遼東山區(qū)次生林生態(tài)系統(tǒng)穿雨的理化性質(zhì)

遼東山區(qū)次生林生態(tài)系統(tǒng)穿雨的理化性質(zhì)

作為森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要因素之一，國(guó)際降水的研究主要集中在雨的時(shí)空分布模型、雨的化學(xué)成分、林型和林冠對(duì)雨化學(xué)成分的影響等方面。國(guó)內(nèi)科學(xué)家主要關(guān)注不同林型森林中雨分布結(jié)構(gòu)和蓄積模型、雨化學(xué)成分的測(cè)定、雨化學(xué)成分的評(píng)價(jià)和酸沉降區(qū)的雨化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。由于酸沉降對(duì)森林的破壞，降雨及其影響的ph值成為一個(gè)焦點(diǎn)。此外，考慮到氮沉降對(duì)土壤侵蝕和土壤成分的影響，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家都高度重視室內(nèi)氮沉降和雨中氮含量。結(jié)果表明，同一地區(qū)針葉林侵蝕性優(yōu)于落葉林，林冠對(duì)污染物的吸收更加有效。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)云傳播和降雨的研究主要集中在北京密集的云水庫和鼎湖山。遼東山區(qū)的次生林生態(tài)系統(tǒng)作為遼寧東部山區(qū)的生態(tài)屏障,是遼寧省重要飲用水源地,對(duì)區(qū)域涵養(yǎng)水源至關(guān)重要.對(duì)該區(qū)雨水和森林穿透雨理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定,將有助于更好地了解雨水和穿透雨對(duì)地表水及森林土壤等因子的影響.國(guó)內(nèi)外關(guān)于穿透雨的研究多集中在歐洲云杉(Piceaabies)、小興安嶺原始紅松林和華北落葉松等針葉樹種;對(duì)闊葉樹種研究主要有山毛櫸(Fagussylvatica)和川滇高山櫟(Quercusaquifolioides)等,但是對(duì)蒙古櫟(Quercusmongolica)、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)及雜木林穿透雨的研究較少.為此,本試驗(yàn)以遼東山區(qū)次生林生態(tài)系統(tǒng)中5種主要林型:落葉松(Larixolgensis)人工林、花曲柳林、雜木林、紅松(Pinuskoraiensis)人工林和蒙古櫟林為對(duì)象,測(cè)定了其穿透雨的主要理化指標(biāo),主要包括pH、電導(dǎo)率、溶解氧、氯離子、硝酸根離子等,旨在反映森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分輸入狀況,為深入了解遼東山區(qū)次生林生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)變化、養(yǎng)分循環(huán)及提高水源涵養(yǎng)能力提供科學(xué)依據(jù).1研究領(lǐng)域和方法1.1年生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀試驗(yàn)地設(shè)在遼寧省東部山區(qū)清原縣南部的中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所清原森林生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(簡(jiǎn)稱清原站)內(nèi).該地區(qū)屬長(zhǎng)白山山脈的延伸地區(qū)(41°51.102′N,124°54.543′E),海拔為456～1116m,屬溫帶大陸性氣候,年均氣溫在3.9℃～5.4℃,最冷月為1月,最熱月為7月,極端最高氣溫36.5℃,最低氣溫-37.6℃,其中≥10℃年積溫2497.5℃～2943.0℃.無霜期120～139d,平均日照時(shí)數(shù)2433h,年降水量700～850mm,降雨集中在6—9月,生長(zhǎng)季為4—9月.土壤多為棕色森林土,在歷經(jīng)長(zhǎng)期的人為干擾破壞后,目前的森林植被為天然次生林,主要喬木樹種為:蒙古櫟、花曲柳、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)和槭樹類(Acerspp.)等;同時(shí),由于20世紀(jì)五六十年代的次生林改造,區(qū)內(nèi)人工營(yíng)造了大量的長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)和紅松人工林.主要灌木有:瘤枝衛(wèi)矛(Euonymuspauciflorus)、刺五加(Acanthopanaxsenticosus)、遼東丁香(Syringawolfii)和東北山梅花(Philadelphusschrenkii)等;主要草本種類有:蕁麻葉龍頭草(Meehaniaurticifolia)、白花碎米薺(Cardamineleucantha)、珠芽艾麻(Laporteabulbifera)、透莖冷水花(Pileapumila)和球果堇菜(Violacollina)等.1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1林型集水器設(shè)置2008年5月,在清原站內(nèi)選取落葉松人工林、花曲柳林、雜木林、紅松人工林和蒙古櫟林5個(gè)林型作為試驗(yàn)樣地.為更好地反映穿透雨的實(shí)際分布情況,在林隙分布均勻的林下設(shè)置3個(gè)集水器,其中靠近樹干20cm處設(shè)置2個(gè)、兩樹中間設(shè)置1個(gè)(圖1),每塊樣地重復(fù)2次.每個(gè)林型在不同地點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣地,每個(gè)樣地面積為10m×10m,即每個(gè)林型共設(shè)置18個(gè)集水器.在空曠地設(shè)置3個(gè)林外雨集水器作為對(duì)照.大氣降水和穿透雨的集水器為直徑16.5cm、高17.0cm的聚乙烯水桶,水桶上方設(shè)有聚乙烯漏斗防止陽光直射和雜物的影響.1.2.2生長(zhǎng)錐法測(cè)定林冠開度和葉面積指數(shù)2008年8月對(duì)樣地進(jìn)行調(diào)查,包括樣地海拔、經(jīng)緯度、林齡、現(xiàn)有立木密度和林冠開度,以及樣地內(nèi)主要的喬木樹種、灌木和草本植物種類.利用生長(zhǎng)錐法測(cè)定林齡,利用高精度GPS定位系統(tǒng)測(cè)定樣地的海拔和經(jīng)緯度,利用數(shù)碼相機(jī)和魚眼鏡頭在每個(gè)集水器上方距地面1.5m處測(cè)定林冠開度和葉面積指數(shù).樣地基本概況見表1.1.2.3雨水和透照指標(biāo)2008年7—9月,在單次降雨或多次累積雨量超過30mm時(shí),測(cè)定收集到的雨水的水質(zhì),雨后12h內(nèi)利用W-23多參數(shù)水質(zhì)儀(HORIBA公司,日本)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定雨水和穿透雨的pH、電導(dǎo)率(COND)、氧化還原電位(ORP)、總?cè)芙夤腆w含量(TDS)、溶解氧(DO)、Cl-、NO3-濃度等理化指標(biāo).共測(cè)定8次.林外雨的雨量和雨強(qiáng)見表2.試驗(yàn)期間共收集雨水總量約410mm,占當(dāng)?shù)啬杲邓康?0%.1.3雨強(qiáng)梯度下的水質(zhì)指標(biāo)每個(gè)林型每次穿透雨的理化性質(zhì)為3個(gè)重復(fù)樣地的平均值,穿透雨加權(quán)均值為8次降雨的雨量加權(quán)均值.根據(jù)實(shí)測(cè)的雨強(qiáng)大小,將其設(shè)置為3個(gè)梯度:<15mm·h-1、15～30mm·h-1和>30mm·h-1,每個(gè)雨強(qiáng)梯度下雨水的理化性質(zhì)為雨量加權(quán)均值,計(jì)算方法如下:C=(C1V1+C2V2+…+CnVn)/(V1+V2+…+Vn)(1)式中:C為水質(zhì)指標(biāo)加權(quán)均值;Cn為單次指標(biāo)值;Vn為Cn對(duì)應(yīng)的當(dāng)次雨量.所有數(shù)據(jù)分析均在MicrosoftOfficeExcel2003和SPSS13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件中完成.采用單因素方差分析(one-wayANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較同一降水強(qiáng)度下不同林型穿透雨理化性質(zhì)的差異.利用Pearson相關(guān)分析確定林外雨和林內(nèi)穿透雨各理化性質(zhì)指標(biāo)之間,以及不同林型葉面積指數(shù)與穿透雨理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系.2結(jié)果與分析2.1雨水的理化性質(zhì)及其化學(xué)計(jì)量特性由表3可以看出,遼東山區(qū)不同時(shí)間雨水的理化性質(zhì)有所差異.其中,8月2日—12日期間3次降雨的雨水電導(dǎo)率和總?cè)芙夤腆w含量一致.7—9月,雨水的pH值為5.87～8.20,其加權(quán)平均值為6.51,7月3日—8月2日降雨pH符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749—2006(pH6.5～8.5).雨水濁度為0～26.67NTU,加權(quán)均值為4.44NTU,超出GB5749—2006飲用水標(biāo)準(zhǔn)(<3NTU)的限定.雨水的溫度變化在16.7℃～32.9℃.除9月11日(3.73mg·L-1)外,雨水的溶解氧水平符合GB3838—2002中I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(DO≥7.5mg·L-1).總?cè)芙夤腆w含量符合GB5749—2006中飲用水標(biāo)準(zhǔn)(<1g·L-1).雨水的氧化還原電位變化范圍為104～332mV.Cl-在雨水中的含量在0.08～1.32mg·L-1,加權(quán)均值為0.46mg·L-1,遠(yuǎn)低于GB3838—2002中集中式生活飲用水地表水源地限值(250mg·L-1).NO3-在雨水中的濃度變化范圍為4.56～12.78mg·L-1,加權(quán)均值為7.99mg·L-1,低于GB3838—2002標(biāo)準(zhǔn)(10mg·L-1).2.2遼東山區(qū)霧雨的物理性質(zhì)2.2.1雨洪在不同林型中的ph值和指標(biāo)變化由圖2可以看出,不同林型穿透雨理化性質(zhì)與雨強(qiáng)密切相關(guān).當(dāng)雨強(qiáng)<15mm·h-1時(shí),蒙古櫟林和花曲柳林的pH值明顯高于紅松林(P<0.05);不同林型穿透雨的電導(dǎo)率值、DO濃度、ORP之間無顯著差異(P>0.05).當(dāng)雨強(qiáng)在15～30mm·h-1時(shí),蒙古櫟林、花曲柳林和雜木林的pH值明顯高于紅松林,花曲柳林穿透雨pH值明顯高于落葉松林;蒙古櫟林、落葉松林和花曲柳林的電導(dǎo)率值明顯高于紅松林;花曲柳林、雜木林和紅松林DO濃度明顯高于落葉松林;紅松林ORP值明顯高于其他林型(P<0.05).當(dāng)雨強(qiáng)>30mm·h-1時(shí),花曲柳林pH值明顯高于其他林型,紅松林穿透雨pH值顯著低于其他林型;蒙古櫟林和花曲柳林DO濃度明顯高于落葉松林和紅松林;雜木林、紅松林和蒙古櫟林ORP值明顯高于落葉松林和花曲柳林(P<0.05);不同林型穿透雨的電導(dǎo)率值之間無顯著差異(P>0.05).經(jīng)加權(quán)計(jì)算,雨水經(jīng)過5種林型的林冠后均發(fā)生了不同程度的酸化,其酸化程度依次為:紅松林>落葉松林>雜木林>蒙古櫟林>花曲柳林.另外,5種林型穿透雨的電導(dǎo)率、總?cè)芙夤腆w含量均大于林外雨,依次為蒙古櫟林>花曲柳林>落葉松林>雜木林>紅松林>林外雨;但是穿透雨溶解氧濃度均低于林外雨,為林外雨>紅松林>雜木林>花曲柳林>蒙古櫟林>落葉松林.2.2.2不同林型的no3-濃度由圖3可以看出,當(dāng)雨強(qiáng)<15mm·h-1時(shí),不同林型Cl-和NO3-濃度無顯著差異(P>0.05).當(dāng)雨強(qiáng)在15～30mm·h-1時(shí),落葉松林Cl-濃度明顯高于其他林型(P<0.05),但是不同林型的NO3-濃度無顯著差異(P>0.05).當(dāng)雨強(qiáng)>30mm·h-1時(shí),落葉松林Cl-濃度明顯高于其他林型;落葉松林、花曲柳林和雜木林NO3-濃度明顯高于紅松林(P<0.05).經(jīng)加權(quán)計(jì)算,5種林型穿透雨Cl-濃度均大于林外雨,為落葉松林>蒙古櫟林>雜木林>花曲柳林>紅松林>林外雨;NO3-濃度在林外雨和穿透雨中的平均值從大到小依次為:花曲柳林>蒙古櫟林>雜木林>林外雨>落葉松林>紅松林.2.2.3葉面積指數(shù)與穿透雨理化性質(zhì)的關(guān)系相關(guān)分析表明,林外雨和5種林型穿透雨的pH、COND、DO、ORP、Cl-和NO3-均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表4).葉面積指數(shù)(LAI)為林分重要的結(jié)構(gòu)指標(biāo),主要通過影響林分截獲的干沉降面積和雨水與植物體的作用面積來影響穿透雨的理化性質(zhì).本試驗(yàn)中,LAI與穿透雨的pH、COND、Cl-和NO3-指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表5).3雨強(qiáng)對(duì)紅松林不同部位林冠排水效果的影響影響林冠和雨水相互作用的因子有降雨特征(降雨時(shí)間、降雨量及降雨間隔等),沉積在林冠和葉片上的粒子及雨水與植物體的相互作用(葉片、林冠、附生植物、真菌和微生物等的生理活動(dòng)等).單次降雨強(qiáng)度及降雨時(shí)間間隔影響著雨水理化性質(zhì).本研究結(jié)果表明,雨水電導(dǎo)率最大值出現(xiàn)在7月27日(表3),主要是由于該次雨水強(qiáng)度最大(表1),短時(shí)間內(nèi)沖刷和溶解空氣的化合物所致.另外,雨水及穿透雨的較大電導(dǎo)率值和Cl-濃度分別出現(xiàn)在7月3日和9月11日,可能與這兩次降雨同前一次的降雨時(shí)間間隔較長(zhǎng)(表1),林冠和空氣中離子和化合物的積累較多有關(guān).林型葉面積指數(shù)的不同直接影響穿透雨的理化性質(zhì).本研究發(fā)現(xiàn),紅松人工林和落葉松人工林穿透雨酸化程度較其他林型嚴(yán)重,與以往的研究結(jié)果相似.其原因可能是:針葉林葉面積指數(shù)較大(表2),林冠與枝葉接收干沉降的面積和接觸雨水的面積均較大,林冠截獲的沉降物質(zhì)量大于闊葉林;針葉林林冠對(duì)酸性物質(zhì)的分泌量也大于闊葉林.在3種雨強(qiáng)下,紅松林pH均明顯低于其他林型(P<0.05)(圖2),表明紅松林葉面積指數(shù)最大(表2).另外,同一雨強(qiáng)下,由于紅松林的葉面積指數(shù)較大,其生理活動(dòng)對(duì)林冠表面物質(zhì)中的離子吸收較多,對(duì)雨水中溶解氧的吸收和稀釋作用較大,因此,紅松林的電導(dǎo)率值和溶解氧濃度明顯低于其他林型(P<0.05)(圖2).雨水與植物體的相互作用是影響穿透雨理化性質(zhì)發(fā)生變化的重要因素之一.本研究發(fā)現(xiàn):1)5種林型穿透雨的溶解氧(DO)含量明顯低于林外雨,可能是雨水在對(duì)林冠上塵埃、顆粒等物質(zhì)的淋溶過程中使DO濃度降低;雨水在經(jīng)過林冠過程中,附生植物和微生物吸收了雨水中的DO.2)5種林型穿透雨中的Cl-濃度明顯高于林外雨,主要是因?yàn)榱止诘缺砻娉练e的干沉降中含有Cl-,雨水經(jīng)過林冠后,沖刷并溶解了干沉降物質(zhì),導(dǎo)致穿透雨Cl-濃度高于林外雨.同一雨強(qiáng)時(shí),落葉松林的Cl-濃度明顯高于其他林型(圖3),可能是因?yàn)槁淙~松針葉對(duì)Cl-的吸收較少.3)各林型的營(yíng)養(yǎng)狀況影響著穿透雨中NO3-濃度的大小.與林外雨相比,雜木林、蒙古櫟林和花曲柳林穿透雨中的NO3-濃度較高,表明這3種林型對(duì)NO3-的攝取是飽和的,雨水對(duì)林冠等表面附著物質(zhì)中NO3-的沖刷占主導(dǎo)地位;落葉松林和紅松林穿透雨中NO3-的濃度低于林外雨,說明落葉松林和紅松林林冠對(duì)NO3-的吸附占主導(dǎo)地位.在同一雨強(qiáng)下,由于紅松林對(duì)NO3-的吸收較大,表現(xiàn)為紅松林NO3-濃度明顯