森林与环境学报  2018, Vol. 38 Issue (2): 129-134   PDF    
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黄智军, 刘青青, 侯晓龙, 吴鹏飞, 靳聪, 马祥庆
HUANG Zhijun, LIU Qingqing, HOU Xiaolong, WU Pengfei, JIN Cong, MA Xiangqing
长汀不同郁闭度马尾松林降雨淋溶养分输入特征
Characteristics of rainfall leaching nutrient input in Pinus massoniana forest with different canopy density of Changting
森林与环境学报,2018, 38(2): 129-134.
Journal of Forest and Environment,2018, 38(2): 129-134.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2018.02.001

文章历史

收稿日期: 2017-10-20
修回日期: 2018-01-12
长汀不同郁闭度马尾松林降雨淋溶养分输入特征
黄智军1,2, 刘青青1, 侯晓龙1,2, 吴鹏飞1,2, 靳聪1, 马祥庆1,2     
1. 福建农林大学林学院, 福建 福州 350002;
2. 国家林业局福建长汀红壤丘陵生态系统定位观测研究站, 福建 长汀 366300
摘要:降雨淋溶过程对森林生态系统养分循环具有重要影响,是水土流失区土壤养分的重要来源之一。为探究降雨淋溶过程对南方红壤侵蚀区马尾松林养分输入特征的影响,以福建长汀不同郁闭度(0.2,0.4,0.6,0.8)马尾松林为研究对象,利用自制的降雨采样装置,采集不同郁闭度马尾松林大气降雨、穿透雨和树干茎流样品,测定分析N、K、Ca、Na、Mg和Mn 6种元素。结果表明:大气降雨经过冠层再分配后,除Ca元素外,各养分元素含量在穿透雨和树干茎流中均随郁闭度的增加而增加;树干茎流中Ca元素含量则以郁闭度0.4最高,郁闭度0.6最低;在冬季或者降雨量较少的月份郁闭度过高会使养分含量降低。随着马尾松林林冠层密度增大,吸附粉尘等干沉降物质的量增多,导致降雨淋溶时各元素含量增大,从而增加马尾松林养分输入,促进养分循环。
关键词郁闭度    马尾松    大气降雨    穿透雨    树干茎流    养分输入    
Characteristics of rainfall leaching nutrient input in Pinus massoniana forest with different canopy density of Changting
HUANG Zhijun1,2, LIU Qingqing1, HOU Xiaolong1,2, WU Pengfei1,2, JIN Cong1, MA Xiangqing1,2     
1. College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China;
2. State Forestry Administration Fujian Changting Red Soil Hilly Ecosystem Observation and Observation Station, Changting, Fujian 366300, China
Abstract: Rainfall and leaching process has an important influence on nutrient cycling in forest ecosystem which is one of the important causes for the soil nutrient and water loss. Influence of rainfall leaching process on the nutrient importing characteristics of Pinus massoniana forest were investigated in the south China. Soil and water samples were collected in different canopy density (0.2, 0.4, 0.6, 0.8) of Pinus massoniana forest, and the content of six nutrient elements (N, K, Ca, Na, Mg and Mn) were measured. The results revealed that:after the redistribution of rainfall through canopy, the concentration of nutrient elements, except Ca, in throughfall and stemflow had increased with the rise of canopy density. The content of Ca in the stemflow was highest under canopy density of 0.4 and was the lowest under canopy density of 0.6. In winter and some month of low rainfall, nutrient content will reduce if the canopy density is over high. With the growth of canopy density in Pinus massoniana forest, the amount of dry sediment increased, such as adsorption dust, resulted in the rise of the content of elements in rainfall leaching, which increased the nutrient input of Pinus massoniana forest and promoted the nutrient cycle.
Key words: canopy density     Pinus massoniana     rainfall     throughfall     stemflow     nutrient input    

福建省长汀县是我国南方红壤侵蚀区水土流失典型地区,具有土壤侵蚀强度大、面积广, 侵蚀类型复杂、集中连片等特点。20世纪80年代以来,该县开展了一系列红壤强度侵蚀区水土流失治理工作,形成了以马尾松(Pinus massoniana Lamb.)人工林为主的强度侵蚀初步治理区,植被得到一定程度的恢复,土壤侵蚀面积逐年减小,但出现了植被树种单一(以马尾松纯林为主)、林分结构不合理的现象[1],且林地内枯枝落叶分解及养分释放缓慢[2],水土流失严重,土层较薄,土壤养分输入能力较弱[3]。大气降雨的养分输入可能是长汀红壤侵蚀区马尾松林养分循环及林木生长的重要养分来源之一[4],研究该区马尾松林的降雨养分输入特征对于研究南方红壤侵蚀区森林生态系统的养分循环具重要意义。

目前,森林水文过程中的养分平衡与养分动态是国内外学者关注的热点[5],尤其是关于森林对降水中养分离子的淋溶、吸收、再分配等,及其在森林生态系统中的内部迁移规律[6],诸多研究均发现植被对森林养分的影响与降雨等有着密切联系。但对于南方红壤侵蚀区马尾松林中以大气降雨为载体的森林生态系统养分循环方面的研究还较少,马雪华[7]在江西省分宜县大冈山的研究表明, 降雨所含的各种养分物质是森林生态系统的主要养分来源,但主要是针对杉木和马尾松两种树种之间的比较研究,而针对不同郁闭度马尾松林大气降雨养分输入差异性的研究暂未见报。因此,文中采用径流小区定位观测法,选择长汀红壤侵蚀初步治理区的马尾松林为研究对象,通过对不同郁闭度马尾松林大气降雨、穿透雨和树干茎流的观测和养分含量分析,旨在了解不同郁闭度下马尾松林林冠层对降雨的再分配规律及其差异性,以期为南方红壤侵蚀区森林水文过程中发生的养分动态、养分平衡及水文生态作用的理解和评价提供科学的理论依据,也为侵蚀区的进一步治理提供科学指导。

1 研究区概况

试验样地设在福建省长汀县河田镇(东经116°16′~116°30′,北纬25°35′~25°46′),四周低山丘陵,中间开阔,呈锅形地貌,形成河田盆地。河田镇地处中亚热带季风气候区,年平均气温17.0~19.5 ℃,年平均无霜期265 d,年平均日照时间4 400 h,年平均降雨量1 700 mm,降雨主要集中在3—6月,占全年降雨量的60%,具有降雨集中、强度大的特点[8]。土壤类型主要为粗晶花岗岩风化发育的山地丘陵红壤和砂壤土,黏粒含量大、通透性差、有机质含量少、蓄水保肥能力和抗侵蚀能力较差。研究区的森林植被系中亚热带常绿阔叶林,原始植被因人为破坏等原因已经基本消失,现植被主要为针阔混交林和针叶林,其中以马尾松纯林为主,其他乔木树种有香樟[Cinnamomum camphora (L.) Presl.]、木荷(Schima superba Gardn. et Champ.)、枫香(Liquidambar formosana Hance)等;主要灌木树种有杜鹃(Rhododendron simsii Planch.)、红叶石楠(Photinia×fraseri Dress)、黄瑞木[Adinandra millettii (Hk. et Arn) Benth.et Hk. f. ex Hance]、胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)等;草本层的优势种群为芒萁[Dicranopteris dichotoma (Thunb.) Bernh.][9]

2 研究方法 2.1 试验设计

基于长汀红壤侵蚀区的自然条件和初步治理情况,在长汀县河田镇封山育林区初步治理区内选择15年生马尾松纯林,建立20 m×5 m的标准径流小区,设置各径流小区的林分和土壤条件基本一致,在原有林分郁闭度上进行间伐等措施,建设4种不同郁闭度(0.2,0.4,0.6,0.8)的径流小区,在每个小区内布置树干茎流、穿透雨和大气降雨的收集装置。为了使标准样地不受人为干扰,径流小区离道路大于100 m。

2.2 样品收集方法

2016年8月至2017年7月,分别采集大气降雨、穿透雨和树干茎流的水样,运回室内存于冰箱内(4 ℃)待测试。测试前进行水样抽滤,过0.45 μm滤膜,将滤液装入120 mL干净的塑料瓶中,置冰箱避光保存。利用电感耦合等离子体发射光谱分析仪(Optima系列, 美国PE公司)测定水样中K、Ca、Na、Mg和Mn 5种元素的含量,利用总有机碳分析仪测定N元素含量。其中,大气降雨、穿透雨和树干茎流的水样收集方法如下:大气降雨采用自动测定和人工测定相结合的方法,在每个径流小区外的空旷地分别安装3个内径为20 cm的自制雨量桶收集装置,连续收集并测定每场降雨,以收集的雨量作为大气降雨体积,并定期从长汀县气象局获取气象数据作校正;穿透雨在每个径流小区内选择非林隙、林木通直且分布均匀处放置3个内径为20 cm的自制雨量桶收集装置,为防治杂质掉入装置内,在装置口放一个内径20 cm的漏斗,并在漏斗口绑一个孔径小于2 mm的尼龙网;树干茎流根据样地内马尾松分布特征,每个径流小区内选择3株标准木(树高约8 m,胸径约10 cm),在树干距地面约1.3 m处用刀具修除粗糙的周皮,选择周皮光滑处,将内径3 cm、长1.5 m的聚氯乙烯胶管剖开,将其呈螺旋状环绕树干360°,用小铁钉固定和玻璃胶填缝以防漏水,塑料管末端接入50 L带刻度的圆柱形塑料桶内。

2.3 数据处理

数据的统计和分析采用SPSS 20.0软件单因素方差分析(one-way ANOVA)完成,用Origin 9.1和Excel 2007软件作图。

3 结果与分析 3.1 红壤侵蚀区马尾松林大气降雨的养分特征

受降雨等气象条件、林分状况及人类活动的综合影响,红壤侵蚀区大气降雨中各元素含量具有很强的随机性和多变性,各月输入量波动较大。除1、2、10和12月外,其它月份的降雨量均大于100 mm,6月最高,为424 mm,12月最低,为14 mm,降雨量大且月变化大(图 1)。由图 2可知,同一月份大气降雨中不同元素的含量之间差异显著,Ca元素含量最高,Mn元素含量最低,各元素的月平均含量值表现为Ca>K>N>Mg>Na>Mn;同一元素的含量在不同月份之间也存在差异,月变化趋势明显,与降雨量的月变化趋势相反,即降雨量增大的月份各元素含量反而降低。

图 1 研究区降雨量月变化 Fig. 1 Monthly rainfall change in the study area
图 2 大气降雨中养分元素含量的月变化 Fig. 2 Monthly elements change of atmospheric rainfall
3.2 不同郁闭度马尾松林穿透雨的养分特征

大气降雨到达林冠层时淋洗枝叶并穿过林冠层到达林地土壤表层的部分称为穿透雨[10]。由于降雨会淋溶枝叶上所吸附的粉尘,且枝叶对降雨中的元素有吸收和吸附作用,所以当降雨穿过林冠层后其化学性质会发生改变。由图 3可知,穿透雨中各养分元素含量都有明显的月动态变化,并且月变化趋势大致相同,在降雨量增大时,各养分含量降低,即雨季各养分的含量较干季低。在不同郁闭度下,穿透雨中各养分元素的含量有着明显的差异,观测期间K和Ca元素含量随着郁闭度的增大而增大;Na元素含量在8—10月随着郁闭度的增大而增大,但11—7月则以郁闭度0.6最高,郁闭度0.8次之,然后依次是郁闭度0.4和0.2;Mg元素含量除3月和7月以郁闭度0.6最高外,其它月份均以郁闭度0.8最高,且随着郁闭度的增大而增大;Mn元素含量在3、5和10月以郁闭度0.6最高,在其它时间段以郁闭度0.8最高;N元素含量在不同郁闭度下均以郁闭度0.6最高,郁闭度0.8和郁闭度0.4较低,而郁闭度0.2最低。说明郁闭度对穿透雨中各养分元素含量有显著的影响作用,高郁闭度林分下大气降雨所输入的养分更多,但在一些养分元素中并不是郁闭度越高输入量就越大,适宜的郁闭度更有利于林地养分输入。

图 3 穿透雨中养分元素含量的月变化 Fig. 3 Monthly element content change of throughfall
3.3 不同郁闭度马尾松林树干茎流的养分特征

当降雨量满足林冠截留的需要后,一部分雨水将沿着茎干向下运动,最终到达植株根部即为树干茎流[11]。由于雨水在通过茎干、枝、叶和皮的时候会淋洗附着在表面的粉尘,特别是马尾松树皮粗糙,吸附粉尘多,所以树干茎流的化学性质会发生较大变化。由图 4可知,树干茎流中各养分元素含量都有明显的月动态变化,除Ca元素外,其它各元素含量变化趋势大致表现为高郁闭度大于低郁闭度;K元素含量在2、6和12月以郁闭度0.6最高,其中2月在郁闭度0.4下最低,其它月份随郁闭度的增大而增大;N元素含量在12—8月以郁闭度0.6最高,在9—11月以郁闭度0.8最高;Na元素含量在12—2月以郁闭度0.6最高,在其它月份里则以郁闭度0.8最高;Ca元素含量在不同郁闭度下的变化规律最为特殊,郁闭度0.4最高,郁闭度0.2和0.8较低,而郁闭度0.6最低。表明郁闭度对树干茎流中的养分元素含量有显著的影响,郁闭度比较高的马尾松林可以从树干、树枝及树皮中获得更多的养分,同时也说明在降雨经过林冠时个别元素(Ca元素)容易被植株吸附或者吸收。

图 4 树干茎流中养分元素含量的月变化 Fig. 4 Monthly element content change of stemflow
4 讨论

大气降雨通过森林林冠层时,冲刷和淋洗植物体表面及附着在植物体表面的固体沉降物,同时降雨中的部分离子也会被植物的枝叶所吸收或吸附,导致大气降雨在通过林冠层转化成穿透雨和树干茎流进入林内时量的大小及其化学性质均会发生变化[12-13]。降雨量的损失主要受森林群落林冠层截留作用的影响,而影响损失量大小的主要因素包括降雨性质、林冠郁闭度、森林群落的年龄、组成、结构与密度等[14-15]。文中通过测定不同郁闭度下马尾松林穿透雨和树干茎流的养分元素含量特征,并与大气降雨的养分元素含量进行比较,总结马尾松林Ca、K、Mg、Na、Mn和N共6种主要营养元素的含量变化特征。研究发现,穿透雨和树干茎流中的养分元素含量除Ca外大致上都是随着郁闭度的增大而增大,这与李海军等[16]针对不同郁闭度不同林龄下天山云杉林内降水转化过程中的水质变化的研究结果基本一致,说明林冠郁闭度和降雨特征是影响林冠截留的重要因素[17],林冠郁闭度对马尾松林大中量养分的再分配有一定的影响。但在郁闭度较高的林分中,各养分含量不一定是最高的,说明在森林生态系统中并不是郁闭度越高越有利于养分的输入,过高的林分郁闭度会阻碍林冠层对干沉降的吸附作用,特别是在空气较为干燥,扬尘较多的冬季影响更为明显。空气颗粒物中的化学元素经过森林林冠层后的变化规律,植物枝叶的分泌物的季节性规律,及其对降水的水质影响问题仍有待于进一步观测和研究。

在长汀红壤侵蚀区的马尾松林中,受水土流失影响,土层较薄,土壤养分输入能力弱的影响[3],大气降雨成为该地区养分输入的主要来源。在不同月份降雨量、降雨强度及降雨历时等气象因子的影响下,大气降雨、穿透雨和树干茎流中各养分元素都有明显的月动态变化,且变化趋势大致相同,这与张娜等[18]对南亚热带鼎湖山地区马尾松林降雨量及其在分配过程的研究结果一致。在文中的研究监测期间,不同郁闭度下大气降雨以及穿透雨中各养分元素含量均呈Ca>K>N>Mg>Na>Mn,这与盛后财等[19]对小兴安岭白桦林生态系统大气降雨和穿透雨的研究结果一致,但是在树干茎流中各养分元素含量的规律为K>Ca>N>Na>Mg>Mn,可能是因为红壤侵蚀区以种植马尾松为主要治理措施,而马尾松的树干会分泌有机酸和无机酸,而Ca是干沉降中主要的阳离子,当雨水顺着树干往下流的时候Ca离子移动性差,容易被酸中和而不易淋洗,使Ca元素出现负淋溶[20]

马尾松纯林林冠结构简单,随着林冠郁闭度从低到高,其枝叶密度与林冠郁闭度呈正相关,形成穿透雨时能够淋洗的枝叶也在增多,且马尾松皮层粗糙,易吸附粉尘等干沉降物质,所以当大气降雨经过马尾松林冠层时,林冠层对降雨的再分配作用使得降雨的体积和浓度均发生,在郁闭度较高的马尾松林中更为明显,呈明显的正相关趋势,这与盛后财等[19]在小兴安岭白桦林生态系统的研究中对红松的研究相一致。

5 结论

在不同郁闭度马尾松林中,穿透雨中的各养分元素含量都是随着郁闭度的增大而增大。树干茎流中除Ca元素外其它各养分元素含量都是随着郁闭度的增大而增大,但当郁闭度过高时养分元素含量则呈现降低趋势。不同郁闭度下Ca元素含量变化规律差异较大,穿透雨中Ca元素含量在不同郁闭度下表现为随着郁闭度的增大而增大,在树干茎流中则表现为郁闭度0.4最高,郁闭度0.2和0.8较低,而郁闭度0.6最低,出现负淋溶现象。在不同郁闭度马尾松林中,大气降雨和穿透雨中各元素含量均表现为Ca>K>N>Mg>Na>Mn;而树干茎流中各元素含量则表现为K>Ca>N>Na>Mg>Mn。在降雨量较少,降雨强度较小且空气粉尘较多的冬季,在郁闭度0.8下,马尾松林因郁闭度过高会阻碍林冠层内部枝叶对干沉降的吸附和吸收,导致穿透雨和树干茎流中各养分含量均低于郁闭度0.6.

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