山涧口流域2种林分降雨及再分配特征

李联地，左万星，忻富宁，任启文，尤海舟，毕 君

(1.河北小五台山森林生态系统定位研究站、河北省林业科学研究院，河北 石家庄 050061； 2.河北省小五台自然保护区管理局，河北 蔚县 075700)

森林能否增加降水量与森林植被对流域产水量的影响是森林水文学长期争论的问题，这些争议说明降雨与森林存在着密切关系，其中在降水的作用下森林的养分在系统内部和系统之间不断进行交换是一个不争的事实，每年都有一定的养分随降雨、降雪和灰尘进入生态系统中，有一部分养分随着流域径流流出生态系统[1]；雨水在流经林木叶、枝、干过程中对树木表层吸附吸滞的大气颗粒物的洗脱、组织内物质的淋溶[2]及植物组织对离子的吸收3个方面可以加速养分循环和促进植物生长[3]，研究不同森林对于降雨化学特性的作用，对于了解森林植被与水相互作用以及参与流域水文调节过程与机制，不同森林植被对水环境的影响有积极的意义；并且对于适地造林模式的筛选、探索森林生态系统营养循环及净化水源的作用机制也有重要意义。本文对小五台山地区山涧口流域落叶松及白桦2种林分在降雨及再分配过程中的水化学特征、营养物质的流转规律进行研究，以期为今后林分的健康经营和可持续发展提供数据参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区及样地概况

小五台山属太行山余脉，坐标114°47′—115°30′E、39°50′—40°07′N，有亚高山、中山、低山、丘陵、河滩及阶地等多种地貌类型；海拔890～2882 m；气候为东部季风区高寒半湿润性多雨气候，四季分明，水热同季。年均气温3～7 ℃，活动积温为1800～2800 ℃；年均降水量450～620 mm，降水多集中在7—9月，约占全年降水量的55%左右。

白桦林和落叶松人工林是小五台山典型的植物群落类型，对于维持当地生态环境的稳定发挥着重要作用。选择地理位置接近的2块林地作为研究样地，白桦林样地伴生植物有山杨、六道木、绣线菊、山刺玫、黑果栒子、毛榛、胭脂花等；落叶松人工林伴生植物有六道木、绣线菊、山刺玫、黑果栒子、毛莲蒿、藁本等；总体上白桦林林下物种丰富度及数量高于落叶松林。基本情况见表1。

表1 样地基本情况

1.2 水样的采集方法

降雨水样在空旷地使用3个塑料槽收集；穿透雨水样采用林内布设3个雨水收集槽的方法收集，放置时水槽上覆盖一层纱网防止枯枝落叶进入；根据样地每木检尺结果，选择有代表性的落叶松和白桦各3株，使用塑料软管分别螺旋状缠绕于树干的方法收集树干径流水样[4]，落叶松开裂树皮要削刮平整；取原状枯落物平铺于用纱布包裹的3个塑料盆上收集枯落物渗透水水样，为增加收集量，塑料盆摆放在林窗位置；坡面径流水样利用坡面径流场收集。以上收集的同类水样混合在一起测量总量。取样时间为2017年7月13日、7月26日、8 月12日，3次采集水样进行分析。

1.3 水样的测定方法

2 结果与分析

2.1 2种林分降雨再分配过程水化学特征分析

表2 降雨及再分配过程中的水化学特征

*：数据为3次测定的加权平均值。

2.2 2种林分再分配过程中离子特征比较

图1 再分配过程中离子含量差

2.3 2种林分水量分配格局

降雨通过林木的再分配，分为林内降雨、穿透雨、树干径流、枯落物渗透水、坡面径流5部分，其中白桦林穿透雨占降雨量的80.1%，落叶松林穿透雨达到85.7%，具体分配见表3。

白桦林36°坡面径流5.7%，截留94.3%的降雨量；落叶松林17°坡面径流4.8%，截留95.2%的降雨量；2种林分雨水截留相差接近1%[13]。本研究没有36°坡面落叶松林地的径流，但是参考杜阿朋[14]的研究：在同等降雨条件下，华北落叶松产流量陡坡(25°≤a≤36°)16.5 mm、缓坡(10°≤a≤16°)1.5 mm，可以推测落叶松林在36°坡上产流量要远高于白桦林，所以在水源涵养功能上，白桦林高于落叶松林。

表3 再分配过程中的水量分配格局 L·m-2

*：为了测算方便，V树用标准木调查平均值(L·株-1)乘以密度(株·hm-2)换算成统一单位(L·m-2)。

2.4 2种林分降雨再分配过程中土壤层营养物质的流转

降雨作为营养物质流转的一个载体，经过再分配过程，最后以坡面径流的方式将部分物质输出，这个过程中向土壤输送营养物质的过程包括林内降雨、穿透雨、树干径流及枯落物渗透水，坡面径流是土壤营养物质的输出过程[15-18]。结合表2、表3，利用公式：ρ穿=m穿×V穿，式中：ρ穿为穿透雨物质流转量(mg·m-2)；m穿为穿透雨物质含量(mg·L-1)；V穿为穿透雨量(L·m-2)。计算降雨、树干径流、枯落物渗透水、坡面径流流转量ρ降、ρ树、ρ枯、ρ坡。利用净余量公式：ρ净=cρ穿+(1-c)ρ降+ρ树+(ρ枯-ρ降)-ρ坡，式中：净余量ρ净为各物质输入土壤层流转量的和减去输出土壤层流转量的差值(mg·m-2)；c为林地郁闭度(%)；cρ穿为穿透雨林地分配量；(1-c)ρ降为林内降雨分配量[7]；(ρ枯-ρ降)为枯落物渗透水流转量减去降雨的输入。计算净余量结果见表4。

表4 再分配过程中的物质流转量 mg·m-2

3 结论与讨论

有关植被对降水水化学的研究已有较多报道，结果表明植被对水化学的影响与降雨(降雨量、降雨强度、降雨历时等)、树种、林分状况(林冠的干净程度、郁闭度、树皮粗糙度等)、大气状况等有很大关系[10]。树干径流与他人研究差异明显，主要原因是：华北落叶松的树皮开裂，很难直接从水体中吸收营养物质，而且本身也含有一定量的养分元素，当被雨水冲刷时就淋洗出可溶性部分，所以元素含量表现为增加(研究收集降雨量比较大的水样)；降水较少，降雨强度不大，树皮表面干燥，吸附力大，同时树皮中存在大量的空气尘埃，养分元素与尘埃物质形成难溶物质或是大颗粒导致元素含量下降[8]。

研究不足之处是只分析总结白桦林与落叶松林生长旺季的水化学特性，未对整个生长期或年度的特性进行分析说明，今后在可能的条件下要延长调查时段及持续调查，利用多年的数据提高研究的代表性。