辽东山区次生林生态系统不同林型树干茎流的理化性质

徐天乐，朱教君1，，* ，于立忠，王睿照，张金鑫

(1.中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室，沈阳 110016;2.中国科学院清原森林生态实验站，沈阳 110016;3.中国科学院大学，北京 100049)

降雨进入森林生态系统后，主要以穿透雨和树干茎流两种形式输入林地。总降雨中透过树冠直达林地的部分称为穿透雨;沿叶片、枝条、茎干向下运动，直达植物根部的水量称为树干茎流［1-3］。由于雨水对植物表面粉尘、分泌物等的淋洗和淋溶作用，穿透雨和树干茎流营养元素的含量通常高于林外雨［3-4］。

近年来，穿透雨和树干茎流的理化性质受到国内外学者的广泛关注［4-6］。一般认为树干茎流在森林水文循环中所占的比重较小［3，5］，但其在森林生态系统中的作用却不容低估［7-9］。树干茎流不仅是引起局部地段产生蓄满径流的源，更会对森林生态系统养分、矿质元素的输入产生较大影响［4，10-11］。关于树干茎流理化性质的研究多集中在pH值、金属元素及氮、磷等养分元素含量方面，即，大部分关注其化学性质［12-14］。因此，缺乏较为全面的树干茎流理化性质的分析，从而影响人们对其水质状况的深入了解。

辽东山区次生林生态系统位于浑河源头区，是辽宁省大伙房水库的重要水源地，对区域水生态安全至关重要［15］。2008年7月至9月，席兴军等对该区落叶松人工林、花曲柳林、红松人工林、杂木林和蒙古栎林穿透雨的理化性质进行了测定［15］，但未对其树干茎流水质状况进行监测，因而无法科学、全面的评价该区次生林生态系统对降雨水质的影响。为此，于2011年6月至8月，在以上5个林型内，测定了其树干茎流及林外雨的主要理化指标，包括pH值、电导率、溶解氧、总溶解固体含量、总磷浓度等，旨在反映该区森林生态系统不同林型对降雨水质的影响，为制定浑河上游水生态保护方案提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验样地设在中国科学院清原森林生态实验站(简称:清原站)试验林地内，海拔456—1116 m。该站位于辽宁省东部山区清原县南部(41°51.102′N，124°54.543′E)，为长白山余脉，属温带大陆性气候，年均气温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℃，其中大于10℃年积温2497.5—2943.0℃，无霜期120—139 d，平均日照时数2433 h，年降水量700—850 mm，降雨集中在6—9月，生长季为4—9月［15］。土壤多为棕色森林土，原生时期的代表植物为红松(Pinus koraiensis)，长期破坏后逐渐演变为天然次生林，主要乔木树种为蒙古栎(Querus mongolica)、花曲柳(Fraxinus rhynchophulla)、水曲柳(F.mandshurica)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、桦树(Betura spp.)、杨树(Populus spp.)等;同时，在清原站区内存在部分长白落叶松(Larix olgensis)和红松人工林。主要灌木有:瘤枝卫矛(Euonymus pauciflorus)、刺五加(Acanthopanax senticosus)、辽东丁香(Syringa wolfii)和东北山梅花(Philadelphus schrenkii)等，主要草本种类有:荨麻叶龙头草(M eehania urticifolia)、白花碎米荠(Cardamine leucantha)、珠芽艾麻(Laportea bulbifera)、透茎冷水花(Pilea pumila)和球果堇菜(Viola collina)等［16-17］。

1.2 研究方法

1.2.1 样地及试验设置

2011年5月，在清原站内选取落叶松人工林、花曲柳林、杂木林(主要乔木组成为胡桃楸、桦树和杨树)、红松人工林和蒙古栎林5个林型作为试验样地［15］。每个林型设置3块重复样地，每块重复样地面积20 m×30 m。在每块重复样地内选择径级大、中、小(＞20 cm、15—20 cm、＜15 cm)树木各1株，采用剖开的胶皮管螺旋形固定在刮平树皮的树干上做成截水槽(开口向上，与树干连接处密封)，用导管连通截水槽，将树干茎流引入地面的窄口集水箱。在空旷地设置3个直径16.15 cm、高17.10 cm的聚乙烯水桶对林外雨进行收集，水桶上方设有聚乙烯漏斗防止阳光直射和杂物的影响。利用清原站内气象站监测的单次降雨起始时间和结束时间计算降雨历时，同时，记录降雨量。

采用高精度Trimble Juno 3b手持GPS全球定位仪设置标准样地，调查内容包括:林龄、立木密度、林冠开度以及样地内主要的乔木、灌木和草本植物种类。林龄采用生长锥法确定;利用数码相机和鱼眼镜头在距地面1.0 m处拍摄全天空照片，采用Gap light analyzer 2.0软件对照片进行处理并计算林冠开度和叶面积指数［18］。样地基本概况见表1。

表1 样地调查Table 1 The survey of sampling sites

1.2.3 雨水和树干茎流理化性质测定

2011年6—8月，在连续降雨超过10 mm时，测定收集到的林外雨和树干茎流理化性质，雨后12 h内利用W-23多参数水质监测系统(HORIBA公司，日本)现场测定雨水和树干茎流的pH值、电导率、浊度、氧化还原电位、总溶解固体含量、溶解氧、氯离子浓度等7项理化指标，剩余水样冷冻保存，带回实验室，利用AA3流动分析仪(德国)对硝酸根离子、铵根离子及总磷浓度进行测定。仪器各指标测定范围及精确度见表2。

表2 仪器功能参数Table 2 The function parameters of instrument

1.2.4 数据处理

数据分析采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 13.0统计分析软件完成。每个林型每次树干茎流的理化性质为3个重复样地的平均值;按时间顺序依次列出每次降雨各林型树干茎流理化性质;根据各次降雨雨量计算雨水及树干茎流各指标的加权平均值。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同林型树干茎流理化性质的差异。利用Person相关分析确定林外雨与树干茎流各理化指标之间以及林分特征与树干茎流理化性质之间的相关关系。利用线性回归分析建立了树高和胸径的乘积与树干茎流硝酸根离子浓度的关系。

2 结果

2.1 降雨概况及林外雨的理化性质

试验期间(6—8月)，共采集水样8次，总降雨量463 mm(表3)。雨水的pH值变化范围5.90—7.66，除7月31日外(5.90)，符合《生活饮用水卫生标准》GB 5749—2006(pH值6.15—8.15)。雨水浊度变化范围为2—11 NTU，加权均值为5 NTU，超出GB 5749—2006饮用水标准(＜3 NTU)(表4)。8次降雨的溶解氧浓度均符合GB3838—2002(中华人民共和国国家标准)中Ⅰ类水质标准(≥7.15 mg/L)，总溶解固体含量变化范围0.01—0.05 g/L，符合GB 5749—2006中饮用水标准(＜1 g/L)(表4)。雨水的氧化还原电位变化范围为167—364 mV(表4)。雨水中氯离子浓度的加权均值为0.48 mg/L，远低于GB 3838—2002集中式生活饮用水地表水源地限值(250 mg/L);硝酸根离子在雨水中的浓度变化范围为0.24—0.44 mg/L，加权均值为0.35 mg/L，低于GB 3838—2002标准(10 mg/L);雨水中铵根离子浓度变化范围为0.15—0.69 mg/L，加权均值为0.54 mg/L，根据GB 3838—2002标准，达到Ⅲ类地表水要求;总磷浓度变化范围为0.05—0.43 mg/L，加权均值为0.14 mg/L，依照GB 3838—2002中地表水环境质量标准基本项目标准限值，属于Ⅲ类地表水范围(表4)。

表3 2011年清原站降雨量统计表Table 3 The amount of bulk precipitation at Qingyuan Experimental Station of Forest Ecology in 2011

表4 林外雨的理化性质Table 4 The physicochemical properties of bulk precipitation

2.3 辽东山区不同林型树干茎流的理化性质

2.2.1 不同林型树干茎流的物理性质

除6月23日、7月15日和8月28日，落叶松人工林树干茎流电导率和总溶解固体含量均大于杂木林、花曲柳林和蒙古栎林，7月15日红松人工林树干茎流电导率和总溶解固体含量为试验期间最大值;8次降雨中，花曲柳林和红松人工林树干茎流浊度分别3次、2次大于其它4种林型(图1)。

试验结果表明，复方阿胶浆药渣可以替代粗饲料饲喂驴；复方阿胶浆药渣通过提高脏器指数、机体代谢酶、血液生化参数和抗氧化能力等改善机体机能。

经单因素方差分析:红松人工林、落叶松人工林和杂木林树干茎流电导率及总溶解固体含量显著高于蒙古栎林(P＜0.05);红松人工林树干茎流浊度明显高于杂木林和落叶松人工林(P＜0.05);不同林型树干茎流氧化还原电位没有显著差异(P＞0.05)(表5)。

表5 不同林型树干茎流电导率、总溶解固体含量、浊度和氧化还原电位比较Table 5 The conductivity，total dissolved solid，turbidity and oxidation-reduction values comparison of stemflow of five forest types(mean±SE)

2.2.2 不同林型树干茎流化学性质

除8月10日、8月16日，落叶松人工林树干茎流pH值低于其它4种林型，除6月26日、8月11日，红松人工林树干茎流pH值低于其它4种林型;除6月23日和8月28日，蒙古栎林树干茎流溶解氧浓度高于其它4种林型;落叶松人工林树干茎流氯离子浓度除在7月15日略低于红松人工林，其余时间均高于其它4种林型;8次降雨中，杂木林树干茎流硝酸根离子浓度7次高于其它4种林型，落叶松人工林和红松人工林树干茎流硝酸根离子浓度6次低于其它3种林型;试验期间，杂木林树干茎流总磷浓度始终高于其余4种林型;8次降雨中，落叶松人工林和红松人工林树干茎流总磷浓度始终5次低于其余3种林型(图2)。

图1 不同林型树干茎流的电导率、总溶解固体含量、浊度和氧化还原电位Fig.1 The conductivity，total dissolved solid，turbidity and oxidation-reduction values of stemflow of five forest types

经单因素方差分析:红松人工林和落叶松人工林树干茎流pH值显著低于杂木林、蒙古栎林和花曲柳林(P＜0.05);蒙古栎林和落叶松人工林树干茎流溶解氧浓度明显高于杂木林、红松人工林和花曲柳林(P＜0.05);落叶松人工林树干茎流氯离子浓度浓度显著高于其它4种林型(P＜0.05);杂木林树干茎流硝酸根离子和总磷浓度明显高于其它4种林型(P＜0.05);落叶松人工林和红松人工林总磷浓度显著低于其它3种林型(P＜0.05);不同林型树干茎流铵根离子浓度没有显著差异(P＞0.05)(表6)。

表6 不同林型树干茎流pH值和溶解氧、氯离子、硝酸根离子、铵根离子及总磷浓度比较(平均值±标准误)Table 6 The pH and concentration of dissolved oxygen，NO3，NHand total phosphorus comparison of stemflow of five forest types(mean±SE)

表6 不同林型树干茎流pH值和溶解氧、氯离子、硝酸根离子、铵根离子及总磷浓度比较(平均值±标准误)Table 6 The pH and concentration of dissolved oxygen，NO3，NHand total phosphorus comparison of stemflow of five forest types(mean±SE)

* P＜0.05;＊ ＊ P＜0.01

林型Forest typepH值溶解氧DO/(mg/L)氯离子浓度Cl-/(mg/L)铵根离子浓度NH+4/(mg/L)硝酸根离子浓度NO-3/(mg/L)总磷浓度TP/(mg/L)杂木林 Mixed forest stand 5.95±0.11a* 8.1±0.6a* 0.82±0.07a* 1.39±0.26a 1.46±0.21a* 1.20±0.05a*红松人工林 Pinus koraiensis stand 5.06±0.12b* 8.0±0.5a* 0.68±0.06a* 1.05±0.17a 0.42±0.06b* 0.25±0.01d*蒙古栎林 Querus Mongolica stand 5.79±0.13a* 8.6±0.3b* 0.65±0.06a* 0.99±0.12a 0.69±0.07b* 0.56±0.04b*花曲柳林Fraxinus rhynchophylla stand 5.71±0.15a* 8.1±0.8a* 0.70±0.06a* 1.13±0.17a 0.68±0.05b* 0.64±0.05c*落叶松人工林Larix olgensis stand 5.14±0.13b* 8.5±0.3b* 1.04±0.07b* 0.99±0.18a 0.42±0.05b* 0.35±0.03d*

2.3 林外雨与树干茎流理化性质相关分析

相关分析表明，5种林型树干茎流与林外雨的pH值、浊度、电导率、氯离子浓度均呈正相关，其中杂木林树干茎流与林外雨pH值、浊度呈显著正相关(P＜0.05)，除蒙古栎林，其余4种林型树干茎流与林外雨的电导率呈显著正相关(P＜0.05);落叶松人工林，花曲柳林和杂木林树干茎流与林外雨总溶解固体含量呈显著正相关(P＜0.05);杂木林树干茎流与林外雨总磷浓度呈显著正相关(P＜0.05);花曲柳林、杂木林、红松人工林和蒙古栎林树干茎流与林外雨铵根离子浓度呈正相关;除花曲柳林，其余4种林型树干茎流与林外雨溶解氧浓度呈正相关、硝酸根离子浓度呈负相关(表7)。

图2 不同林型树干茎流的pH值和溶解氧、氯离子、铵根离子、硝酸根离子及总磷浓度Fig.2 The pH and concentration of dissolved oxygen，Cl－，NH，NOand total phosphorus of stemflow in five forest types

表7 林外雨与树干茎流各理化性质指标的相关系数Table 7 Correlation coefficients of physicochemical parameters between bulk precipitation and stemflow of different forest types

2.4 林分特征和树干茎流水质的相关分析

树干茎流pH值与平均胸径和林冠开度呈显著正相关(P＜0.05);硝酸根离子浓度与平均树高、平均胸径和林冠开度呈显著正相关(P＜0.05);总溶解固体含量与林分密度呈显著正相关(P＜0.05);铵根离子浓度与胸径和树高的乘积呈显著正相关(P＜0.05);总磷浓度与平均胸径呈显著正相关、与林分密度、叶面积指数和林冠开度呈显著负相关(P＜0.05)(表8)。回归分析结果表明，树干茎流硝酸根离子浓度与胸径和树高的乘积呈显著线性正相关(P＜0.05)(图3)。

表8 不同林分特征与树干茎流各理化性质指标的相关系数Table 8 Correlation coefficients of stand characteristics and physicochemical parameters of stemflow

图3 树干茎流硝酸根离子浓度和胸径与树高乘积的关系Fig.3 Relationship between the concentration ofNOof stemflow and the product between diameter at breast height and tree height

3 讨论

雨水在形成树干茎流过程中，除与林冠层进行颗粒物、化学元素等的交换，又与树干表面发生作用，水质通常发生变化［19-21］。本研究发现，同林外雨相比，5种林型树干茎流溶解氧浓度明显降低;浊度、电导率、总溶解固体含量和氯离子、铵根离子、硝酸根离子、总磷浓度明显升高。与穿透雨相比［15］，各林型树干茎流电导率、总溶解固体含量及浊度升高更为明显，这可能是雨水对树干表面微尘、养分元素等的淋洗、淋溶过程所致［4］。

树干茎流理化性质与环境因素及降水特征密切相关［1］。6月23日和7月15日各林型树干茎流平均总溶解固体含量、电导率、铵根离子和硝酸根离子浓度较高(表4)，两次降雨前干沉降时间均较长(6月23日为试验期间首次降雨)(表3)，降雨溶解和冲刷了大量空气中积累的离子和化合物以及植物表面的沉积物，因此，树干茎流可溶性物质浓度较高［1，12，22］。8月28日各林型树干茎流平均电导率和总溶解固体含量最高(表4)，这可能与降雨期间的温度、风速等环境状况有关［23］。

与林外雨相比，5种林型树干茎流均出现明显酸化(图2)，这与以往研究结果相似［1，24］。在大气污染较轻的区域，树木分泌的有机酸等物质是影响树干茎流水质的主要因素［24］。结合2008年穿透雨水质监测结果［15］，研究区域红松人工林和落叶松人工林穿透雨与树干茎流酸化程度均较其它林型严重，其原因可能是:与阔叶林相比，针叶林林冠分泌酸性物质较多，同时，其叶面积指数较大(表1)，枝叶接触雨水的面积较大［25-27］。

已有研究表明，树干表皮特征对树干茎流可溶性物质含量有重要影响［5，24］。本研究进一步证实了上述结论:由于红松和落叶松的树干表皮比较粗糙，易于阻滞、吸附空气中的尘埃，并有效延长雨水与树干的接触时间，其树干茎流水体纯度下降最为显著［5，19］。

树木枝叶表层积累物质的化学性质直接影响树干茎流水质［1，5］。2008年穿透雨水质监测结果表明，研究区内落叶松人工林穿透雨氯离子浓度显著高于其它林型，该林型树干茎流水质表现出相同特征，即再次证明落叶松针叶对氯离子的吸收可能较少［15］。落叶松人工林和红松人工林树干茎流养分元素浓度明显低于其它林型，而杂木林树干茎流养分元素浓度明显高于其它林型，这与该区不同林型穿透雨理化性质监测结果相似［15］，其原因可能是:杂木林枝叶表层氮、磷等元素含量较高，导致雨水与之发生作用时，淋溶率较高，而落叶松人工林和红松人工林则相反［5，14，28］。本研究还发现，随着胸径与树高乘积值的增大，雨水与树干接触面积增加、时间延长，树干表皮中在生长季易于被雨水淋溶的硝酸根离子大量溶入树干茎流中［5］。

综上所述，雨水进入辽东山区次生林生态系统形成树干茎流后，水质明显下降，与2008年穿透雨水质监测结果相比［15］，其对雨水的电导率、总溶解固体含量和浊度的影响更为显著。杂木林树干茎流对林外雨化学性质的影响最为显著;红松人工林和落叶松人林树干茎流对林外雨物理性质的影响最为明显。大量研究表明，森林具有水化学贮滤净化作用，能够有效改善水体质量［29-31］。因此，将以本研究为基础，通过分析研究区域内森林凋落物、土壤等对水质的影响，对森林的水质改善机理进行深入探讨。

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