祁连山排露沟流域青海云杉林对降水化学特征的影响

成彩霞 ，赵维俊 ，王荣新 ，王顺利 ，车宗玺 ，马 剑 ，李雯靖

（1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 甘肃 张掖 734000；2.甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室 甘肃 张掖 734000；3.甘肃祁连山国家级自然保护区管理局，甘肃 张掖 734000）

祁连山排露沟流域青海云杉林对降水化学特征的影响

成彩霞1，2，赵维俊1，2，王荣新1，2，王顺利1，2，车宗玺3，马 剑1，2，李雯靖1

（1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 甘肃 张掖 734000；2.甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室 甘肃 张掖 734000；3.甘肃祁连山国家级自然保护区管理局，甘肃 张掖 734000）

以祁连山排露沟流域青海云杉林为研究对象，2013年5—9月份测定了33场大气降水、穿透雨和树干茎流的TOC、N、P、K、Ca和Mg等化学元素的浓度，分析了青海云杉林对降水化学特征的影响。结果表明：（1）生长季穿透雨和树干茎流与大气降水化学元素浓度相比，除穿透雨N和P浓度比值变小或没明显的变化外，其他化学元素浓度增加的倍数明显大于大气降水，其中K、Ca和Mg元素表现尤为明显；（2）生长季大气降水TOC、N、P、K、Ca、Mg等元素浓度大小分别为22.25、12.06、0.76、1.00、1.91、0.43 mg/L，穿透雨和树干茎流对应元素浓度大小分别为32.72、11.08、0.70、4.74、3.51、1.34 mg/L和40.71、17.97、3.00、26.16、11.49、2.47 mg/L；（3）总体来看，除TOC外，其他元素浓度较大值出现在5月份；随时间推移，树干茎流元素浓度均不断减小且波动明显，大气降水和穿透雨的TOC、N、P、K、Ca和Mg等元素浓度变化规律相似且波动不明显。

青海云杉林；大气降水；穿透雨；树干茎流；祁连山

植物层与大气近地面层中的能量和物质交换过程一直是生态学研究的核心[1]。关于森林对大气降水化学的影响，通过研究大气降水、穿透雨和树干茎流等水体的化学性质为这个问题的解决提供了有效的途径[2]，国内外基于这个途径对不同森林类型降水分配及其水化学进行了大量的研究，Xu等[3]对日本冲绳亚热带森林中的降水分配和相关营养流量进行了研究，Schmitt等[4]基于瑞士长期森林生态系统监测样地利用2种方法研究了穿透雨的氮总沉降量，赵雨森等[5]对安徽老山自然保护区亚热带常绿阔叶林的降雨过程中的化学动态变化进行了研究，这些研究为了解森林生态系统特别是脆弱生态系统对水化学形成过程的响应提供了依据。然而森林对降水化学的影响除了与森林类型有关外，还具有明显的空间异质性和时间异质性[6]，需要加强森林过程中的水化学性质研究。另外在目前森林水文过程的研究中，对降水中的总有机碳研究较少，虽然水体中的碳不是营养元素，但对其的研究已成为全面了解碳在森林循环中的重要组成部分，需要加强伴随降水输入转化过程中的碳素变化特征研究[7]。

祁连山青海云杉林作为地带性植被寒温性针叶林，在水土保持、气候调节、涵养水源、生物多样性保持等方面具有重要的作用和地位。目前对青海云杉林的研究主要集中在生态水文过程、生物多样性、气候变化、土壤呼吸、土壤理化性质等方面的研究[8-11]，但对生态水文化学过程研究较少，本研究以分布在祁连山排露沟流域海拔2 700 m青海云杉林固定样地为研究场地，在2013年生长季的5—9月份进行大气降水、穿透雨和树干茎流的定位取样和室内分析，定量地描述青海云杉林对大气降水、穿透雨和树干茎流中TOC（总有机碳）、N（全氮）、P（全磷）、K（全钾）、Ca（全钙）、Mg（全镁）等化学元素的浓度的影响和季节动态变化规律，阐述青海云杉林水文过程中的化学元素的迁移和循环特点，为青海云杉林元素循环、养分平衡、固碳功能、生态功能评价等相关过程提供科学依据。

1 研究区域和方法

1.1 研究区概况

研究区位于祁连山中段西水林区的排露沟流域（100°17′E，38°24′N），流域总面积 2.85 km2，长4.25 km，纵坡比降1∶4.2，海拔2 600～3 800 m。年平均气温-0.6～2.0 ℃，年蒸发量1 052 mm，年日照时数1 893 h，日辐射总量110.28 kW/m2，年平均相对湿度为60%[12-13]，属高寒半干旱山地森林草原气候。流域自然条件复杂，水热条件差异大，形成了多种具有明显垂直梯度的植被类型和土壤类型，海拔从低到高，植被类型依次为山地草原植被、山地森林草原植被、亚高山灌丛草甸植被、高山冰雪植被；土壤类型依次为山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土。在各类土壤中山地灰褐土和亚高山灌丛草甸土是生长森林的土壤，山地灰褐土分布在海拔2 600～3 300 m地带，是乔木林的主要分布带；亚高山灌丛草甸土分布在海拔3 300～3 800 m亚高山地带，是湿性灌木林的主要分布带。建群种青海云杉呈斑块状或条状分布在实验区海拔2 600～3 300 m阴坡和半阴坡地带，与阳坡草地犬齿交错分布；灌木优势种有金露梅Potentilla fruticasa、鬼箭锦鸡儿Caragana jubata和吉拉柳Salix gilashanica等，草本主要有珠牙蓼Polygonum viviparum、黑穗苔Carex atrata和针茅Stipa capillata等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择

本研究选取了一块大小为20 m×20 m的青海云杉林样地，其海拔2 762 m，坡向30°，位于坡面的中下部，平均坡度为27°；该林分密度为1 725 株/hm2，林龄72 a，郁闭度0.68，平均树高（10.1±2.7）m，平均胸径（14.1±5.5）cm，平均冠厚（5.6±2.6）m，平均冠幅（3.6±3.3）m。林下灌木层主要由金露梅和鲜黄小檗Bereris diaphana组成，盖度在3%左右；草本层主要有披针苔草Koeleria crisrata、藓生马先蒿Pedicularis muscicola、棘豆Oxytropis kansuensis等，盖度在35%左右；苔藓层平均厚度9.2 cm，盖度在30%左右[14]。土壤为森林灰褐土，平均厚度0.7 m，其淀积层相对其他剖面具有较明显的黏粒累积现象，质地主要为壤土，碳酸盐等水溶、酸溶性物质较多，风化较弱[15]。

1.2.2 水样采集

大气降水 在样地临近的林外空旷地布设2个口径为20 cm的标准雨量筒，用于收集林外降水样品。

穿透雨 在样地内根据林木林冠的遮蔽程度，选择代表性样点，在样地内距离地面20 cm的高度布设6个承雨槽（100 cm×20 cm×20 cm），用于收集穿透雨。每次降雨结束后，过滤后收集穿透雨样品。

树干茎流 根据样地内青海云杉林的径级分布，按每隔4 cm为一径级，每一径级各选1～3株样树测定树干茎流，共选取10株样树，将聚乙烯塑料管剖开做槽缠绕在每株样树基部50～140 cm处，然后用钉子及玻璃胶将其固定，并将降雨产生的树干液流导入容量为10 L的塑料桶，用于收集树干茎流样品。

1.2.3 水样处理和化学分析

每场降雨后，将2个雨量筒采集的林外大气降水以及样地内多点采集的穿透水、树干茎流液混合，分别形成混合水样，混合均匀后取部分水样分别置于200 mL聚乙烯塑料瓶尽快带回实验室，以4 ℃温度冷藏于恒温箱，用于分析不同水样中的TOC、N、P、K、Ca、Mg的浓度，其中：TOC的测定采用燃烧氧化—非分散红外吸收法测定，N用紫外分光光度法测定，P用钼酸铵分光光度法测定，K、Ca、Mg均用原子吸收法测定。

1.2.4 统计分析

用Excel 2003进行数据整理和统计分析，生长季（5—9月）和每月的大气降水、穿透雨和树干茎流化学元素浓度为既定的时间内多次采集水样化学浓度的平均值。

2 结果与分析

2.1 穿透雨、树干茎流与大气降水的主要化学元素组成对比

大气降水在经过森林林冠时，不仅对降雨进行了再分配，同时改变了大气降水中各化学元素的浓度[16]。大气降水经过青海云杉林林冠时，发生了淋溶和洗脱作用，其穿透雨和树干茎流化学元素浓度均发生了变化，从穿透雨和树干茎流与大气降水的化学元素的浓度之比可以看出（见图1），除穿透雨中的N和P浓度变小或没明显的变化外，其他化学元素的浓度均明显高于大气降水中的相应的化学元素浓度，树干茎流中各化学元素的浓度增加的倍数明显大于穿透雨中化学元素的浓度，其增加的倍数有的甚至达到了26倍多（见表1），这是因为树干茎流量很小[14]，同时融入了树干分泌、积累的有机物质和无机物质。林内雨中的穿透雨和树干茎流的化学元素增加量相对较高，K、Ca和Mg表现尤为明显，穿透雨和树干茎流浓度分别是林外降雨的4.72倍、1.84倍3.09倍和26.05倍、6.03倍、5.69倍，说明穿透雨和树干茎流对化学元素K、Ca和Mg的富集作用强，这与针叶林林冠穿透雨对K和N的作用的研究结论不一致[17]。除了K元素的易溶性[18]，Ca和Mg元素浓度呈现出青海云杉林生态系统固有的特点，这可能与生长的土层较薄，土壤母质是碳酸盐的风化有关[15]，林木个体上吸附了较多的Ca和Mg元素[19]。

表1 穿透雨和树干茎流与大气降水化学元素浓度之比Table 1 Throughfall and stemflow compared with the concentration of atmospheric precipitation chemical element

2.2 大气降水、穿透雨和树干茎流中主要化学元素浓度大小

图1 大气降水、穿透雨和树干茎流化学元素浓度Fig.1 Concentration of chemical elements in atmospheric precipitation, throughfall and stem flow

处在不同地理位置的不同森林类型，其林外雨和林内雨化学元素浓度存在着诸多的差异。从图1可以看出，在青海云杉林生长季期间，大气降水中各化学元素浓度大小表现为TOC＞N＞Ca＞K＞P＞Mg，TOC生长季平均浓度为22.25 mg/L。N、P、K、Ca和Mg在生长季浓度大小均值分别为12.06、0.76、1.00、1.91和0.43 mg/L。大气降水中的P元素主要来源于大气降尘的溶解，因研究区离工业园区和城市居民生活区较远，P元素浓度较小。K元素虽然是一种容易溶解的营养元素，因此在通过林冠和树干时候，其富集作用非常明显。Ca元素同P元素一样，其溶解度也较小，在林内富集没有P元素明显。Mg元素也是一种较难溶解和淋洗的一种化学元素，其浓度是这几种元素浓度最小的一种。穿透雨和树干茎流元素TOC、N、P、K、Ca和Mg浓度大小分别为32.72、11.08、0.70、4.74、3.51、1.34 mg/L 和 40.71、17.97、3.00、26.16、11.49、2.47 mg/L，大小顺序分别为TOC＞N＞K＞Ca＞Mg＞P和TOC＞K＞N＞Ca＞Mg＞P，树干茎流的富集能力明显强于穿透雨。

2.3 大气降水、穿透雨和树干茎流中主要化学元素浓度季节动态变化规律

图2 大气降水、穿透雨和树干茎流化学元素浓度季节动态变化Fig.2 Seasonal dynamic changes of chemical elements concentration in atmospheric precipitation, throughfall and stem flow

大气降水、穿透雨和树干茎流中化学元素浓度除了在空间上存在差异性，在时间也存在差异性。对祁连山青海云杉林生长季期间的林外雨和林内雨化学元素浓度月动态变化规律进行了分析（见图2）。从图2可以看出，TOC、N、P、K、Ca和Mg等元素浓度的季节动态变化规律各不相同，总体来看，除TOC之外，其他几种元素的浓度在不同月份表现出：树干茎流的浓度均明显大于大气降水和穿透雨的浓度，树干茎流在不同月份富集养分的能力明显穿透雨，浓度较高的月份为5月份，浓度较低的月份为6—9月，而且随时间的推后，其浓度值不断减小。这是因为在祁连山林区，地处严高山地带，林地大气降水在5月中下旬以雨水的形式降落，此时会产生树干茎流，而且产流量小，化学元素浓度高，到了6—9月，降雨量增多，降雨频率高，历时时间长，雨水稀释了溶解的养分浓度，浓度降低，这在其他地区的相关研究中也得到了验证[20]。树干茎流中TOC浓度在生长季的变化规律同大气降水和穿透雨中的TOC浓度变化规律相反，浓度最小值出现在6月份，最大值出现在8月份，一般来讲，随着时间的推移，有机碳浓度表现为下降的趋势[21]，究其原因，有待深入定量研究。大气降水和穿透雨的TOC、N、P、K、Ca和Mg等元素浓度随时间推移，其变化规律相似，浓度大小呈现出穿透雨的化学元素浓度大于大气降雨化学元素浓度的规律。

3 结论与讨论

3.1 结 论

因祁连山地处高寒地区，海拔高、温度低，青海云杉林产生树干茎流的时间段是5月中旬至9月份，因此对青海云杉林大气降水、穿透雨和树干茎流的化学测定取样时间是青海云杉林的生长季5—9月份。在较长的时间内，积累在树干和枝叶上大量大气尘埃和新陈代谢产物，经过大气降水的淋溶和冲洗进入到根系附近的土壤中，主要化学元素浓度在青海云杉生长季初期浓度较高，这对青海云杉林养分吸收非常重要。随着降雨频率、降雨量的增加，这些化学元素浓度不断减小，特别是树干茎流的化学元素，大气降水和穿透雨化学元素含量较为稳定。本研究结果显示青海云杉林树干茎流的富集能力明显强于穿透雨，这与青海云杉林个体生长特性、生长的基质、局域气候环境有很大的关系，另外青海云杉林冠层对林外大气降水输入的TOC具有净增加的作用，以穿透雨和树干茎流的形式聚集在土壤中，一定程度上发挥了森林的固碳作用。

3.2 讨 论

青海云杉林降水转化的过程中，其穿透雨、树干茎流中TOC、N、P、K、Ca和Mg等元素浓度均呈不同程度的增加，树干茎流元素浓度大于穿透雨对应元素浓度，而且林内雨中的穿透雨和树干茎流的K、Ca和Mg表现尤为明显，研究结果与大多数研究研究结果较为一致[7,22-23]，主要是由于降水通过树冠及树干对植被体表面附着的灰尘粒子的洗脱与淋溶的影响有关。TOC生长季平均浓度高于六盘山地区等国内一些林区和国外温带地区森林研究结果[7]，这可能与祁连山地区少的降雨量有关。N元素浓度明显高于其他几种元素的浓度，说明该地区氮素沉降明显，一般来讲，氮素沉降量大，容易造成土壤酸化[24]，但研究区土壤呈弱碱性[25]，一定程度上说明，研究区土壤氮素浓度未出现饱和现象。P、K、Ca和Mg这些元素浓度大小顺序与Parker对全球范围内大气降水化学元素浓度大小顺序S＞Na＞Cl＞N＞Ca＞K＞P研究结论一致[26]。本研究大气降水、穿透雨和树干茎流化学元素浓度季节动态变化与其他地区存在差异[23,27]，可能与林型及其生长生理特性有一定的关系。

本研究对青海云杉林不同水文过程的取样只是在一个生长季，深入认识青海云杉林对大气降水化学性质的影响机制需要长期的定位观测，并需要将枯落物渗漏水、土壤渗漏水及地下水作为一个系统进行取样和分析，实现不同水文过程的化学元素浓度变化的动态监测，深入阐明青海云杉林水文过程中的化学元素的迁移规律和循环特点，为其生态功能评价和管理提供科学依据，丰富西北干旱、半干旱地区森林对水体化学性质的作用机制。

[1]洪 峰.土壤·植物·大气相互作用原理及模拟研究[M].北京:气象出版社, 1997.

[2]樊后保.杉木林截留对降水化学的影响[J].林业科学,2000,36(4): 2-8.

[3]Xu X N, Wang Q, Hirata E. Precipitation partitioning and related nutrient fluxes in a subtropical forest in Okinawa, Japan[J].Annals of Forest Science, 2005, 62(3): 245-252.

[4]Schmitt M, Thöni L, Waldner P,et al.Total deposition of nitrogen on Swiss long-term forest ecosystem research (LWF) plots:comparison of the throughfall and the inferential method[J].Atmospheric Environment, 2005, 39(6): 1079-1091.

[5]巩合德,王开运,杨万勤.川西亚高山3 种森林群落穿透雨和茎流养分特征研究[J].林业科学,2005,41(5):14-20.

[6]Staelens J, Houle D, De Schrijver A,et al.Calculating dry deposition and canopy exchange with the canopy budget model: review of assumptions and application to two deciduous forests[J]. Water, Air, and Soil Pollution, 2008,191(1-4):149-169.

[7]杨丽丽,王彦辉,杜 敏,等.六盘山典型森林伴随降水的总有机碳 (TOC) 通量变化特征[J].生态学报,2014, 34(21):6297-6308.

[8]孟好军,刘建泉,刘贤德,等.祁连山青海云杉群落物种组成及α多样性垂直分布[J].生态环境学报,2011, 20(3):435-440.

[9]赵传燕,别 强,彭焕华.祁连山北坡青海云杉林生境特征分析[J].地理学报,2010(1):113-121.

[10]刘贤德,车宗玺,金 铭,等.祁连山不同海拔梯度和放牧强度土壤呼吸变化特征[J].干旱区研究,2009,26(1):10-15.

[11]牛 赟,成彩霞,赵维俊,等.祁连山大野口流域青海云杉林水文特征与生态因子关系研究[J].中南林业科技大学学报,2017, 37(1):62-68.

[12]张立杰,赵文智,何志斌,等.祁连山典型小流域降水特征及其对径流的影响[J].冰川冻土,2008,30(5):776-777.

[13]刘 鹄,赵文智,何志斌,等.祁连山浅山区不同植被类型土壤水分时间异质性[J].生态学报,2008,28(5):2390-2391.

[14]万艳芳,刘贤德,王顺利,等.祁连山青海云杉林冠降雨再分配特征及影响因素[J].水土保持学报,2016,30(5):224-229.

[15]姜 林.祁连山西水林区典型土壤类型发生特性及系统分类研究[D].杨凌: 西北农林科技大学, 2012.

[16]刘世海,余新晓,余志民.密云水库集水区人工油松水源保护林江水化学性质研究[J].应用生态学报,2001,12(5):697-700.

[17]卢晓强,杨万霞,丁访军,等.茂兰喀斯特地区森林降水分配的水化学特征[J].生态学杂志,2015,34(8):2115 -2122.

[18]Lindberg S E, Lovett G M, Richter D D,et al.Atmospheric deposition and canopy interactions of major ions in a forest[J].Science, 1986, 231: 141-145.

[19]卢晓强,丁访军,方升佐.贵州省喀斯特地区原始林水化学特征[J]. 生态学报, 2010, 30(20): 5448-5455.

[20]张 娜,刘兴诏,李 坤,等.南亚热带三种主要森林降雨及其再分配过程中的养分差异规律[J]. 生态学杂志, 2011,30(2):193-200.

[21]罗 艳,周国逸,张德强,等.鼎湖山三种主要林型水文学过程中总有机碳浓度对比[J].生态学报,2004, 24(12):2973-2978.

[22]Zeng GM, Zhang G, Huang GH,et al.Exchange of Ca2+, Mg2+and K+and uptake of H+, NH4+for the subtropical forest canopies influenced by acid rain in Shaoshan forest located in Central South China[J]. Plant Science,2005, 168: 259-266.

[23]张赟齐,曾玲梅,王陆军,等.安徽老山亚热带常绿阔叶林降雨中的养分动态[J].林业科学,2011,47(12):134-148.

[24]刘菊秀,张德强,周国逸,等.鼎湖山酸沉降背景下主要森林类型水化学特征初步研究[J]. 应用生态学报, 2003,14(8):1223-1228.

[25]刘贤德,赵维俊,张学龙,等.祁连山排露沟流域青海云杉林土壤养分和 pH 变化特征[J].干旱区研究, 2013,30(6):1013-1020.

[26]Parker G G. Throughfall and stemflow in the forest nutrient cycle[J]. Advances in Ecological Research, 1983, 13: 57-133.

[27]陈书军,闫文德,项文化,等.中亚热带地区几个树种树干茎流的养分特征研究[J]. 林业科学研究, 2007, 20(3): 408-414.

In fluence on precipitation chemical characteristic of Picea crassifolia forest in Pailugou watershed of Qilian mountains

CHENG Caixia1,2, ZHAO Weijun1,2, WANG Rongxin1,2, WANG Shunli1,2, CHE Zongxi3, Ma Jian1,2, LI Wenjing1
(1. Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu,China; 2. Key Laboratory of Hydrology and Water Resources of Forest Ecology and Frozen Soil of Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China; 3. Gansu Qilian Mountains National Nature Reserve Authority, Zhangye 734000, Gansu, China)

ThePicea crassifoliaforest in Pailugou watershed of Qilian mountains was selected as the research object, the concentration of TOC, N, P, K, Ca and Mg chemical elements of atmospheric precipitation, throughfall and stem flow were measured, the sample from 33 rain events from May to September,2013. Analyzed the in fluence on precipitation chemical characteristic ofPicea crassifoliaforest.The results showed that: (1)At growing season, throughfall and stem flow compared with the concentration of atmospheric precipitation chemical element, in addition to N and P concentration ratio of throughfall smaller or no obvious changes, the increase were bigger than that of atmospheric precipitation in the concentration of other chemical elements concentrations, especially the K, Ca and Mg element;(2) At growing season, the TOC, N, P, K, Ca and Mg element concentration of atmospheric precipitation size were 22.25, 12.06,0.76, 1.00, 1.91, 0.43 mg/L of throughfall and the stem flow concentration of corresponding element size were 32.72, 11.08, 0.70, 4.74,3.51,1.34 mg/L and 40.71, 17.97, 3.00, 26.16, 11.49, 2.47 mg/L;(3) On the whole, in addition to the TOC, other elements concentration larger values appear in May, as time goes on, stem flow element concentrations were decreased and fluctuated signi fi cantly; the TOC N,P, K, Ca and Mg element concentrations of atmospheric precipitation and throughfall changing law is similar and the fluctuation is not obvious.

Picea crassifoliaforest; atmospheric precipitation; throughfall; stem flow; Qilian mountains

S715

A

1673-923X(2017)11-0127-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.11.021

2017-05-10

国家自然科学基金项目（91425301、31260141）；国家林业局陆地生态系统定位研究网络（CTERN）

成彩霞，助理研究员；E-mail：shych0868@126.com

王荣新，高级工程师

成彩霞，赵维俊，王荣新，等.祁连山排露沟流域青海云杉林对降水化学特征的影响[J].中南林业科技大学学报，2017,37(11): 127-131, 145.

[本文编校：吴 毅]