薛婷 盛后財(cái) 石磊

(東北石油大學(xué)，大慶，163318) (東北林業(yè)大學(xué)) (大慶市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院)

森林冠層對(duì)降雨的截留分配，不僅改變了進(jìn)入森林內(nèi)降雨量的空間分布[1]，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)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(xué)特征，影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)[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(lái)越頻繁、劇烈。降水方式的變化可能會(huì)影響森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)[5]。因此，全面認(rèn)識(shí)和了解降水與養(yǎng)分循環(huán)之間的關(guān)系，對(duì)探索森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)的作用機(jī)理，量化區(qū)域森林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值意義重大[6]。

大氣降水中養(yǎng)分的輸入是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的重要來(lái)源。在養(yǎng)分受限區(qū)域，降水可能是養(yǎng)分輸入的唯一來(lái)源，并且能夠影響森林群落的生長(zhǎng)和演替[3，5]。近年來(lái)，森林降水化學(xué)特征的研究已成為國(guó)內(nèi)外森林水文學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)[7-10]。以往的研究主要針對(duì)不同區(qū)域、不同類(lèi)型天然林而開(kāi)展[4，11-12]，雖然部分人工林生態(tài)系統(tǒng)的降水分配和水化學(xué)也進(jìn)行了一定初探[13-15]，但對(duì)我國(guó)東北林區(qū)森林的水化學(xué)研究缺乏探討，特別是對(duì)復(fù)雜、多變環(huán)境下的城市人工林生態(tài)系統(tǒng)降雨分配過(guò)程養(yǎng)分通量變化特征鮮見(jiàn)報(bào)道[11，16]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)耐干旱貧瘠且適應(yīng)性強(qiáng)，被列為三北防護(hù)林重點(diǎn)工程重要樹(shù)種。其形成的群落防風(fēng)固沙、改良土壤水分與養(yǎng)分效果顯著[17-18]，對(duì)控制沙地、保護(hù)農(nóng)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(tài)水文過(guò)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(duì)降雨截留過(guò)程水化學(xué)變化的研究很少[16]，目前，僅在黑龍江省東部山地進(jìn)行了少量報(bào)道[23]，但對(duì)樟子松林降雨分配過(guò)程的養(yǎng)分通量特征尚不完全明晰，因此，對(duì)樟子松林降雨分配過(guò)程各分量水化學(xué)特征的測(cè)定就十分必要。基于此，本研究以東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范研究基地樟子松人工林為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其大氣降雨、穿透雨和樹(shù)干徑流的定位觀(guān)測(cè)和養(yǎng)分質(zhì)量濃度分析，探討城市環(huán)境中樟子松人工林生態(tài)系統(tǒng)伴隨降雨的養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程的基本規(guī)律和特征，以期為該林分的養(yǎng)分管理及其凈化水質(zhì)功能提供參考依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究于2015年生長(zhǎng)季(5—9月份)在東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范研究基地(126°37′15″E；45°43′10″N)的樟子松人工林內(nèi)開(kāi)展。示范基地位于哈爾濱市區(qū)，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(fēng)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(fā)量726 mm，其他氣候條件詳見(jiàn)文獻(xiàn)[24]。

樟子松人工林是1957年用2年實(shí)生苗穴狀定植形成。據(jù)2013年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，樟子松林平均樹(shù)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(jīng)60多年撫育和管護(hù)，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(shù)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(shù)干徑流量的測(cè)定及樣品收集

大氣降雨：利用距觀(guān)測(cè)樣地150 m處樓頂平臺(tái)上設(shè)置的翻斗式雨量計(jì)(HOBO RG3-M)和3個(gè)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(shù)據(jù)，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(xué)分析。

穿透雨：在樟子松人工林中心區(qū)域設(shè)置20 m×20 m的觀(guān)測(cè)樣地，以樣地中心點(diǎn)為中心，十字交叉布設(shè)13個(gè)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(jié)束立即測(cè)定雨量筒內(nèi)雨水體積(mL或cm3)，并換算成深度(mm)。穿透雨深度的算術(shù)平均值即為樣地穿透雨量(mm)。在測(cè)定穿透雨的同時(shí)，收集穿透雨樣品以備水化學(xué)特征分析。

樹(shù)干徑流：由于人工林內(nèi)樹(shù)木胸徑相近，因此根據(jù)平均胸徑選擇5株典型(非優(yōu)勢(shì)木或被壓木)樟子松作為標(biāo)準(zhǔn)木觀(guān)測(cè)樹(shù)干徑流。樹(shù)干徑流觀(guān)測(cè)設(shè)施制備及安裝詳見(jiàn)文獻(xiàn)[24]。每次降雨后立即測(cè)定樹(shù)干徑流體積(mL或cm3)，并結(jié)合林冠投影面積算樹(shù)干徑流深(mm)。樹(shù)干徑流深的算術(shù)平均值與樣地內(nèi)樟子松的株數(shù)的乘積即為樣地樹(shù)干徑流深(mm)。在測(cè)定樹(shù)干徑流的同時(shí)，收集樹(shù)干徑流樣品以備水化學(xué)特征分析。

2.2 樣品處理及水化學(xué)分析

2.3 數(shù)據(jù)處理

養(yǎng)分質(zhì)量濃度計(jì)算：大氣降雨、穿透雨、樹(shù)干徑流的質(zhì)量濃度計(jì)算公式如下：

式中：C代表大氣降雨、穿透雨或樹(shù)干徑流中養(yǎng)分的質(zhì)量濃度(mg·L-1)；Ci為單次降雨后測(cè)定的平均質(zhì)量濃度(mg·L-1)；Pi為對(duì)應(yīng)降雨事件的大氣降雨、穿透雨或樹(shù)干徑流量(mm)；n為生長(zhǎng)季內(nèi)降雨事件次數(shù)。

養(yǎng)分輸入量計(jì)算：大氣降雨、穿透雨和樹(shù)干徑流的養(yǎng)分輸入量，可按下式計(jì)算：

F=C·P/100。

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

其他相關(guān)計(jì)算如下[9]：淋溶系數(shù)=穿透雨或樹(shù)干徑流中養(yǎng)分質(zhì)量濃度/大氣降雨中養(yǎng)分質(zhì)量濃度；凈淋溶量=穿透雨養(yǎng)分輸入量+樹(shù)干徑流養(yǎng)分輸入量-大氣降水養(yǎng)分輸入量；凈淋溶沉積比=凈淋溶量/大氣降雨養(yǎng)分輸入量。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣降雨的養(yǎng)分特征

表1 不同時(shí)期大氣降雨、穿透雨和樹(shù)干徑流中養(yǎng)分質(zhì)量濃度

3.2 穿透雨的養(yǎng)分特征

3.3 樹(shù)干徑流的養(yǎng)分特征

3.4 大氣降雨的淋溶效應(yīng)

表2 穿透雨和樹(shù)干徑流各養(yǎng)分的淋溶系數(shù)

3.5 樟子松人工林養(yǎng)分輸入特征

表3 生長(zhǎng)季樟子松人工林養(yǎng)分輸入情況

4 結(jié)論與討論