譚思懿，劉 利，劉 輝，趙海蓉， 譚 波，吳福忠 *

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所/林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，成都 611130；2.四川省都江堰市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，四川 都江堰 611830）

養(yǎng)分元素通過(guò)大氣降雨進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)是物質(zhì)遷移的重要途徑，而林冠會(huì)對(duì)降水起到第一次分配作用[1]，進(jìn)而改變養(yǎng)分元素的遷移過(guò)程。K、Ca、Na和Mg作為植物必需的非氣態(tài)養(yǎng)分元素，不會(huì)在植物葉片呼吸作用和水分蒸發(fā)過(guò)程中損失，其輸入輸出形式相對(duì)較單一。而降雪作為高海拔和高緯度地區(qū)降水的主要形式，其攜帶養(yǎng)分元素輸入林地，對(duì)于大量補(bǔ)充早春植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分具有重要意義[2]。林冠對(duì)降雪的截留作用往往高于降水，一方面由于冠層截留的降雪升華作用非常明顯，會(huì)導(dǎo)致金屬元素濃度在降雪過(guò)程中出現(xiàn)濃縮現(xiàn)象；另一方面由于凍融作用，導(dǎo)致植物葉片的細(xì)胞膜的損傷，組織水的含量發(fā)生變化影響了細(xì)胞與離子間的交換能力，改變金屬元素的遷移過(guò)程[3-5]。但是，目前關(guān)于冬季降雪過(guò)程中金屬元素遷移的認(rèn)識(shí)相對(duì)不足，極大限制了對(duì)高寒森林生態(tài)系統(tǒng)金屬元素源、匯過(guò)程的理解。

四川西部的亞高山針葉林是青藏高原東部高寒林區(qū)的重要組成部分，在區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、水土保持、水源涵養(yǎng)和生物多樣性保育方面有不可替代的作用和地位[6]。云杉（Picea asperata）作為亞高山針葉林人工更新的主要樹(shù)種，在該地區(qū)已經(jīng)形成了大面積的人工純林[7]。然而，相對(duì)于天然原始針葉林，人工云杉林林下有機(jī)物和土壤養(yǎng)分庫(kù)均有退化趨勢(shì)。其原因是：一方面云杉人工林林地土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)植物的供應(yīng)較低，而低營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)被認(rèn)為是限制森林生產(chǎn)力的主要因素之一[8]。另一方面云杉人工林的地上部分養(yǎng)分貯量主要集中在針葉，但林內(nèi)針葉分解速度及養(yǎng)分釋放與天然林相比較遲緩[9]，使得亞高山云杉人工林養(yǎng)分循環(huán)效率較差，也充分體現(xiàn)出外源養(yǎng)分輸入（如降水）對(duì)人工林的養(yǎng)分循環(huán)和林木生長(zhǎng)的重要性。由于該地區(qū)的森林具有特殊的降水（雪、霧、霜）時(shí)間[6]，使得冠層對(duì)降雪中K、Ca、Na和Mg 4種金屬元素截留的影響并不明確，限制了對(duì)高緯度高海拔地區(qū)人工林金屬養(yǎng)分輸入的認(rèn)識(shí)。因此，以典型的亞高山粗枝云杉人工林為研究對(duì)象，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)降雪過(guò)程中幾種金屬元素的輸入特征及林冠對(duì)元素的截留效應(yīng)，以期更清晰地認(rèn)識(shí)亞高山人工林金屬養(yǎng)分元素遷移過(guò)程。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣畢棚溝四川農(nóng)業(yè)大學(xué)高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，地處青藏高原-四川盆地，即中亞熱帶季風(fēng)氣候向大陸性高原氣候過(guò)渡地區(qū)，四姑娘山北麓，區(qū)域總面積180 km2。受季風(fēng)的影響，區(qū)域內(nèi)干濕季節(jié)差異顯著，表現(xiàn)為干季日照強(qiáng)、降水少、氣候寒冷干燥；濕季日照少、降水多、氣候溫暖多霧。氣溫變化劇烈，晝夜溫差大。依據(jù)該區(qū)氣象統(tǒng)計(jì)，年平均氣溫2～4℃，最高溫23.7℃（7月），最低溫-18.1℃（1月）。年平均降水量隨海拔高度變化，約為801～850 mm，降水主要集中在雨季（5—8月），冬季降雪期為11月—次年4月[10]。主要喬木樹(shù)種為粗枝云杉（Picea asperata）：林齡約60 a，蓋度0.8，林下主要物種有三顆針（Berberis diaphana）、紅毛花楸（Sorbus rufopilosa）和青茅（Deyeuxia scabrescens）等[11]。

1.2 樣地設(shè)置

根據(jù)研究目的和內(nèi)容，在典型云杉林（102°53′E～102°57′E，31°14′N(xiāo)～31°19′N(xiāo)；海拔 3 000 m）內(nèi)選擇林分的位置、海拔、坡向、坡度、坡長(zhǎng)和微地形等條件相近的面積為400 m2（20 m×20 m）3個(gè)樣方，選取距離林外50 m無(wú)喬灌層的空曠地（20 m×20 m）作為對(duì)照（圖1）。各樣地特征見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2015年11月初雪期至2016年4月雪被完全融化，由于研究點(diǎn)地處高山峽谷地區(qū)，冬季環(huán)境條件惡劣導(dǎo)致交通不暢，每月底進(jìn)行降雪的觀測(cè)與采集。降雪收集裝置為直徑1 m、高1 m規(guī)格的圓錐形收集器，可以收集通過(guò)大氣的降雪和降雨，也可以收集穿透林冠的降雪、降雨以及融雪穿透水，樣地內(nèi)根據(jù)代表性和可操作性設(shè)置5個(gè)重復(fù)。每次采集雪（水）樣共20樣品：3個(gè)樣地中3×5=15個(gè)樣品，空地中5×1=5個(gè)樣品。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

圖1 采樣點(diǎn)位置示意圖Figure 1 Location of sampling site

表1 樣地植被特征Table 1 Characteristics of vegetation in the plot

取樣時(shí)，對(duì)大氣降雪和林內(nèi)積雪中的雪被深度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定并記錄。根據(jù)水樣采集標(biāo)準(zhǔn)（HJ 493—2009）及時(shí)收集不能立即進(jìn)行測(cè)定的項(xiàng)目，樣品保存于500 mL清潔的聚乙烯瓶?jī)?nèi)，送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析。取樣后，清除降雪收集裝置中多余的雪，并及時(shí)清理降雪收集裝置內(nèi)的枯枝落葉，以保證實(shí)驗(yàn)的精確度。

測(cè)量前，所有樣品需用濾紙進(jìn)行過(guò)濾，濾液用優(yōu)級(jí)純硝酸調(diào)制pH至1～2，保存于4℃條件下，采用原子吸收分光光度法（AA-7000，日本島津有限公司）及時(shí)測(cè)定 K、Ca、Na、Mg 的含量[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

林冠截留量及截留率的計(jì)算：

式中：Pg為林冠截留量；Pc為林外降雪；Pn為林內(nèi)積雪；Ic為林冠截留率。

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 20.0軟件完成統(tǒng)計(jì)分析，采用Excel軟件繪圖。利用回歸分析，擬合出大氣降雪量以及截留量之間的相關(guān)線(xiàn)性方程，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析各元素濃度及含量在大氣降雪和林內(nèi)積雪之間的差異，界定P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 粗枝云杉人工林降雪截留特征

2015年11月—2016年4月，月降雪變化如圖1所示。降雪總量為138.56 mm，月降雪中最小值為（15.74±0.27）mm、最大值為（34.95±1.62）mm（圖2）。林內(nèi)積雪量共93.91 mm，占總降雪的67.78%。月降雪截留量分別為（5.53±1.12）、（8.88±3.90）、（8.66±3.12）、（6.56±2.52）、（5.91±3.26）、（9.29±2.76）mm。平均截留量7.44 mm，截留總量為44.56 mm。粗枝云杉林的截留率在25.40%～37.94%范圍波動(dòng)，并且在降雪量最大時(shí)（34.94±1.62）mm，冠層有最低截留率為（25.40±11.61）%。

2.2 金屬元素變化特征

2.2.1 K、Ca、Na和 Mg濃度變化特征

大氣降雪中K元素的濃度在0.14～3.73 mg/L范圍波動(dòng)，平均濃度為（1.39±0.14）mg/L。大氣降雪中Ca元素的濃度波動(dòng)范圍在2.16～9.92 mg/L，平均濃度達(dá)到5.03 mg/L；Na在0.43～3.23 mg/L，平均濃度為1.40 mg/L；Mg在0.12～0.68 mg/L，平均濃度最在4種金屬元素中最小（0.34 mg/L）。大氣降雪中各元素的濃度大小依次是：Ca＞Na＞K＞Mg。Ca、K、Mg和Na在林內(nèi)積雪中的平均濃度分別為（7.15±0.98）、（2.60±0.48）、（1.00±0.04）和（2.34±0.20）mg/L，其中Mg的濃度增幅最大，是大氣降雪的2.96倍，Ca元素變幅最小，是大氣降雪的1.42倍。在降雪末期Mg、Ca元素濃度有顯著升高（圖3）。林內(nèi)積雪中各元素的濃度大小依次是：Ca＞K＞Na＞Mg。

圖2 亞高山粗枝云杉人工林降雪截留特征Figure 2 The characteristics of snowfall interception in subalpine forest

2.2.2 林冠對(duì)大氣降雪中金屬元素的截留

大氣降雪中K、Ca、Na和Mg元素輸入量分別為（圖 4）（1.93±0.35）、（6.79±0.79）、（1.94±0.32）和（0.45±0.14）kg/hm2。林內(nèi)積雪中 K、Ca、Na和 Mg輸入量分別為（2.31±0.36）、（6.42±0.47）、（2.05±0.34）和（0.88±0.14）kg/hm2。經(jīng)林冠層作用后4種金屬元素的截留量出現(xiàn)了不同程度的變化。Ca、K和Na的淋溶高峰期出現(xiàn)在2月，淋溶量分別為（-0.67±0.00）、（-0.35±0.00）和（-0.28±0.00）kg/hm2，之后截留率又逐漸增加，冠層對(duì)Ca、K和Na截留作用增強(qiáng)。Ca和Na元素分別在4月、3月達(dá)到了截留高峰，截留量分別為（1.09±0.00）、（0.09±0.00）kg/hm2。12 月后冠層主要對(duì)Mg表現(xiàn)出淋溶作用并在4月出現(xiàn)了淋溶高峰，淋溶量為（-0.17±0.00）kg/hm2。K、Ca、Na和Mg的總截留量分別為：（-0.38±0.01）、（-0.11±0.02）和（-0.43±0.01）kg/hm2；截留率分別為（-19.47±0.37）%、（5.49±1.21）%、（-5.74±0.36）%、（-95.46±0.50）%。降雪對(duì)冠層中K、Mg和Na元素總體表現(xiàn)為淋溶效應(yīng)，其中對(duì)Mg元素的淋溶作用最大，而冠層對(duì)Ca元素表現(xiàn)為截留作用。統(tǒng)計(jì)分析表明大氣降雪量與4種金屬元素的截留量均無(wú)相關(guān)性。

3 討論

樹(shù)種差異會(huì)顯著改變森林生態(tài)系統(tǒng)降水再分配模式，導(dǎo)致冠層的截留程度不同[13]。與闊葉紅松林（21.2%）、次生白樺林（8.5%）和樟子松林（21.39%）相比，粗枝云杉人工林的截留率較高，為32.22%，與原始云冷杉紅松林（39.7%）相比較低[14-15]。因林冠無(wú)法截留過(guò)量的降雪，當(dāng)總降雪量超過(guò)一定值時(shí)，森林植被對(duì)林內(nèi)積雪的影響隨之下降[16]。同時(shí)，在水資源管理中林冠截留量是一個(gè)重要的攔截過(guò)程，因此對(duì)降水量和林冠截留量的關(guān)系是認(rèn)識(shí)森林截留效應(yīng)的重要內(nèi)容[17]。為進(jìn)一步分析粗枝云杉人工林的林冠截留的特征，將降雪量和林冠截留量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明降雪量與截留量存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系，通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)了截留量與降雪量之間的最佳方程（表2）：I=0.732P0.748（R2=0.764，P＜0.05）。而Yi L.等[15]研究發(fā)現(xiàn)在樟子松林中降雪量與截留率之間有緊密的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系（R2=0.940），其主要原因是由于不同林分之間的差異導(dǎo)致冠層對(duì)降雪截留量的閾值不同。

圖3 大氣降雪與林內(nèi)積雪中元素濃度的變化Figure 3 Variations of elements concentrations in snowfall and snowpack

圖4 金屬元素元素的輸入量月變化Figure 4 Monthly variations of metallic element input

圖5 大氣降雪與林內(nèi)積雪中元素截留量與截留率的月變化Figure 5 Monthly variations of metallic element interception loss and interception loss rate

冠層的截留作用除了會(huì)顯著影響森林生態(tài)系統(tǒng)的水文平衡之外，降水對(duì)林冠淋溶作用有助于加速養(yǎng)分的再循環(huán)速率和促進(jìn)植物生長(zhǎng)[18]，不同季節(jié)的養(yǎng)分濃度變化與樹(shù)木生長(zhǎng)活動(dòng)有關(guān)系，樹(shù)木在冬季進(jìn)入生長(zhǎng)停滯時(shí)期，植物組織上的養(yǎng)分元素易溶脫[19]。本研究中降雪對(duì)粗枝云杉人工林冠層4種金屬元素的化學(xué)淋溶為增值效應(yīng)，尤其是在降雪末期，Ca和Mg的濃度有明顯的升高現(xiàn)象，該結(jié)果與李華等的研究一致[20]。Ca和Mg主要來(lái)源于陸地塵埃[21]，在降雪初期由于溫度較低地表被雪被覆蓋，且云杉林郁閉度較大，林內(nèi)溫度較低且風(fēng)速較小，積雪不易受風(fēng)的影響而揮發(fā)，空氣中含有的堿性陸源性離子較少，所以離子濃度較低。而降雪養(yǎng)分以及沉降在林內(nèi)積雪中的金屬元素可保留到春季[22]。在2—4月隨著氣溫回升積雪融化，部分地表裸露，使得空氣中堿性物質(zhì)增多，使得Ca和Mg兩種離子濃度升高。

在整個(gè)冬季降雪期間，葉片的濕潤(rùn)度隨著持續(xù)的降雪作用而增加，使葉片表皮的滲透性增加[23-24]，而降雨與冠層之間的交換作用會(huì)調(diào)節(jié)穿透雨中的離子含量[25]。在滲透性增加的情況下，離子更容易被淋洗出來(lái)，2月持續(xù)的降雪使冠層達(dá)到一定的濕潤(rùn)程度，4種金屬元素的淋溶量急劇增加，且K、Ca和Na元素出現(xiàn)淋溶高峰。并且通過(guò)冠層對(duì)降雪的截留作用改變降雪中金屬元素的輸入輸出，從而影響了生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程[26]。從對(duì)4種金屬元素總的截留量來(lái)看，降雪淋溶了冠層的K、Mg和Na元素，而冠層僅對(duì)Ca元素表現(xiàn)為吸收作用。首先升華作用是冰雪消融的主要形式之一，并且對(duì)于針葉樹(shù)種來(lái)說(shuō)，雪被在冠層的升華量是森林年平均降雪量的25%～50%，所以冬季的降雪升華作用顯得尤為明顯，加之冠層對(duì)大氣沉降物質(zhì)有較強(qiáng)的截留能力[27-28]，郁閉度較大的云杉林在承接了大量的大氣沉降物后，其中金屬沉降物并不隨著降雪的升華作用而損失。其次因樹(shù)冠具有選擇吸收作用與交換特點(diǎn)，所以Ca有可能通過(guò)植物的吸收作用，截留并在植物細(xì)胞中富集。同時(shí)葉片在凍融作用下會(huì)改變對(duì)水分和養(yǎng)分的有效利用程度，所以造成冠層對(duì)K、Mg、Na和Ca元素總體在截留作用上的差異[29]。

4 結(jié)論

綜上所述，亞高山粗枝云杉人工林林林冠對(duì)降雪中4種金屬元素均具有明顯的截留特征，但在不同的降雪期對(duì)不同元素的截留量表現(xiàn)出較大的差異。其中，林冠層對(duì)降雪中Ca元素的吸收作用較強(qiáng)，而由于降雪作用對(duì)冠層K、Mg和Na元素具有明顯的淋溶作用，其中對(duì)Mg元素的淋溶率最高（-95.46±0.50）%。降雪對(duì)冠層的K、Mg和Na元素的淋溶作用會(huì)改變了土壤中金屬元素的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，土壤對(duì)金屬元素的利用程度以及效率的影響從而進(jìn)一步影響林地的生產(chǎn)能力。這些結(jié)果表明冬季截留輸入對(duì)春季林木生長(zhǎng)及林地養(yǎng)分循環(huán)有重要的意義，為進(jìn)一步了解冬季川西亞高山粗枝云杉人工林大氣-森林-土壤系統(tǒng)金屬養(yǎng)分元素源、匯過(guò)程提供了理論依據(jù)。