中亞熱帶韶山森林水文特征與主要營養(yǎng)物的生物地球化學(xué)過程研究.pdf

1、研究地韶山位于中國中南部的湖南省湘潭市韶山蔡家塘，屬于亞熱帶氣候，丘陵地貌，年平均降雨量1200-1700mm，植被類型為亞熱帶針闊混交林，針葉為主。2000年1月-2003年12月在韶山蔡加塘森林小流域中進行樣品采集工作，其樣地設(shè)置和采樣方法及質(zhì)量控制按EMEP手冊的要求進行，對大氣、土壤、地表水和土壤水的變化進行監(jiān)測。 森林的水文特征對森林的生產(chǎn)力和營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)有著重要的影響。林冠層截留損失在森林地蒸散發(fā)中通常是非常顯著

2、，有時可能成為主要的水分損失源。韶山森林冠層具有二維結(jié)構(gòu)，上部喬木冠層的覆蓋率約為82﹪；下部灌木亞冠層覆蓋率約為41﹪。對于韶山森林的二維冠層結(jié)構(gòu)很難一次應(yīng)用Gash降雨截留解析模型來者模擬冠層截留損失。考慮到Gash模型的本質(zhì)以及每層林冠的高度和冠層的覆蓋率，用原始Gash模型來模擬上部喬木冠層的截留損失，用修正的Gash模型來模擬較為稀疏的下部灌木層的截留損失。 2003年喬木冠層截留損失測量值占到年降水量的15．0﹪，

3、灌木亞冠層的截留損失占到年降水量的9．0﹪，總截留損失占到了年降水量的24.0﹪。Penman-Monteith(PM公式)方程算得喬木冠層單位地表面積的平均蒸發(fā)率為0．79mm·h-1，稀疏灌木亞冠層的為0．32mm·h-1。原始Gash模型模擬的喬木冠層的損失為215．6mm，高出測量值17．2﹪：稀疏Gash模型的模擬值為118.5mm，高出模擬值7．0﹪。韶山森林樹枝和樹干的蒸發(fā)損失所占截留損失較少的比重。解析冠層截留模型在許多

4、環(huán)境中得到了成功的應(yīng)用，但是決定冠層截留損失大小的蒸發(fā)速率和空氣動力學(xué)阻力參數(shù)在以往的應(yīng)用中，均被予以假設(shè)(空氣動力學(xué)阻力參數(shù)通常被假設(shè)為0)而沒有進行實際計算和測量。用7種不同的方法分別計算空氣動力學(xué)參數(shù)值，用PM公式計算蒸發(fā)率。稀疏Gash模型模擬的穿透水的值高出測量值1.6﹪，模擬的莖干流高出實測值12.4﹪。 韶山地區(qū)的降水屬于硫酸性降水。韶山大氣降水和森林穿透水中的陽離子濃度在降雨的總離子濃度中所占比重均大于65﹪，

5、有的甚至高達82﹪。韶山大氣降水、穿冠水和地表穿透水的離子是極不平衡的，大氣降水中S042’和N03‘的平均最大濃度都出現(xiàn)在春季，在韶山森林四年的觀測年中，穿透雨中弱酸的濃度和通量比起降雨在各個季節(jié)均有較大程度的富集。韶山森林植被對酸雨的緩沖作用以及對酸性物質(zhì)的中和作用是非常明顯的，而且作用主要發(fā)生在冠層。韶山森林冠層三個空間層次中pH值與S042-、N03-以及Ca2+的回歸分析和數(shù)學(xué)模擬結(jié)果表明，H+與S042-的來源一致，主要來源

6、于工業(yè)污染。鹽基離子總沉降通量在春、夏、秋、冬分別為73.1、66.3、75．3和6.4meqm-2。年Ca2+、Mg2+和K+干沉降量大約分別占年總沉降量的53.1，28．2和29．8﹪。NH4+的年干沉降通量是其年總沉降通量的30．6﹪，是N03。的17．6﹪。 Na比值法的結(jié)果顯示K+的年均冠層離子交換約為干沉降的3倍，而Ca2+和Mg2+的年均冠層離子交換與干沉降接近。與弱酸相關(guān)的基本陽離子的冠層離子交換達到鹽基離子總

7、濾出量的24﹪。鹽基離子的濾出量以冬→春→夏→秋依次遞減。樹冠層季節(jié)攝入NH4+的量在l00～150meq／m2，而對H+的攝入量則在50～340meq／m2。 多元線性回歸分析結(jié)果顯示冠層離子交換過程是控制凈穿透水通量的主要因素?；娟栯x子的季度干沉降大約占凈穿透水通量的1543﹪。分析還顯示大氣降水中NH4+和H+的濃度增加伴隨冠層保留的NH4+和H+的增加。韶山森林鹽基離子能中和降水酸度，弱酸校正后瀝濾的冠層鹽基離子與質(zhì)

8、子(H+和NH4+)的滯留速率接近。弱酸也會影響到冠層交換過程中NH4+和H+的吸收。但是在冠層交換鹽基陽離子濾出過程中，弱酸可能和質(zhì)子形成競爭。鹽基離子的冠層淋溶在生長期明顯高于休眠期，而生長期的干沉降明顯較低。生長期鹽基離子冠層淋溶對凈穿透通量的貢獻大于干沉降，而休眠期則相反。在春季和冬季時鹽基離子中冠層淋溶濃度最高的是Ca2+，然而在另外兩個季節(jié)中淋溶濃度最高的卻是K+。Mg2+在春季和夏季中的亞冠層淋溶濃度均出現(xiàn)了負值，表明在生

9、長季節(jié)樹冠對Mg2+具有吸收作用。NH4+的冠層交換速率比N03-的高了39倍。亞冠層對NH4+的吸收速率在四季中都明顯的比其在喬木冠層中的吸收速率要低很多。而相反地，亞冠層對N03-的吸收速率在夏季和秋季中都比喬木冠層對其的吸收速率要高。 氮的凈截留量為22～26kg．hm-2.a-1，其中NH4+占到總氮凈截留量的68～72﹪。硫的截留量為13～21kg．hm-2.a-1。。SO42-的輸入通量均明顯高于輸出通量。從氮的總