徐天樂，朱教君1，，* ，于立忠，王睿照，張金鑫

(1.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室，沈陽 110016;2.中國科學院清原森林生態(tài)實驗站，沈陽 110016;3.中國科學院大學，北京 100049)

降雨進入森林生態(tài)系統(tǒng)后，主要以穿透雨和樹干莖流兩種形式輸入林地?？偨涤曛型高^樹冠直達林地的部分稱為穿透雨;沿葉片、枝條、莖干向下運動，直達植物根部的水量稱為樹干莖流［1-3］。由于雨水對植物表面粉塵、分泌物等的淋洗和淋溶作用，穿透雨和樹干莖流營養(yǎng)元素的含量通常高于林外雨［3-4］。

近年來，穿透雨和樹干莖流的理化性質受到國內(nèi)外學者的廣泛關注［4-6］。一般認為樹干莖流在森林水文循環(huán)中所占的比重較?。?，5］，但其在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用卻不容低估［7-9］。樹干莖流不僅是引起局部地段產(chǎn)生蓄滿徑流的源，更會對森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分、礦質元素的輸入產(chǎn)生較大影響［4，10-11］。關于樹干莖流理化性質的研究多集中在pH值、金屬元素及氮、磷等養(yǎng)分元素含量方面，即，大部分關注其化學性質［12-14］。因此，缺乏較為全面的樹干莖流理化性質的分析，從而影響人們對其水質狀況的深入了解。

遼東山區(qū)次生林生態(tài)系統(tǒng)位于渾河源頭區(qū)，是遼寧省大伙房水庫的重要水源地，對區(qū)域水生態(tài)安全至關重要［15］。2008年7月至9月，席興軍等對該區(qū)落葉松人工林、花曲柳林、紅松人工林、雜木林和蒙古櫟林穿透雨的理化性質進行了測定［15］，但未對其樹干莖流水質狀況進行監(jiān)測，因而無法科學、全面的評價該區(qū)次生林生態(tài)系統(tǒng)對降雨水質的影響。為此，于2011年6月至8月，在以上5個林型內(nèi)，測定了其樹干莖流及林外雨的主要理化指標，包括pH值、電導率、溶解氧、總溶解固體含量、總磷濃度等，旨在反映該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)不同林型對降雨水質的影響，為制定渾河上游水生態(tài)保護方案提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地設在中國科學院清原森林生態(tài)實驗站(簡稱:清原站)試驗林地內(nèi)，海拔456—1116 m。該站位于遼寧省東部山區(qū)清原縣南部(41°51.102′N，124°54.543′E)，為長白山余脈，屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫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℃，其中大于10℃年積溫2497.5—2943.0℃，無霜期120—139 d，平均日照時數(shù)2433 h，年降水量700—850 mm，降雨集中在6—9月，生長季為4—9月［15］。土壤多為棕色森林土，原生時期的代表植物為紅松(Pinus koraiensis)，長期破壞后逐漸演變?yōu)樘烊淮紊?，主要喬木樹種為蒙古櫟(Querus mongolica)、花曲柳(Fraxinus rhynchophulla)、水曲柳(F.mandshurica)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、樺樹(Betura spp.)、楊樹(Populus spp.)等;同時，在清原站區(qū)內(nèi)存在部分長白落葉松(Larix olgensis)和紅松人工林。主要灌木有:瘤枝衛(wèi)矛(Euonymus pauciflorus)、刺五加(Acanthopanax senticosus)、遼東丁香(Syringa wolfii)和東北山梅花(Philadelphus schrenkii)等，主要草本種類有:蕁麻葉龍頭草(M eehania urticifolia)、白花碎米薺(Cardamine leucantha)、珠芽艾麻(Laportea bulbifera)、透莖冷水花(Pilea pumila)和球果堇菜(Viola collina)等［16-17］。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地及試驗設置

2011年5月，在清原站內(nèi)選取落葉松人工林、花曲柳林、雜木林(主要喬木組成為胡桃楸、樺樹和楊樹)、紅松人工林和蒙古櫟林5個林型作為試驗樣地［15］。每個林型設置3塊重復樣地，每塊重復樣地面積20 m×30 m。在每塊重復樣地內(nèi)選擇徑級大、中、小(＞20 cm、15—20 cm、＜15 cm)樹木各1株，采用剖開的膠皮管螺旋形固定在刮平樹皮的樹干上做成截水槽(開口向上，與樹干連接處密封)，用導管連通截水槽，將樹干莖流引入地面的窄口集水箱。在空曠地設置3個直徑16.15 cm、高17.10 cm的聚乙烯水桶對林外雨進行收集，水桶上方設有聚乙烯漏斗防止陽光直射和雜物的影響。利用清原站內(nèi)氣象站監(jiān)測的單次降雨起始時間和結束時間計算降雨歷時，同時，記錄降雨量。

采用高精度Trimble Juno 3b手持GPS全球定位儀設置標準樣地，調(diào)查內(nèi)容包括:林齡、立木密度、林冠開度以及樣地內(nèi)主要的喬木、灌木和草本植物種類。林齡采用生長錐法確定;利用數(shù)碼相機和魚眼鏡頭在距地面1.0 m處拍攝全天空照片，采用Gap light analyzer 2.0軟件對照片進行處理并計算林冠開度和葉面積指數(shù)［18］。樣地基本概況見表1。

表1 樣地調(diào)查Table 1 The survey of sampling sites

1.2.3 雨水和樹干莖流理化性質測定

2011年6—8月，在連續(xù)降雨超過10 mm時，測定收集到的林外雨和樹干莖流理化性質，雨后12 h內(nèi)利用W-23多參數(shù)水質監(jiān)測系統(tǒng)(HORIBA公司，日本)現(xiàn)場測定雨水和樹干莖流的pH值、電導率、濁度、氧化還原電位、總溶解固體含量、溶解氧、氯離子濃度等7項理化指標，剩余水樣冷凍保存，帶回實驗室，利用AA3流動分析儀(德國)對硝酸根離子、銨根離子及總磷濃度進行測定。儀器各指標測定范圍及精確度見表2。

表2 儀器功能參數(shù)Table 2 The function parameters of instrument

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件完成。每個林型每次樹干莖流的理化性質為3個重復樣地的平均值;按時間順序依次列出每次降雨各林型樹干莖流理化性質;根據(jù)各次降雨雨量計算雨水及樹干莖流各指標的加權平均值。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同林型樹干莖流理化性質的差異。利用Person相關分析確定林外雨與樹干莖流各理化指標之間以及林分特征與樹干莖流理化性質之間的相關關系。利用線性回歸分析建立了樹高和胸徑的乘積與樹干莖流硝酸根離子濃度的關系。

2 結果

2.1 降雨概況及林外雨的理化性質

試驗期間(6—8月)，共采集水樣8次，總降雨量463 mm(表3)。雨水的pH值變化范圍5.90—7.66，除7月31日外(5.90)，符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB 5749—2006(pH值6.15—8.15)。雨水濁度變化范圍為2—11 NTU，加權均值為5 NTU，超出GB 5749—2006飲用水標準(＜3 NTU)(表4)。8次降雨的溶解氧濃度均符合GB3838—2002(中華人民共和國國家標準)中Ⅰ類水質標準(≥7.15 mg/L)，總溶解固體含量變化范圍0.01—0.05 g/L，符合GB 5749—2006中飲用水標準(＜1 g/L)(表4)。雨水的氧化還原電位變化范圍為167—364 mV(表4)。雨水中氯離子濃度的加權均值為0.48 mg/L，遠低于GB 3838—2002集中式生活飲用水地表水源地限值(250 mg/L);硝酸根離子在雨水中的濃度變化范圍為0.24—0.44 mg/L，加權均值為0.35 mg/L，低于GB 3838—2002標準(10 mg/L);雨水中銨根離子濃度變化范圍為0.15—0.69 mg/L，加權均值為0.54 mg/L，根據(jù)GB 3838—2002標準，達到Ⅲ類地表水要求;總磷濃度變化范圍為0.05—0.43 mg/L，加權均值為0.14 mg/L，依照GB 3838—2002中地表水環(huán)境質量標準基本項目標準限值，屬于Ⅲ類地表水范圍(表4)。

表3 2011年清原站降雨量統(tǒng)計表Table 3 The amount of bulk precipitation at Qingyuan Experimental Station of Forest Ecology in 2011

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

2.3 遼東山區(qū)不同林型樹干莖流的理化性質

2.2.1 不同林型樹干莖流的物理性質

除6月23日、7月15日和8月28日，落葉松人工林樹干莖流電導率和總溶解固體含量均大于雜木林、花曲柳林和蒙古櫟林，7月15日紅松人工林樹干莖流電導率和總溶解固體含量為試驗期間最大值;8次降雨中，花曲柳林和紅松人工林樹干莖流濁度分別3次、2次大于其它4種林型(圖1)。

試驗結果表明，復方阿膠漿藥渣可以替代粗飼料飼喂驢；復方阿膠漿藥渣通過提高臟器指數(shù)、機體代謝酶、血液生化參數(shù)和抗氧化能力等改善機體機能。

經(jīng)單因素方差分析:紅松人工林、落葉松人工林和雜木林樹干莖流電導率及總溶解固體含量顯著高于蒙古櫟林(P＜0.05);紅松人工林樹干莖流濁度明顯高于雜木林和落葉松人工林(P＜0.05);不同林型樹干莖流氧化還原電位沒有顯著差異(P＞0.05)(表5)。

表5 不同林型樹干莖流電導率、總溶解固體含量、濁度和氧化還原電位比較Table 5 The conductivity，total dissolved solid，turbidity and oxidation-reduction values comparison of stemflow of five forest types(mean±SE)

2.2.2 不同林型樹干莖流化學性質

除8月10日、8月16日，落葉松人工林樹干莖流pH值低于其它4種林型，除6月26日、8月11日，紅松人工林樹干莖流pH值低于其它4種林型;除6月23日和8月28日，蒙古櫟林樹干莖流溶解氧濃度高于其它4種林型;落葉松人工林樹干莖流氯離子濃度除在7月15日略低于紅松人工林，其余時間均高于其它4種林型;8次降雨中，雜木林樹干莖流硝酸根離子濃度7次高于其它4種林型，落葉松人工林和紅松人工林樹干莖流硝酸根離子濃度6次低于其它3種林型;試驗期間，雜木林樹干莖流總磷濃度始終高于其余4種林型;8次降雨中，落葉松人工林和紅松人工林樹干莖流總磷濃度始終5次低于其余3種林型(圖2)。

圖1 不同林型樹干莖流的電導率、總溶解固體含量、濁度和氧化還原電位Fig.1 The conductivity，total dissolved solid，turbidity and oxidation-reduction values of stemflow of five forest types

經(jīng)單因素方差分析:紅松人工林和落葉松人工林樹干莖流pH值顯著低于雜木林、蒙古櫟林和花曲柳林(P＜0.05);蒙古櫟林和落葉松人工林樹干莖流溶解氧濃度明顯高于雜木林、紅松人工林和花曲柳林(P＜0.05);落葉松人工林樹干莖流氯離子濃度濃度顯著高于其它4種林型(P＜0.05);雜木林樹干莖流硝酸根離子和總磷濃度明顯高于其它4種林型(P＜0.05);落葉松人工林和紅松人工林總磷濃度顯著低于其它3種林型(P＜0.05);不同林型樹干莖流銨根離子濃度沒有顯著差異(P＞0.05)(表6)。

表6 不同林型樹干莖流pH值和溶解氧、氯離子、硝酸根離子、銨根離子及總磷濃度比較(平均值±標準誤)Table 6 The pH and concentration of dissolved oxygen，NO3，NHand total phosphorus comparison of stemflow of five forest types(mean±SE)

表6 不同林型樹干莖流pH值和溶解氧、氯離子、硝酸根離子、銨根離子及總磷濃度比較(平均值±標準誤)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)氯離子濃度Cl-/(mg/L)銨根離子濃度NH+4/(mg/L)硝酸根離子濃度NO-3/(mg/L)總磷濃度TP/(mg/L)雜木林 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*紅松人工林 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*蒙古櫟林 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*落葉松人工林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 林外雨與樹干莖流理化性質相關分析

相關分析表明，5種林型樹干莖流與林外雨的pH值、濁度、電導率、氯離子濃度均呈正相關，其中雜木林樹干莖流與林外雨pH值、濁度呈顯著正相關(P＜0.05)，除蒙古櫟林，其余4種林型樹干莖流與林外雨的電導率呈顯著正相關(P＜0.05);落葉松人工林，花曲柳林和雜木林樹干莖流與林外雨總溶解固體含量呈顯著正相關(P＜0.05);雜木林樹干莖流與林外雨總磷濃度呈顯著正相關(P＜0.05);花曲柳林、雜木林、紅松人工林和蒙古櫟林樹干莖流與林外雨銨根離子濃度呈正相關;除花曲柳林，其余4種林型樹干莖流與林外雨溶解氧濃度呈正相關、硝酸根離子濃度呈負相關(表7)。

圖2 不同林型樹干莖流的pH值和溶解氧、氯離子、銨根離子、硝酸根離子及總磷濃度Fig.2 The pH and concentration of dissolved oxygen，Cl－，NH，NOand total phosphorus of stemflow in five forest types

表7 林外雨與樹干莖流各理化性質指標的相關系數(shù)Table 7 Correlation coefficients of physicochemical parameters between bulk precipitation and stemflow of different forest types

2.4 林分特征和樹干莖流水質的相關分析

樹干莖流pH值與平均胸徑和林冠開度呈顯著正相關(P＜0.05);硝酸根離子濃度與平均樹高、平均胸徑和林冠開度呈顯著正相關(P＜0.05);總溶解固體含量與林分密度呈顯著正相關(P＜0.05);銨根離子濃度與胸徑和樹高的乘積呈顯著正相關(P＜0.05);總磷濃度與平均胸徑呈顯著正相關、與林分密度、葉面積指數(shù)和林冠開度呈顯著負相關(P＜0.05)(表8)?；貧w分析結果表明，樹干莖流硝酸根離子濃度與胸徑和樹高的乘積呈顯著線性正相關(P＜0.05)(圖3)。

表8 不同林分特征與樹干莖流各理化性質指標的相關系數(shù)Table 8 Correlation coefficients of stand characteristics and physicochemical parameters of stemflow

圖3 樹干莖流硝酸根離子濃度和胸徑與樹高乘積的關系Fig.3 Relationship between the concentration ofNOof stemflow and the product between diameter at breast height and tree height

3 討論

雨水在形成樹干莖流過程中，除與林冠層進行顆粒物、化學元素等的交換，又與樹干表面發(fā)生作用，水質通常發(fā)生變化［19-21］。本研究發(fā)現(xiàn)，同林外雨相比，5種林型樹干莖流溶解氧濃度明顯降低;濁度、電導率、總溶解固體含量和氯離子、銨根離子、硝酸根離子、總磷濃度明顯升高。與穿透雨相比［15］，各林型樹干莖流電導率、總溶解固體含量及濁度升高更為明顯，這可能是雨水對樹干表面微塵、養(yǎng)分元素等的淋洗、淋溶過程所致［4］。

樹干莖流理化性質與環(huán)境因素及降水特征密切相關［1］。6月23日和7月15日各林型樹干莖流平均總溶解固體含量、電導率、銨根離子和硝酸根離子濃度較高(表4)，兩次降雨前干沉降時間均較長(6月23日為試驗期間首次降雨)(表3)，降雨溶解和沖刷了大量空氣中積累的離子和化合物以及植物表面的沉積物，因此，樹干莖流可溶性物質濃度較高［1，12，22］。8月28日各林型樹干莖流平均電導率和總溶解固體含量最高(表4)，這可能與降雨期間的溫度、風速等環(huán)境狀況有關［23］。

與林外雨相比，5種林型樹干莖流均出現(xiàn)明顯酸化(圖2)，這與以往研究結果相似［1，24］。在大氣污染較輕的區(qū)域，樹木分泌的有機酸等物質是影響樹干莖流水質的主要因素［24］。結合2008年穿透雨水質監(jiān)測結果［15］，研究區(qū)域紅松人工林和落葉松人工林穿透雨與樹干莖流酸化程度均較其它林型嚴重，其原因可能是:與闊葉林相比，針葉林林冠分泌酸性物質較多，同時，其葉面積指數(shù)較大(表1)，枝葉接觸雨水的面積較大［25-27］。

已有研究表明，樹干表皮特征對樹干莖流可溶性物質含量有重要影響［5，24］。本研究進一步證實了上述結論:由于紅松和落葉松的樹干表皮比較粗糙，易于阻滯、吸附空氣中的塵埃，并有效延長雨水與樹干的接觸時間，其樹干莖流水體純度下降最為顯著［5，19］。

樹木枝葉表層積累物質的化學性質直接影響樹干莖流水質［1，5］。2008年穿透雨水質監(jiān)測結果表明，研究區(qū)內(nèi)落葉松人工林穿透雨氯離子濃度顯著高于其它林型，該林型樹干莖流水質表現(xiàn)出相同特征，即再次證明落葉松針葉對氯離子的吸收可能較少［15］。落葉松人工林和紅松人工林樹干莖流養(yǎng)分元素濃度明顯低于其它林型，而雜木林樹干莖流養(yǎng)分元素濃度明顯高于其它林型，這與該區(qū)不同林型穿透雨理化性質監(jiān)測結果相似［15］，其原因可能是:雜木林枝葉表層氮、磷等元素含量較高，導致雨水與之發(fā)生作用時，淋溶率較高，而落葉松人工林和紅松人工林則相反［5，14，28］。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著胸徑與樹高乘積值的增大，雨水與樹干接觸面積增加、時間延長，樹干表皮中在生長季易于被雨水淋溶的硝酸根離子大量溶入樹干莖流中［5］。

綜上所述，雨水進入遼東山區(qū)次生林生態(tài)系統(tǒng)形成樹干莖流后，水質明顯下降，與2008年穿透雨水質監(jiān)測結果相比［15］，其對雨水的電導率、總溶解固體含量和濁度的影響更為顯著。雜木林樹干莖流對林外雨化學性質的影響最為顯著;紅松人工林和落葉松人林樹干莖流對林外雨物理性質的影響最為明顯。大量研究表明，森林具有水化學貯濾凈化作用，能夠有效改善水體質量［29-31］。因此，將以本研究為基礎，通過分析研究區(qū)域內(nèi)森林凋落物、土壤等對水質的影響，對森林的水質改善機理進行深入探討。

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