大兴安岭北部森林流域内积雪与融雪径流化学特征*

朱宾宾 满秀玲 孙双红 张红蕾 孙旭

（1.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040；2.呼伦贝尔市林业科学研究所，内蒙古海拉尔 021000；3.呼伦贝尔市产品质量计量检测所，内蒙古海拉尔 021000）

大兴安岭北部森林流域内积雪与融雪径流化学特征*

朱宾宾1,2满秀玲1*孙双红2张红蕾2孙旭3

（1.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040；2.呼伦贝尔市林业科学研究所，内蒙古海拉尔 021000；3.呼伦贝尔市产品质量计量检测所，内蒙古海拉尔 021000）

采集2015年3月16日最大积雪期流域内积雪样品和2015年4～5月河川融雪径流样品，分析其离子质量浓度特征，结果表明：1）森林流域内积雪离子质量浓度从大到小依次为(5.91 mg/L)(5.15 mg/L)、Cl-(1.90 mg/L)、K+(1.16 mg/L)(0.96 mg/L)、(0.89 mg/L)(0.33 mg/L)和Mn(0.011 mg/L)，其中樟子松林对积雪离子浓度影响最大，白桦林次之，兴安落叶松林最小。2）河川融雪径流中离子成分以和为主，二者占78.50%左右，融雪径流和K+相对流域积雪表现为淋失型迁移，其中的迁移量最大，迁移系数为15.84，而和Mn则表现为内贮型迁移。

大兴安岭；森林流域；雪化学；积雪；融雪径流

我国东北、内蒙古高原以及青藏高原都有广袤的季节性积雪分布，尤其大兴安岭北部林区冬季降水主要以雪的形式为主，负温期长达5个月之久[1,2]，加之林区茂密的植被以及深厚的枯枝落叶等有利条件，使其成为天然的蓄水库与营养库[3,4]，林内积雪除了可以防止土壤冻结过深而伤害树木根系以及保护幼树越冬等作用外，春季遇到一定的气候条件便形成冰雪融水，所引起的水文效应对春季植物萌动提供有效的水分与养分，可有效缓解林木春季生长期干旱和缺乏营养物质等问题的发生[5,6,7]。融雪径流作为积雪养分[6]释放的主要方式，积雪养分的释放过程会因淋融土壤[7]、枯枝落叶或被生物分解、吸收而发生变化，因此积雪在森林生态系统能量和物质循环中具有重要作用。大兴安岭作为我国唯一的高纬度寒温带林区[2]，在维护东北地区生态平衡具有举足轻重的地位，本文以大兴安岭北部森林流域为研究对象，研究冬季降雪、不同林型内积雪及河川融雪径流化学特征，为寒区森林生态系统雪生态功能的评估提供科学依据。

1 采样地点与研究方法

1.1 采样地点与立地条件

采样地点设在老爷岭流域，位于漠河县北极村漠河林场内，该流域面积22.22 km2，地形为2山夹1沟，坡度在12°～25°之间。研究区为多年连续冻土区，属寒温带大陆性季风气候，冬季漫长、严寒，夏季短促、凉爽，秋季降温迅速，常有冻害发生。5～6月份为旱季，7～8月份为汛期，年平均气温-4.9℃，年降水量350～500 mm，多集中于7～8月份，降雪量占年降水量的10%～20%，集中在11月～翌年2月，太阳辐射总量平均为96～107 kcal/cm2·d。土壤以棕色针叶林土为主，局部地带有草甸土和沼泽土，流域内主要分布有兴安落叶松(Larix gmelinii)林、山杨（Populus davidiana）林、白桦（Betula platyphylla）林和樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)林，沿河分布有乔木沼泽和草本沼泽湿地，还有少量的草甸植被。

1.2 样品采集与处理

结合地形图进行实地考察，于老爷岭流域内选取兴安落叶松林、白桦次生林和樟子松林3个林型，在各林型内分别设置20m×30m的样地，在2015年3月16日最大积雪期，分别在上述3块样地内多点采集积雪样品。2015年4月16日～5月9日定期采集森林流域下游的溪流水样。积雪样品均采用一次性塑料保鲜袋收集，溪流样品采用蒸馏水处理过的采样瓶进行采取，积雪样品带回室内自然融化的水样以及溪流水样，经孔径0.45μm水溶性微孔滤膜过滤后存储于100 mL试剂瓶，放入-15℃冰箱内进行冷藏，过滤后的样品结成冰块后放入保鲜箱内，分批次送回东北林业大学湿地综合实验室进行化学分析。和Mn的质量浓度经由原子吸收分光光度计（德国耶拿）火焰法测定的质量浓度通过离子色谱仪（瑞士）进行测定，水样均重复测定3次，重复间差异过大时增加重复次数，剔除明显不合理者取均值。

2 结果与分析

2.1 流域内积雪化学特征

携带离子的降雪对下垫面而言是一种有效的养分输入过程,然而降雪在通过不同森林生态系统时，不同林型的林冠对降雪的截留量以及截留时间不同，截留的降雪或吸附林冠的干沉降和空气中的胶体颗粒，或进行蒸发升华，在风力及自重作用下落入林下，使林下积雪某些离子浓度发生改变。

2.1.1 不同林型内积雪阴离子浓度特征

对不同林型内的积雪进行取样分析，结果表明：不同林型内积雪阴离子Cl-质量浓度从大到小依次为樟子松林（2.32mg/L）、白桦次生林（1.81mg/L）和兴安落叶松林（1.58 mg/L）为樟子松林（5.79 mg/L）、白桦次生林（4.97 mg/L）和兴安落叶松林（4.68 mg/L）为樟子松林（6.54 mg/L）、白桦次生林（5.68 mg/L）和兴安落叶松林（5.51 mg/L），为樟子松林（1.05mg/L）、白桦次生林（0.87mg/L）和兴安落叶松林（0.75 mg/L），由此看出，郁闭度最大的樟子松林内积雪阴离子含有量最大，原因可能是樟子松作为常绿针叶树种，林冠可反射更多的太阳辐射，林下所形成低温环境有利于积雪养分的累积[3]。白桦次生林冬季郁闭度几乎为零，加之外界对林内积雪养分输入影响较大，以致白桦次生林内积雪的离子含量介于上述二者林型之间。

2.1.2 不同林型内积雪阳离子浓度特征

图1 不同林型内积雪阴离子浓度特征

除了Mn外，不同林型内积雪阳离子质量浓度从大到小依次表现为樟子松林、白桦次生林和兴安落叶松林，其中质量浓度从大到小依次为小樟子松林（1.19 mg/L）、白桦次生林（0.92 mg/L）和兴安落叶松林（0.78 mg/L）为樟子松林（0.41 mg/L）、白桦次生林（0.31 mg/L）和兴安落叶松林（0.28 mg/L），K+为樟子松林（1.36 mg/L）和白桦次生林（1.15 mg/L）和兴安落叶松林（0.99 mg/L），原因可能是樟子松对降雪的截留量较大，被截留的降雪在落入林内过程中，会吸附更多树冠灰尘，白桦次生林透风系数较大，对积雪进行养分再次输入，使源于岩石风化的阳离子的质量浓度明显高于兴安落叶松林，而Mn质量浓度从大到小依次为白桦次生林（0.13 mg/L）、樟子松林（0.11 mg/L）和兴安落叶松林（0.092 mg/L）。由此看出，樟子松林内积雪质量浓度最大，白桦次生林次之，兴安落叶松林内积雪离子浓度最小。方差分析结果表明，不同林型内积雪中和Mn无显著差异显著性水平(P＜0.05)，而达到极显著水平(P＜0.01)。终上所述，樟子松林内积雪可吸附更多的陆源性盐类，减弱阴离子的挥发，而白桦次生林对积雪化学特征的影响次之，兴安落叶松林最弱，由此看出大兴安岭北部不同林型对积雪养分的积累起着互补作用。

2.2 流域内融雪径流化学特征

林内积雪随着气温的回升而融化，产生的融雪径流逐渐汇入河川，溪流化学的本质反映着森林流域生态系统行为特征和系统结构，融雪径流中离子质量浓度从大到小依次为(15.21 mg/L)、(2.24 mg/L)、(0.38 mg/L)和Mn(0 mg/L)。融雪径流形成过程中，因融雪径流初期流速缓慢[5]，土表进行反复的冻融循环，融雪径流接触地表时间较长等原因，融雪水会携带土壤中大量离子释放到溪流中，加之积雪中80%的化学物质将于融雪径流峰值前期会集中排出[8]，导致融雪径流初期溪流离子质量浓度相对较高，溪流离子质量浓度于4月18日前后分别达到峰值(图4)。

图2 不同林型内积雪阳离子浓度特征

随着气温的升高，地表径流汇入河川的速率逐渐加快，融雪径流与土壤接触时间缩短，加之林内积雪含量减少，致使河川融雪径流中的离子质量浓度呈下降规律，其中的质量浓度降幅最大，由4月16日的1.33 mg/L波动减小到5月2日的0.13 mg/L，降幅高达90.47%，阳离子中的变化量也较大，降幅分别为70.56%和62.51%，而降幅最小，由4月16日的1.34 mg/L波动减小到5月2日的1.16 mg/L，降幅仅为12.87%。随着季节性冻土融化深度的加大，春季降雨的发生，壤中流会淋融更多土壤化学元素等原因，河川融雪径流中化学元素的质量浓度呈不同幅度的上升规律，其中质量浓度涨幅最大，由最小值7.52 mg/L波动增加到5月9日的20.59 mg/L，增加了1.74倍，次之，由最小值0.13mg/L波动增加到5月9日的0.61 mg/L，增加了1.66倍最小，由最小值1.16 mg/L波动增加到5月9日的1.41mg/L，仅仅增加了0.21倍。

2.3 流域内雪水化学成分的变化

大兴安岭北部河川融雪径流是森林流域内积雪融化后的地面输出水，若以融雪径流化学成分输出量与林内积雪学成分储存量的比值（迁移系数）为平衡界限[9]，比值若小于1，则河川融雪径流中的化学成分相对于积雪为内贮型，即积雪中部分离子在森林生态系统内被吸收贮存，若大于临界值，则为淋失型，即融雪径流侵蚀土壤而增加了融雪径流化学成分含量，使输出含量大于储存量。大兴安岭春季林内积雪所形成的融雪径流中4种离子表现为淋失型，分别是迁移系数依次为15.84、3.79、2.04和1.93，说明冬季降雪和春季融雪径流对林冠层、植物凋落物以及土壤具有较强的淋溶作用，尤其对阳离子的淋溶能力较强，其中对的淋溶迁移能力最强。而阴离子和Mn表现为内贮型，迁移系数均小于1，迁移系数分别0.57、0.43、0.35和0，说明冬末春初森林生态系统对积雪所形成的融雪径流中的阴离子具有较强的吸附能力。

图3 融雪径流化学特征

表1 融雪径流相对积雪化学浓度的迁移量和迁移系数

3 结论与讨论

3.1 冬季大兴安岭北部高寒地区，林内积雪几乎不融化，降雪养分以及沉降在积雪层中的杂质可累积保留到春季，研究发现流域内积雪离子质量浓度从大到小依次为(0.33 mg/L)和Mn(0.011 mg/L)。然而受不同林型对降雪的截留量以及削减风沙输入量不同等多重原因，导致樟子松林内积雪对离子富集量最大，对Mn的涵养能力也仅次于白桦次生林，而兴安落叶松林对积雪养分的涵养能力最弱，白桦次生林居中，说明在林内积雪养分涵养方面，流域内的樟子松林、白桦次生林对地带性植被兴安落叶松林是一种有效弥补，但如何对森林生态系统进行最优配置，使流域内积累更多冬季降雪养分，仍有待进一步研究。

3.2 春季随着气温回升积雪逐渐融化，林内积雪养分含量会伴随融雪水渗出雪层而发生变化，融雪径流形成过程融雪水与枯落物层、土壤表层直接接触，随着植被逐渐萌动，植被对液态水的吸收等一系列的生理作用，致使融雪径流养分含量发生变化。河川融雪径流中离子含量从大到小依次为(0.38 mg/L)和Mn(0 mg/L)，其中阳离子为主，这一结果与李华[11]等对凉水国家级自然保护区溪流水化学的研究一致。受融雪径流速率、流域积雪含量、冻土解冻深度以及春季降雨的影响，融雪径流中离子质量浓度均表现出“先减小后增大”的规律，其中和质量浓度变化较剧烈的变化量最小。融雪径流中表现为淋失型，其中的流失量最大，迁移系数高达15.84，大兴安岭北部生态系统对融雪径流养分具有一定的贮滤功能[13]，其中对和Mn的吸收吸附能力较强，致使溪流中上述离子含量相对积雪有所减小。

［1］常娟，王根绪，高永恒，等.青藏高原多年冻土区积雪对沼泽、草甸浅层土壤水热过程的影响［J］.生态学报，2012，32(23)：7 289-7 301.

［2］刘海亮，蔡体久，闫丽，等.不同类型原始红松林对降雪融雪过程的影响［J］.水土保持学报，2010，24(6)：24-27+ 31.

［3］关俊祺，蔡体久，满秀玲.小兴安岭不同类型人工林积雪化学特征［J］.北京林业大学学报，2013(4):41-46.

［4］李杰，王晓辉，蔡体久，等.西沟水库流域融雪效应［J］．东北林业大学学报，2002，30(2):69-72．

［5］李华，蔡体久，盛后财，等.凉水自然保护区雪化学特征分析［J］.水土保持学报，2008(2):107-110+165.

［6］张国春，刘琪璟，徐倩倩，等.长白山高山苔原带雪斑地段牛皮杜鹃群落的土壤氮矿化与净初级生产力［J］.应用生态学报，2010(9):2 187-2 193.

［7］殷睿，蒋先敏，徐振锋，等.季节性雪被对川西亚高山岷江冷杉林冬季土壤氮矿化和淋溶的影响［J］.水土保持学报，2013(5):138-143.

［8］李华，盛后财，武秀娟，等.凉水国家级自然保护区溪流水化学特征分析［J］.中国水土保持科学，2007(6):70-75.

［9］罗韦慧,满秀玲,田野宏,等.大兴安岭寒温带地区森林流域溪流水化学特征［J］.水土保持学报，2013(5):119-124.

第1作者简介：朱宾宾（1991-），男，硕士研究生，工程师，研究方向为荒漠化防治与森林水文。

（责任编辑：张亚楠）

Chemical Characteristics of Snowpack and Snowmelt-runoff in Forest Watershed in Northern Region of Greater Xing，an Mountains

ZHUBinbin
（Northeast Forestry University,HeilongjiangHarbin150040）

In order to reveal characteristics of snow-chemistry in forest-watershed in boreal，the samples of snowpack in forest-watershed and snowmelt-runoff in stream were collectedduring March 2014 to May 2015 in the northern region of Greater Xing，an Mountains,weanalysed the ion-concentrations of all samples to provide scientific basises for correctly evaluating water-conservation function of forest-ecosystem in boreal. The results were shown as the followings:1)In forest watershed,the concentration of snowpack-ions from large to small was consecutively(5.91 mg/L)(5.15 mg/L)(1.90 mg/L)、(1.16 mg/L)、(0.96 mg/L)(0.89 mg/L)、(0.33 mg/L)and Mn(0.011 mg/L),and different forest types had different influences on the chemical-characteristics of snowpack in forest-ecosystem,Pinus sylvestris forest was the largest,Birch forest was second,and Larix gmelini forest was the least.2)The concentration ofandin all ions of snowmelt-runoff was the largest,the two accounted for about 78.50%,andshowed leaching-migration,migration quantity ofwas the largest,migration coefficient was 20.01, however,and Mn showed internal storage migration.

Greater Xing′an Mountains;Forest watershed;Snow chemistry;Snowpack;Snowmelt-runoff

S717.1,S714.7

A

1001-9499（2016）06-0053-04

满秀玲（1964-），女，教授，主要从事水土保持研究工作。

2016-09-20

*国家自然科学基金项目（31370460）