降雨對林地養(yǎng)分輸入與土壤侵蝕的作用

1、文章編號：1008-181X（1999）04-0258-04降雨對林地養(yǎng)分輸入與土壤侵蝕的作用水建國1，柴錫周2，盧庭高2（1: 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，杭州 310021；2: 浙江省林業(yè)科學(xué)院，杭州 310023）摘要：用定位觀測研究表明，降雨是林地形成土壤肥力的重要機制；特別是通過林冠層的穿透水和樹干的徑流水，其養(yǎng)分通量平均要比林外雨高80%左右。但在不同的氣候條件下和在不同的森林類型里，降雨輸入土壤的養(yǎng)分存在著較大的差異。在無植被覆蓋的坡地上，降雨會造成土壤侵蝕，使土壤養(yǎng)分入不敷出。關(guān)鍵詞：降雨；林內(nèi)雨；林地；土壤肥力；侵蝕模數(shù)中圖分類號：S715；S718.51 文獻標(biāo)識碼：

2、A土壤肥力是土壤本質(zhì)的特征。用森林生態(tài)學(xué)方法探討森林養(yǎng)分循環(huán)時，我們發(fā)現(xiàn)雨水中的養(yǎng)分輸入和林木體外的養(yǎng)分淋溶輸入是土壤肥力的重要來源。通過研究降雨對土壤肥力的作用，可進一步掌握土壤養(yǎng)分的循環(huán)規(guī)律，亦可完善土壤肥力形成的有關(guān)學(xué)說。1 研究方法1.1 降雨的收集方法在林外空曠地和林冠下分別設(shè)置雨量器，盛接林外降雨和樹冠穿透水；用剖開的聚乙烯皮管以S形粘纏在樹干周圍，皮管下端承接塑料壺收集樹干徑流水。以上設(shè)置，在同一森林里各重復(fù)35次。1.2 地表徑流小區(qū)的設(shè)置在坡向和坡度基本一致的山坡上連續(xù)設(shè)置觀測小區(qū)。每個小區(qū)寬（與等高線平行）5 m，長（與等高線垂直）20 m，面積100 m2，下方有深、寬各

3、20 cm的集水槽，出口處有引水槽。小區(qū)四周用火磚圍砌，火磚的2/3（即16 cm）埋入土中，1/3（即8 cm）露出地面，露出地面部分用水泥涂抹。小區(qū)下部筑有長、寬、高各為1 m的接流地，池的內(nèi)側(cè)與引水槽相連接，池底部裝有開關(guān)控制的排水管，每次觀測接流池中水量和稱泥沙質(zhì)量并取樣后，關(guān)好開關(guān)，待下次觀測。1.3 地下滲流水收集用50 cm×50 cm×5 cm塑料集水盤水平插入60 cm土層中，以塑料管引出滲流水于塑料容器內(nèi)，重復(fù)35次；每日定時觀測，雨后增加觀察次數(shù)。水樣和土樣分析方法均按中國國家造林項目環(huán)境監(jiān)測實施方案進行。2 結(jié)果與討論大氣中的多種營養(yǎng)物質(zhì)都能溶解于水

4、，并隨著降水返回地面，成為自然界養(yǎng)分循環(huán)的一種形式。在沒有森林分布的地區(qū)，直接降落到地面的雨稱為林外雨；在有森林分面的地區(qū)，雨水有兩種形式降落到地面，一種是通過林冠層再降到地面的，這種水稱為林冠穿透水，另一種是沿枝條和樹干順流而下到達地面的，這種水稱為樹干徑流水，林冠穿透水和樹干徑流水合稱為林內(nèi)雨。在雨量小的時候，雨水將全被林冠截留，而無林內(nèi)雨。在不同的氣候帶和不同樹種的森林里，林內(nèi)外的降雨量和雨水中的養(yǎng)分含量都有較大的差別；在同一種森林里，其樹齡和季節(jié)不同，雨水中的養(yǎng)分含量也不盡一致。再說大氣中的養(yǎng)分含量還受當(dāng)?shù)毓さV企業(yè)排污的影響。但在已郁閉的森林里，通過長年累月的定位觀測研究，仍能看出其各

5、自的養(yǎng)分循環(huán)的規(guī)律性。2.1 降雨對土壤的輸肥作用2.1.1 林內(nèi)雨的養(yǎng)分森林有龐大的林冠層，據(jù)測算，杉木、毛竹等葉面積為投影面積的57倍，其它林木的葉面積為投影面積的412倍。森林巨大的葉面積和分布在空間的枝干，每時每刻都截留、吸附著大氣中飄浮的養(yǎng)分物質(zhì)，當(dāng)葉面被雨和露滋潤后，又會溶入一些分子態(tài)的物質(zhì)，這些物質(zhì)一遇降水就以林冠層淋溶和樹干徑流的方式輸入到土壤中去。樹干徑流水還會把質(zhì)地松軟的樹皮養(yǎng)分浸提出一部分來，故林內(nèi)雨的養(yǎng)分通量要比林外雨高得多，例如，在浙江蘭溪上華，僅46年生的杉木幼林，林內(nèi)雨中N、P、K、Ca、Mg等5種養(yǎng)分通量就比林外雨高出53.41 kg/(hm2×a)（

6、表1）。這種幼林尚未有調(diào)落物歸還給土壤，而通過林內(nèi)雨的養(yǎng)分輸入，已使土色變暗，土體變松，肥力提高；經(jīng)分析測定，與造林前相比較，土壤體積質(zhì)量減少0.030.11 Mg/m3，滲透系數(shù)（K10）增加0.540.82 mm/min，非毛管孔隙增加3.56.2，有機質(zhì)增加5.919.8 g/kg（可能部分來源于土壤微生物和根系分泌物），全氮量增加0.230.26 g/kg，pH（H2O浸提）值提高0.20，水解性總酸度平均降低5.8 cmol/kg，鹽基飽和度平均提高611。表1 我國林地降雨中林外雨和林內(nèi)雨養(yǎng)分的平均通量森林類型觀測地區(qū)觀測時間觀測內(nèi)容NPKCaMg養(yǎng)分合計(kg×hm-2

7、×a-1)常綠闊葉林杭州午潮山19881990林外雨林內(nèi)雨50.8059.239.206.1613.6764.0956.3665.381.778.03131.80202.95杉木幼林浙江蘭溪19881990林外雨林內(nèi)雨26.4527.061.2211.6310.3824.5416.2539.941.165.7055.46108.87馬尾松林浙江千島湖19871989林外雨林內(nèi)雨4.4116.930.660.7312.9357.8925.8772.401.7327.6645.6075.61落葉松林黑龍江尚志縣19801986林外雨林內(nèi)雨7.8011.241.402.3214.3032.

8、1023.2036.402.905.5449.6087.60熱帶山地雨林海南島尖鋒岑19821986林外雨林內(nèi)雨5.5920.381.693.0812.0269.6213.035.387.7115.5840.04114.04濕潤闊葉林云南哀牢山19801985林外雨林內(nèi)雨14.186.120.120.420.085.941.491.801.180.7817.0515.06 落葉松林、熱帶山地雨林和濕潤常綠闊葉林資料分別由東北林業(yè)大學(xué)、中國林科院熱林所和中國科學(xué)院昆明生態(tài)所測定；其它林分資料由浙江省林科院測定。在杭州午潮山常綠闊葉林里的測定結(jié)果表明，林內(nèi)雨中N、P、K、Ca、Mg等5種養(yǎng)分均大于

9、凋落物中的通量，歸還給土壤的養(yǎng)分總量超過了凋落物的年養(yǎng)分歸還量。中國林科院在江西分宜的測定結(jié)果表明，每年通過降雨輸入林地的養(yǎng)分量大于支出量，杉木林的養(yǎng)分貯量為84.253 kg/(hm2×a)，馬尾松林為79.001 kg/(hm2×a)，皆伐跡地為58.677 kg/(hm2×a)。以徑流養(yǎng)分流失量計算，皆伐跡地最大，達2.492 t/(hm2×a)；馬尾松林次之，為1.958 t/(hm2×a)；杉木林最少，為1.877 t/(hm2×a)。林內(nèi)雨水中K、Mg、N養(yǎng)分通量高于凋落養(yǎng)分歸還量，而凋落物Ca、P養(yǎng)分歸還量都大于林內(nèi)雨的

10、養(yǎng)分量1。關(guān)于林冠穿透水和樹干養(yǎng)分淋溶的機制問題，中國科學(xué)院馮宗煒研究員等認為，林內(nèi)降水中營養(yǎng)元素含量的增加，是來自細胞壁的蒸騰液，而細胞原生質(zhì)只是選擇地從液體中吸取了當(dāng)時所需要的營養(yǎng)元素，其余的營養(yǎng)物質(zhì)聚結(jié)在細胞壁和角質(zhì)層里，當(dāng)降水時它們被氫離子（H+）交換出來1。2.1.2 林外雨的養(yǎng)分表2 我國亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)平衡狀況觀察地區(qū)與林型項目NPKCaMg(kg×hm-2×a-1)浙江蘭溪杉木林輸入輸出輸出/輸入26.459.400.361.220.770.6310.3815.031.4516.258.170.501.161.030.89福建武夷山甜櫧林6輸入輸出輸

11、出/輸入34.205.680.171.801.000.573.607.302.0623.003.400.152.100.601.30江西分宜竹林輸入輸出輸出/輸入10.103.010.300.890.280.3116.6018.801.1325.8038.901.513.108.302.67云南哀牢山闊葉林輸入輸出輸出/輸入14.184.360.310.120.050.430.082.1927.371.492.021.361.181.611.36林外雨中也有一定的養(yǎng)分通量，這在全球都是如此，僅變幅大小而已。就以N、P、K三要素歸還的量來說，加拿大分別為1.40、0.23、0.11 kg/(hm

12、2×a)，德國分別為23.90、0.48、2.00 kg/(hm2×a)，尼日利亞分別為14.01、0.42、17.40 kg/(hm2×a)，我國廣州為3.48、0.044、1.17 kg/(hm2×a)1。從表1可知，林外降水歸還土壤的N、P、K、Ca、Mg等5種養(yǎng)分累計最高的是杭州午潮山，達到131.8 kg/(hm2×a)；最少的是云南哀牢山，為17.05 kg/(hm2×a)；這些都是直接輸入土壤的養(yǎng)分量，是提高土壤肥力的重要因素，不過其中也有部分養(yǎng)分隨地表徑流而喪失。林外降水中也不是所有的養(yǎng)分通量都比林內(nèi)雨中的通量低，例如

13、，從表1中可以看出，杭州午潮山林外雨的P、海南島尖鋒嶺的Ca和云南哀牢山的N和Mg，都比林內(nèi)雨的通量高。其原因有待于進一步研究。2.2 降雨對林地養(yǎng)分平衡的影響對于林地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡來說，養(yǎng)分輸入主要來自降雨，養(yǎng)分輸出是地表徑流和地下滲流，養(yǎng)分平衡是輸出與輸入之差。從表2看出，我國亞熱帶森林中的N和P營養(yǎng)輸入均大于輸出；Ca和Mg的養(yǎng)分在靠沿海的地區(qū)則輸入大于輸出，而在內(nèi)地則輸出超過輸入；K營養(yǎng)是土壤中最活躍的元素，容易流失，它的輸出超過輸入，在云南哀牢山闊葉林中，其輸出是輸入的27倍以上。從林地養(yǎng)分平衡角度講，K是最缺乏的營養(yǎng)元素，但K元素可以通過土壤礦物分解來補償。在幼林時期，枯枝落葉

14、很少，降雨輸入的養(yǎng)分在森林養(yǎng)分循環(huán)中具有特殊的意義。2.3 降雨對水土流失的影響在沒有植被覆蓋的地區(qū)，降水量過大就會引起土壤的面蝕和溝蝕，例如，在蘭溪上華坡度為13o的低丘紅壤坡地上，侵蝕模數(shù)最高的年份可達11504 t/(km2×a)。在湘西桐糧間作的頁巖坡面上，風(fēng)化碎屑層剝落，侵蝕模數(shù)最高達16000 t/(km2×a)2。在江西寧都森林草被遭破壞的地段，侵蝕模數(shù)最高可達15000 t/(km2×a)2。在四川盆地的盆中丘陵區(qū)，平均侵蝕模數(shù)為30008000 t/(km2×a)3。由此可見，大氣降雨對土壤既有輸肥作用，又有后患無窮的水土流失作用，其利

15、弊大小視地區(qū)而異。表3 浙江蘭溪低丘紅壤坡地不同利用方式的水土流失利用方式栽種年份地表徑流系數(shù)/土壤侵蝕模數(shù)/(t×km-2×a-1)199319941995199619971998199319941995199619971998香樟19852.402.2500000000杉木19854.693.2300000000角竹19926.492.672.412.902.1100000胡柚19936.9910.6912.488.828.291380518395478163杉木19939.8516.308.695.743.692146356923730黑麥草每年9.1012.8810

16、.028.254.9138717416520070荒地CK13.2120.2622.6220.2120.919557104851150451935467從表3可知，在已郁閉的香樟、杉木林里，土壤侵蝕模數(shù)均為零；在新栽的胡柚和杉木幼林里，隨著樹齡的增長，郁閉度不斷提高，土壤侵蝕也逐漸減少，到全郁閉時侵蝕即停止。一般造林后第3年就可將土壤侵蝕控制在輕度侵蝕的范圍內(nèi)，到第5年達到無明顯的侵蝕。根據(jù)我們多年測定，土壤侵蝕達1000 t/(km2×a)，其流失的養(yǎng)分N為72.5 kg/hm2，P為23.1 kg/hm2，K為501.4 kg/hm2，因此，低丘紅壤林地土壤侵蝕應(yīng)控制在500 t

17、/(km2×a)以下，達到林地內(nèi)養(yǎng)分輸入與輸出的平衡。而在低丘紅壤的空曠坡地上，侵蝕模數(shù)始終保持在0.51.0萬t/(km2×a)左右，即每年有0.51.0 cm的表土層被侵蝕。參考文獻：1 蔣有緒，馮宗煒，陳靈芝，等. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能規(guī)律研究 M. 北京: 中國林業(yè)出版社，1996. 2132542 陸景岡. 土壤地質(zhì) M. 北京: 地質(zhì)出版社，1994. 2492533 陸景岡. 土壤地質(zhì) M. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社，1997. 243Effects of Precipitation on Nutrient Inputs and Erosion of Fo

18、rest landSHUI Jian-guo1，CHAI Xi-zhou2，LU Ting-gao2（1: Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhuo 310021, China; 2: Zhejiang Academy of Forestry, Hangzhou 310023, China）Abstract: Results of a long-term experiment on forest soil indicated that the precipitation was an important way of nutrient input to forest soil, especially, the mean nutrient fluxes of canopy throughfall and stemflow were about 1.8 times as much as that of rainwater on uncovered land. Whereas, the inputs of n