城市樟子松人工林降雨分配過程中養分變化特征1)

薛婷 盛后財 石磊

(東北石油大學，大慶，163318) (東北林業大學) (大慶市規劃建筑設計研究院)

森林冠層對降雨的截留分配，不僅改變了進入森林內降雨量的空間分布[1]，對森林生態系統水循環起著重要作用[2]，而且隨著降雨與林冠層的接觸而改變雨水化學特征，影響森林生態系統的生物地球化學循環[3-4]。隨著全球氣候變化的加劇，降水量的變化必將變得越來越頻繁、劇烈。降水方式的變化可能會影響森林生態系統的養分循環[5]。因此，全面認識和了解降水與養分循環之間的關系，對探索森林生態系統涵養水源、凈化水質的作用機理，量化區域森林的生態系統服務功能價值意義重大[6]。

大氣降水中養分的輸入是森林生態系統養分的重要來源。在養分受限區域，降水可能是養分輸入的唯一來源，并且能夠影響森林群落的生長和演替[3，5]。近年來，森林降水化學特征的研究已成為國內外森林水文學和生態學研究的重點[7-10]。以往的研究主要針對不同區域、不同類型天然林而開展[4，11-12]，雖然部分人工林生態系統的降水分配和水化學也進行了一定初探[13-15]，但對我國東北林區森林的水化學研究缺乏探討，特別是對復雜、多變環境下的城市人工林生態系統降雨分配過程養分通量變化特征鮮見報道[11，16]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)耐干旱貧瘠且適應性強，被列為三北防護林重點工程重要樹種。其形成的群落防風固沙、改良土壤水分與養分效果顯著[17-18]，對控制沙地、保護農田起到重要作用[19]。作為固碳、治沙的主要植被，樟子松人工林生態水文過程的研究較少，且集中于土壤[17，20-21]、枯落物層[22]水文功能的研究，對降雨截留過程水化學變化的研究很少[16]，目前，僅在黑龍江省東部山地進行了少量報道[23]，但對樟子松林降雨分配過程的養分通量特征尚不完全明晰，因此，對樟子松林降雨分配過程各分量水化學特征的測定就十分必要。基于此，本研究以東北林業大學城市林業示范研究基地樟子松人工林為研究對象，通過對其大氣降雨、穿透雨和樹干徑流的定位觀測和養分質量濃度分析，探討城市環境中樟子松人工林生態系統伴隨降雨的養分循環過程的基本規律和特征，以期為該林分的養分管理及其凈化水質功能提供參考依據和基礎數據。

1 研究區概況

本研究于2015年生長季(5—9月份)在東北林業大學城市林業示范研究基地(126°37′15″E；45°43′10″N)的樟子松人工林內開展。示范基地位于哈爾濱市區，占地面積為44 hm2，其中樟子松人工林面積約為0.5 hm2(70 m×70 m)。哈爾濱市屬溫帶大陸性季風性氣候，多年平均氣溫3.5 ℃，多年平均降水量500.1 mm，且集中在6—8月份，占全年總降水量的60%～70%，多年平均水面蒸發量726 mm，其他氣候條件詳見文獻[24]。

樟子松人工林是1957年用2年實生苗穴狀定植形成。據2013年調查數據顯示，樟子松林平均樹高為17.5 m，平均胸徑20.1 cm，林分密度1 140株·hm-2，蓄積量為159.2 m3·hm-2。經60多年撫育和管護，林分郁閉度0.80以上，林下有水曲柳(Fraxinusmandshurica)、黃檗(Phellodendronamurense)、家榆(Ulmuspumila)等幼樹和幼苗，灌木主要為金銀忍冬(Loniceramaackii)和烏蘇里鼠李(Rhamnusussuriensis)，草本植物主要為苦荬菜(Ixerispolycephala)。

2 研究方法

2.1 大氣降雨、穿透雨和樹干徑流量的測定及樣品收集

大氣降雨：利用距觀測樣地150 m處樓頂平臺上設置的翻斗式雨量計(HOBO RG3-M)和3個自制雨量筒(直徑20 cm，截面積為314.16 cm2·筒-1；下同)獲取大氣降雨量數據，并于每次降雨后快速收集大氣降雨樣品，以備大氣降雨水化學分析。

穿透雨：在樟子松人工林中心區域設置20 m×20 m的觀測樣地，以樣地中心點為中心，十字交叉布設13個自制雨量筒(同上)，同一方向相鄰雨量筒間距2 m，雨量筒距離地面不低于50 cm，以避免小灌木及草本的影響。每次降雨結束立即測定雨量筒內雨水體積(mL或cm3)，并換算成深度(mm)。穿透雨深度的算術平均值即為樣地穿透雨量(mm)。在測定穿透雨的同時，收集穿透雨樣品以備水化學特征分析。

樹干徑流：由于人工林內樹木胸徑相近，因此根據平均胸徑選擇5株典型(非優勢木或被壓木)樟子松作為標準木觀測樹干徑流。樹干徑流觀測設施制備及安裝詳見文獻[24]。每次降雨后立即測定樹干徑流體積(mL或cm3)，并結合林冠投影面積算樹干徑流深(mm)。樹干徑流深的算術平均值與樣地內樟子松的株數的乘積即為樣地樹干徑流深(mm)。在測定樹干徑流的同時，收集樹干徑流樣品以備水化學特征分析。

2.2 樣品處理及水化學分析

2.3 數據處理

養分質量濃度計算：大氣降雨、穿透雨、樹干徑流的質量濃度計算公式如下：

式中：C代表大氣降雨、穿透雨或樹干徑流中養分的質量濃度(mg·L-1)；Ci為單次降雨后測定的平均質量濃度(mg·L-1)；Pi為對應降雨事件的大氣降雨、穿透雨或樹干徑流量(mm)；n為生長季內降雨事件次數。

養分輸入量計算：大氣降雨、穿透雨和樹干徑流的養分輸入量，可按下式計算：

F=C·P/100。

式中：F代表大氣降雨、穿透雨和樹干徑流的養分輸入量(kg·hm-2)；C為養分質量濃度(mg·L-1)；P為大氣降雨、穿透雨或樹干徑流的總水量(mm)。

其他相關計算如下[9]：淋溶系數=穿透雨或樹干徑流中養分質量濃度/大氣降雨中養分質量濃度；凈淋溶量=穿透雨養分輸入量+樹干徑流養分輸入量-大氣降水養分輸入量；凈淋溶沉積比=凈淋溶量/大氣降雨養分輸入量。

3 結果與分析

3.1 大氣降雨的養分特征

表1 不同時期大氣降雨、穿透雨和樹干徑流中養分質量濃度

3.2 穿透雨的養分特征

3.3 樹干徑流的養分特征

3.4 大氣降雨的淋溶效應

表2 穿透雨和樹干徑流各養分的淋溶系數

3.5 樟子松人工林養分輸入特征

表3 生長季樟子松人工林養分輸入情況

4 結論與討論