間伐強度對秦嶺銳齒櫟林冠層和枯落物層水化學(xué)效應(yīng)的影響

趙曉靜,張勝利,馬國棟

1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100 2陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 楊凌 712100 3西藏自治區(qū)拉薩市曲水縣聶當(dāng)鄉(xiāng)人民政府, 拉薩 850000

間伐強度對秦嶺銳齒櫟林冠層和枯落物層水化學(xué)效應(yīng)的影響

趙曉靜1,3,張勝利1，2,*,馬國棟1

1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100 2陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 楊凌 712100 3西藏自治區(qū)拉薩市曲水縣聶當(dāng)鄉(xiāng)人民政府, 拉薩 850000

秦嶺銳齒櫟林；間伐強度；水化學(xué)效應(yīng)

水源涵養(yǎng)林具有涵養(yǎng)水源、保持水土、改善水質(zhì)，為人們提供優(yōu)質(zhì)水源的功能[1]。秦嶺南坡中山地帶既是秦巴山區(qū)水源涵養(yǎng)林的集中分布區(qū)，又是南水北調(diào)中線工程取水地-丹江口水庫的水源地之一，因此，該地帶的森林水質(zhì)狀況備受重視，成為研究熱點[2-4]。森林生長狀況直接關(guān)系到森林水質(zhì)的好壞，近年來，隨著秦嶺周邊環(huán)境污染的加劇，以及對森林資源的粗放式經(jīng)營，該地帶天然林普遍存在郁閉度過高、生長勢弱，生態(tài)功能不高，生態(tài)效益不能充分發(fā)揮的問題。撫育間伐作為一種近自然的森林經(jīng)營措施，對于解決這一問題具有重要的意義[5]。目前，林業(yè)科學(xué)工作者們關(guān)于撫育間伐的研究較多，但主要集中在撫育間伐對森林空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及森林更新和植物多樣性的影響等方面[6-8]，而將撫育間伐與森林水化學(xué)效應(yīng)結(jié)合起來研究的卻很少，尤其是在秦嶺林區(qū)，這一方面的研究幾乎是空白。

目前，國外有部分研究認(rèn)為采伐對森林水化學(xué)的影響較大，尤其是在采伐后的3—5年間[9-10]。但也有研究表明撫育間伐對森林水化學(xué)效應(yīng)的影響，因間伐強度、森林類型和立地條件的不同而異[11]，間伐強度與森林養(yǎng)分輸出之間不存在線性關(guān)系，但可能存在一個間伐強度的閾值，低于這個閾值，養(yǎng)分的流失不顯著[12]。為進一步探討間伐強度對森林水化學(xué)效應(yīng)的影響，本文以秦嶺火地塘天然銳齒櫟林為研究對象，就間伐強度對森林林冠層和枯落物層水化學(xué)效應(yīng)的影響進行研究，探討撫育間伐對森林水質(zhì)的影響，旨在為研究確定適合秦嶺水源涵養(yǎng)林的撫育間伐強度及全面發(fā)揮秦嶺水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能提供參考。

1 研究區(qū)域

火地塘林區(qū)(33°25′— 33°29′N，108°25′— 108°30′E) 位于陜西省寧陜縣境內(nèi)，地處秦嶺南坡中部腹地。海拔在1420—2037m，山勢陡峻，平均坡度在30—35°。林區(qū)面積22.25km2。地形復(fù)雜，境內(nèi)主要河流為發(fā)源于平河梁的長安河，其次為火地溝、板橋溝和水井溝等溝溪。氣候為暖溫帶濕潤山地氣候。年平均氣溫為8.0℃；年平均降水量為1130mm，多集中于7—9月份，年蒸發(fā)量800—950mm，濕潤系數(shù)1.022，平均相對濕度為77.1%，無霜期199d。這種雨熱同期且與生長季節(jié)一致的氣候條件，適宜于多種林木的生長發(fā)育。土壤類型主要為山地棕壤、暗棕壤和山地草甸土，土層平均厚度50cm 左右，成土母巖主要為花崗巖、片麻巖、變質(zhì)砂巖和片巖。

火地塘林區(qū)屬山地溫帶落葉闊葉林區(qū)域。研究樣地現(xiàn)有森林是原生植被在20世紀(jì)60、70年代主伐后恢復(fù)起來的天然次生林，在自然演替和人工撫育的共同作用下，經(jīng)過30多年的恢復(fù)，林區(qū)景觀格局基本上形成以華山松林、硬闊葉林和樺木林為主的次生森林景觀格局。森林小流域處在動態(tài)的演替階段。森林覆蓋率較高，主要成林樹種有銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)、樺類(Betula)、油松(Pinustabulaeformis)、華山松(Pinusarmandii)、青扦(Piceawilsonii) 、巴山冷杉(Abiesfargesii)等。

按照陜西省立地條件分類系統(tǒng)劃分，火地塘試驗林場撫育作業(yè)區(qū)立地條件屬秦嶺南坡山地立地亞區(qū)(C)，秦嶺南坡土石山地立地類型小區(qū)(27)[13]?；鸬靥亮謪^(qū)森林植被、地形地貌、土壤和氣候等具有秦嶺南坡中山地帶的典型特征，而該地帶又是南水北調(diào)中線水源區(qū)天然林的主要分布區(qū)，因此火地塘林區(qū)具有較好的代表性。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

在秦嶺火地塘林區(qū)，選擇立地條件基本一致的銳齒櫟林，在其內(nèi)設(shè)置5塊固定樣地，樣地大小均為20m×30m，分別為對照樣地(DZ，未間伐)和間伐強度為5%(B1)、10%(B2)、15%(B3)、20%(B4)的樣地(圖1)。由于樣地間伐采取“去劣留優(yōu)、去弱留強”的措施，伐除了“霸王樹”和處于相對劣勢的小徑級材[14]，所以間伐后各樣地林分特征，特別是平均胸徑有差異。間伐后，各樣地概況見表1。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the Study Area

火地塘林區(qū)降雨量超過20mm的降雨集中在6—9月份，因此采樣時間為每年的6—9月份。本研究需要采集的水樣類型為大氣降雨(林外雨)和經(jīng)過林冠層后形成的林內(nèi)雨，以及經(jīng)過枯落物層的枯透水。大氣降雨采集點在火地塘實驗站，于空曠處分別放置塑料盆進行收集，雨后及時將各點收集的雨水混勻，取500mL作為檢測水樣。林內(nèi)雨在各樣地內(nèi)采集，于標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)的坡面上按照上、中、下坡位分別布設(shè)3個聚氯乙烯塑料桶，桶的表面覆蓋紗網(wǎng)，以防雜物進入桶內(nèi)。雨后及時將各點收集的林內(nèi)雨混合，每個樣地取500mL作為檢測水樣。枯透水的采集方式同林內(nèi)雨，另外，需在紗網(wǎng)表面鋪設(shè)原狀枯落物，取樣時取上清液500mL，置于塑料瓶中，貼上標(biāo)簽，置于4℃的冰箱保存。樣品分析前，先用0.4mm的聚碳酸酯膜進行過濾。

表1 樣地概況Table 1 The basic situation of plots

本研究采樣時間為2012、2013年的雨季，兩年內(nèi)共采集水樣11次，采集大氣降雨、林內(nèi)雨和枯透水系列水樣共128個。

2.2 樣品測試及數(shù)據(jù)處理

圖2 大氣降雨及各樣地林內(nèi)雨和枯透水中pH值 Fig.2 Variations of pH in rainwater throughfall and litter drainage DZ: 對照樣地;B1: 5%間伐強度；B2: 10%間伐強度；B3: 15%間伐強度；B4: 20%間伐強度

3 結(jié)果分析

3.1 不同層次水樣pH值變化

間伐樣地林內(nèi)雨的pH值均小于對照樣地，且pH值隨著間伐強度的增加而減小，對酸性降水的pH值調(diào)升作用減弱。通過差異顯著性分析發(fā)現(xiàn)，B1樣地林內(nèi)雨較大氣降雨的差異性在0.05水平上達(dá)到顯著差異(P<0.05，N=48)，而其它樣地林內(nèi)雨較大氣降雨的差異性均不顯著(P>0.05，N=48)。這是由于低強度的間伐對森林郁閉度的影響較弱，隨著間伐強度的增加，形成了采伐林窗，林冠層葉面積指數(shù)下降，對酸性降水的截留作用減弱，使得部分未經(jīng)過冠層截留的雨水直接進入林內(nèi)，導(dǎo)致林內(nèi)雨pH值降低，但仍高于林外雨的pH值。當(dāng)間伐強度達(dá)到20%時，林內(nèi)雨pH值又出現(xiàn)上升趨勢，這與采伐后林下喜光植被尤其是幼樹和灌木等[14]迅速增加，形成亞冠層，對雨水出現(xiàn)兩次攔截作用，從而調(diào)升了降水的pH值。

枯透水的pH值變化與林內(nèi)雨基本一致，以5%的間伐強度下，枯透水的pH值較大氣降雨的增幅最大，達(dá)0.65個pH單位，達(dá)到顯著差異(P<0.05，N=48)。在間伐強度較小的情況下，枯透水的pH值均大于對照樣地，隨著間伐強度的增加，枯透水的pH值又出現(xiàn)顯著下降，B3樣地枯透水的pH值顯著減小，達(dá)到6.18，接近大氣降雨的pH值。這主要是由于間伐后，林下枯落物厚度減小，其分解產(chǎn)生的有機酸減少，導(dǎo)致枯透水的pH值較對照樣地增大，隨著間伐強度的增大，林內(nèi)溫度上升，有機質(zhì)分解加快[17]，使得pH值又顯著減小。B4樣地隨著林內(nèi)雨pH值的上升，枯透水的pH值也出現(xiàn)上升趨勢。

圖3 大氣降雨及各樣地林內(nèi)雨和枯透水中和的質(zhì)量濃度Fig.3 Concentration of in rainwater throughfall and litter drainageDZ: 對照樣地；B1: 5%間伐強度；B2: 10%間伐強度；B3: 15%間伐強度；B4: 20%間伐強度

圖4 大氣降雨及各樣地林內(nèi)雨和枯透水中和的質(zhì)量濃度Fig.4 Concentration of in rainwater throughfall and litter drainageDZ: 對照樣地；B1: 5%間伐強度；B2: 10%間伐強度；B3: 15%間伐強度；B4: 20%間伐強度

3.3 不同層次水樣中K+、Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度變化

K+、Na+、Ca2+、Mg2+等堿性陽離子的濃度一方面影響水體的硬度；另一方面可提升水體pH值[22]。林內(nèi)雨中營養(yǎng)元素含量明顯高于大氣降雨，含量最大的是K+、Ca2+、Mg2+，這與詹鴻振[23]在小興安嶺原始林區(qū)的研究一致。Na+為海鹽離子，研究區(qū)遠(yuǎn)離海洋，因此，大氣降水中Na+含量極低，在此不做考慮。

圖5 大氣降雨及各樣地林內(nèi)雨和枯透水中K+、Ca2+、Mg2+的質(zhì)量濃度Fig.5 Concentration of the base cations in rainwater throughfall and litter drainageDZ 對照樣地；B15%間伐強度；B210%間伐強度；B315%間伐強度；B420%間伐強度

大氣降雨中K+的質(zhì)量濃度為2.555mg/L。通過林冠層后，林內(nèi)雨中K+的質(zhì)量濃度有所增加，說明林冠層中的K+被雨水淋溶析出，以B2樣地的淋溶量最大，達(dá)1mg/L，而其它樣地林內(nèi)雨中K+濃度基本接近大氣降雨。大氣降雨中Ca2+質(zhì)量濃度較低，為1.289mg/L，經(jīng)過林冠層的淋溶作用，林內(nèi)雨中Ca2+質(zhì)量濃度急劇增加，其變化趨勢與K+基本一致，呈先增加后減少的趨勢(圖5)。與對照樣地DZ相比，K+和Ca2+的濃度增幅在B2樣地達(dá)到最大，分別增加了34.7%和89.9%，之后，隨著間伐強度的增加，二者的濃度又急劇下降，B4樣地林內(nèi)雨中K+、Ca2+的質(zhì)量濃度接近DZ樣地的濃度值。Burns等的研究表明，影響K和Ca濃度大幅升高的主要因素來源于大氣降雨對林冠層和枯落物層的淋洗作用[24]，因此，當(dāng)間伐強度增加到一定的值，減小了葉面積指數(shù)，使降雨對林冠層K+、Ca2+的淋洗量減少。

Mg是一種難于溶解和淋溶的元素，因此大氣降雨中的Mg2+含量極少[25]，相應(yīng)的，林內(nèi)雨中Mg2+的質(zhì)量濃度也較低。隨著間伐強度的增加，林內(nèi)雨中的Mg2+質(zhì)量濃度先出現(xiàn)小幅增加，B3樣地的濃度達(dá)到最大值，幾乎是DZ樣地濃度的3倍，但B4樣地Mg2+質(zhì)量濃度又下降至接近DZ樣地的濃度水平，這可能跟Ca2+的濃度升高有關(guān)，通過對Ca2+與Mg2+進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，二者呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.710，主要是因為雨水中的鈣鹽會抑制枝葉對其它營養(yǎng)元素的淋溶反應(yīng)[26]。

K+、Ca2+、Mg2+這3種離子在枯透水中的質(zhì)量濃度均高于林內(nèi)雨，主要是在形成枯透水的過程中，枯枝落葉經(jīng)過微生物分解，其中的K、Ca和Mg再次被雨水淋洗出來的緣故[19]。Ca2+、Mg2+的質(zhì)量濃度變化趨勢與林內(nèi)雨完全一致。K+質(zhì)量濃度基本呈先增后減的趨勢，其濃度峰值出現(xiàn)在B3樣地。說明間伐強度達(dá)到一定的值反而會促進雨水對枯枝落葉中K的淋溶。

3.4 不同層次水樣中重金屬離子Zn2+、Pb2+、Cd2+質(zhì)量濃度變化

秦嶺地區(qū)鉛鋅礦資源豐富，而且在自然環(huán)境中，Cd常與Zn、Zn-Pb礦相伴，尤其是秦嶺陜西段鉛鋅礦場比較集中，在采礦過程中產(chǎn)生含有Pb、Zn、Cd等的粉塵[27]，這些粉塵隨大氣運動遠(yuǎn)距離傳輸，最后通過干濕沉降的方式進入森林生態(tài)系統(tǒng)，對森林水質(zhì)產(chǎn)生影響。Pb和Cd是公認(rèn)的有毒重金屬元素，對森林植物的危害較大。

大氣降雨中Pb2+的質(zhì)量濃度為1.132μg/L，經(jīng)過林冠層截留，各間伐樣地林內(nèi)雨中Pb2+的質(zhì)量濃度差異較大 (圖6)，其中B2和DZ樣地Pb2+濃度基本接近大氣降雨的值，B1和B4樣地Pb2+質(zhì)量濃度明顯低于大氣降雨的值，較大氣降雨降低了38.7%，B4樣地降幅最顯著(P<0.05，N=48)。說明間伐強度為20%的樣地，森林枝葉對Pb2+以吸收累積作用為主，因此，林內(nèi)雨中Pb2+濃度低于大氣降雨。而B3樣地，Pb2+濃度較大氣降雨增加了0.127μg/L，表明，林冠層中的Pb被雨水淋溶析出，導(dǎo)致林內(nèi)雨中Pb2+濃度增加。枯透水中Pb2+濃度變化趨勢與林內(nèi)雨一致，但濃度值要明顯高于林內(nèi)雨，主要是枯枝落葉中的Pb2+被進一步淋溶進入水體[28]，尤其是B3樣地Pb2+濃度增幅非常顯著，較林內(nèi)雨增大了近3倍，可能是由于B3樣地林下地被層所受的擾動較大，雨水對枯枝落葉中的Pb淋溶作用較強。

大氣降雨中Pb2+的質(zhì)量濃度為1.132μg/L，經(jīng)過林冠層截留，各間伐樣地林內(nèi)雨中Pb2+的質(zhì)量濃度差異較大 (圖6)，其中B2和DZ樣地Pb2+濃度基本接近大氣降雨的值，B1和B4樣地Pb2+質(zhì)量濃度明顯低于大氣降雨的值，較大氣降雨降低了38.7%，B4樣地降幅最顯著(P<0.05，N=48)。說明間伐強度為20%的樣地，森林枝葉對Pb2+以吸收累積作用為主，因此，林內(nèi)雨中Pb2+濃度低于大氣降雨。而B3樣地，Pb2+濃度較大氣降雨增加了0.127μg/L，表明，林冠層中的Pb2+被雨水淋溶析出，導(dǎo)致林內(nèi)雨中Pb2+濃度增加?？萃杆蠵b2+濃度變化趨勢與林內(nèi)雨一致，但濃度值要明顯高于林內(nèi)雨，主要是枯枝落葉中的Pb2+被進一步淋溶進入水體[28]，尤其是B3樣地Pb2+濃度增幅非常顯著，較林內(nèi)雨增大了近3倍，可能是由于B3樣地林下地被層所受的擾動較大，雨水對枯枝落葉中的Pb2+淋溶作用較強。

圖6 大氣降雨及各樣地林內(nèi)雨和枯透水中Pb2+、Zn2+、Cd2+的質(zhì)量濃度Fig.6 Concentration of Pb2+, Zn2+, Cd2+ in throughfall and litter drainageDZ: 對照樣地；B1: 5%間伐強度；B2: 10%間伐強度；B3: 15%間伐強度；B4: 20%間伐強度

Zn2+質(zhì)量濃度變化趨勢與Pb2+基本一致。大氣降雨中Zn2+質(zhì)量濃度為9.214μg/L，林內(nèi)雨中DZ和B3樣地的Zn2+質(zhì)量濃度略高于大氣降雨的值，B3樣地的增幅更為顯著，增大了1.06倍。說明在不間伐或間伐強度為15%時，大氣降雨對林冠層的Zn表現(xiàn)為淋溶作用；而B1、B2和B4樣地Zn2+質(zhì)量濃度明顯低于大氣降雨，表明在這3種間伐強度下，林冠層對大氣降雨輸入的Zn2+表現(xiàn)為吸附截留?？萃杆械腪n2+質(zhì)量濃度除B3樣地外，均高于林內(nèi)雨的值，主要是由于枯枝落葉中的Zn2+被雨水淋溶向水中遷移，導(dǎo)致枯透水Zn2+質(zhì)量濃度升高，尤其是DZ樣地，增幅高達(dá)14.25μg/L。隨著間伐強度的增大，枯透水中Zn2+質(zhì)量濃度基本上呈線性下降，B3樣地Zn2+質(zhì)量濃度又出現(xiàn)回升，這可能跟B3樣地林內(nèi)雨中Zn2+質(zhì)量濃度過高有關(guān)。總體上，B4樣地林內(nèi)雨和枯透水中Zn2+質(zhì)量濃度最低，差異顯著性水平達(dá)到0.038，主要是由于間伐強度大于20%，會促進森林亞冠層枝葉的生長[29]，林冠層和亞冠層對Zn2+的雙重截留，使得雨水中的Zn2+質(zhì)量濃度趨于降低。

大氣降雨所攜帶的Cd2+質(zhì)量濃度較低，僅為0.196μg/L，經(jīng)過林冠層的截留作用，林內(nèi)雨中Cd2+質(zhì)量濃度進一步降低，對比各樣地，隨著間伐強度的增加，Cd2+質(zhì)量濃度出現(xiàn)小幅度的上下波動，以B4樣地的降幅最大，降低了0.044μg/L，說明當(dāng)間伐強度大于15%，林冠層對Cd2+的吸附能力會逐漸變大。枯透水中Cd2+的質(zhì)量濃度隨著林內(nèi)雨的濃度變化而變化，當(dāng)間伐強度大于10%，枯透水中Cd2+的質(zhì)量濃度明顯低于林內(nèi)雨的值，說明隨著間伐強度的增加，枯落物層對Cd2+有較強的截留過濾作用，劉煊章[30]等的研究也表明林下地被物層幾乎能全部截留穿透水所攜帶的Cd2+。

4 結(jié)論

森林撫育間伐通過改變森林結(jié)構(gòu)，間接影響森林水化學(xué)過程，本文通過對比分析0—20%間伐強度下，銳齒櫟林冠層和枯落物層的水化學(xué)效應(yīng)，得出了一些初步結(jié)論：

(1)銳齒櫟林不同層次對酸性大氣降雨的pH值均有不同程度的調(diào)升作用，這種作用隨著間伐強度的增加而減弱，綜合考慮林冠層和枯枝落葉層對降低雨水酸度的貢獻(xiàn)，以5%的間伐強度對pH值的調(diào)升作用較顯著。

(3)銳齒櫟林冠層對K+、Ca2+、Mg2+均表現(xiàn)出淋溶作用，10%間伐強度樣地內(nèi)的質(zhì)量濃度值最高。表明在10%的間伐強度下，大氣降雨對林冠層和枯落物層中這3種鹽基離子的淋溶作用最強，能給林地帶來較多的營養(yǎng)元素。

(4)與對照樣地相比，間伐后林內(nèi)雨和枯透水中Zn2+、Pb2+、Cd2+三種離子的質(zhì)量濃度均有所下降。其中，5%和20%間伐強度樣地的林冠層和枯落物層對大氣降雨中Pb2+的截留凈化作用較強，而Zn2+和 Cd2+在20%的間伐強度下的質(zhì)量濃度最小?？傮w上來說，20%的間伐強度，最有利于森林對重金屬的截留固定。

由于缺乏長期的定位觀測，本研究僅僅針對間伐后短期內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析，加之樣地布設(shè)及采樣頻率目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這使得研究結(jié)果差異性較大，因此本文對秦嶺銳齒櫟林間伐與水化學(xué)效應(yīng)的研究只是初步探討，對于揭示森林間伐與水化學(xué)效應(yīng)的深層機理和規(guī)律尚顯不足，還需要在以后做系統(tǒng)研究，進一步揭示森林間伐對森林水化學(xué)效應(yīng)的影響機理。

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Effects of thinning intensity on rain water chemistry of canopies and litters ofQuercusalienavar.acuteserratain Qinling Mountain

ZHAO Xiaojing1, 3, ZHANG Shengli1,2,*, MA Guodong1

1CollegeofResourcesandEnvironment，NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China2QinlingNationalForestEcosystemResearchStation,Yangling712100,China3QuxurCounty,LhaSaCity,TibetAutonomousRegion,Lhasa850000,China

Quercusalienavar.acuteserrataforest;thinning intensity;water chemistry impact

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201004036)

2014-07-25; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2015-05-21

10.5846/stxb201407251505

*通訊作者Corresponding author.E-mail: victory6515@sina.com

趙曉靜,張勝利,馬國棟.間伐強度對秦嶺銳齒櫟林冠層和枯落物層水化學(xué)效應(yīng)的影響.生態(tài)學(xué)報,2015,35(24):8155-8164.

Zhao X J, Zhang S L, Ma G D.Effects of thinning intensity on rain water chemistry of canopies and litters ofQuercusalienavar.acuteserratain Qinling Mountain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8155-8164.