不同雨强对杉木和米槠林地表径流和可溶性有机碳的影响

付林池，谢锦升，胥 超，吕茂奎，陈 坦，刘小飞，杨玉盛

(1．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州350007;2．福建师范大学地理科学学院，福州35007)

0 引言

可溶性有机碳 (dissolved organic carbon，DOC)是指能够通过0.45μm的滤膜，溶解于水的有机碳，具有不稳定性，而且移动迅速 。它的迁移在有机土壤的碳循环过程中起着非常重要的作用 ，是土壤养分和污染物迁移的载体［1］，与水分的运动有关［5］。有研究表明，地表径流和壤中流是DOC迁移的主要途径［6-7］。

降雨是水分运动的主要动力，也是径流产生的主要原因。一般认为，降雨的过程中，在有坡度的林地内，表层土壤渗水能力好，容易形成壤中流［8］，而地表径流是在壤中流回流的基础上产生的［9］。目前，许多的科研工作者对地表径流中DOC的浓度进行大量的研究［1，4，10］，这些都是基于地表水中DOC浓度升高的现象，探讨引起这一现象具体的原因而进行的研究，而对不同的雨强和不同的森林植被类型地表径流中DOC浓度的差异研究仍较少。

中国南方亚热带地区气候温暖湿润，年径流量大，土壤侵蚀严重，大量的可溶性养分相伴流失。米槠和杉木为本区域的代表性植被。因此，选择米槠 (Castanopsis carlesii)次生林和邻近的杉木 (Cunninghamia lanceolata)人工林为研究对象，研究米槠次生林和杉木人工林的径流量和地表径流中DOC浓度的差异，探讨不同植被类型对径流量和DOC流失量的影响，为亚热带地区选择合适的造林树种，开展营林工作，减少水土流失，增加土壤养分，防止土地肥力下降提供理论和技术支持。

1 试验地概况

试验地位于福建省三明市陈大林业采育场黄工矿区 (26°19'N，117°36'E)，地处戴云山脉和武夷山脉之间，地形以低山丘陵为主，平均海拔300 m，平均坡度为25～35°。该区气候类型为中亚热带季风性气候，年降雨量为1 749 mm，年均蒸发量为1 585 mm，年均温为19.1℃，降雨主要集中于3—8月。土壤多为发育在粗晶花岗岩上的红壤，厚度达1 m。

米槠次生林是米槠天然林在强度择伐后，经封山育林40几年而演替形成的。海拔330 m，坡度30°，林分密度2 600株·hm－2，平均树高16.2 m，平均胸径13.03 cm。林下植被以黑莎草 (Gahnia tristis Nees)、芒萁 (Dicranopteris dichotama)、毛冬青 (Ilex pubescens)、扇叶铁线蕨 (Adiantum flabellulatum)等为主。

杉木人工林是米槠次生林经过皆伐后人工种植杉木而形成的。海拔300 m，坡度30°，林分密度2 858株·hm－2，平均树高18.2 m，平均胸径15.6 cm。林下植被以狗骨柴 (Tricalysia dubia)、毛冬青、芒萁等为主。

2 材料与方法

2.1 径流小区的设置

在杉木人工林地和米槠次生林地共建立6个径流小区。米槠次生林分上、中、下坡各设1个，作为3个重复;而杉木人工林则在3个坡面上各设1个。小区的面积为20 m×5 m，上部及两侧设围埂，围埂出露高度为20 cm，埋深30 cm，用预制PVC板砌成，按放样线挖沟放置，同时预制板间的孔隙用水泥勾缝，确保不透水。围埂外侧设2 m宽的保护带。径流小区下部设集水槽和引水渠，引水渠末端布设径流池。

2.2 实验方法

选择4场不同强度 (小雨、中雨、大雨、暴雨)比较具有代表性的降雨，对每场降雨的降雨量进行观测和记录，采集径流水样品并进行前处理和处理后的样品指标测定。

2.2.1 降水量的观测

在试验地内建立简易的气象观测站，采用自动观测的方法记录每场降雨的详细情况，对降雨、风速等指标进行观测，根据观测的数据计算日降雨量。按照国家气象雨量的大小，可以将降雨分为4个等级:0～9.9 mm为小雨，10～24.9 mm为中雨，25～49.9 mm为大雨，50 mm以上为暴雨 (具体还可细分)。

2.2.2 径流量的观测

每次降雨结束后，采样人员先读取径流池中水面在钢尺上的读数，根据所观测的径流池深计算出径流体积。

2.2.3 样品的收集、处理及测定

将径流池中水样搅拌均匀，静置10 min左右，多点取上部径流水样，混合后盛放在1.5 L的塑料瓶中;将收集回来的雨水过筛，滤掉植物残渣，过筛后的水样经过0.45μm的滤膜抽滤，将样品放在冷冻室储藏起来。

径流水溶液样品中的DOC的含量采用总有机碳分析仪 (Shimadzu Liqui TOC)进行测定。

2.3 数据处理

采用Excel 2003和SPSSStatistics 19统计软件对数据进行分析处理，采用独立样本均值T检验对不同林地的径流量和DOC浓度进行差异显著性检验 (显著水平设为α=0.05)。

3 结果与分析

3.1 径流量的动态变化特征

3.1.1 不同雨强下地表径流量

结果表明 (表1)，米槠次生林和杉木人工林的地表径流量最大值均出现在暴雨雨强，而最小值出现在小雨雨强。总体上，2种林分地表径流量变化趋势是一致的，随着降雨强度增大而逐渐增大，但是具体情况则略有不同。米槠次生林和杉木人工林地表径流量大小关系为:暴雨＞大雨＞中雨＞小雨。在4场降雨过程中，地表径流量呈不均匀的递增趋势，而且米槠次生林和杉木人工林小雨、中雨、大雨和暴雨地表径流量间差异均不显著。这说明降雨强度对地表径流量产生了不明显的影响，即随着降雨强度的增加，米槠次生林和杉木人工林的地表径流量都有增大的趋势，但是没有随着雨强而显著增加。

表1 不同雨强径流量的动态特征 (平均值±标准差)Table 1 Dynamic runoff characteristics for different rainfall intensities(mean±SD)

米槠次生林和杉木人工林地表径流量变化范围为3.20～10.01 m3·hm－2和2.18～8.92 m3·hm－2。在小雨、中雨、大雨和暴雨4种雨强的条件下，米槠次生林的地表径流量均要高于杉木人工林，但差异均不显著。

3.2 可溶性有机碳流失浓度变化特征

3.2.1 不同雨强下可溶性有机碳流失浓度

在4场降雨过程中，米槠次生林和杉木人工林的DOC流失浓度变化范围分别为12.46～26.87 mg·L－1和3.85 ～13.75 mg·L－1(图 1)。最大浓度均出现在小雨雨强的时候，而最小浓度均出现在暴雨雨强的时候。DOC浓度总体上呈降低的趋势。小雨和中雨DOC浓度差异较小，而当雨强增大到大雨时，DOC浓度显著下降。由大雨增至暴雨时，下降的幅度较小。这说明在一定的降雨强度范围之内，雨强对米槠次生林和杉木人工林DOC产生较为明显的影响，而在此范围之外，雨强的影响逐渐减弱。

3.2.2 米槠次生林和杉木人工林可溶性有机碳流失浓度

图1 米槠次生林和杉木人工林可溶性有机碳流失浓度Figure 1 The concentrations of dissolved organic of the secondary forest of Castanopsis carlesii and Cunninghamia lanceolata

在相同的降雨强度下，杉木人工林的DOC流失浓度分别只有米槠次生林的51.2%、42.2%、47.3%和30.9% ，米槠次生林的DOC流失浓度均高于杉木人工林，且在小雨、中雨和暴雨条件下，差异达到显著性水平 (P＜0.05)，而在大雨雨强时，差异不显著 (表2)。在相同的降雨强度下，米槠林DOC流失量要大于杉木林的DOC的流失量，尤其是在小雨、中雨和暴雨3种雨强下，米槠径流中DOC流失量要显著高于杉木林，说明米槠次生林碳流失的程度要比杉木人工林更严重。

表2 可溶性有机碳流失浓度 (平均值±标准差)Table 2 Dissolved organic carbon concentrations in runoff(mean±SD)

4 讨论

4.1 雨强与植被类型对地表径流量的影响

米槠次生林和杉木人工林的地表径流量均随着降雨强度的增加而增大。这是因为降雨能够产生地表径流，对地表径流量的大小有着直接的影响［11］。前人的研究结果也表明，降雨强度影响着地表径流量的大小，地表径流量随着降雨强度的增加而增大［12-13］。这主要是由于雨强增大时，雨滴也会随之增大，侵蚀土壤的能力增强，破坏土壤的表层结构，导致渗透性能下降，地下径流减少，形成更多的地表径流［14］。同时，降雨强度增大，使得土壤含水量逐渐达到饱和，会有更多的雨水形成地表径流，因而径流量随着降雨强度的增大而增加［15］。

森林植被具有涵养水源的功能，对地表径流起调节作用。在不同的雨强条件下，米槠次生林的地表径流量均高于杉木人工林，可见在中亚热带地区，杉木人工林的持水能力要强于米槠次生林。有研究认为，植被的结构对地表径流量产生了显著的影响［16］。这主要与林地的林冠层截流能力、凋落物量和土壤渗透性能存在差异有关。有研究表明，径流量受到林冠截留、林地枯枝落叶状况、土壤结构等多种因素的共同影响［17］。不同植被类型林地，林冠层的截流能力、凋落物持水能力、土壤渗透性能不一样，在相同的雨强条件下，地表径流量存在差异［18］。在林冠截留方面，有研究认为，林冠层对降雨截留作用，将会影响到地表径流量的大小［19］。林冠截留能够迟缓林内地表径流，不同的林地类型对降雨的截流能力存在差异。对江西省泰和县的森林生态系统水源涵养功能的研究发现，常绿阔叶林的截流能力要大于包括杉木林在内的针叶林，这与2种林分之间的叶面积和冠层结构有关，常绿阔叶林的叶面积要大于针叶林的叶面积，冠层结构也比针叶林要发达［20］。前人对天童国家森林公园常绿阔叶林的研究也表明，常绿阔叶林平均林冠截留率 (22.52%)高于杉木人工林 (19.92%)［21］。在林地枯枝落叶方面，有研究表明，凋落物层对径流产生较大的影响，不仅吸水持水能力强，而且还能够截留雨水，降低雨水的侵蚀作用，增强土壤渗透性，减缓减少地表径流量［22］。林地凋落物持水能力由树种的成分决定的，跟树种的凋落物状况有关，凋落物层越厚，贮量越丰富，持水能力越强［23］。通过对闽北森林凋落物调查发现，杉木纯林年均凋落物量为常绿阔叶林的1.8倍，杉木林凋落物的储量要大于常绿阔叶林［24］。因此，杉木林枯枝落叶层吸水持水、减缓减少地表径流量的能力要强于米槠林。在土壤结构方面，土壤结构是由土壤的板结程度、密实度和孔隙状况决定的［25］。土壤的孔隙度越大，土壤结构越疏松，土壤渗透性能越强。地表径流量与土壤渗透性能有关，土壤渗透性能越强，地表水下渗越多，径流量越小，反之，径流量越大［26］。有研究认为，不同的植被类型，土壤渗透性能不一样，常绿阔叶林的土壤渗透性能强于针叶林，天然次生林的土壤渗透性强于针叶林［27］。因此，增加森林植被覆盖度，增强林地的林冠截留能力，增加林地凋落物的储量，能够降低雨水直接对地表的冲击，提高土壤渗透性，减缓减少林地的地表径流，延长径流时间，增加地下径流量，有效地减轻水土流失。

4.2 雨强与植被类型对可溶性有机碳浓度的影响

DOC作为陆地生态系统碳输出的主要途径［28］。土壤中DOC随着地表径流进入到水体，因此，降雨和地表径流是DOC流失的主要原因［29］。米槠次生林和杉木人工林DOC流失浓度随着降雨强度的增大而减小。这说明降雨强度增大，会导致DOC浓度出现下降的现象，这与Yang 等人的研究结果相似。他们认为这是因为降水的增加能够对DOC浓度起到稀释的作用。一般认为，降雨是DOC流失的主要动力，同时又对DOC浓度具有稀释作用，因此，在降雨量增加的情况下，DOC浓度也会变得越来越低［31］。

本研究结果表明，米槠次生林的DOC流失浓度均要高于杉木人工林。这说明不同的植被类型DOC流失浓度存在明显的差异。这可能与不同植被类型土壤DOC含量存在差异有关。土壤中DOC的含量与土壤有机碳含量密切相关［32］。因此，土壤有机碳含量的增加，必然会导致DOC含量的增加，可供降雨和径流冲刷的DOC也越多，地表径流中DOC浓度也越高。对亚热带地区不同森林植被类型土壤DOC的研究结果表明，常绿阔叶林的土壤DOC要高于杉木人工林［33］。可见，在相同的降雨强度条件下，常绿阔叶林地表径流中DOC浓度也要高于杉木人工林。

志谢:

感谢熊徳成、林伟盛和林廷武等在野外实验过程中和李伟、刘志江和赵本嘉等在室内实验过程中的大力支持与帮助!

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