亚高山粗枝云杉人工林对冬季降雪过程中4种金属养分元素的截留效应

谭思懿，刘 利，刘 辉，赵海蓉， 谭 波，吴福忠 *

（1.四川农业大学生态林业研究所/林业生态工程重点实验室/高山森林生态系统定位研究站，成都 611130；2.四川省都江堰市环境保护监测站，四川 都江堰 611830）

养分元素通过大气降雨进入森林生态系统是物质迁移的重要途径，而林冠会对降水起到第一次分配作用[1]，进而改变养分元素的迁移过程。K、Ca、Na和Mg作为植物必需的非气态养分元素，不会在植物叶片呼吸作用和水分蒸发过程中损失，其输入输出形式相对较单一。而降雪作为高海拔和高纬度地区降水的主要形式，其携带养分元素输入林地，对于大量补充早春植物生长所需的养分具有重要意义[2]。林冠对降雪的截留作用往往高于降水，一方面由于冠层截留的降雪升华作用非常明显，会导致金属元素浓度在降雪过程中出现浓缩现象；另一方面由于冻融作用，导致植物叶片的细胞膜的损伤，组织水的含量发生变化影响了细胞与离子间的交换能力，改变金属元素的迁移过程[3-5]。但是，目前关于冬季降雪过程中金属元素迁移的认识相对不足，极大限制了对高寒森林生态系统金属元素源、汇过程的理解。

四川西部的亚高山针叶林是青藏高原东部高寒林区的重要组成部分，在区域气候调节、水土保持、水源涵养和生物多样性保育方面有不可替代的作用和地位[6]。云杉（Picea asperata）作为亚高山针叶林人工更新的主要树种，在该地区已经形成了大面积的人工纯林[7]。然而，相对于天然原始针叶林，人工云杉林林下有机物和土壤养分库均有退化趋势。其原因是：一方面云杉人工林林地土壤中的营养元素对植物的供应较低，而低营养的供应被认为是限制森林生产力的主要因素之一[8]。另一方面云杉人工林的地上部分养分贮量主要集中在针叶，但林内针叶分解速度及养分释放与天然林相比较迟缓[9]，使得亚高山云杉人工林养分循环效率较差，也充分体现出外源养分输入（如降水）对人工林的养分循环和林木生长的重要性。由于该地区的森林具有特殊的降水（雪、雾、霜）时间[6]，使得冠层对降雪中K、Ca、Na和Mg 4种金属元素截留的影响并不明确，限制了对高纬度高海拔地区人工林金属养分输入的认识。因此，以典型的亚高山粗枝云杉人工林为研究对象，通过动态监测降雪过程中几种金属元素的输入特征及林冠对元素的截留效应，以期更清晰地认识亚高山人工林金属养分元素迁移过程。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究地点位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县毕棚沟四川农业大学高山森林生态系统定位研究站，地处青藏高原-四川盆地，即中亚热带季风气候向大陆性高原气候过渡地区，四姑娘山北麓，区域总面积180 km2。受季风的影响，区域内干湿季节差异显著，表现为干季日照强、降水少、气候寒冷干燥；湿季日照少、降水多、气候温暖多雾。气温变化剧烈，昼夜温差大。依据该区气象统计，年平均气温2～4℃，最高温23.7℃（7月），最低温-18.1℃（1月）。年平均降水量随海拔高度变化，约为801～850 mm，降水主要集中在雨季（5—8月），冬季降雪期为11月—次年4月[10]。主要乔木树种为粗枝云杉（Picea asperata）：林龄约60 a，盖度0.8，林下主要物种有三颗针（Berberis diaphana）、红毛花楸（Sorbus rufopilosa）和青茅（Deyeuxia scabrescens）等[11]。

1.2 样地设置

根据研究目的和内容，在典型云杉林（102°53′E～102°57′E，31°14′N～31°19′N；海拔 3 000 m）内选择林分的位置、海拔、坡向、坡度、坡长和微地形等条件相近的面积为400 m2（20 m×20 m）3个样方，选取距离林外50 m无乔灌层的空旷地（20 m×20 m）作为对照（图1）。各样地特征见表1。

实验时间为2015年11月初雪期至2016年4月雪被完全融化，由于研究点地处高山峡谷地区，冬季环境条件恶劣导致交通不畅，每月底进行降雪的观测与采集。降雪收集装置为直径1 m、高1 m规格的圆锥形收集器，可以收集通过大气的降雪和降雨，也可以收集穿透林冠的降雪、降雨以及融雪穿透水，样地内根据代表性和可操作性设置5个重复。每次采集雪（水）样共20样品：3个样地中3×5=15个样品，空地中5×1=5个样品。

1.3 样品采集与指标测定

图1 采样点位置示意图Figure 1 Location of sampling site

表1 样地植被特征Table 1 Characteristics of vegetation in the plot

取样时，对大气降雪和林内积雪中的雪被深度进行现场测定并记录。根据水样采集标准（HJ 493—2009）及时收集不能立即进行测定的项目，样品保存于500 mL清洁的聚乙烯瓶内，送回实验室进行化学分析。取样后，清除降雪收集装置中多余的雪，并及时清理降雪收集装置内的枯枝落叶，以保证实验的精确度。

测量前，所有样品需用滤纸进行过滤，滤液用优级纯硝酸调制pH至1～2，保存于4℃条件下，采用原子吸收分光光度法（AA-7000，日本岛津有限公司）及时测定 K、Ca、Na、Mg 的含量[12]。

1.4 数据处理

林冠截留量及截留率的计算：

式中：Pg为林冠截留量；Pc为林外降雪；Pn为林内积雪；Ic为林冠截留率。

所有数据均采用SPSS 20.0软件完成统计分析，采用Excel软件绘图。利用回归分析，拟合出大气降雪量以及截留量之间的相关线性方程，采用独立样本t检验分析各元素浓度及含量在大气降雪和林内积雪之间的差异，界定P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 粗枝云杉人工林降雪截留特征

2015年11月—2016年4月，月降雪变化如图1所示。降雪总量为138.56 mm，月降雪中最小值为（15.74±0.27）mm、最大值为（34.95±1.62）mm（图2）。林内积雪量共93.91 mm，占总降雪的67.78%。月降雪截留量分别为（5.53±1.12）、（8.88±3.90）、（8.66±3.12）、（6.56±2.52）、（5.91±3.26）、（9.29±2.76）mm。平均截留量7.44 mm，截留总量为44.56 mm。粗枝云杉林的截留率在25.40%～37.94%范围波动，并且在降雪量最大时（34.94±1.62）mm，冠层有最低截留率为（25.40±11.61）%。

2.2 金属元素变化特征

2.2.1 K、Ca、Na和 Mg浓度变化特征

大气降雪中K元素的浓度在0.14～3.73 mg/L范围波动，平均浓度为（1.39±0.14）mg/L。大气降雪中Ca元素的浓度波动范围在2.16～9.92 mg/L，平均浓度达到5.03 mg/L；Na在0.43～3.23 mg/L，平均浓度为1.40 mg/L；Mg在0.12～0.68 mg/L，平均浓度最在4种金属元素中最小（0.34 mg/L）。大气降雪中各元素的浓度大小依次是：Ca＞Na＞K＞Mg。Ca、K、Mg和Na在林内积雪中的平均浓度分别为（7.15±0.98）、（2.60±0.48）、（1.00±0.04）和（2.34±0.20）mg/L，其中Mg的浓度增幅最大，是大气降雪的2.96倍，Ca元素变幅最小，是大气降雪的1.42倍。在降雪末期Mg、Ca元素浓度有显著升高（图3）。林内积雪中各元素的浓度大小依次是：Ca＞K＞Na＞Mg。

图2 亚高山粗枝云杉人工林降雪截留特征Figure 2 The characteristics of snowfall interception in subalpine forest

2.2.2 林冠对大气降雪中金属元素的截留

大气降雪中K、Ca、Na和Mg元素输入量分别为（图 4）（1.93±0.35）、（6.79±0.79）、（1.94±0.32）和（0.45±0.14）kg/hm2。林内积雪中 K、Ca、Na和 Mg输入量分别为（2.31±0.36）、（6.42±0.47）、（2.05±0.34）和（0.88±0.14）kg/hm2。经林冠层作用后4种金属元素的截留量出现了不同程度的变化。Ca、K和Na的淋溶高峰期出现在2月，淋溶量分别为（-0.67±0.00）、（-0.35±0.00）和（-0.28±0.00）kg/hm2，之后截留率又逐渐增加，冠层对Ca、K和Na截留作用增强。Ca和Na元素分别在4月、3月达到了截留高峰，截留量分别为（1.09±0.00）、（0.09±0.00）kg/hm2。12 月后冠层主要对Mg表现出淋溶作用并在4月出现了淋溶高峰，淋溶量为（-0.17±0.00）kg/hm2。K、Ca、Na和Mg的总截留量分别为：（-0.38±0.01）、（-0.11±0.02）和（-0.43±0.01）kg/hm2；截留率分别为（-19.47±0.37）%、（5.49±1.21）%、（-5.74±0.36）%、（-95.46±0.50）%。降雪对冠层中K、Mg和Na元素总体表现为淋溶效应，其中对Mg元素的淋溶作用最大，而冠层对Ca元素表现为截留作用。统计分析表明大气降雪量与4种金属元素的截留量均无相关性。

3 讨论

树种差异会显著改变森林生态系统降水再分配模式，导致冠层的截留程度不同[13]。与阔叶红松林（21.2%）、次生白桦林（8.5%）和樟子松林（21.39%）相比，粗枝云杉人工林的截留率较高，为32.22%，与原始云冷杉红松林（39.7%）相比较低[14-15]。因林冠无法截留过量的降雪，当总降雪量超过一定值时，森林植被对林内积雪的影响随之下降[16]。同时，在水资源管理中林冠截留量是一个重要的拦截过程，因此对降水量和林冠截留量的关系是认识森林截留效应的重要内容[17]。为进一步分析粗枝云杉人工林的林冠截留的特征，将降雪量和林冠截留量进行相关分析，结果表明降雪量与截留量存在着显著的正相关关系，通过拟合发现了截留量与降雪量之间的最佳方程（表2）：I=0.732P0.748（R2=0.764，P＜0.05）。而Yi L.等[15]研究发现在樟子松林中降雪量与截留率之间有紧密的线性相关关系（R2=0.940），其主要原因是由于不同林分之间的差异导致冠层对降雪截留量的阈值不同。

图3 大气降雪与林内积雪中元素浓度的变化Figure 3 Variations of elements concentrations in snowfall and snowpack

图4 金属元素元素的输入量月变化Figure 4 Monthly variations of metallic element input

图5 大气降雪与林内积雪中元素截留量与截留率的月变化Figure 5 Monthly variations of metallic element interception loss and interception loss rate

冠层的截留作用除了会显著影响森林生态系统的水文平衡之外，降水对林冠淋溶作用有助于加速养分的再循环速率和促进植物生长[18]，不同季节的养分浓度变化与树木生长活动有关系，树木在冬季进入生长停滞时期，植物组织上的养分元素易溶脱[19]。本研究中降雪对粗枝云杉人工林冠层4种金属元素的化学淋溶为增值效应，尤其是在降雪末期，Ca和Mg的浓度有明显的升高现象，该结果与李华等的研究一致[20]。Ca和Mg主要来源于陆地尘埃[21]，在降雪初期由于温度较低地表被雪被覆盖，且云杉林郁闭度较大，林内温度较低且风速较小，积雪不易受风的影响而挥发，空气中含有的碱性陆源性离子较少，所以离子浓度较低。而降雪养分以及沉降在林内积雪中的金属元素可保留到春季[22]。在2—4月随着气温回升积雪融化，部分地表裸露，使得空气中碱性物质增多，使得Ca和Mg两种离子浓度升高。

在整个冬季降雪期间，叶片的湿润度随着持续的降雪作用而增加，使叶片表皮的渗透性增加[23-24]，而降雨与冠层之间的交换作用会调节穿透雨中的离子含量[25]。在渗透性增加的情况下，离子更容易被淋洗出来，2月持续的降雪使冠层达到一定的湿润程度，4种金属元素的淋溶量急剧增加，且K、Ca和Na元素出现淋溶高峰。并且通过冠层对降雪的截留作用改变降雪中金属元素的输入输出，从而影响了生态系统的养分循环过程[26]。从对4种金属元素总的截留量来看，降雪淋溶了冠层的K、Mg和Na元素，而冠层仅对Ca元素表现为吸收作用。首先升华作用是冰雪消融的主要形式之一，并且对于针叶树种来说，雪被在冠层的升华量是森林年平均降雪量的25%～50%，所以冬季的降雪升华作用显得尤为明显，加之冠层对大气沉降物质有较强的截留能力[27-28]，郁闭度较大的云杉林在承接了大量的大气沉降物后，其中金属沉降物并不随着降雪的升华作用而损失。其次因树冠具有选择吸收作用与交换特点，所以Ca有可能通过植物的吸收作用，截留并在植物细胞中富集。同时叶片在冻融作用下会改变对水分和养分的有效利用程度，所以造成冠层对K、Mg、Na和Ca元素总体在截留作用上的差异[29]。

4 结论

综上所述，亚高山粗枝云杉人工林林林冠对降雪中4种金属元素均具有明显的截留特征，但在不同的降雪期对不同元素的截留量表现出较大的差异。其中，林冠层对降雪中Ca元素的吸收作用较强，而由于降雪作用对冠层K、Mg和Na元素具有明显的淋溶作用，其中对Mg元素的淋溶率最高（-95.46±0.50）%。降雪对冠层的K、Mg和Na元素的淋溶作用会改变了土壤中金属元素的营养供应，土壤对金属元素的利用程度以及效率的影响从而进一步影响林地的生产能力。这些结果表明冬季截留输入对春季林木生长及林地养分循环有重要的意义，为进一步了解冬季川西亚高山粗枝云杉人工林大气-森林-土壤系统金属养分元素源、汇过程提供了理论依据。