秦岭火地塘森林生态系统不同层次的水质效应.doc
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1、秦岭火地塘森林生态系统不同层次的水质效应第27卷第5期2007年5月生态ACTAECOLOGICASINICAV01.27.No.5May,2007秦岭火地塘森林生态系统不同层次的水质效应张胜利,李光录(西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100)摘要:根据降水与森林生态系统相互作用的空间顺序,分别对火地塘林区火地沟流域大气降水,林内雨,枯透水,支沟溪流水和流域出口径流水质进行了比较分析和变化机理分析.结果表明:森林生态系统不同层次均有使微酸性降水pH值升高的作用,但以林冠层和森林土壤的作用最大,升幅分别为0.58和0.61;森林生态系统对NO;,NH4,K,PO一均有净化作用,净化N
2、O;的关键阶段为沟道径流阶段,净化NH4,K,PO一的主要方式则为土壤吸附;森林生态系统各层次均增加Ca含量,除土壤外,也增加Mg,但ca主要来源于土壤和岩石,Mg主要来源于岩石;降水中的cd,Pb,Mn,Zn经过森林生态系统不同层次的阻减,含量分别降低了0.721/,zg?L,6.528g?L,0.0128rag?L和1.4674mg?L,其中以林冠层的阻减作用最大,阻减效果分别为83%,76.7%,54%和99%.总体上,林冠层是净化水质的关键层次,其次为森林土壤.关键词:秦岭;森林生态系统;层次;水质文章编号:10000933(2007)05183807中图分类号:Q948,s718.5
3、6文献标识码:ATheeffectsofdifferentcomponentsoftheforestecosystemonwaterqualityintheHuoditangforestregion,QinlingMountainRangeZHANGSheng-Li,LIGuang-LuCollegeofResourcesanclEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,ChinaActaEcologicaSinica,2007,27(5):18381844.Abstract:Theobjectiveofthis
4、studywastoinvestigatetheeffectsofdifferentcomponentsofaforestecosystemonwaterqualityduringtherainfallrunoffprocess.Thestudyareawasasmallwatershed,Huodigou,whichispartofHuoditangforestregionwithintheQinlingMountainRange.Forpurposesofanalysis,theforestecosystemwasdividedspatiallyintofourcomponents:can
5、opy,litter,soil,andbedrock.Watersampleswerecollectedfromrainfall,throughfall,litterdrainage,streamwaterfromtributarieswithintheexperimentalwatershed,andwateratthewatershedoutlet.Thesampleswereanalyzedchemicallyandthencomparedtodeterminetheeffectsofdifferentcomponentsoftheecosystemonwaterquality.Thea
6、nalysesindicatedthatrainfallwasslightlyacidic,butthepHofthewaterincreasedasitmovedthrougheachcomponentoftheforestecosystem.ThelargestincreasesinthepHwere0.58unitsasrainwaterpassedthrou【ghthecanopyand0.61unitsaswaterpassedthroughthesoil.TheNO;,NH4+,K,andpo34一contentofrunoffwaterdecreasedasitpassedthr
7、oughtheecosystem.ThelargestreductioninNO;occurredaswaterflowedfromthetributariestothewatershedoutlet.Incontrast,thegreatestdeclineinNH4+,K,andp034一occurredaswatermovedthroughthesoil.ThisisimportantbecausetheremovalofthesenutrientsfromrunoffwaterreducestheprobabilityofeutrophicationintheDanjiangkou基金
8、项目:西北农林科技大学校长基金资助项目(08080215);国家林业局重点科研资助项目(200104)收稿日期:20060615;修订日期:20070224作者简介:张胜利(1965一),男,陕西户县人,博士,副教授,主要从事森林水文和水土保持工程研究.Email:Foundationitem:TheprojectwasfinanciallysupportedbyChancellorFoundationofNorthwestA&FUniversity(No.08080215);ScienceResearchProjectoftheStateForestryAdministration,
9、P.R.China(No.200104)Receiveddate:20060615;Accepteddate:20070224Biography:ZHANGShengLi,Ph.D.Associateprofessor,mainlyengagedinforesthydrologyandsoilandwaterconservationengineering.Enrail:http:/5期张胜利等:秦岭火地塘森林生态系统不同层次的水质效应1839Reservoir,themainwaterstorageareaforthemiddlelineoftheSouth-to-NorthWaterTran
10、sferProject.Ingeneral,theCaandMgcontentofwaterincreasedasitpassedthroughtheecosystem.ThelargestCaincreaseoccurredaswaterpassedthroughthesoilandbedrock,whilethemainincreaseinMgoccurredaswaterpassedthroughbedrock.Atthewatershedoutlet,watercontained0.721g?LlessCd,6.528g?LlessPb,0.0128mg?LlessMn,and1.46
11、74mg?L一lessZncomparedtonaturalprecipitation.Comparedtonaturalrainfall,thethroughfallcontained83%lessCd,77%lessPb,54%lessMn,and99%lessZn.Overall,theresultsfromthisstudyshowthatthecanopyhasthelargesteffectandthesoilhasthesecondlargesteffectonwaterqualityintheforestecosystem.KeyWords:QinlingMountainRan
12、ge;forestecosystem;sequentialcomponents;waterquality由于环境污染加剧,全球水质型缺水日益严重,是引起世界范围内淡水危机的重要原因之一.森林具有调节,净化,稳定水质的作用.因此,近20a来,森林与水质关系的研究倍受重视,已成为热点J.国内外关于森林的水质效应研究主要从以下方面切入:一是将森林生态系统视为一个有机整体,对输入,输出系统的化学物质等进行比较分析,以阐明森林生态系统对水质的作用;其次是根据森林生态系统的空间结构,将其分为不同的层次,如林冠层,树干茎,枯枝落叶层及森林土壤等,探讨某一或某几个层次对水质的影响及其机理,其中对林冠层的研究较
13、为深入J.将森林生态系统视为整体进行研究,存在的不足是难以了解水质在系统内部沿运移路径的变化情况及其机理;就某一或某几个层次进行探讨,则无法获知影响水质的关键层次.故本文拟以秦岭火地塘林区为典型,根据水与森林生态系统相互作用的空间顺序,从降水到流域出口径流,对森林生态系统不同层次的水质效应进行较为系统的研究,旨在了解水质在森林生态系统内部的变化情况及其影响水质的关键层次.同时,秦岭火地塘林区位于国家战略性重点工程一南水北调中线工程水源区,中线工程取水地湖北丹江口水库控制面积95200km,其中65.86%为陕西秦巴山区,秦巴山区近1/4为森林覆盖,故开展该项研究还可为调水区水源林的管理和建设提
14、供科学依据.1试验地概况火地塘林区位于秦岭南坡中山地带中部,地处北纬332533.29,东经108.25108.30之间,在陕西省宁陕县境内.林区面积22.25km2,海拔14702473m,地形平均坡度3035.气候为暖温带湿润山地气候.1月份平均气温一2.8,7月份平均气温23.8,年平均气温812,多年平均降水量ll30mm,且多集中于79月,降雪从10月末到次年4月初,平均湿度77.1%.林区土壤主要为棕色森林土,平均厚度50cm左右,成土母岩主要为花岗岩,片麻岩,变质砂岩和片岩.森林植被为20世纪60,70年代主伐后恢复起来的天然林,覆盖率93.8%,郁闭度在0.9以上,主要成林树种
15、有:锐齿栎,油松,华山松,红桦,光皮桦,青扦,巴山冷杉,山杨等.1:1支沟Branch12:2支沟Branch2图1试验地流域水系示意图Fig.1ExperimentalWatershed火地沟流域为火地塘林区内最大的自然集水区,呈羽毛形状(见图1),长约4.5km,宽约1.6km,面积7.29km,海拔16442130m,地形平均坡度约30.,主沟道沟底坡降约7.5%.火地沟流域植被,土壤及其母质等与前述基本相同.2研究原理和方法2.1原理大气降水进入森林生态系统后,首先与林冠层相互作用,其次是枯枝落叶层,森林土壤,最后为沟道堆积http:/1840生态27卷物或基岩.在相互作用过程中,水在
16、系统内的运移经过了下述阶段:林冠截留降水形成林内雨阶段;林内雨通过枯枝落叶层形成枯透水阶段;枯透水人渗形成壤中流阶段;壤中流汇集进人支沟形成溪流水阶段;溪流水逐渐汇集主干沟形成沟道径流阶段.在形成林内雨阶段,还伴有树干茎流的产生.试验地林区710月份树干茎流量仅占同期降水总量的1.61%”,对水质影响较小,故该研究不将其列出.根据以上降水与森林生态系统相互作用的空间顺序,该研究通过对不同阶段水质测试结果进行比较分析和机理分析,了解水质沿运移路径的变化及森林生态系统不同层次对水质的影响,进而弄清楚影响水质的关键层次.2.2试验布设与水样采集试验布设在火地沟流域.根据研究原理,需要采集的水样为大气
17、降水(降雨),林内雨,枯透水,支沟溪流水和流域出口径流.大气降水收集点位于火地沟沟口左侧,距流域出口约100150m,共3个点.雨后,及时将各点收集雨水混合,取部分作为测试分析水样.林内雨在火地沟流域1,2支沟集水区林下收集.1,2支沟集水区面积分别为8.6hm和7.2hm,收集点在沟道纵,横断面上按上,中,下和左,中,右以”十”字形布设,每支沟5个.雨后,将各点收集林内雨混合,然后取样.枯透水分别在1,2支沟集水区枯枝落叶层下收集,收集点在支沟边坡上按上,中,下部位布设,每个点置有5个聚氯乙烯塑料杯,同样取混合水样.溪流水和流域出口径流直接在1,2支沟沟口和流域出口处取样即可.每种水样一次采
18、集500ml.大气降水,林内雨采用聚氯乙烯塑料桶收集.桶上带有盖,盖呈漏斗状,既可防杂物进人,还可防止桶内水分蒸发浓缩而影响测试结果.2.3水样i贝4试水样测试项目见表1.pH值采用电位法测定;NO3-采用酚二磺酸比色测定;NH4采用苯酚一次氯酸盐比色测定;PO一采用钼蓝比色i贝0定;K,Na,Ca,Mg,Zn,Fe,Mn采用等离子发射光谱测定;Pb,Cd采用石墨炉原子吸收分光光度计测定.3结果分析在试验地林区,能够产生明显径流的降雨一般在20ram左右,故采样时主要采集雨量在20ram以上的各种水样.采样时间为1999年710月和2004年711月,共采集水样16次,128个水样,测试结果见
19、表1.3.1pH值根据表1,从大气降水到流域出口径流,水的pH值逐渐上升,水从弱酸性变为弱碱性,说明森林生态系统对水的pH值有较大调升作用.林冠层,枯枝落叶层,森林土壤,岩石均有这种作用,但以林冠层和森林土壤的作用最大,调升幅度分别为0.58和0.61.3.2NO;,NH4,PO4711月份,大气降水中NO3-含量较高,流域出口径流仅为降水的25.2%.因此,森林流域仅径流输出并不会产生NO3-的流失问题.降雨通过林冠层后,NO3-含量降低,降幅达0.728mg?L.这是因为林木枝叶对NO3-有一定的吸收作用心,m;其次,降水中的NO;有一部分是以HNO的形式存在,HNO不仅溶解于水,而且是一
20、种挥发性酸,当雨滴击溅林木叶面时,击溅加速了HNO的挥发,从而使NO3-含量降低.枯透水中NO;含量迅速升高,几乎是林内雨中的3倍.枯枝落叶经微生物分解后,其中蛋白质,核酸,氨基酸中的氮逐渐变成无机氮n.林内雨通过枯枝落叶层时无机氮被淋洗,溶解,从而使枯透水中NO3-含量剧增.因此,在森林生态系统水循环过程中,枯枝落叶以向水中释放NO3-的方式在系统内影响水质.溪流水中NO3-含量达到最大,可能是壤中流在形成和汇集过程中,土壤有机质中的NO3-再次释放,因为土壤中的水溶性氮主要来源于有机质n.流域出口径流中NO;含量急剧降至最低,仅为溪流水的1/8左右,http:/5期张胜利等:秦岭火地塘森林
21、生态系统不同层次的水质效应降幅达2.493mg?L.因此,降低水中No;含量的关键阶段为沟道径流阶段.对溪流水和流域出口径流No;含量多年检测的结果也证实了这一点.19972004年,每年至少采样4次对No3含量进行检测(除每季各采样一次外,还根据雨季降水情况适当增加采样次数,共采集水样38次,水样总数112个),检测结果为I1支沟溪流水No3含量平均为3.178mg?L.,2支沟为3.818mg?L,火地沟流域出口径流为0.705mg?L.表1森林生态系统不同层次水质测试结果Table1Waterqualityindicatorsofdifferenttypesofwaterinthefor
22、estecosystem降雨通过林冠层后,NH4含量增加了28.6%,说明降雨对林木枝叶中的NH4有淋溶作用.枯透水中NH4含量增加幅度最大,比林内雨增加了61.5%,说明枯枝落叶在森林NH4养分循环中起着十分重要的作用,植物吸收的NH4最终以落叶被淋溶的方式又返回土壤.溪流水中NH4含量降幅最大,说明森林土壤在保持NH4方面有”调蓄库”的作用.流域出口径流中NH4含量略有降低,这是因为流域出口径流呈弱碱性(pH值为8.17),而铵盐与碱起化学反应产生氨气并逸出,从而导致径流中NH4含量降低.大气降水对森林生态系统NH的输入有着十分重要的作用.流域出口径流中NH含量仅为降水输入的3%,林区径流
23、系数为0.44,也就是说通过流域出口径流输出的NIV量仅占降雨输入森林生态系统的不到1.5%.与大气降水比较,林内雨中po3一含量剧增,增幅度达2.166mg?L.,枯透水在此基础上又增加了2.045mg?L.可见林木枝叶不管是在生长期还是凋落后,其中的PO一均易被淋溶u.溪流水中po3一含量大幅度降低,降幅达4.953mg?L.,说明森林土壤对水中po3一有较大的吸附作用.从溪流水到流域出口径流,水中PO一含量略有上升,如果考虑测试误差的影响,PO一含量则几乎没有变化.从表1可以看出,降水输入森林生态系统po3一的量大,而溶解于水并以径流形式输出的量小.不管是大气降水还是流域出口径流,po3
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