辽东山区次生林生态系统穿雨的理化性质

辽东山区次生林生态系统穿雨的理化性质

作为森林生态系统物质循环和能量流动的重要因素之一，国际降水的研究主要集中在雨的时空分布模型、雨的化学成分、林型和林冠对雨化学成分的影响等方面。国内科学家主要关注不同林型森林中雨分布结构和蓄积模型、雨化学成分的测定、雨化学成分的评价和酸沉降区的雨化学性质的测定。由于酸沉降对森林的破坏，降雨及其影响的ph值成为一个焦点。此外，考虑到氮沉降对土壤侵蚀和土壤成分的影响，国内外科学家都高度重视室内氮沉降和雨中氮含量。结果表明，同一地区针叶林侵蚀性优于落叶林，林冠对污染物的吸收更加有效。近年来，国内对云传播和降雨的研究主要集中在北京密集的云水库和鼎湖山。辽东山区的次生林生态系统作为辽宁东部山区的生态屏障,是辽宁省重要饮用水源地,对区域涵养水源至关重要.对该区雨水和森林穿透雨理化性质进行测定,将有助于更好地了解雨水和穿透雨对地表水及森林土壤等因子的影响.国内外关于穿透雨的研究多集中在欧洲云杉(Piceaabies)、小兴安岭原始红松林和华北落叶松等针叶树种;对阔叶树种研究主要有山毛榉(Fagussylvatica)和川滇高山栎(Quercusaquifolioides)等,但是对蒙古栎(Quercusmongolica)、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)及杂木林穿透雨的研究较少.为此,本试验以辽东山区次生林生态系统中5种主要林型:落叶松(Larixolgensis)人工林、花曲柳林、杂木林、红松(Pinuskoraiensis)人工林和蒙古栎林为对象,测定了其穿透雨的主要理化指标,主要包括pH、电导率、溶解氧、氯离子、硝酸根离子等,旨在反映森林生态系统养分输入状况,为深入了解辽东山区次生林生态系统的水质变化、养分循环及提高水源涵养能力提供科学依据.1研究领域和方法1.1年生态环境现状试验地设在辽宁省东部山区清原县南部的中国科学院沈阳应用生态研究所清原森林生态实验站(简称清原站)内.该地区属长白山山脉的延伸地区(41°51.102′N,124°54.543′E),海拔为456～1116m,属温带大陆性气候,年均气温在3.9℃～5.4℃,最冷月为1月,最热月为7月,极端最高气温36.5℃,最低气温-37.6℃,其中≥10℃年积温2497.5℃～2943.0℃.无霜期120～139d,平均日照时数2433h,年降水量700～850mm,降雨集中在6—9月,生长季为4—9月.土壤多为棕色森林土,在历经长期的人为干扰破坏后,目前的森林植被为天然次生林,主要乔木树种为:蒙古栎、花曲柳、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)和槭树类(Acerspp.)等;同时,由于20世纪五六十年代的次生林改造,区内人工营造了大量的长白落叶松(Larixolgensis)和红松人工林.主要灌木有:瘤枝卫矛(Euonymuspauciflorus)、刺五加(Acanthopanaxsenticosus)、辽东丁香(Syringawolfii)和东北山梅花(Philadelphusschrenkii)等;主要草本种类有:荨麻叶龙头草(Meehaniaurticifolia)、白花碎米荠(Cardamineleucantha)、珠芽艾麻(Laporteabulbifera)、透茎冷水花(Pileapumila)和球果堇菜(Violacollina)等.1.2学习方法1.2.1林型集水器设置2008年5月,在清原站内选取落叶松人工林、花曲柳林、杂木林、红松人工林和蒙古栎林5个林型作为试验样地.为更好地反映穿透雨的实际分布情况,在林隙分布均匀的林下设置3个集水器,其中靠近树干20cm处设置2个、两树中间设置1个(图1),每块样地重复2次.每个林型在不同地点设置3个重复样地,每个样地面积为10m×10m,即每个林型共设置18个集水器.在空旷地设置3个林外雨集水器作为对照.大气降水和穿透雨的集水器为直径16.5cm、高17.0cm的聚乙烯水桶,水桶上方设有聚乙烯漏斗防止阳光直射和杂物的影响.1.2.2生长锥法测定林冠开度和叶面积指数2008年8月对样地进行调查,包括样地海拔、经纬度、林龄、现有立木密度和林冠开度,以及样地内主要的乔木树种、灌木和草本植物种类.利用生长锥法测定林龄,利用高精度GPS定位系统测定样地的海拔和经纬度,利用数码相机和鱼眼镜头在每个集水器上方距地面1.5m处测定林冠开度和叶面积指数.样地基本概况见表1.1.2.3雨水和透照指标2008年7—9月,在单次降雨或多次累积雨量超过30mm时,测定收集到的雨水的水质,雨后12h内利用W-23多参数水质仪(HORIBA公司,日本)现场测定雨水和穿透雨的pH、电导率(COND)、氧化还原电位(ORP)、总溶解固体含量(TDS)、溶解氧(DO)、Cl-、NO3-浓度等理化指标.共测定8次.林外雨的雨量和雨强见表2.试验期间共收集雨水总量约410mm,占当地年降水量的50%.1.3雨强梯度下的水质指标每个林型每次穿透雨的理化性质为3个重复样地的平均值,穿透雨加权均值为8次降雨的雨量加权均值.根据实测的雨强大小,将其设置为3个梯度:<15mm·h-1、15～30mm·h-1和>30mm·h-1,每个雨强梯度下雨水的理化性质为雨量加权均值,计算方法如下:C=(C1V1+C2V2+…+CnVn)/(V1+V2+…+Vn)(1)式中:C为水质指标加权均值;Cn为单次指标值;Vn为Cn对应的当次雨量.所有数据分析均在MicrosoftOfficeExcel2003和SPSS13.0统计分析软件中完成.采用单因素方差分析(one-wayANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较同一降水强度下不同林型穿透雨理化性质的差异.利用Pearson相关分析确定林外雨和林内穿透雨各理化性质指标之间,以及不同林型叶面积指数与穿透雨理化性质之间的相关关系.2结果与分析2.1雨水的理化性质及其化学计量特性由表3可以看出,辽东山区不同时间雨水的理化性质有所差异.其中,8月2日—12日期间3次降雨的雨水电导率和总溶解固体含量一致.7—9月,雨水的pH值为5.87～8.20,其加权平均值为6.51,7月3日—8月2日降雨pH符合《生活饮用水卫生标准》GB5749—2006(pH6.5～8.5).雨水浊度为0～26.67NTU,加权均值为4.44NTU,超出GB5749—2006饮用水标准(<3NTU)的限定.雨水的温度变化在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类水质标准(DO≥7.5mg·L-1).总溶解固体含量符合GB5749—2006中饮用水标准(<1g·L-1).雨水的氧化还原电位变化范围为104～332mV.Cl-在雨水中的含量在0.08～1.32mg·L-1,加权均值为0.46mg·L-1,远低于GB3838—2002中集中式生活饮用水地表水源地限值(250mg·L-1).NO3-在雨水中的浓度变化范围为4.56～12.78mg·L-1,加权均值为7.99mg·L-1,低于GB3838—2002标准(10mg·L-1).2.2辽东山区雾雨的物理性质2.2.1雨洪在不同林型中的ph值和指标变化由图2可以看出,不同林型穿透雨理化性质与雨强密切相关.当雨强<15mm·h-1时,蒙古栎林和花曲柳林的pH值明显高于红松林(P<0.05);不同林型穿透雨的电导率值、DO浓度、ORP之间无显著差异(P>0.05).当雨强在15～30mm·h-1时,蒙古栎林、花曲柳林和杂木林的pH值明显高于红松林,花曲柳林穿透雨pH值明显高于落叶松林;蒙古栎林、落叶松林和花曲柳林的电导率值明显高于红松林;花曲柳林、杂木林和红松林DO浓度明显高于落叶松林;红松林ORP值明显高于其他林型(P<0.05).当雨强>30mm·h-1时,花曲柳林pH值明显高于其他林型,红松林穿透雨pH值显著低于其他林型;蒙古栎林和花曲柳林DO浓度明显高于落叶松林和红松林;杂木林、红松林和蒙古栎林ORP值明显高于落叶松林和花曲柳林(P<0.05);不同林型穿透雨的电导率值之间无显著差异(P>0.05).经加权计算,雨水经过5种林型的林冠后均发生了不同程度的酸化,其酸化程度依次为:红松林>落叶松林>杂木林>蒙古栎林>花曲柳林.另外,5种林型穿透雨的电导率、总溶解固体含量均大于林外雨,依次为蒙古栎林>花曲柳林>落叶松林>杂木林>红松林>林外雨;但是穿透雨溶解氧浓度均低于林外雨,为林外雨>红松林>杂木林>花曲柳林>蒙古栎林>落叶松林.2.2.2不同林型的no3-浓度由图3可以看出,当雨强<15mm·h-1时,不同林型Cl-和NO3-浓度无显著差异(P>0.05).当雨强在15～30mm·h-1时,落叶松林Cl-浓度明显高于其他林型(P<0.05),但是不同林型的NO3-浓度无显著差异(P>0.05).当雨强>30mm·h-1时,落叶松林Cl-浓度明显高于其他林型;落叶松林、花曲柳林和杂木林NO3-浓度明显高于红松林(P<0.05).经加权计算,5种林型穿透雨Cl-浓度均大于林外雨,为落叶松林>蒙古栎林>杂木林>花曲柳林>红松林>林外雨;NO3-浓度在林外雨和穿透雨中的平均值从大到小依次为:花曲柳林>蒙古栎林>杂木林>林外雨>落叶松林>红松林.2.2.3叶面积指数与穿透雨理化性质的关系相关分析表明,林外雨和5种林型穿透雨的pH、COND、DO、ORP、Cl-和NO3-均呈显著正相关关系(表4).叶面积指数(LAI)为林分重要的结构指标,主要通过影响林分截获的干沉降面积和雨水与植物体的作用面积来影响穿透雨的理化性质.本试验中,LAI与穿透雨的pH、COND、Cl-和NO3-指标呈负相关关系(表5).3雨强对红松林不同部位林冠排水效果的影响影响林冠和雨水相互作用的因子有降雨特征(降雨时间、降雨量及降雨间隔等),沉积在林冠和叶片上的粒子及雨水与植物体的相互作用(叶片、林冠、附生植物、真菌和微生物等的生理活动等).单次降雨强度及降雨时间间隔影响着雨水理化性质.本研究结果表明,雨水电导率最大值出现在7月27日(表3),主要是由于该次雨水强度最大(表1),短时间内冲刷和溶解空气的化合物所致.另外,雨水及穿透雨的较大电导率值和Cl-浓度分别出现在7月3日和9月11日,可能与这两次降雨同前一次的降雨时间间隔较长(表1),林冠和空气中离子和化合物的积累较多有关.林型叶面积指数的不同直接影响穿透雨的理化性质.本研究发现,红松人工林和落叶松人工林穿透雨酸化程度较其他林型严重,与以往的研究结果相似.其原因可能是:针叶林叶面积指数较大(表2),林冠与枝叶接收干沉降的面积和接触雨水的面积均较大,林冠截获的沉降物质量大于阔叶林;针叶林林冠对酸性物质的分泌量也大于阔叶林.在3种雨强下,红松林pH均明显低于其他林型(P<0.05)(图2),表明红松林叶面积指数最大(表2).另外,同一雨强下,由于红松林的叶面积指数较大,其生理活动对林冠表面物质中的离子吸收较多,对雨水中溶解氧的吸收和稀释作用较大,因此,红松林的电导率值和溶解氧浓度明显低于其他林型(P<0.05)(图2).雨水与植物体的相互作用是影响穿透雨理化性质发生变化的重要因素之一.本研究发现:1)5种林型穿透雨的溶解氧(DO)含量明显低于林外雨,可能是雨水在对林冠上尘埃、颗粒等物质的淋溶过程中使DO浓度降低;雨水在经过林冠过程中,附生植物和微生物吸收了雨水中的DO.2)5种林型穿透雨中的Cl-浓度明显高于林外雨,主要是因为林冠等表面沉积的干沉降中含有Cl-,雨水经过林冠后,冲刷并溶解了干沉降物质,导致穿透雨Cl-浓度高于林外雨.同一雨强时,落叶松林的Cl-浓度明显高于其他林型(图3),可能是因为落叶松针叶对Cl-的吸收较少.3)各林型的营养状况影响着穿透雨中NO3-浓度的大小.与林外雨相比,杂木林、蒙古栎林和花曲柳林穿透雨中的NO3-浓度较高,表明这3种林型对NO3-的摄取是饱和的,雨水对林冠等表面附着物质中NO3-的冲刷占主导地位;落叶松林和红松林穿透雨中NO3-的浓度低于林外雨,说明落叶松林和红松林林冠对NO3-的吸附占主导地位.在同一雨强下,由于红松林对NO3-的吸收较大,表现为红松林NO3-浓度明显