森林植被对降水水化学的影响

生态环境2004,13(1):[e-mail]基金项目：国家科技攻关项目（2001BA606A-05-03）；中国科学院知识创新工程项目（KSCX1-07-01）作者简介：鲍文（1977–），男，硕士研究生，主要从事水土保持、森林水文学研究。E-mail:[e-mail]收稿日期：2003-07-10森林植被对降水水化学的影响鲍文1,2，包维楷2，丁德蓉1，何丙辉11：西南农业大学资源环境学院，重庆北碚400716；2：中国科学院成都生物研究所，四川成都610041摘要：综述了森林植被各个层次对降水水化学影响的主要研究成果，并指出了目前该方面研究存在的问题及今后需要努力的方向。大量集中在乔木层的研究表明，与林外雨比较，穿透雨、树干茎流中多数元素的浓度均呈增加的趋势，浓度大小的总趋势为树干茎流穿透雨林外降雨，K、Mg、Mn等表现突出，浓度可增加10倍以上；影响元素浓度变化因素包括降水特征、林分类型、大气状况等；具体到某一种元素，不同区域、不同林型间研究结果差异很大，很难得出一致的结论。对灌草层和枯落物层吸附淋溶作用研究较少，也就不能正确评价森林植被对降水水化学的综合效应。因此，在空间尺度上，要加强不同区域森林植被各个层次的研究；在时间尺度上，短时间的观测缺乏代表性，长期定位观测更具科学性。此外，目前的研究，尤其是国内的研究，只是对现象的揭示，缺乏过程及机理的深入研究，限制了我们对森林植被的内在运行机制和客观规律的正确认识。关键词：植被；大气降水；穿透水；茎流；水质；淋溶中图分类号：S718.5文献标识码：A文章编号：1672-2175（2004）01-0112-04降水通过森林植被系统，在降水量得到分配的过程中，其中的化学元素浓度发生了很大的变化[1,2]，这种变化构成了系统养分循环的重要部分[3]，降水便成了森林生态系统化学物质的主要来源之一，也是森林生态系统养分循环及养分平衡的基础。我国最早研究降水水化学性质的是鲁如坤和史陶均[4]。近年来，随着经济的迅速发展，酸沉降对森林生态系统的影响加速了植被的养分淋溶[5]，降水通过植被时的酸性增强也引起了人们的高度重视[6~8]。有关植被对降水水化学的研究已有较多报道，涉及不同地区的不同植被类型，例如，落叶松和油松林[9~11]、杉木林[12~16]、马尾松[13,17,18]、白桦[19]、栎树天然次生林[20]、湿地松[21]和桤木[22]等，结果表明植被对水化学的影响与降雨（降雨量、降雨强度、降雨历时等）、树种、林分状况（林冠的干净程度、郁闭度、树皮粗糙度等）、大气状况等有很大关系。但是目前的研究主要集中在乔木层，对穿透雨、树干茎流的研究较多，灌草层对降水水化学的影响及枯落物层对林内雨的过滤作用的研究较缺乏。本文将总结森林乔木层、灌草层和枯落物层对降水水化学的影响，探讨植被不同层次对降水水质的影响规律，提出研究中存在的问题，为将来的研究提供参考。1乔木层对降水的淋溶作用降水通过乔木层将以穿透雨和树干茎流两种形式落入林地，并且雨水的水化学将发生很大的变化，穿透雨和干流化学物质的输入保障了林分对养分的需求，淋溶出来的养分都是水溶性的，无需经过复杂的分解过程便可被植物直接吸收[23]。可见乔木层对降水化学性质的改变意义重大。1.1林冠层对降水水化学的影响森林冠层是大气降水携带各种物质进入森林生态系统后的第一个作用面，降雨经过林冠后，主要受下列几个过程的影响[3,15,24]：降雨对枝叶、枝条表面尘埃等物质的淋洗过程；降雨对枝叶中元素的淋溶过程；枝叶对降雨中的元素吸收、吸附过程。雨水通过乔木冠层时，所含各种元素浓度均发生变化，含量变化不一，但多数元素含量增加且总量呈增加的趋势[25]。与其他元素相比，净淋溶量普遍较高的元素有K、Na、Zn、Mg、Mn、N等[12~14,21,22,26~31]，其浓度可分别达到林外降水的1.32~11.4倍、1.11~2.02倍、3.81倍、1.11~11.06倍、3.47~8.65倍、1.01~1.47倍，而林冠对Cu、P等多表现为不同程度的吸收吸附作用[20,21]，在辽东栎、人工油松林和华北落叶松林中，穿透雨与林外雨相比，P的浓度分别降低了27.1%、22.5%和52.7%[32]；刘世海在板栗林发现，穿透雨Cu的质量浓度为0.0124mg/L，仅林外雨（0.0562mg/L）的22.1%[33]。影响林冠淋溶因子多而复杂，其中包括降雨（雨强，降雨量、林外降雨酸度、降雨历时、降雨间隔期等）、林分(林种、郁闭度、枝叶量、林木自身生理活动等)、大气污染、人为活动等[34~38]。不同地区森林植被的净元素淋溶量也各不相同。密云水库地区的人工油松林冠对Na、Zn则表现为显著的负淋溶现象[9]，而田大伦等研究发现杉木林林冠对Zn有着吸收作用[12,39]。许利群、李飞、樊后保等人发现林冠对N也有着明显的吸附作用[15,29,40]。至于Ca元素，研究结果差异较大，降雨通过湿地松、桤柏混交林林冠对Ca元素淋溶量显著[12,21,22,40]，而在山地次生雨林、落叶松、刺槐林等出现了明显的负淋溶[10,41,42]。Mahendrappa[43]对3种阔叶林和6种针叶林13a的观测研究得出林分冠层能吸收降雨中的SO42-和NO3-。另外，林冠对降水水化学的影响存在季节性差异，并且季节波动因不同元素而异[3,32,44~46]，这可能是因为雨季降水较多，淋溶出来的元素也相应递增，而且每年的9月份后，树叶开始老化，生命过程停止，枝叶的鲍文等：森林植被对降水水化学的影响113淋溶作用加强。森林林冠层对降水水化学的影响，pH值的变化越来越受到人们的重视。一般降水经过林冠后，pH值减小，酸性增强，林外降水的pH一般在中性或微酸性，而穿透雨的在2.66~6.32之间[21,34,47,48]。在酸雨典型的重庆地区，穿透水的pH值比大气酸雨的pH值更低，且树干茎流的pH值比穿透雨的还低[48~51]。但是，不同地区不同的树种间差异显著，黄忠良等在鼎湖山的研究发现降水经过林冠后，其酸性减弱[52]，与Veneklaas[30]的研究结果一致。林冠对降水化学元素的研究已经很多。总的来说，降水通过林冠层，元素输入量是增加的，即降水经冠层的化学淋溶为增值效应。但具体到某一种元素浓度变化的时候，由于缺少长期的定位观测，研究结果的差异性较大，还不能得出普遍性的规律。不同的元素在同一林分中的离释程度是不同的，同时在穿透雨中，改变后的浓度大小顺序在不同林分中不相同，这也反映出不同组成树种的林分的不同冠层交换特性。目前的研究只是陈述了降水通过林冠，其化学元素发生变化的事实，而没有深入研究这些养分、矿质元素的增减引起的原因，是雨水对未降雨期间林冠上沉积物的冲洗，还是雨水对枝叶组织渗出物的淋溶。国外更注重对冠层淋溶机制的研究[38,53]，在国内这样的研究实在太少。此外，降水是森林生态系统养分输入的一个重要途径，却很少人研究植被对林内雨水养分、矿质元素输入的依赖程度如何，进入林地的有多少真正被植被吸收利用。因此，有必要加强降水经林冠层后元素发生变化的内部机理研究。1.2树干茎流水的水质变化树干茎流在森林对降水的分配各个分量中只是一个微小的部分，是沿着树干以树干茎流的形式降落的，这部分降水除了与林冠层进行了化学元素的交换外，又与树干表面进行了化学元素交换，使得流入林地表面的水化学性质又一次发生了变化，在国内外的定量研究中常常被忽视[14,30,54~56]，但这部分在生态系统中的作用却是不容低估的[18,49]。树干茎流不仅是引起局部地段产生蓄满径流的源，更重要的是它对森林生态系统养分、矿质元素的输入影响很大[10,12,57]。树干茎流是大气降水通过两次交换，其中部分元素含量显著增加，而也有少数元素的含量则有所降低[58,59]，其含量的增减因植被类型、树种及元素种类的不同而异。彭培好等[22]在绵阳官司河流域的研究表明，桤木树干茎流中K、Mg、P等的浓度分别为柏木的3.2倍、1.8倍、1.2倍，而柏木树干茎流中Ca的浓度高于桤木，是桤木的1.7倍。同一树种在不同区域的树干茎流水的水化学间差异显著，黄承标等[60]对杉木林的研究结果是，与林外雨比较，不同地点茎流水元素浓度有不同程度的增加，P、K、Mg、Mn分别是林外的2.4~13.2倍、5.4~14.9倍、3.6~10.5倍、4.2~13.6倍。刘建军等[61]的研究表明，油松茎流的pH值由林外雨的6.51降为4.97，而锐齿栎茎流pH值为6.60，较林外雨的高，说明不同林型树干茎流的pH值差异显著。表1总结了不同地区的大气降雨和树干茎流中各元素质量浓度的平均值[9~13,19,21,22,41,42,47,52,62~66]。可以看出，树干茎流各元素的平均质量浓度与大气降雨相比，均有不同的增加，增加的倍数在0.27~6.78之间；次序为：MnKPMgNNaCaFeCuZn；其中，Mn、K、P的增幅较大，Zn、Cu相对较小，与我国一些地区的研究结果基本相符[17,67]。这说明不同元素在同一森林植被类型的树干茎流淋溶效应不同，同一元素在不同森林植被类型茎流淋溶存在差异。值得一提的是，Ca、Zn、Mg等元素树干茎流的质量浓度多次出现低于大气降水的质量浓度，Ca在落叶松、白桦中表现显著[19,42]；Zn分别在白桦、水曲柳、蒙古栎、杉木林中出现明显的负淋溶[12,19,47]。而杉木林和湿地松林对于P元素表现为吸收或吸附[68]，与我们统计的结论相反。研究[52,60,69]表明，大气降水经过林木水分循环过程中的养分浓度变化趋势基本上是树干茎流穿透雨林外雨；穿透雨和树干茎流中各化学元素含量变化趋势基本一致，不同树种对不同元素表现出不同的选择性吸收效应。2灌草层对降水水质的影响林下灌草不仅能够截留一定量的雨水，分散、减弱林内的降雨动能，而且对降水的水化学性质也有一定的影响。由于林下灌草体积小，无明确的冠形，导致可信赖的测定相当困难，同时与林冠相比，各方面的重要性也都较低[70]。目前关于灌草层对降水水质的影响研究实例很少，从现有的灌草层对降水水质影响研究来看，N、Ca、K在灌冠穿透水中的质量浓度高于林冠穿透水，而P、Mg的质量浓度有所降低，但变幅都很小[22]。对灌草层更多的研究集中在其生物量或元素累积量等方面[40,71]。而灌草层是森林植被中的层次和组分之一，要全面了解不同层次的水文效应，降水通过灌草层的研究也不容忽视。3枯落物层对林内雨的过滤作用林地枯枝落叶层是大气降水进入森林生态系统后的第三个作用面，与冠层类似，对随水分携带穿过其间的各种物质进行着两种相反的过程，即过滤吸附和淋溶。但目前对枯落物层的研究主要集中在涵养水源[72,73]、改善土壤理化性质[74]以及其本身分解养分归还土壤[75~78]等方面，缺乏枯落表1大气降雨和树干茎流的元素质量浓度平均值及其对比项目NPKNaCaMgFeZnCuMnpHw/(mg·L-1)大气降水2.1770.1131.5511.6302.3720.5910.1230.6390.0250.0256.20树干茎流6.6290.4779.6394.8627.0482.1130.3240.8160.0350.2015.25增加倍数2.043.225.211.981.972.581.630.280.407.04－样本数/n2228321134331117151612114生态环境第13卷第1期（2004年2月）物层对林内雨的吸附过滤作用研究。周湘莉等[16]的研究发现，杉木林枯落物几乎全部截留林冠淋溶的Zn和Cd；在锐齿栎林中，穿透雨水经过其林下枯落物层时，Zn、Cu、Cd的质量浓度和携带量均小于穿透雨中，尽管Pb的质量浓度有所提高，但携带量却还是减少[20]。在杉木林生态系统也发现，地