杉木是我国亚热带地区特有的优良速生用材树种, 已有近千年的栽培历史, 通常采用皆伐作业和人工造林更新等经营措施, 通过森林调整达到森林结构合理, 实现永续利用。多代连栽和栽培面积扩大, 产生杉木林地生产力维持问题引起学术界的广泛关注(中国林学会森林生态学会, 1992)。

皆伐导致森林生态系统的生物调节丧失(鲍尔曼等, 1985), 人工造林则是森林生态系统的重建和生物调节逐渐恢复的过程。森林生态系统的能量流动、水文学过程、营养元素生物地球化学是生物调节的重要功能过程。利用小集水径流场技术进行长期定位观测, 取得这些功能过程的参数来研究系统的水文学过程和营养元素循环的时空格局, 可为杉木经营和维持林地生产力提供理论依据。

从1979年中南林学院会同森林生态系统定位研究站建立以来, 利用小集水区技术对杉木人工林生态系统中的森林生物量动态变化、水文学过程和营养元素的生物循环及生物地球化学循环进行长期的定位观测和研究, 其中稳定期的第1代杉木林生态系统的水文学过程和养分动态已有系统的报道(潘维俦等, 1989)。本文利用连续3a定位观测数据, 对第2代杉木幼林的水文学过程及养分动态进行分析, 从而了解两代杉木人工林生态系统的功能特点和森林经营的影响, 达到科学经营的目的。

1 试验地概况

试验地设在中南林学院会同森林生态定位研究站, 东经109°45', 北纬26°50', 属典型的亚热带湿润性气候, 年均温度16.8℃, 年均相对湿度约80%, 年均降雨量1100~1400 mm。地层属震旦纪板溪系灰绿色变质板页岩, 林地土壤为山地黄壤, pH值4.5, 有机质含量18.1g/kg, 土壤容重1.11×10³~1.25×10³kg·m^-3, 总孔隙度52.7%~57.3%。地貌为低山丘陵, 海拔270~400m, 相对高度150m以下。研究站内的8个试验集水区的地形和生境条件基本相似, 面积均在2×10⁴m²左右, 彼此相距不超过100m。本试验在第3号集水区进行, 平均坡度25°, 该区第1代杉木林1966年营造, 1987-10皆伐, 1988年春经炼山、全垦整地后, 营造第2代杉木林, 造林密度2364株·hm^-2, 1988-11和1989-07经过全垦抚育, 此后未做其他任何处理。试验林分的林龄7a, 平均胸径8.22cm, 平均树高6.51m, 郁闭度0.6。

2 研究方法

采用"小集水区径流场技术" (潘维俦等, 1984), 将小集水区作为一个生态系统的功能单位来测定系统的物质输入-输出和系统内的物质转移和再分配, 具体测定方法如下:

2.1 水文过程中的水量测定

由安装在集水区内观测铁塔(高出林冠1.5m)上的雨量计观测降雨量。穿透水由分别设置在山洼、山麓、山坡的3个约18m²的穿透水承接装置测定。树干茎流的测定采用聚乙烯塑料管蛇形缠绕树干基部, 10株杉木为1组将塑料管下端接入遥测雨量计自动记录。利用径流场封闭技术在集水区出口设置测流堰, 分别测定地表径流和地下径流。

2.2 水样收集

按水样采集的一般要求, 每月降水后在水量测定处采集水样1~2次, 每次每个水样的采集量为2000mL, 盛于清洁的塑料瓶中, 并及时送实验室分析。

2.3 生物量测定和生产力的估算

用克拉夫特分级法对林木分级, 进行每木调查后选取各生长级和林分的平均标准木共6株, 以1m为区分段分层截取, 测定干、皮、枝、叶和根的生物量, 建立相对生长方程, 估算林分的生物量, 以年平均增长量作为净生产力的估测指标。

2.4 植物采样

进行分层测定生物量的同时, 按干、皮、枝(分当年生枝、1年生、2年生和老枝)、叶(分当年生叶、1年生、2年生和老叶)和根(分 < 0.2cm、0.2~0.5cm、> 0.5cm、根头)等组分采集植物分析样品。

2.5 样品的化学分析

蒸馏比色法测定水样中的NH₄-N, NO₃-N和有机N, 磷钼蓝比色法测定P。植物样品中的N和P分别用半微量凯氏法和721分光光度计测定。植物和水样中的K、Ca, Mg均用原子吸收分光光度计测定。

3 结果分析 3.1 第2代杉木幼林系统的水量平衡 3.1.1 杉木幼林降雨输入与分配

大气降雨是外界各物质进入森林生态系统的主要途径, 根据1995~1997连续3a观测的资料, 统计出第2代杉木林的降雨输入及分配情况(表 1)。由表 1可看出, 该系统的年降水量为1170.6mm, 其中林内的净降雨量占总降雨量的87.2%, 达到1020.83mm, 林冠年截留量为149.77mm, 占年降雨量的12.8%。进入杉木林内的雨水绝大部分是穿透水, 为1017.3mm, 占净降雨量的99.7%, 以树干茎流形式进入林内的水量为3.53mm, 占年降雨量的0.3%。

与稳定态的第1代杉木林相比(潘维俦, 1989), 第2代杉木林内的穿透水量和茎流量明显增加, 第1代杉木林的穿透水量和茎流量为786.88mm和1.22mm, 第2代杉木幼林分别增加到1017.3mm和1.53mm。而林冠的截留量和截留率成倍减少, 分别由第1代杉木林的274.6mm和25.8%下降到149.77mm和12.8%。由于林冠层是生态系统与外界作用的重要界面, 对降水的截留作用减少了大气降雨到达地面的数量和速度(马雪华, 1993), 从而增加了系统对外界干扰抵抗能力。第2代杉木林林冠截留量和截留率的减少表明其对外界干扰的抵抗力比稳定态的第1代杉木林差。

上述现象有两个方面的原因, 一方面是因为在观测期间内降雨量有所增加, 并且在1996和1997年的7~8月份先后出现强的降雨过程。另一方面是因为第2代杉木幼林的树皮纤维薄且结构紧密, 对雨水的吸收能力较差, 树干茎流增加。同时第2代杉木林林冠的郁闭度小, 树叶的密集度低, 从而对降雨的截留也就减少。

将表 1相应的数据绘制出图 1、2, 从中可以看出第2代杉木林生态系统的降雨输入及分配的月变化规律。林内的穿透水、树干茎流和林冠截留量随着降雨量的增加而增加, 林冠的截留率则呈减少的趋势。一年内11~2月冬春期间, 降雨量少, 多以小雨为主, 林冠截留雨水的能力强, 林冠截留率为全年的最大值, 月平均截留率为22.4%。3~8月的春夏期间, 降雨量多且降雨强度大, 林冠的月平均截留率最小, 为11.6%。9~10月由于气温高且空气湿度小, 林冠干燥, 降雨量相对较低, 故截留率呈上升趋势, 月平均值为20.8%。各月的树干茎流有一定的变化, 但其总量非常小, 在降雨量最大的7月份, 月茎流量也仅为0.63mm, 茎流率在0.1%~0.6%之间波动。

3.1.2 径流输出及其分配

表 2列出第2代杉木幼林径流输出及其分配规律, 该集水区年径流输出总量为428.05mm, 其中以地下径流输出为主, 为409.59mm, 占总径流量的95.69%, 地表径流为18.46mm, 占总径流量的4.31%。第1代杉木林的地表径流、地下径流量和径流总量分别是9.9mm、198.8mm和208.4mm, 可见第2代杉木幼林的径流量都高于第1代杉木林, 其涵养水源的能力相对较弱。

为了说明第2代杉木林径流的月分配格局, 将表 2中的数据绘制图 3。从图 3可看出, 月径流量从1月份的9.07mm开始逐月增加, 到7月份达全年最大值84.16mm, 随后逐月减少, 到12月仅为9.94mm。地表径流和地下径流有相似的变化规律。将径流量和降雨量的月变化进行比较可以看出, 降雨量最大的7~8月份过后的9~10月份径流量却维持在一定的水平, 表明第2代杉木幼林具有一定的延长径流流出时间来增加枯水季节流量的水源涵养功能。但从图 3来看, 第2代杉木幼林的径流高峰期与降雨量是同步的, 第1代杉木林在4~6月是降雨量的高峰期, 而径流的高峰期却在7~8月, 说明第2代杉木幼林的调节洪峰的能力远不及稳定态的第1代杉木林。

3.1.3 系统的水量收支平衡

根据水量平衡公式P=E+R+ΔW, 式中, P为降雨量, E为蒸散量, R为径流量, ΔW为系统内蓄水变化量(主要为土壤蓄水的变化) (周光益等, 1996)。采用环刀法测定土壤蓄水量的变化作为系统内蓄水变化量。表 3为系统水量平衡情况, 结果表明第2代杉木林系统的蒸散量在水量平衡中占有显著地位, 是系统水量支出的主要形式, 其值为862.64mm·a^-1, 占年降雨量的62.2%。以径流方式支出的水量为428.05mm, 占年降雨量的36.57%, 其中地表径流和地下径流分别占年降雨量的1.58%和34.99%。这些数据说明第2代杉木林对径流尤其是地表径流有一定的调节作用。

3.2 第2代杉木幼林生态系统的营养元素循环 3.2.1 系统降水中的养分输入

从表 4可以看出, 第2代杉木幼林通过降雨输入的养分量为53.173kg·hm^-2·a^-1, 其中K的输入量最大, 达23.599kg·hm^-2·a^-1, Ca次之, 为16.170kg·hm^-2·a^-1, N为12.046kg·hm^-2·a^-1, Mg和P较少, 分别为1.147kg·hm^-2·a^-1和0.211kg·hm^-2·a^-1。

3.2.2 系统内养分的生物循环

生物循环包括吸收、存留和归还3个过程(Duvigneaud et al., 1974), 其中存留量为系统养分元素的积累速率。从表 5可见, 杉木幼林每年积累的养分量为66.67kg·hm^-2·a^-1, 其中以Ca的积累速率最高, 达23.03kg·hm^-2·a^-1, P的积累量最低, 为1.97kg·hm^-2·a^-1, 各元素养分元素的积累速率的大小顺序为Ca > N > K > Mg > P。

归还量包括凋落物量和雨水的淋溶量。根据定位观测结果, 杉木幼林的郁闭度仅0.6左右, 林分没有充分郁闭, 树木半枯或枯死状的针叶多数附着在枝条上, 没有脱落产生凋落物, 因此系统内的归还主要是雨水的淋溶量。假设林冠截留而吸附在枝叶表面上的养分随下次降雨淋溶进入林地, 则降水淋溶的养分归还量为73.988kg·hm^-2·a^-1。其中Ca最多, Mg, K和N次之, P最少(见表 4)。

根据公式:吸收=存留+归还(Duvigneaud et al., 1974), 计算出第2代杉木幼林的生物循环参数(见表 6)。从表 6可以看出, 杉木幼林的年吸收量为140.658kg·hm^-2·a^-1, 各元素的平均循环速率为0.53, 即林分当年吸收的养分元素有53%归还给土壤, 平均周转期为12.4 a, 其循环速率的顺序为Ca > Mg > K > N > P。Ca和Mg的周转期短, 用10.5 a的时间可周转1次, K、N、P则分别要22.4~35 a的时间周转1次。

3.2.3 径流中的养分输出

第2代杉木林通过径流输出的养分量为42.563kg·hm^-2·a^-1, 其中Ca的输出量最大, 为24.966kg·hm^-2·a^-1, 其次是K和Mg, 分别是7.994kg·hm^-2·a^-1和6.728kg·hm^-2·a^-1, N次之, 为2.569kg·hm^-2·a^-1, P最少, 为0.306kg·hm^-2·a^-1。养分的输出以地下径流为主, 达40.06kg·hm^-2·a^-1, 占年径流总输出量的94%, 而地表径流的养分输出为2.503kg·hm^-2·a^-1, 占总径流输出量的6% (见表 4)。

3.2.4 养分元素的生物地球化学循环

为了进一步分析第2代杉木林的养分循环, 对表 4和表 6作相应的变动得出表 7。该系统养分的输入总量为53.173kg·hm^-2·a^-1, 输出量为42.563kg·hm^-2·a^-1, 净累积量为10.61kg·hm^-2·a^-1, 净变化率为20.0%。各元素中以K的净累积最高, 为15.605kg·hm^-2·a^-1, 变化率为66.1%, 其次为N, 净累积量为9.477kg·hm^-2·a^-1, 变化率为78.7%。其他元素出现亏损, Ca的亏损量最大, Mg其次, P较少。从表 7还可看出, 除K元素的净变化相近外, 各元素和总的生物循环净变化都比地球化学循环大得多。

第2代杉木林的养分循环参数与第1代进行比较, 有两方面值得注意的问题:1是第2代杉木林生态系统的养分输入量明显大于第1代(32.09kg·hm^-2·a^-1), 为1.7倍, 然而第2代杉木幼林的养分输出比第1代(8.80kg·hm^-2·a^-1)更大, 达到近5倍, 第2代杉木幼林系统的养分累积量较少, 仅为10.610kg·hm^-2·a^-1, 为第1代杉木林积累量(23.24kg·hm^-2·a^-1)的0.46倍。第2代杉木幼林P、K、Mg 3元素出现亏损, 第1代的所有元素是净积累的, 说明第2代杉木幼林生态系统仍处于生态恢复过程, 生物调节要恢复到稳定态的第1代杉木林水平需要一段时间。2是尽管第2代杉木林吸收量比第1代(179.60kg·hm^-2·a^-1)小, 但其归还量也比第1代(136.35kg·hm^-2·a^-1)小, 从而第2代杉木林对养分的存留比第1代(43.25kg·hm^-2·a^-1)大, 也就是说第2代杉木幼林将从土壤中吸收的养分大量保存在林木中, 造成土壤中养分的逐渐减少。

4 结论

第2代杉木林生态系统的年降雨输入为1170.6mm, 其中3.53mm以树干茎流形式进入林地, 占降雨量的0.3%, 林内穿透水为1017.3mm, 占86.9%, 另外林冠年截留量为149.77mm, 占年降雨量的12.8%。径流形式流出该系统的水量为428.05mm, 占年降雨量的36.57%, 其中地表径流和地下径流分别占总径流的4.31%和95.69%。系统另一输出形式蒸散量为862.64mm, 为年降雨量的62.2%。

在生物循环过程中, 杉木幼林对N、P、K、Ca, Mg 5种元素的年吸收量为140.658kg·hm^-2·a^-1, 归还量为73.988kg·hm^-2·a^-1, 养分的积累为66.67kg·hm^-2·a^-1, 各元素的平均循环速率为0.53, 即林分当年吸收的养分元素有53%归还给土壤, 平均周转期为12.4 a。在该森林生态系统中, 由降雨输入的N、P、K、Ca、Mg等元素的总量为53.173kg·hm^-2·a^-1, 径流输出量为42.563kg·hm^-2·a^-1, 净积累量为10.610kg·hm^-2·a^-1。

与稳定态的第1代杉木林相比, 第2代杉木幼林的水文学过程和养分循环具有不同的特征。林冠的截留量和截留率成倍减少, 分别由第1代杉木林的274.6mm和25.8%下降到149.77mm和12.8%, 表明对抵抗外界干扰的能力比稳定态的第1代杉木林差。

第2代杉木林在降雨量最大的7~8月份过后的9~10月份, 径流量却维持在一定的水平, 表明第2代杉木林具有一定的延长径流流出时间和增加枯水季节流量的水源涵养功能。但地表径流、地下径流量和径流总量, 都高于第1代杉木林, 其涵养水源的能力相对较弱。同时第2代的径流高峰期与降雨量是同步的, 说明其调节洪峰的能力远不及稳定态的第1代杉木林。

第2代杉木林生态系统的养分输入量明显大于第1代, 然而其养分的输出更大, 达到近5倍, 养分的累积量较少, 为第1代的0.46倍, 说明第2代杉木幼林生态系统仍处于生态恢复过程, 生物调节要恢复到稳定态的第1代杉木林水平需要一段时间。另外从生物循环来看, 第2代杉木林的吸收量比第1代小, 但其归还量也小, 从而林木对养分的存留量大, 也就是说第2代杉木幼林将从土壤中吸收的养分大量地保存在林木中, 造成土壤中养分的逐渐减少, 维持持久的林地生产力在杉木经营中应引起重视。