降雨特征对兴安落叶松林降雨再分配过程中钾元素影响分析

胡 悦，满秀玲，魏 红

(东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

降雨特征对兴安落叶松林降雨再分配过程中钾元素影响分析

胡 悦，满秀玲*，魏 红

(东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

兴安落叶松林；降雨量；降雨强度；降雨间隔期；钾元素；灰关联度

大气降雨通过森林生态系统，在降雨再分配过程中，其水化学特征也会受到交换、过滤、吸附和淋洗等影响而发生显著变化[1-2]，而这种化学成分的改变主要取决于降雨类型、森林类型、森林结构、生长过程等[3-4]。目前，关于植被对降雨水化学影响的研究较多，如唐晓芬等[5]研究发现降雨经过林冠层后总的离子淋溶量表现为针阔混交林>常绿阔叶林>毛竹林>灌木林；刘茜[6]等通过对大兴安岭北部白桦次生林降雨水化学特征研究发现K+、Mg2+和Fe等元素发生正淋溶，而Na+和Cu2+则为负淋溶。但关于降雨特征对水化学影响的研究较少，且主要集中在南方地区，如周光益[7]研究发现热带丛林生态系统在暴雨期间Ca2+、Mg2+等含量随降雨强度的增强而增大，而K+含量则减小；王静[8]在天童常绿阔叶林的研究中发现硝态氮的浓度受降雨量的影响，且呈显著负相关。

大兴安岭地处我国寒温带地区，地带性植被是以兴安落叶松为主的明亮针叶林，它不仅是大兴安岭地区最具代表性的森林生态系统，而且也是松嫩平原和呼伦贝尔草原的天然屏障，维护着东北地区的生态平衡。而K作为植物生长的必需元素，具有较高的活性[9]，且植物中的K元素主要来自土壤中的可溶性K，土壤在某种程度上就像一个调节库，在水循环的过程中储存营养元素K，然后供植物生长使用[10]。因此本文选择大兴安岭北部兴安落叶松林为研究对象，分析降雨特征对降雨再分配过程中K+含量的影响，以期为该地区森林生态水文效应研究提供理论依据。

1 研究区概况

2 研究方法

2.1 样地设置

2.2 采样方法

2.2.1 林外降雨的采集 在林外开旷地放置美国ONSET公司生产的HOBORG3-M翻斗式雨量自记仪，距离地面1 m高，测定大气降雨。

2.2.2 穿透雨的采集 在样地内随机布设5个由PVC材料制作的直径20 cm、长100 cm的降雨槽收集穿透雨，降雨槽距离地面1.3 m高，以避免林下灌木和草本对穿透雨量的影响，同时降雨槽应与地面保持约5°的倾角，降雨槽较低的一端开口，与HOBORG3-M翻斗式雨量自记仪相连，记录穿透雨量和过程，雨量自记仪下方接一自制的雨量筒以收集穿透雨。

2.2.3 灌木穿透雨采集 标准地内的灌木主要是兴安杜鹃，在兴安杜鹃下方随机布设5个灌木穿透雨收集桶，直径为32 cm，高6 cm，收集桶上方铺设纱网，以避免落叶和昆虫进入，每次降雨后收集灌木层穿透雨水样。

2.2.4 树干径流采集 在每木检尺的基础上，选择不同径阶的样木安装径流装置，共选择7株样木，测定树干径流。将高密度不透水泡沫板内壁用刀修成斜面，斜面最低处挖一个导水小槽，小槽的最低端与聚乙烯塑料管相接将树干径流导入HOBORG3-M型雨量自记仪，将泡沫板环绕于树干上，用勒死扣勒紧，并且用玻璃胶封严各接缝处，确保树干径流全部流入聚乙烯塑料管下的自计雨量仪中，雨量仪下方接一自制的雨量筒以收集树干径流。

2.2.5 枯透水采集 在标准地内选择5个有代表性的样点，将原状枯落物原移到直径20 cm的圆筛中，圆筛下接一已经处理过的小塑料桶，并将小塑料桶埋入土壤中，以避免温度对水质的影响，每次降雨后立即逐一取样。

2.3 水样测定

每次降雨后，用干净的500 mL塑料瓶收取各类水样，并放入4℃冰箱冷藏。

水样在测定前均用直径为25 mm、孔径0.45 μm的水溶性微孔滤膜过滤，采用德国耶拿公司的novAA400P火焰原子吸收光谱仪测定K+浓度，测定的样品需加入硝酸酸化。

2.4 数据分析

运用Excel 2010和灰色关联分析法对数据进行图表绘制及分析[11-13]。

3 结果分析

3.1 研究区降雨特征

图1 研究期间降雨特征Fig.1 Characteristics of rainfall during the research time

3.2 降雨再分配过程中K+含量变化特征

图2 兴安落叶松林对大气降雨再分配过程中K+含量变化Fig.2 The content change of K+ on Larix gmelinii during the rainfall redistribution

3.2.1 降雨量对K+含量的影响 为了更加准确地研究降雨量对K+含量的影响，我们选择了5场不同量级的降雨，见表1，其中4月29日降雨量最小，仅有2.00 mm，降雨经过林冠后穿透雨中K+含量由2.061 mg·L-1增加至2.713 mg·L-1，仅增加了32%；5月23日降雨量为11.0 mm，穿透雨中K+含量由0.486 mg·L-1增加至2.489 mg·L-1，增加了4.12倍，增加幅度是4月29日的12.88倍；这主要是由于5月23日降雨量是4月29日的5.5倍，降雨量大可使降雨对林冠的淋洗更为彻底； 6月8日和7月23日降雨量分别达到14.0 mm和17.0 mm时，其穿透雨中K+含量的增加幅度是5.02倍和6.81倍，这说明穿透雨中K+含量受降雨量影响较大，且随降雨量的增加K+含量呈上升趋势。同样地，这三场降雨的灌木穿透雨中K+含量的增加幅度分别为0.59倍、3.72倍及4.26倍，也表现出随着降雨量的增加，K+含量的增加幅度呈上升趋势，与穿透雨中表现一致。由表1我们还可以看出， 5月23日与8月4日这两场降雨，降雨量和降雨强度相近，5月23日穿透雨中K+含量增加了4.12倍，灌木穿透雨中K+含量增加了3.72倍，而8月4日穿透雨和灌木穿透雨中K+含量分别增加了6.37倍和5.34倍，增加幅度分别是5月23日的1.55倍和1.44倍。

表1 不同降雨量K+含量比较

树干径流中K+含量变化趋势与穿透雨相同，随着降雨量的增加，4月29日、6月8日和7月23日这三场降雨树干径流中K+含量分别增加了0.45倍、6.63倍和10.34倍，呈上升趋势。虽然K+在树干表面含量很少，但是由于树皮给大气沉降提供了良好的接受场所，并且是植物的非光合器官，它很难直接从水体中吸收营养元素，相反雨水易于淋洗树干附着物，使得树干径流中的化学元素含量呈增加趋势[15-16]。枯透水中K+含量增加幅度变化较小，相差不大。除4月29日外，其它4场降雨的枯透水中K+含量增加幅度呈上升趋势，分别增加了17.33%、22.82%、25.72%和36.10%，而4月29日K+含量增加了25.88%，与6月8日几乎相同，主要是由于此时林分颗粒物质积累较长，使得降雨淋洗的干沉降物较多，同时降雨量仅为2.0 mm，反而发生了浓缩现象[17]，使得K+含量较高。

3.2.2 降雨历时和降雨强度对K+含量的影响 为了更好说明降雨历时和降雨强度对K+含量的影响，我们选择10 mm左右和18 mm左右的2个降雨量级进行对比分析，见表2。其中7月23日和8月19日降雨量分别为17.0 mm和18.2 mm，属于同一雨量级，7月23日的降雨经过林冠后穿透雨中K+含量较大气降雨增加了6.81倍，而 8月19日增加了11.92倍，增加的幅度是7月23日的1.75倍。这是由于8月19日降雨历时达27.33 h，而7月23日仅为2.83 h，降雨历时长可使降雨对林冠的淋洗更为彻底。由表2还可以看出，7月23日这场降雨的降雨间隔期为58.5 h，而8月19日为28.12 h，两者相差不到一天，即降雨量和降雨间隔期相差较小的情况下，降雨历时越长，穿透雨中K+含量越高。同样地，6月27日与8月4日这两场降雨，降雨量与降雨间隔期比较接近，而6月27日降雨历时为3.85 h，8月4日降雨历时为8.35 h，比6月27日高出4.50 h，使得8月4日穿透雨中K+增加幅度为6.37倍，而6月27日仅为3.03倍。这说明穿透雨中K+含量受降雨历时的影响较大，且与降雨历时呈正相关关系，与降雨强度呈负相关关系。

灌木穿透雨中，6月27日和8月4日的2场降雨，其降雨量与降雨间隔期相近，但降雨历时和降雨强度相差很大，6月27日K+含量由0.751 mg·L-1增加至2.905 mg·L-1，增加了2.87倍，8月4日K+含量增加幅度为5.34倍，较6月27日K+含量增加幅度高出86.06%；同样地，在7月23日和8月19日的两场降雨也表现出相同的规律，这说明降雨历时对灌木穿透雨中K+含量的变化幅度表现出正相关关系。树干径流与枯透水中K+含量变化幅度与穿透雨的相同，都是随着降雨历时的增加，K+含量增加幅度呈上升趋势。如8月4日树干径流中K+含量增加了7.73倍，而8月19日则增加了11.92倍；当8月4日降雨的枯透水中K+含量增加17.33%时，8月19日降雨的枯透水中K+含量增加了57.81%。由此可以看出，降雨历时对穿透雨、灌木穿透雨、树干径流及枯透水中K+含量的变化幅度影响较大。

由表2还可以得知，K+含量的增加幅度随着降雨强度的增加而呈降低趋势，但当降雨强度增加至0.041 mm·min-1，穿透雨中K+含量增加幅度降至最低，为3.03倍，灌木穿透雨、树干径流及枯透水中K+含量增加幅度也降至最低，分别为2.87倍、3.03倍和0.02倍，而后随着降雨强度由0.041 mm·min-1增加至0.100 mm·min-1时，降雨各层次中K+含量增加幅度反而呈上升趋势，分别为6.81倍、5.95倍、10.34倍和0.36倍，因此得出，K+含量的增加幅度随着降雨强度的增加呈现出先降低后上升的趋势，当降雨强度增加至0.041 mm·min-1时，K+含量增加幅度降至最低，而后开始呈上升趋势。

表2 不同降雨强度和降雨历时K+含量比较

3.2.3 降雨间隔期对K+含量的影响 由表3可知，6月5日、6月15日和9月8日这3场降雨，降雨量接近，但降雨间隔期相差很大，分别为16.13 h、162.92 h和440.43 h。6月5日降雨经过林冠后穿透雨中K+含量由0.320 mg·L-1增加至2.762 mg·L-1，增加了7.64倍，6月15日降雨的穿透雨中K+含量增加了2.53倍；2场降雨K+含量增加均达到极显著水平(P<0.01)。而9月8日穿透雨中K+含量由2.564 mg·L-1上升至2.684 mg·L-1，仅增加了0.05倍，没有达到显著水平(P>0.05)。灌木穿透雨中，6月5日和6月15日这两场降雨中K+含量的增加幅度分别为7.69倍和2.47倍，而9月8日的增加幅度仅0.14倍，与穿透雨中K+的变化幅度表现出相同的规律；同样地，树干径流中K+含量增加幅度最大的是6月5日的降雨，增加了8.90倍，其次是6月15日的降雨，增加了2.99倍，而9月8日K+含量增加幅度最小，仅为0.05倍。在8月4日和9月30 日的两场降雨中我们也发现了同样的规律，8月4日和9月30日这两场降雨的降雨量和降雨历时相差很小，但9月30日的降雨间隔期为233.28 h，而8月4日的降雨间隔期仅为6.12 h，两者相差高达227.16 h，使得8月4日降雨的穿透雨、灌木穿透雨及树干径流中K+含量分别增加了6.37倍、5.34倍、7.73倍，较9月30日的穿透雨、灌木穿透雨及树干径流中K+含量增加幅度高出很多。同时我们发现，K+含量的增加幅度并不是无限制的减小，当降雨间隔期由16.13 h增加至162.92 h时，穿透雨中K+含量增加幅度由7.64倍降至2.53倍，降低幅度较大；而当降雨间隔期由233.28 h增加至440.43 h时，穿透雨中K+含量增加幅度由16%仅降至5%，增加幅度逐渐变缓。同样地，灌木穿透雨和树干径流中K+含量的增加幅度变化也出现了相同的规律，由此得出穿透雨、灌木穿透雨和树干径流中K+含量增加幅度随着降雨间隔期的延长而逐渐减小，但并不是无限制减小，当降雨间隔期增加至233.28 h后，K+含量的增加幅度逐渐趋于平缓。而枯透水中K+含量增加幅度，6月5日枯透水中K+含量增加了13.83%，而随着降雨间隔期的增长，6月15日和9月8日枯透水中K+含量增加幅度分别为14.74%和21.80%。

表3 不同降雨间隔期K+含量比较

3.3 影响K+含量的降雨特征因子及其重要性排序

影响K+含量的因素有很多，并且这些影响因子之间存在一定的相互影响，因此，本文采用灰色关联分析方法来确定各因素对K+含量影响的重要性。灰关联度越大，说明各因素对K+含量的影响就越大[18]。

从表4可知，林外降雨中K+含量与各影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨间隔期>降雨强度>降雨历时>降雨量，这说明对林外降雨中K+含量起主要影响的是降雨间隔期，降雨间隔期越长，大气中所积累的颗粒物越多，降雨时K+含量增大；穿透雨中K+含量与各影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨量>降雨历时>降雨强度>降雨间隔期，这说明对穿透雨中K+含量起主要影响的是降雨量。灌木穿透雨中K+含量与各影响因素的灰关联度大小顺序与穿透雨相同，林外降雨量对灌木穿透雨中K+含量起主要影响作用。树干径流中K+含量影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨量>降雨历时>降雨强度>降雨间隔期，即林外降雨量对树干径流中K+含量影响较大。而在枯透水中，对枯透水K+含量影响较大的则是降雨强度，最小的为降雨量。并且，本研究中所涉及的影响因子中，与各层次的K+含量的灰色关联度都超过了0.4，说明林外降雨量、降雨历时、降雨强度及降雨间隔期均会对降雨再分配过程中K+含量变化产生一定的影响，不可忽略，只是不同的降雨特征值对降雨再分配各组分K+含量的影响程度有所不同。

表4 K+含量与其影响因素的灰关联度

Table 4 Grey correlation degree between the content of K+and influencing factors

4 讨论

在整个生长季内共观测到36场降雨，通过对采集的降雨进行分析，K+含量平均值排序为枯透水>树干径流>灌木穿透雨>穿透雨>林外降雨，这与刘世海[16]、张娜[19]等人的研究结果相一致，这说明降雨在经过林分的再分配过程中，对K+的淋溶呈增值效应，使得K+含量增加。而降雨量、降雨历时、降雨强度及降雨间隔期等降雨特征对K+含量产生一定的影响，这与甘建民[20]、刘世海[21]等人的研究结果相一致。

降雨历时对林冠穿透雨、灌木穿透雨、树干径流和枯透水中K+含量增加幅度的影响表现为随降雨历时的增长，K+含量增加幅度呈上升趋势，而降雨强度却相反，当降雨强度较低时，随降雨强度的增加K+含量的增加幅度表现为下降趋势，这与张伟[22]等的研究结果一致，当降雨量小，降雨强度低，树木林冠层的吸收和吸附能力较强，元素所受吸附力大于冲刷力，表现为浓度值负增长。但本研究同时发现这种下降趋势并不是无限的，当降雨强度增加至0.041 mm·min-1时，即降雨历时为3.85 h，K+含量的增加幅度反而开始呈上升趋势；同样地，降雨间隔期对穿透雨、灌木穿透雨和树干径流中的K+含量增加幅度影响也较大，随着降雨间隔期的增长，K+含量增加幅度却呈下降趋势，这可能是由于雨前干燥期越长，会导致枝叶、树皮更加干燥。降雨初期，落叶松的枝叶、树干吸收和吸附能力较强，会吸收大量的水分，吸收水分的同时，降雨淋洗的K+会被枝叶、树干大量吸收。而降雨后期，落叶松自身吸附达到饱和后，多余K+就会被淋洗出来；因此，降雨间隔期增长，落叶松自身吸收的水分和养分会升高，使得K+含量增加幅度降低。但当降雨间隔期增大至233.28 h时，K+含量的增加幅度开始出现拐点，不再随着降雨间隔期的延长而无限降低，反而是趋于平缓。这说明此时树皮、枝叶已经达到了饱和，不会随间隔期的延长而发生变化。而枯透水中的K+含量的增加幅度受降雨间隔期的影响较小。同样，分析发现在降雨量、降雨强度和降雨间隔期都相差很小的情况下，K+含量的变化与植物生长季有很大的关系，如5月23日与8月4日这两场降雨，5月23日穿透雨和灌木穿透雨中K+含量分别增加了4.12倍和3.72倍，而8月4日穿透雨中K+含量增加了6.37倍，灌木穿透雨中K+含量增加了5.34倍，导致这种情况的原因可能是由于K+在植物活跃的生长区，特别是芽、嫩叶和根尖部位含量很多，并且在化学上移动性极强，水中极易溶解，极易从叶、枝、花、果上溶脱[23]；而落叶松及林内灌木8月达到生长顶峰，林冠枝叶繁茂，含有大量的K+，而5月落叶松及兴安杜鹃等灌木刚展叶，使得5月淋洗出的K+含量较少。这说明K+含量同时与植物生长季有很大的关系。

5 结论

(2)降雨量和降雨历时对降雨再分配过程中K+含量的影响均表现为正相关，随降雨量和降雨历时的增加K+含量增加幅度呈上升趋势；而降雨强度和降雨间隔期对K+含量增加幅度的影响则反之，当降雨强度大于0.041 mm·min-1时，K+含量的增加幅度开始出现转折，呈上升趋势，当降雨间隔期增大至233.28 h时，K+含量的增加幅度趋于稳定。

(3)通过灰色关联分析确定了各影响因子对K+含量影响的重要性，并且进行排序，对林外降雨中K+含量影响程度由大到小排序依次为降雨间隔期>降雨强度>降雨历时>降雨量，穿透雨中K+含量与各影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨量>降雨历时>降雨强度>降雨间隔期，灌木穿透雨和树干径流中K+含量与各影响因素的灰关联度排序和穿透雨一致，影响的主导因子均为降雨量，枯透水中K+含量与各影响因素的灰关联度大小顺序依次为降雨强度>降雨间隔期>降雨历时>降雨量。

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(责任编辑：崔 贝)

Analysis on the Effects of Rainfall Characteristics on Potassium Content in
LarixgmeliniiForest during Rainfall Redistribution

HUYue,MANXiu-ling,WEIHong

(College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

Larixgmeliniiforest; rainfall; rainfall intensity; inter-events interval; potassium；grey correlation degree

2016-06-12 基金项目： 林业公益性行业专项(201404303-2) 。 作者简介： 胡 悦(1992-)，女，硕士研究生，主要研究方向: 森林水文学。E-mail:huhuyue0@163.com. * 通讯作者：满秀玲，教授，博士生导师。主要研究方向: 水土保持与森林水文学。E-mail: mannefu@163.com

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.02.017

S715

A

1001-1498(2017)02-0307-08