降雨對(duì)林地養(yǎng)分輸入與土壤侵蝕的作用

土壤與環(huán)境 1999, 8(4): 258261 ISSN 1008181X Soil and Environmental Sciences CN 441441/P 基金項(xiàng)目： 國(guó)家“ 九五” 科技攻關(guān)項(xiàng)目（ 96-004-03-05） 作者簡(jiǎn)介： 水建國(guó) （ 1951） ，男，副研究員。 收稿日期： 1999-09-02 文章編號(hào)： 1008-181X（ 1999） 04-0258-04 降雨對(duì)林地養(yǎng)分輸入與土壤侵蝕的作用 水建國(guó) 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(cè)研究表明，降雨是林地形成土壤肥力的重要機(jī)制；特別是通過(guò)林冠層的穿透水和樹(shù)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(lèi)型里，降雨輸入土壤的養(yǎng)分存在著較大的差異。在無(wú)植被覆蓋的坡地上，降雨會(huì)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(lèi)號(hào)： S715； S718.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 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?zhàn)B分循環(huán)時(shí)，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(lái)源。通過(guò)研究降雨對(duì)土壤肥力的作用，可進(jìn)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(shuō)。 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，盛接林外降和樹(shù)冠穿透水；用剖開(kāi)的聚乙烯皮管以 S 形粘纏在樹(shù)干周?chē)す芟露顺薪铀芰蠅厥占?樹(shù)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(cè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)寬（與等高線平行） 5 m，長(zhǎng)（與等高線垂直） 20 m，面積 100 m2，下方有深、寬各 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(zhǎng)、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(kāi)關(guān)控制的排水管，每次觀測(cè)接流池中水量和稱(chēng)泥沙質(zhì)量并取樣后，關(guān)好開(kāi) 關(guān)，待下次觀測(cè)。 1.3 地下滲流水收集 用 50 cm50 cm5 cm 塑料集水盤(pán)水平插入 60 cm 土層中，以塑料管引出滲流水于Vol.8 No.4 水建國(guó)等：降雨對(duì)林地養(yǎng)分輸入與土壤侵蝕的作用 259 塑料容器內(nèi)，重復(fù) 35 次；每日定時(shí)觀測(cè)，雨后增加觀察次數(shù)。 水樣和土樣分析方法均按中國(guó)國(guó)家造林項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)施方案進(jìn)行。 2 結(jié)果與討論 大氣中的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都能溶解于水，并隨著降返回地面成為自然界養(yǎng)分循環(huán)的一種形式。在沒(méi)有森林分布的地區(qū)，直接降落到面的雨稱(chēng)為林外；在有森分面的地區(qū)，雨水有兩種形式降落到地面，一種是通過(guò)林冠層再降到地面的，這種水稱(chēng)為林冠穿透水， 另一種是沿枝條和樹(shù)干順流而下到達(dá)地面的，這種水稱(chēng)為樹(shù)干徑流水，林冠穿透水和樹(shù)干徑流水合稱(chēng)為林內(nèi)雨。在量小的時(shí)候，水將全被林冠截留而無(wú)內(nèi)雨。在不同的氣候帶和不同樹(shù)種的森林里，內(nèi)外降雨量和水中的養(yǎng)分含都有較大的差別；在同一種森林里，其樹(shù)齡和季節(jié)不同雨水中的養(yǎng)分含量也不盡一致。再說(shuō)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。但在已郁閉森林里，通過(guò)長(zhǎng)年累月的定位觀測(cè)研究，仍能看出其各自的養(yǎng)分循環(huán)的規(guī)律性。 2.1 降雨對(duì)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(cè)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(shí)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(rùn)后，又會(huì)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(shù)干徑流的方式輸入到土壤中去。樹(shù)干徑流水還會(huì)把質(zhì)地松軟的樹(shù)皮養(yǎng)分浸提出一部來(lái)，故林內(nèi)雨的養(yǎng)分通量要比外高得多，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/(hm2a)（表 1）。這種幼林尚未 有調(diào)落物歸還給土壤，而通過(guò)林內(nèi)雨的養(yǎng)分輸入，已使土色變暗體松，肥力提高；經(jīng)分析測(cè)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 3.5 6.2，有機(jī)質(zhì)增加 5.919.8 g/kg（可能部分來(lái)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 6 11。 260 土壤與環(huán)境 Vol.8 No.4 在杭州午潮山常綠闊葉林里的測(cè)定結(jié)果表明，林內(nèi)雨中 N、 P、 K、 Ca、 Mg 等 5 種養(yǎng)分均大于凋落物中的通量，歸還給土壤的養(yǎng)分總量超過(guò)了凋落物的年養(yǎng)分歸還量。 中國(guó)林科院在江西分宜的測(cè)定結(jié)果表明，每年通過(guò)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/(hm2a)，馬尾松林為 79.001 kg/(hm2a)，皆伐跡地為 58.677 kg/(hm2a)。以徑流養(yǎng)分流失量計(jì)算，皆伐跡地最大，達(dá) 2.492 t/(hm2a)；馬尾松林次之，為 1.958 t/(hm2a)；杉木林最少，為 1.877 t/(hm2a)。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)雨的養(yǎng)分量 1。 關(guān)于林冠穿透水和樹(shù)干養(yǎng)分淋溶的機(jī)制問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院馮宗煒研究員等認(rèn)為，林內(nèi)降水中營(yíng)養(yǎng)元素含量的增加，是來(lái)自細(xì)胞壁的蒸騰液，而原生質(zhì)只是選擇地從液體中吸取了當(dāng)時(shí)所需要的營(yíng)養(yǎng)元素，其余的營(yíng)物質(zhì)聚結(jié)在細(xì)胞壁和角層里，當(dāng)降水時(shí)它們被氫離子（ H+）交換出來(lái) 1。 2.1.2 林外雨的養(yǎng)分 表 1 我國(guó)林地降雨中林外雨和林內(nèi)雨養(yǎng) 分的平均通量 森林類(lèi)型 觀測(cè)地區(qū) 觀測(cè)時(shí)間 觀測(cè)內(nèi)容 N P K Ca Mg 養(yǎng)分合計(jì) (kghm-2a-1) 常綠闊葉林 杭州午潮山 19881990 林外雨 林內(nèi)雨 50.80 59.23 9.20 6.16 13.67 64.09 56.36 65.38 1.77 8.03 131.80 202.95 杉木幼林 浙江蘭溪 19881990 林外雨 林內(nèi)雨 26.45 27.06 1.22 11.63 10.38 24.54 16.25 39.94 1.16 5.70 55.46 108.87 馬尾松林 浙江千島湖 19871989 林外雨 林內(nèi)雨 4.41 16.93 0.66 0.73 12.93 57.89 25.87 72.40 1.73 27.66 45.60 75.61 落葉松林 黑龍江尚志縣 19801986 林外雨 林內(nèi)雨 7.80 11.24 1.40 2.32 14.30 32.10 23.20 36.40 2.90 5.54 49.60 87.60 熱帶山地雨林 海南島尖鋒岑 19821986 林外雨 林內(nèi)雨 5.59 20.38 1.69 3.08 12.02 69.62 13.03 5.38 7.71 15.58 40.04 114.04 濕潤(rùn)闊葉林 云南哀牢山 19801985 林外雨 林內(nèi)雨 14.18 6.12 0.12 0.42 0.08 5.94 1.49 1.80 1.18 0.78 17.05 15.06 落葉松林、熱帶山地雨林和濕潤(rùn)常綠闊葉林資料分別由東北林業(yè)大學(xué)、中國(guó)林科院熱林所和中國(guó)科學(xué)院昆明生態(tài)所測(cè)定；其它林分資料由浙江省林科院測(cè)定。 Vol.8 No.4 水建國(guó)等：降雨對(duì)林地養(yǎng)分輸入與土壤侵蝕的作用 261 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(lái)說(shuō)，加拿大分別為 1.40、 0.23、 0.11 kg/(hm2a)，德國(guó)分別為 23.90、0.48、 2.00 kg/(hm2a)，尼日利亞分別為 14.01、 0.42、17.40 kg/(hm2a)，我國(guó)廣州為3.48 、 0.044 、 1.17 kg/(hm2a)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(jì)最高的是杭州午潮山，達(dá)到 131.8 kg/(hm2a)；最少的是云南哀牢山，為 17.05 kg/(hm2a)；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(guò)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，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(jìn)一步研究。 2.2 降雨對(duì)林地養(yǎng)分平衡的影響 對(duì)于林地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡來(lái)說(shuō)，養(yǎng)分輸入主要自降雨，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(guó)亞熱帶森林中的 N 和 P 營(yíng)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(guò)輸入； K 營(yíng)養(yǎng)是土壤中最活躍的元素，容易流失，它的輸出超過(guò)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(yíng)養(yǎng)元素，但 K 元素可以通過(guò)土壤礦物分解來(lái) 補(bǔ)償。在幼林時(shí)期，枯枝落葉很少，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(duì)水土流失的影響 在沒(méi)有植被覆蓋的地區(qū)，降水量過(guò)大就會(huì)引起土壤的面蝕和溝，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(dá) 11 504 t/(km2a)。在湘西桐糧間作的頁(yè)巖坡面上，風(fēng)化碎屑層剝落，侵蝕模數(shù)最高達(dá) 16 000 t/(km2a)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(dá) 15 000 t/(km2a)2。在四川盆地的盆中丘表 2 我國(guó)亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)平衡狀況 觀察地區(qū)與林型 項(xiàng)目 N P K Ca Mg (kghm-2a-1) 浙江蘭溪杉木林 輸入 輸出 輸出 /輸入 26.45 9.40 0.36 1.22 0.77 0.63 10.38 15.03 1.45 16.25 8.17 0.50 1.16 1.03 0.89 福建武夷山甜櫧林6 輸入 輸出 輸出 /輸入 34.20 5.68 0.17 1.80 1.00 0.57 3.60 7.30 2.06 23.00 3.40 0.15 2.10 0.60 1.30 江西分宜竹林 輸入 輸出 輸出 /輸入 10.10 3.01 0.30 0.89 0.28 0.31 16.60 18.80 1.13 25.80 38.90 1.51 3.10 8.30 2.67 云南哀牢山闊葉林 輸入 輸出 輸出 /輸入 14.18 4.36 0.31 0.12 0.05 0.43 0.08 2.19 27.37 1.49 2.02 1.36 1.18 1.61 1.36 262 土壤與環(huán)境 Vol.8 No.4 陵區(qū)，平均侵蝕模數(shù)為 3 0008 000 t/(km2a)3。由此可見(jiàn)，大氣降雨對(duì)土壤既有輸肥作用，又有后患無(wú)窮的水土流失作用，其利弊大小視地區(qū)而異。 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(shù)齡的增長(zhǎng)，郁閉度不斷提高土壤侵蝕也逐漸減少，到全郁閉時(shí)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(dá)到無(wú)明顯的侵蝕。根據(jù)我們多年測(cè)定，土壤侵蝕達(dá) 1 000 t/(km2a)，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/(km2a)以下，達(dá)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(wàn) t/(km2a)左右，即每年有 0.51.0 cm 的表土層被侵蝕。 參考文獻(xiàn)： 1 蔣有緒，馮宗煒，陳靈芝，等 . 中國(guó)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(guó)林業(yè)出版社， 1996. 213254 2 陸景岡 . 土壤地質(zhì) M. 北京 : 地質(zhì)出版社， 1994. 249253 3 陸景岡 . 土壤地質(zhì) M. 北京 : 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社， 1997. 243 Effects of Precipitation on Nutrient Inputs and Erosion of Forest land SHUI 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 nutrients from rainfall were quite different among different climatic conditions and forest types. The precip