连栽第1代和第2代杉木近熟林水文过程养分动态比较

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2024年3月19日发(作者：)

连栽第1代和第2代杉木近熟林水文过程养分动态比较

何介南;康文星;王东;姚利辉

【摘 要】利用小集水区径流场技术和定位研究方法,在获得连栽两代杉木近熟林的

大气降水、穿透林冠水、地表、地下径流量等水文学数据,并测定其养分含量的基

础上,研究了连栽两代杉木近熟林水文过程的营养动态特征.结果表明:降水中养分浓

度第2代林比第1代林高20.30％-39.64％,养分的输入量比第1代多38.52％;穿

透水中养分浓度,第1代和第2代林分别比大气降水中高4.149-4.895 g/kg和

4.271-5.605g/kg,雨水对冠层营养物质的淋溶,第2代比第1代高2.94％-21.37％;

地表径流中的养分浓度两代林差异不大,地下径流中的养分浓度第2代林比第1代

高48.06％-78.87％,径流输出的养分量第2代林是第1代林的1.58-2.61倍;养分

地球化学循环中,第1代林养分地球化学循环速率26.75％-29.95％,第2代林

37.24％-47.43％,养分地球化学循环的周期第1代林3.3-3.7a,第2代林2.1-2.7a,

养分地球化学循环中第2代林的养分流失率是第1代林的1.30-1.72倍,养分的净

积累率只有第1代林的73.57％-87.14％.系统持留与利用由外界输入的养分功能

上,第2代林低于第1代林.

【期刊名称】《生态学报》

【年(卷),期】2015(035)008

【总页数】11页(P2581-2591)

【关键词】杉木人工林;连栽;水文过程;营养动态;地球化学循环

【作 者】何介南;康文星;王东;姚利辉

【作者单位】中南林业科技大学,长沙410004;中南林业科技大学,长沙410004;南

方林业生态应用技术国家工程实验室,长沙410004;国家野外科学观测研究站,会同

418307;中南林业科技大学,长沙410004;中南林业科技大学,长沙410004

【正文语种】中 文

早在1876 年, Ebermayer分析了森林养分循环中凋落物的重要作用[1]。但是直

到1930年，森林生态系统养分循环的研究才逐渐被人们重视。Bazilevich 和

Bobin通过枯落物及其养分转化分析建立了植被类型中养分循环的分类理论[2],把

植物养分学研究扩展到生物地球化学领域。地球化学循环和生物地球化学循环是两

个不同的概念，确定它们之间的定量关系的是Cole[3]。从此，森林生态系统养分

循环的研究从生态系统内部的生物循环和生物地球化学循环扩展到不同生态系统之

间的地球化学循环[4-8]。

国内多集中在森林生态系统中养分积累、分配和循环的研究[9-13]，在养分地球化

学循环方面，大多对降雨过程中森林生态系统的养分输入、降雨对植物的淋溶和淋

洗[14-16],以及土壤水分渗透、渗漏、水土流失对森林养分输出的影响进行研究

[17-18]。我国最早较为系统地研究森林养分地球化学循环是潘维俦，他利用小集

水区径流场测定技术，研究了杉木林水文过程养分地球化学循环[19]。随后，海南

岛热带山地雨林主要养分的地球化学循环[20]，云南哀牢山大气降雨过程中养分输

入及输出变化[21]，第2代杉木林水文过程的养分动态[22-23]，西藏南伊沟原始

林芝云杉林水文过程的水化学特征[24]等成果先后出现。相对于养分生物地球化学

循环而言，养分的地球化学循环研究成果较少。

本研究以湖南会同“国家野外科学观测研究站”的连栽第1 和第2 代杉木林为研

究对象，利用定位连续测定数据，研究连栽两代杉木林近熟林(17—21 年生)水文

过程的养分动态特征。揭示连栽两代杉木林在养分地球化学循环中功能差异，同时

为杉木人工林连栽生产力下降问题的研究提供思路和依据。

本研究在“湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站”第3 小集水试验

区进行。第3 小集水试验区面积1.9 483 hm2,主流场230 m,平均宽度

25.6 m, 流域形状系数0.37,平均坡度25°,坡向 N,海拔高度280—355 m。研究地

区属于中亚热带季风湿润气候区。年均气温16.8 ℃，年均相对湿度80%以上，年

降雨量1 000—1 500 mm。母岩为震旦纪板溪系变质的板(页)岩，风化程度甚深。

土层厚度80 cm 以上，土壤为中有机质厚层黄壤。

第3小集水试验区原为残存的阔叶次生林。1966 年炼山、全垦挖穴营造杉木人工

林[25]，21 年生后(1987 年冬)，杉木全部皆伐(采伐时林分密度2 286 株/hm2,林

分平均高14.5 m，平均胸径14.7 cm，林冠层厚度9.5 m，林分郁闭度0.90)。

1988 年春，在采伐迹地，营造第2 代杉木林(造林密度2 400 株/hm2)。到

2009 年，林龄为21a，林分密度2 310株/hm2，林分平均高13.8 m，平均胸径

14.1 cm，林冠层厚度9.0 m，郁闭度约为0.88[26]。两代杉木林栽植后都是前

3 年春秋两季各抚育一次，以后没有进行追肥、间伐抚育与管理。

离研究林地西北方向不足500 m(其间是农田)，有一条平行于研究林地由湖南(会

同县)进入贵州(天柱县)的公路。1983—1987 年(第1代林17—21年生)，该公路

为泥沙路面， 2005—2009 年(第2代林17—21年生)，该公路已扩宽成水泥路

面，成为由湖南进入贵州天柱县的主要干道。

2.1 水文过程测定方法

1982年(第1 代林16 年生)在林场实验林内修建了8 个杉木林小集水区径流场(小

集水区径流场,即在集水区的天然分水界线上修筑水墙,准确控制汇水面积,在集水区

口最低处，从不透水的基岩层上建筑截水墙封闭起来，分别修建地表、地下水测流

堰口)[27]，连续定位测定杉木林的水文过程。

降雨量：用安装在两座观测铁塔(高于林冠)上的SL-1 型遥测雨量计和标准雨量筒

测定。

穿透雨量：在小集水区山坡的上、中、下部各安装1 个18—20 m2的穿透雨承接

装置，穿过林冠层落入承接装置内的穿透雨量流入SW-40 型日记水位计测定(穿

透雨量的测流堰箱安装有水流岀囗为6°三角形测流堰板，用SW-40 型日记水位计

测定穿透雨量流岀6°三角形堰板的水位高度。通过实验，建立6°三角形测流堰板

的水位高度与流量的关系方程，将方程展开制成数表，便可根据水位计纪录的水位

高度，由表查岀流量值[27])。在树干1.5 m高处到基部用聚乙烯塑料管蛇形缠绕

把树干流引入一个特制的瓷罐中测定树干流，另把10 株杉木树干流导管梱扎在一

起插入SL-1 型遥测雨量计中，实现树干流量自动记录。

地表、地下径流量：用分别安装在地表、地下径流测流堰口的SW-40 型日记水位

计测定(地表、地下径流测流堰口分别安装流水岀囗为60°和20°三角形测流堰板，

用SW-40 型日记水位计分别测定地表径流流岀60°和地下径流流岀20°三角形测

流堰板的水位高度，然后根据纪录的水位高度，分别从已编制好的20°和60°角度

三角形测流堰板的水位高度与流量关系的数表中，查岀某1水位高度的流量值(20°

和60°三角形测流堰板水位高度与流量关系都有编制好的数表，一般水文站都有这

样的数表))[27]。

2.2 营养元素测定

雨水中的养分不仅与降水性质有关，而且还受降水时天气状况(久晴或久雨、雷电、

风向、风速等)以及大气环境受污染的程度等诸多因素的影响。为了使降水中的各

种养分浓度的测定值更加逼近实际，对其样本的取样，采取了3 条措施[19]：(1)

必须分别采集不同季节、不同天气状况下的样本(包括冠上降雨、穿透雨、树干流、

地表径流、地下径流，下同)；(2)根据一次性降水的雨量和雨强分别采集样本，尤

其注重一次性降水雨量大的雨水样本收集；(3)采用大样本法，降水次数多的月份

取样次数不少于5次(每年取样的降水次数占全年降水次数的比例，第1 代林为

31.54%—47.06%，第2 代林35.33%—47.37%(表1))，取样样品代表的降雨量，

都应在70%以上(凡是一次性降雨量大于10mm的降雨都一定要取样)。所取水样

装入小塑料瓶内，滴2—3 甲醛溶液(杀菌)后，即送入实验室进行分析。

营养元素测定：蒸馏比色法测定水样中的NH4-N、NO3-N和有机N，P用磷钼

兰比色法，K、Ca、Mg用原子吸收分光光度计测定。计算岀样品降雨量、穿透雨

量、树干流量、地表径流量、地下径流量的养分浓度，再根据每年在各次取样的降

雨量、穿透雨量、树干流量、地表径流量、地下径流量分别相应占全年的各自的比

例，用加权平均法计算其各自的年平均养分浓度(表2和表3，表2中穿透雨养分

浓度是把树干流、穿透雨量养分浓度分别按它们所占权重统计计算成的(由于杉木

树皮特性，沿树干流入林地的雨水量非常少，为了表格制作方便把它们归纳在一

起))。

2.3 养分地球化学循环功能估算

每年从外界输入系统的养分量，由每年水文过程测定的大气降雨量乘上雨量中的养

分浓度求得。每年从系统内输出系统外的养分量，利用系统每年的径流量(地表和

地下)与其中的养分浓度相乘得到。系统每年净积累养分量，用每年从系统外输入

养分量减去每年输出系统外的养分量求算。养分循环速率则是每年输出系统外的养

分量与每年从系统外输入养分量的比值。

3.1 降水中营养输入

从表2 中看出，相同林龄时大气降雨中，第1 代林降雨中N、K、Mg元素浓度均

低于第2 代，P的浓度均高于第2 代，Ca的浓度只有1a低于第2代，其余高于

第2 代。两代林同一林龄的降雨中各养分元素浓度，除个别年份的P或Mg差异

不显著(P≥0.05)外，其余都存在差异显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)(表2)。第

2 代林降雨中养分浓度比第1 代高20.30%—39.64%。两代林大气降水中的养分

浓度差异，可能与两代林大气降水时天气状况有关。此外，离研究林地西北方向平

行于研究林地的公路，第2 代林17—21年生的车流量己是第1 代的几十倍，汽

车排放的尾气，以及行驶中扬起的灰尘比第1 代时多，大气环境受污染的程度严

重些。这可能是第2 代大气降水中的养分浓度高于第1 代林的主要原因。

每年伴随降雨进入第1 和第 2代林的养分，第2 代 比第 1代多6.92—

18.63 kg hm-2 a-1。其中，N 和K 的输入量第2 代分别比第1 代多2.64—

5.61 kg hm-2 a-1，5.58—8.83 kg hm-2 a-1；P 的输入量两代林相差不大；Ca

的输入量除第2 代17 年生多于第1 代17 年生，其余年份比第1 代少；Mg的输

入量仅只有20 年生第1 代高于20 年生第2 代，其余都比第2 代低。第2 代林降

水中输入养分量比第1 代多，不仅与降水量大小有关(第2 代林年平均降水量比第

1 代多11.58%)，而且也与雨水的养分浓度有关(第2 代林降水中的平均养分浓度

比第1 代多0.767 g/kg)。

3.2 雨水对林冠层的淋溶作用

从表2 中看出，两代林同一林龄穿透雨中各养分元素浓度大小, N、P、Ca的浓度

第1 代低于第2 代林；K的浓度第1 代林只有1年比第2 代低，其余比第 2代

高， Mg的浓度与K的浓度完全相反。两代林同一林龄穿透雨中K 元素浓度，大

部分差异不显著(P≥0.05)，其余N、P、Ca和Mg都存在差异显著(P<0.05)或极

显著(P<0.01)(表2)。透雨中总的养分浓度第1 代林6.911—8.025 g/kg，第2代

林8.123—9.373 g/kg，分别比大气降水中高4.149—4.895 g/kg和4.271—

5.605 g/kg。穿透雨中营养化学发生了富集，养分浓度增加，这是穿透雨对冠层

枝叶的淋溶作用引起的。

第2代林平均淋溶养分浓度比第1 代多1.389g kg-1 a-1。有可能停留在两代林

冠层枝叶表面来自聚结在细胞壁和角质层内某些营养物质[9]，或蒸腾作用所带出

积累在叶面的的元素量[19]有差异；也有可能是，在无雨天由于离林地不远处公路

上车辆行驶中扬起的灰尘沉淀在林冠层中的尘埃物质第2 代比第1 代林多。

每年降水过程中穿过林冠层到达林内的雨水携带的养分量，第1 代林是54.95—

61.18 kg hm-2 a-1，其中有29.71—34.48 kg hm-2 a-1是降雨中含的养分，有

25.24.—31.19 kg hm-2 a-1是雨水对冠层的淋溶作用增加的；第2 代林

76.43—91.48 kg hm-2 a-1，其中，含有大气降水携带的养分量39.59—

51.06 kg hm-2 a-1，由淋溶作用增加35.27—51.06 kg hm-2 a-1。雨水对冠层

淋溶增加的养分，第2 代比第1 代林多4.08—25.65 kg hm-2 a-1。

3.3 径流中的养分输出

从表3看出，第1 代林地表径流中的养分浓度9.698—10.870 g/kg，平均

10.255 g/kg；2 代林9.962—11.779 g/kg，平均11.708 g/kg，第 2代稍高于

第1 代林。就平均值而言，第1 代地表径流中N、P、K、Mg浓度稍高于第2 代

林，由此可见，第2 代林表径流中的养分浓度高于第1代，主要是第2 代林地表

径流中Ca的浓度高于第1代引起的(表3)。两代林相同林龄的地表径流中同一元

素的差异分析见表3。

无论是第1 代还是第2 代林，地表径流中的养分浓度不仅比大气降水中多，而且

也比穿透雨中高。因为地表径流是穿透雨水通过林地凋落物层接触土壤表面后，因

土壤渗透性能的关系形成的。地表径流中不仅包含了穿透雨中的养分，而且也含有

从凋落物层淋溶岀的养分。

与两代林穿透雨中养分浓度差异相比，其地表径流中的养分浓度差要少些(表3)。

因为两代林近熟林阶段林地凋落物量不一样，第1 代林地凋落物量4.39—

4.84 t/hm2[28]，第2 代3.71—4.13t/hm2[29]。当穿透水通过林地凋落物层形

成地表径流时，凋落物层淋溶岀的养分量，第1 代可能比第 2代林多，这就缩少

了原穿透水的养分浓度第2 代比第1 代高的差距。因此，也就缩减了两代林地表

径流中的养分浓度差异。

从表3看岀，两代林地下径流中的养分浓度相同点是：N的浓度比大气降水中低，

Mg的浓度比大气降水中高3—4倍。不同点是：第1代林P的浓度比大气降水中

高, Ca的浓度与大气降水中相差不大，K的浓度比大气降水中低；第2代林则是，

K、Ca的浓度高于大气降水，P的浓度与大气降水中相差不大。

第2 代林地下径流中的平均养分浓度6.144 g/kg，是第1 代林平均3.918 g/kg

的1.57倍。但是相同林龄的第1 代地下径流中N、P、Mg浓度比第2 代林高，K、

Ca浓度比第 2代林低(差异分析见表3)，可見，第2 代林地下径流中的平均养分

浓度比第1 代高，主要是第2 代林地下径流中K、Ca比第1 代高许多的缘故。第

1 和第2 代林地下径流中养分浓度差异产生的原因，可能是第1代林采伐时林木

的随意倒下，搬运木材的拖拽挤压土壤表层，破坏了表层土壤的物理性能。其0—

20cm土层土壤非毛管孔隙度、总孔隙度、土壤容重都发生了不同程度的变化[30]。

土壤物理性能的转变是一个较为緩慢的过程[31-32]，第2 代林21年生土壤物理

性能有可能还没有完全恢复到造林前的水平，这或多或少地影响养分在其表面的持

留和粘附，进而影响地下径流中的养分浓度。此外，连栽第2 代林进入渐熟期的

土壤中转化酶、磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶等土壤酶的活性均显著低于笫1

代 [33]。土壤酶的活性与土壤营养物质的转化有重要的作用，两代林土壤酶活性

的差异，很有可能是产生地下径流中的养分浓度差异的重要原因。

通过径流输出的养分量，第1 代林为7.95—9.85 kg hm-2 a-1，其中，地下径流

养分输出占87.30%—88.77%，地表径流输出占11.23%—12.70%；第2 代林是

15.33—24.26kg hm-2 a-1，有86.48%—93.37%是地下径流贡献的，地表径流

仅占6.63%—13.52%。就平均而言，第2 代径流输出的养分量18.92 kg hm-

2 a-1，是第1 代8.87 kg hm-2 a-1的2.23倍，其中，第2 代地表径流比第

1 代多输出0.82 kg hm-2 a-1，地下表径流多输出9.23 kg hm-2 a-1。

3.4 养分地球化学循环

伴随大气降水进入第1 代林的养分29.71—34.48 kg hm-2 a-1，通过径流输出系

统的养分量为7.95—9.85 kg hm-2 a-1,输入减去输出,每年净积累的养分量

21.66—25.23 kg hm-2 a-1。由大气降水进入第2 代林的养分是39.59—

51.06 kg hm-2 a-1，通过径流输出系统的养分量为15.33—24.26 kg hm-2 a-1,

输入与输出相抵，第2 代林每年净积累养分量22.05—26.84 kg hm-2 a-1。两代

林相比，林分净积累养分量第2 代稍多于第1 代林。这是第2 代林降水量及雨水

的养分含量比第1 代林多的缘故。

从另一个角度即从径流中的养分输出及净积累养分量占降水中输入的比例，来分析

第1 和第2 代林的养分地球化学循环功能。第1 代林每年输出的养分占输入养分

的比例为26.75%—28.56%，净积累养分量占输入量的71.44%—73.25%，也就

是说，每年从系统外输入到第1 代林内的养分中约有3/4 被系统持留利用，只有

1/4 流失到系统外。第2 代林每年输出到系统外的养分占输入量的37.24%—

47.43%，系统净积累的养分只有输入52.57%—62.76%。相互对比可知，第2 代

林的养分流失率是第1 代林的1.30—1.72倍，养分的积累率只有第1 代林的

73.57%—87.14%。

第1 代林地球化学循环中N、P、K、Ca、Mg循环速率分别为16.35%—20.27%，

70.37%—90.91%，17.75%—18.97%，19.21%—25.96%，89.02%—95.56%，

平均26.75%—29.95%；第2 代 相应为10.34.%—19.48%，45.45%—89.47%，

26.16%—36.85%，52.16%—67.95%，85.11%—95.23%，平均37.24%—

47.43%。

第1 代林N、P、K、Ca、Mg地球化学循环周期分别是4.9—6.1a，1.1—1.4a，

5.3—5.6a，3.9—5.2a，1.1a，平均3.3—3.7a；2 代林是5.1—9.7a，1.1—2.0a，

2.7—3.9a，1.5—1.9a，2.1—2.7a，平均2.1—2.7a。

以上分析看岀，第2 代林养分循环速率比第 1代快，第1 代林养分循环周期比第

2 代长。养分地球化学循环的速率越快，意味着从外界输入到杉木林系统内的养分，

有些还来不及被林木吸收利用就有可能输出系统外了。外界输入到系统的养分在系

统内滞留的时间愈长，林木对它的吸收与利用的机会也愈多。从两代林的养分地球

化学循环的速率和循环周期分析，在系统持留与利用外界输入的养分功能上，第

2 代不如第1代林。第2 代林这种养分地球化学循环功能对林木生长和土壤肥力

水平的维持都是不利的。

会同第1和第2 代杉木林大气降雨中养分浓度均高于云南哀牢山山地常绿阔叶林

(2.271 g/kg)[18]和西藏南伊沟原始林芝云杉林(1.208 g/kg)[24]；第1 代杉木林

大气降雨中养分浓度低于海南岛尖峰岭山地雨林(3.620 g/kg)[20]和江西省大岗山

杉木林(3.558 g/kg)[14]，第2 代则高于它们。大气降水中的养分浓度差异，可能

与当地大气降水时天气状况有关外，还与大气环境受污染的程度有关联，云南哀牢

山和西藏南伊沟地处我国边陲，其大气污染程度比内地轻微些，因此其大气降雨中

养分浓度比大气环境受污染的程度较重的内地低。

穿透水中养分浓度，会同第1 代杉木林(7.482 g/kg)稍低于江西省大岗山第1 代

杉木林(7.651 g/kg)[14]，会同第2 代杉木林(8.871g/kg)与海南岛尖峰岭山地雨

林(8.640 g/kg)[20]差异不大；两代林其浓度均高于云南哀牢山山地常绿阔叶林

(5.580g/kg)[18]和西藏南伊沟原始林芝云杉林(6.799g/kg)[24]。穿透水中养分浓

度是大气降雨经林冠、灌冠截留和淋溶综合作用后的结果，其养分的浓度, 除了与

降雨中养分多少有关外, 还与林分冠层密集度，沉淀在林冠层中的尘埃物质，以及

林木地上营养器官所含各种养分物质量及其可溶程度有关联。

林冠层被雨水淋溶出来的养分，有些研究者把它作为生物地球化学循环中的养分归

还量[21-22]，这点值得商讨。被雨水淋溶出来的物质可能是枝叶表面被淋溶代换

出来的元素，或者是林木蒸腾作用所带出积累在叶面的的元素[19]；也有可能是来

自聚结在细胞壁和角质层内某些营养物质，降雨时它们被氢离子交换出来[9]。当

然以上面几种方式淋溶的养分应视为生物地球化学循环中的养分归还量。但是，被

淋溶出来的物质还包括两次降雨相隔的无雨天，沉淀在冠层中的大气尘埃物质被淋

洗出来的元素(在城郊或车流量大的公路旁的森林，这种情况更普遍)。这些养分应

该是地球化学循环中的输入养分。

会同第1 代杉木林地表水中养分浓度(10.255 g/kg)与江西省大岗山第1 代杉木林

(10.015 g/kg)[14] 接近，因为林分相同、结构特征相近，成土母岩也相同(变质的

板(页)岩)[14]，但会同第2 代杉木林(11.708 g/kg)高于江西省大岗山的。无论是

第1 代还是第2 代林都高于云南哀牢山山地常绿阔叶林(7.766 g/kg)[18]、西藏南

伊沟原始林芝云杉林(6.581 g/kg)[24]和海南岛尖峰岭山地雨林(8.020 g/kg)[20]。

会同第1 代杉木林地下水中养分浓度(6.144 g/kg)与西藏南伊沟原始林芝云杉林

(6.910 g/kg)相近，高于云南哀牢山山地常绿阔叶林(3.972g/kg)和海南岛尖峰岭

山地雨林(5.110 g/kg)[20]。径流中养分浓度的差异除生物因素外, 在相当程度上

还受母岩类型及其化学成分的影响，会同林分植物种类与西藏南伊沟、云南哀牢山

和海南岛尖峰岭不同，其植物组织所含各种养分有差异，彼此成土母岩也不同

[18,20,24]，其化学成分也不一样，因而造成其径流中养分浓度的差异。

养分地球化学循环功能，第2 代的养分净积累率只有第1 代林的73.57%—

87.14%；养分流失率是第1 代林的1.30—1.72倍；第1 代林养分地球化学循环

速率26.75%—29.95%，第2 代林37.24%—47.43%；养分循环的周期第1 代林

3.3—3.7年，第2 代林2.1—2.7年，第2代林养分积累的地球化学循环功能比第

一代林弱。当然，有可能如前面分析，林木采伐过程造成两代林表层土壤物理性能

的差异，杉木连栽影响土壤酶的活性，降低了第2 代林土壤积累养分功能。然而，

究竟是什么原因导致第2 代林养分地球化学循环功能减弱，有待进一步研究与探

讨。

杉木人工林连栽地力衰退和生产力下降问题一直是我国人工林持续经营研究的热点。

众多学者从连栽不同代数杉木人工林木材蓄积量,生物产量、土壤物理结构特征的

差异、林地化学特性的变化、不合理的营林措施和栽培制度等方面探求杉木人工林

连栽地力衰退和生长力下降的原因与机制。虽然本研究只分析了连栽第1和第

2 代杉木林近熟林阶段水文过程养分动态和养分地球化学循环功能,但是,研究的结

果可为杉木人工林连栽生产力下降和地力衰退问题的研究提供依据和思路。

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