg2+的輸入量與大氣降水量顯著正相關，降水量會影響降水中鹽基離子的輸入量[19]，而降水中鹽基離子的含量也與降水強度、降水間隔期、降水歷時等降水特征密切相關[8]。

表4 3 種森林群落各層次生長季和非生長季對4 種鹽基離子的截留 Table 4 Interception and interception rates of four kinds of base cations at different levels of three forest communities

大氣降水經森林冠層后形成林內穿透雨和樹干莖流，其鹽基離子的濃度均有提高，冠層對K+、Ca2+和Mg2+的淋溶率分別超過149.80%、41.25%和88.09%（表4），這與盧曉強等[21]、安思危等[6]對冠層截留鹽基離子的研究規律相似，說明降水淋洗林冠層表面的塵埃、鹽分等沉積物[22]，成為林內鹽基離子的重要來源[23]。Na+、K+、Ca2+和Mg2+參與植物新陳代謝，在葉面或葉表面細胞內相對活躍，易被降水淋溶。研究表明，Mg 元素溶解度較低[6]，林內雨淋溶出的Mg2+含量相對較少，林內各水文分量中Mg2+的濃度增幅較小；K+是易于轉移的大量元素，植物表面的K+在雨水作用下易被淋溶[24]，因此，林內降水中K+質量濃度增長幅度最大，且淋溶量隨降水量的增大而增大；Na 對促進植物生長起著重要的作用，但從植物組織中浸出的效果不明顯[25]，森林群落各層次對來自上一層次的Na+均起截留的作用，這與安思危等[6]在四面山的研究情況一致。同時，林冠特征[7]還會影響穿透雨中離子特征， 通常郁閉程度和葉面積指數（LAI）越高，降水在冠層可以淋洗的物質越多，穿透雨中相應離子的濃度也越高。本研究中，毛竹林和青岡闊葉林的郁閉度和LAI 遠高于杉木林，其森林群落內穿透雨中鹽基離子的濃度也高于杉木林；另一方面降水與冠層會發生養分交換和林冠吸收的作用[25]，3 種森林群落穿透雨中Na+、Ca2+和Mg2+的濃度在植物生長活躍的生長季偏低，這與劉一霖等[19]研究的結果相同，說明在生長季有更多的養分被林冠層吸收。

枯落物層在涵養水源、保持水土等森林水文過程中具有極為重要的作用[26]。枯枝落葉的降解是導致各離子質量濃度在枯透水中增加的重要原因[27]，而林內降水輸入、枯枝落葉的分解及礦化是森林養分從地上部轉移到地被物及土壤層的重要內循環途徑[28]，共同推動森林養分循環。枯枝落葉經過微生物分解，釋放植物自身的K+、Ca2+和Mg2+，使其隨林內降水淋溶出來，導致枯透水中K+、Ca2+和Mg2+含量有所增加。此外，相對于非生長季，生長季內的溫度、濕度更適于微生物活動，枯落物層的分解也更為徹底[29]，其鹽基離子淋溶率更高，更多的鹽基離子返還到土壤當中，推動森林養分/物質循環。

Na+、K+是移動性很強的離子[24]，經常會以溶液的形式淋溶流失。研究表明，林內降水在流經土壤表層后Na+、K+和Ca2+離子濃度明顯增加，超過穿透雨中相應離子濃度的5 倍多，這與葛曉敏等[22]的報道一致。此外，各鹽基離子也呈現出明顯的季節變化：非生長季的濃度遠高于生長季，一方面試驗研究區域非生長季地表徑流量遠小于生長季，隨地表徑流溶出的離子濃度相對較大；另一方面，非生長季穿透雨和枯透水中Na+和Mg2+鹽基離子的濃度均高于生長季，而地表徑流中離子濃度與枯透水顯著相關，非生長季枯透水離子濃度增加，地表徑流中各離子濃度也相應提高。但整體而言，3 種森林群落的地表層對Na+、K+、Ca2+和Mg2+均表現為截留作用，其中，對Ca2+和Mg2+的截留率超過95.45% 和99.39%，對Na+的截留率相對較低，最低僅為85.00%。

5 結論

通過對3 種北亞熱帶地區典型森林群落毛竹人工林、杉木人工林和青岡闊葉林內不同層次各水文分量進行為期1 a 的定位觀測，研究生長季與非生長季森林降水的濃度與通量變化規律發現：

（1）森林群落在改善水質、調節養分循環等方面具有重要作用，森林群落的不同層次對鹽基離子的影響各異，其中，林冠層和枯落物層對K+、Ca2+和Mg2+有強烈的淋溶作用，淋溶率為5.54% ～355.56%，是林內鹽基離子的重要釋放源，杉木林枯落物層的離子淋溶作用最強；地表層對各鹽基離子均表現為截留作用，截留率超過85%。

（2）經輸入（降水）與輸出（地表徑流）的對比可知，各森林群落對Na+和Mg2+的截留率較低，對Ca2+和K+截留率較高，超過91.34%，其中，青岡闊葉林的截留能力最強，截留率超過94.7%，毛竹林和杉木林次之，截留率分別超過81.37% 和69.85%。

（3）降水內各鹽基離子濃度呈現明顯的季節動態，主要表現為其在非生長季的濃度高于生長季，但地表層對離子的截留能力在不同生長季節差異不明顯，即3 種森林群落對不同季節降水中鹽基離子的截留能力相近。總體而言，季節差異并未影響研究區3 種森林群落對鹽基離子的調控能力，各森林群落能夠維持正常的養分循環，保證森林出水水質的穩定與安全。