全 文 ：第 34 卷第 23 期
2014年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.23
Dec.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(20110014120001); 国家自然科学基金项目(31100515)
收稿日期:2013鄄03鄄05; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wangyunqi@ bjfu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201303050351
唐晓芬,王云琦,王玉杰,郭平,胡波,孙素琪.水文过程对缙云山径流盐基离子变化特征的影响.生态学报,2014,34(23):7047鄄7056.
Tang X F, Wang Y Q, Wang Y J, Guo P, Hu B, Sun S Q.Influence of hydrological processes on the runoff variation of base cations in Jinyun Mountain.
Acta Ecologica Sinica,2014,34(23):7047鄄7056.
水文过程对缙云山径流盐基离子变化特征的影响
唐晓芬,王云琦*,王玉杰,郭摇 平,胡摇 波,孙素琪
(北京林业大学水土保持学院, 北京摇 100083)
摘要:通过选取缙云山针阔混交林(马尾松伊四川大头茶)和常绿阔叶林(四川大头茶伊四川山矾)内 2 个标准径流小区,结合野
外观测和室内分析研究降雨及径流的化学性质径流盐基离子变化特征,为该地区水环境保护提供依据。 结果表明:1)针阔混
交林与常绿阔叶林中 pH值变化趋势相同均为:地表径流>壤中流>大气降水。 pH与降雨量之间存在显著相关关系。 2)在大气
降雨鄄地表径流鄄壤中流过程中,NH+4 的地表径流及壤中流输出总量小于降雨输入量,表明了土壤对 NH
+
4 有一定的吸附持留能
力。 其他盐基离子径流输出量均高于大气降雨的输入量,且主要以壤中流输出为主,元素发生流失。 从盐基离子总量来看,径
流输出量均增加:针阔混交林(2.86 kg / hm2),常绿阔叶林(2.47 kg / hm2),说明在两种林分内养分均流失。 (3)K+、Ca2+、Mg2+和
Na+盐基离子输出量与径流量之间存在相关关系,随着径流量的增大径流输出量增加。 而 NH+4 输出量与径流量之间的相关性
不明显,说明了 NH+4 的变化除受径流量的影响外,可能还受微生物、季节等其他因素的影响。
关键词:缙云山; 地表径流; 壤中流; 盐基离子
Influence of hydrological processes on the runoff variation of base cations in
Jinyun Mountain
TANG Xiaofen, WANG Yunqi*, WANG Yujie, GUO Ping, HU Bo, SUN Suqi
Soil and Water Conservation College, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
Abstract: By selected two standard runoff plots of Mixed conifer (Pinus massoniana 伊 Gordonia acuminata) and Evergreen
broad鄄leaved forest (Gordonia acuminata 伊 Symplocos setchuanensis) in Jinyun Mountain, combined with field observations
and laboratory analysis of rainfall and runoff chemical properties, conducts a study about the runoff variation of base cations
in the hydrological process to provide a basis for the protection of the water environment in this region. The results show
that: (1) pH value in Mixed coniferous and evergreen broad鄄leaved forest have the same trends: surface runoff > interflow>
precipitation. There is significant correlation between pH and rainfall.(2) In rainfall鄄surface runoff鄄interflow process, the
sum of NH+4 surface runoff output and interflow output is less than the amount of rainfall input, indicating that the soil have
a certain of retain the ability of NH+4 to make it loss less. While the runoff outputs of other base cations are higher than
rainfall input and element loss, respectively. In terms of the total amount of base cations, compared to the rainfall the runoff
output of base cations increased:mixed coniferous (2.86 kg / hm2), evergreen broad鄄leaved forest (2.47 kg / hm2), which
indicates that there is a loss of base cations in the evergreen broad鄄leaved forest and the mixed coniferous. ( 3) It has
correlation between the runoff output of base cations (K+, Ca2+, Mg2+ and Na+) and the amount of runoff, respectively,
which mean the output of cations rise with the increase of runoff. While that of NH+4 has no obvious correlation between the
output runoff. In addition to the impact of runoff, the changes of NH+4 may also be affected by other factors such as micro鄄
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organisms, season and so on.
Key Words: Jinyun Mountain; surface runoff; interflow; base cations
摇 摇 森林不仅会影响水量分配,对水中元素还具有
物理的、化学的、生物的吸附、调节和滤贮的能力,从
而影响水的化学特征。 亚热带生态系统养分的主要
来源于土壤和枯落物。 由于生态系统中水分运动的
途径会影响系统内养分的迁移。 土壤养分的迁移不
仅造成土壤退化,土地生产力水平逐渐降低,而且会
加速地表水体的富营养化等[1鄄3]。
从降雨降落到地面产生地表径流和壤中流水文
过程中,经过森林冠层、枯落物层、土壤层的作用,其
水化学性质会发生不同程度的变化。 水体通过淋溶
枯落物层及土壤中的交换性盐基离子,使其进入地
表经流从森林生态系统中流出,造成森林生态系统
生产力下降和环境退化[4鄄6]。 由于枯落物的水分蓄
持能力[4]和土壤水分入渗[5]作用,森林能够减少径
流量和土壤养分的流失。 目前国内外关于径流中养
分的研究集中在氮和磷等方面[6鄄11],并且主要在红
壤及紫色土地区养分流失特征的研究,而对径流中
的盐基离子研究很少[12鄄15]。 缙云山位于重庆酸雨
区,森林生态系统受到酸雨影响严重。 酸雨主要通
过作用于土壤来危害生态系统。 土壤酸化导致土壤
物理化学性质的变化,会引起使土壤养分 Ca、Mg、K
等的流失[16鄄17]。 基于水文过程研究缙云山具有代表
性的森林群落针阔混交林和常绿阔叶林内的地表径
流及壤中流中盐基离子流失特征,旨在探明缙云山
水文过程中营养盐流失特征,并探讨林分养分流失
对径流水质的影响。
1摇 研究区概况
试验地位于重庆市缙云山国家级自然保护区
内, 地理位置东经 106毅22忆、北纬 29毅49忆,海拔 350—
951.5m。 属亚热带季风湿润性气候特征,年平均降
水量 1611.8mm,最高年降水量 1683.8mm。 相对湿
度年平均值为 87%,降雨主要发生在 4—8 月,降水
量 1243.8mm,占全年的 77.2%;缙云山多雾,日照时
数少,年平均雾日数高达 89.8d,年平均日照时数则
低于 1293h。 缙云山地形平缓,土层深厚,土壤肥力
高,以三叠纪须家河组厚层石英砂岩、灰质页岩和泥
质页岩为木质风化而成的酸性黄壤土为主。 实验研
究林总面积约为 33.5hm2。 保护区主要树种为四川大
头 茶 ( Gordonia acuminata )、 杉 木 ( Cunninghamia
lanceolata )、马尾松 (Pinus massoniana)、四川山矾
( Symplocos setchuanensis )、 四 川 杨 桐 ( Adinandra
bockiana)、广东山胡椒(Lin鄄dera kwangtungensis)、毛
竹 ( Phyllostachys pubescens )、 细 齿 叶 柃 ( Eurya
nitidaKorthals)、白毛新木姜子(Neolitea aurata)等。
缙云山研究地理位置图 1所示。
图 1摇 缙云山位置示意图
Fig.1摇 Jinyun Mountain site exhibition in Chongqing
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2摇 研究方法
2.1摇 降雨及径流量观测
实验样地选取针阔混交林、常绿阔叶林两种林
分(表 1)内 5m伊20m的标准径流小区。 研究区林外
空旷地设置全自动气象站 1 个具有 CR10X 数据采
集器,其中以 TE525MM雨量计记录降雨量。 小区四
周围墙高出地面约 0.8m,深度均达到母岩层。 地表
流和壤中流集流槽设置在小区坡面下缘,垂直于径
流流向,长度与径流小区宽度一致,宽高均为 24cm。
其上缘与小区坡地地面同高且水平,槽身由两端向
下中心倾斜,以不产生泥沙为准。 集流槽上、下端有
混凝土浇筑的挡墙,墙体留有过水孔。 在径流小区
内,降雨产生的地表径流与壤中流在集流槽聚集,水
流通过集流槽下端导管进入观测房。 观测房配有
T9801型多通道微电脑全自动翻斗式流量计(10 次 /
min的翻斗容量为 37.19mm),自动监测记录地表径
流和壤中流数据。
表 1摇 各林地的基本情况
Table 1摇 The Basic information of plots
林分类型
Forest types
主要树种
Main tee
secies
伴生树种
Associated
tee secies
主要地被物
Main gound
cover
平均胸径
Average
DBH / cm
平均树高
Average
hight / m
龄级
Age
class
郁闭度
Canopy
dnsity
林分密度
Stand
dnsity /
(株 / hm2)
坡度 / (毅)
Slope
坡向
Slope
oientation
土壤深度
Soil
dpth / cm
针阔混交林
Mixed conifer
马尾松(Pinus
massoniana)伊
四川大头茶
(Gordonia
acuminata)
杉木
(Cunninghamia
lanceolata ),
四川杨桐
(Adinandra
bockiana),
四川山矾
(Symplocos
setchuanensis)
里白
(Diplopterygium
glauca),淡竹叶
(Woodwardia
japonica)
8.2 7.3 遇 0.8 1510 21 NW 86
常绿阔叶林
Evergreen boad鄄
leaved forest
四川大头茶
(Gordonia
acuminata)伊
四川山矾
(Symplocos
setchuanensis)
细齿叶柃(Eurya
nitidaKorthals),
白毛新木姜子
(Neolitea aurata)
摇 摇
里白
(Diplopterygium
glsucum),
狗脊蕨
(Lophatherum
gracile Brongn)
10.22 12.74 遇 0.7 2200 26 NW 98
2.2摇 样品采集及分析方法
在针阔混交林、常绿阔叶林实验样地内收集
2012年 4—9月内 8 场典型降雨、地表径流及壤中
流。 在样地附近空旷处,放置自记雨量计筒,收集大
气降雨。 在径流小区观测房流量计出水口处放置塑
料桶收集地表径流及壤中流,各采集 500 mL装入塑
料细口瓶内,在 5益下保存以备检测。 监测项目包括
pH值、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH+4。 检测 pH 值采用电
极法,样品经 0.45 滋m 的微孔滤膜过滤后,K+、Na+、
Ca2+、Mg2+的浓度用原子吸收光谱仪测定,用比色分
光光度法测定 NH+4 的浓度。
降雨及径流内的离子通量根据公式(1)计算。
F =
C i·Vi
100
(1)
式中, F 为离子通量 ( kg / hm2 ) C i 为离子浓度
(mg / L), Vi为降雨量或径流量 ( mm), i 为 SO2
-
4 、
NO-3、K
+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH+4。
采用 SPSS18. 0 和 Excel 软件分析数据并处理
图表。
3摇 结果分析
3.1摇 林分水文过程分析
从表 2中可以看出,选取的 8 次降雨量范围在
9.2—30.6mm之间,降雨强度为 0.62—2.45mm / h,包
括小雨到暴雨等级的典型降水。 与常绿阔叶林相
比,针阔混交林中平均地表径流量较高,壤中流量较
低[18]。 针阔混交林地表径流系数在 0. 023—0. 080
之间,壤中流系数在 0.136—0.627 之间。 常绿阔叶
林地表径流系数在 0.006—0.198 之间,壤中流系数
在 0.281—0.859之间。 地表径流主要受地表覆盖物
和土壤物理性质(包括郁闭度、土壤有效蓄水量、枯
落物厚度等)和降雨因子(包括降雨量、降雨历时、降
9407摇 23期 摇 摇 摇 唐晓芬摇 等:水文过程对缙云山径流盐基离子变化特征的影响 摇
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雨强度等)的影响。 壤中流主要受土壤结构特征(包
括土壤非毛管孔隙度和最大持水量等)的影响。 因
此,不同林分内的径流特征是不同的。
表 2摇 降雨及径流特征
Table 2摇 The characteristics of Rainfall and runoff
序号
No.
降雨 / mm
Rainfall
降雨强度
Rainfall
intensity
/ (mm / h)
针阔混交林
Mixed conifer
地表径流 / mm
Surface runoff
壤中流 / mm
Interflow
常绿阔叶林
Evergreen broad鄄leaved forest
地表径流 / mm
Surface runoff
壤中流 / mm
Interflow
1 21.20 1.23 0.82 5.05 0.30 6.27
2 13.60 0.27 1.09 1.84 1.36 10.23
3 21.80 1.31 0.90 10.2 0.70 12.70
4 12.40 0.62 0.53 2.00 2.46 10.11
5 21.40 2.37 1.43 10.27 0.13 6.01
6 9.20 0.55 0.21 2.96 0.08 4.09
7 30.60 2.45 0.89 10.10 0.24 19.90
8 20.40 1.88 1.12 12.80 0.28 12.15
3.2摇 水文过程对 pH值的作用
从图 2 中可以看出,大气降水的 pH 值为 5.25
属于酸性降雨。 在大气降雨鄄地表径流鄄壤中流过程
中 pH值变化趋势为:地表径流>壤中流>大气降水。
与降雨 pH值相比,针阔混交林地表径流和壤中流的
pH值分别平均升高了 42.86%、35.05%,常绿阔叶林
地表径流和壤中流的 pH 值各升高了 32. 57%、
18郾 29%,说明土壤及枯落物对酸雨有一定的缓冲作
用,使地表径流及壤中流的 pH值上升。 针阔混交林
对酸雨的缓冲作用高于常绿阔叶林。
对降雨量和 pH进行回归分析(图 3),发现降雨
量与 pH值之间存在明显的指数关系,其拟合方程的
决定系数 R2 = 0.539,且达到了显著水平(P <0.05,
n= 8)。 表 3也指出降雨强度与 pH之间也存在一定
的正相关关系(R = 0.583,n = 8),说明该地区 pH 值
的大小随着降雨量增加和降雨强度的增大而上升。
重庆市大气污染严重,主要污染物为 SO2、NOx 等酸
性气体。 降雨过程中,SO2、NOx 等溶于水产生 H
+导
致降水 pH值降低,当降雨量增加 H+浓度降低,从而
pH值上升。
两种林分内径流的 pH 与径流系数之间没有明
显的相关关系(表 3)。 针阔混交林内径流 pH 与地
表径流径流系数和壤中流系数相关系数分别为
-0.500、0.145,常绿阔叶林中相关系数也较小分别为
0.328、0.014。 说明降雨通过枯落物层及土壤层形成
径流的过程中,pH值维持在相对稳定的范围内尤其
是在壤中流中。 pH的变化受径流流量影响较小,主
要受枯落物及土壤的酸缓冲作用影响。
图 2摇 各林分 pH值的变化
Fig.2摇 The change pH of different forest stand
图 3摇 pH值和降雨量之间关系
Fig.3摇 The relationship between pH and rainfall
0507 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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表 3摇 pH值与降雨及径流特征之间的相关系数
Table 3摇 Correlation coefficient of pH value with precipitation and runoff characteristics
林分类型
Stand types
相关指标
Related
indicators
林外空旷地
Open area
降雨量
Rainfall
降雨强度
Rainfall
intensity
针阔混交林
Mixed conifer
地表径流系数
Surface runoff
coefficient
壤中径流系数
Interflow
coefficient
常绿阔叶林
Evergreen broad鄄leaved forest
地表径流系数
Surface runoff
coefficient
壤中径流系数
Interflow
coefficient
样本数
Number
n
pH 0.733 0.583 -0.500 0.145 0.328 0.014 8
3.3摇 水文过程对盐基离子的影响
盐基离子是植物生长所必需的营养元素,主要
包括 Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH+4 等碱性阳离子。 在酸
雨的作用下,吸附在森林土壤胶体上的交换性盐基
离子同 H+发生反应,置换出盐基离子进入径流中,
从而降低酸雨对土壤的危害[17]。 林分内地表枯落
物的分解作用产生的盐基离子也会随着降水淋滤到
径流中,增加了径流中离子的浓度,造成了盐基离子
的损失。
3.3.1摇 对 Ca2+的影响
由图 4可知,在降雨鄄地表径流鄄壤中流过程中,
林分内 Ca2+输出量均表现为壤中流>地表径流。 针
阔混交林中 Ca2+在地表径流中输出量最小为 0.138
kg / hm2,壤中流中最大为 1.854kg / hm2。 Ca2+降雨输
入了 0.690 kg / hm2,总的径流输出约是降雨输入的
2.89倍。 这可能是由于枯落物的分解和土壤的的风
化产生 Ca,降雨经过枯落物层及土壤层后淋滤出
Ca2+使得径流输出量增多。 常绿阔叶林中 Ca2+地表
径流(0.134 kg / hm2) <降雨(0.690 kg / hm2) <壤中流
(2.142 kg / hm2)。 总的径流输出量比降雨输入量增
加了 1.586 kg / hm2。
通过与地表径流和壤中流径流量进行拟合分析
(表 4),发现两种林分内 Ca2+输出量与径流量呈指
数相关。 针阔混交林中拟合决定系数分别为 0.822、
0.879,常绿阔叶林中拟合决定系数分别为 0. 839、
0郾 609。 说明两种林分内 Ca2+输出量随着径流量的
增加而增加。 常绿阔叶林与针阔混交林都处于 Ca
流失状态影响森林健康。 Ca 含量升高会造成水体
硬度变大,当径流汇入河流后引起河流水质变化。
3.3.2摇 对 Mg2+的影响
由图 4可知,Mg2+的变化情况与 Ca2+相似,Mg2+
的降雨输入量为 0.079 kg / hm2,输出主要以壤中流
输出为主。 针阔混交林和常绿阔叶林总径流输出比
降雨输入分别增加了 19.03%、89.29%,说明常绿阔
叶林中 Mg2+流失量高于针阔混交林。 通过与地表径
流和壤中流径流量进行拟合分析(表 4),发现 Mg2+
径流输出量与径流量之间呈显著指数相关。 针阔混
交林(R2 = 0.584,0.901;P <0.05),常绿阔叶林中的
相关性(R2 = 0.736,0.963;P <0.01),说明 Mg2+的输
出量会随着径流量的增加而增大。 水体内 Mg 的含
量对水体硬度也有一定的影响,因此 Mg的流失会影
响森林健康、径流水质及森林生态系统的养分平衡。
3.3.3摇 对 K+的影响
由图 4 可知,大气降雨输入了 0.199 kg / hm2 的
K+,K+输出主要以壤中流输出为主。 针阔混交林总
径流输出约是降雨输入的 2.66 倍,阔叶林是降雨输
入的 1.15倍。 这可能是由于枯落物的分解和土壤的
的风化产生 K,降雨经过枯落物层及土壤层后发生
淋滤作用造成 K+径流输出量增多。 K+径流输出量
与径流量之间呈指数相关(表 4),在针阔混交林中
相关性显著(P<0.05),地表径流和壤中流的相关性
R2均为 0.685,其含量随着径流量的增加而增大。 常
绿阔叶林相关性较低(P>0.05),地表径流和壤中流
的相关性 R2分别为 0.485、0.455,说明常绿阔叶林中
壤中流 K的输出除受径流量影响外,可能还受土壤
内钾氧化物含量及溶解状况等其他因素的影响。 由
于 K的溶解度高,径流量越大其溶解量越大,导致林
分土壤内 K的损失量增大,从而影响植物对 K 的吸
收利用,并影响径流水质。
3.3.4摇 对 Na+的影响
从图 4可知,在降雨鄄地表径流鄄壤中流水文过程
中,Na+降雨输入量和径流输出量都较低。 大气降雨
输入量为 0.107 kg / hm2,针阔混交林和常绿阔叶林
总的径流输出约比降雨输入分别增加了 0郾 126、
0郾 044 kg / hm2。 这可能是由于枯落物的分解作用,
降雨通过枯落物层及土壤层后淋滤出 Na+,造成径流
内 Na+增多。 由表 4 可知,Na+径流输出量与径流量
之间呈指数相关,而常绿阔叶林 Na+在壤中流中的相
1507摇 23期 摇 摇 摇 唐晓芬摇 等:水文过程对缙云山径流盐基离子变化特征的影响 摇
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关性不明显(P >0.05),说明常绿阔叶林 Na+输出量
还受其他因素的影响,如土壤内 Na 的含量等。 在两
种林分内 Na径流输出量大于降雨输入量,都发生了
养分流失。
3.3.5摇 对 NH+4 的影响
由图 4可知,针阔混交林与常绿阔叶林中 NH+4
的降雨输入远大于总径流输出,降低幅度分别为
94郾 08%、95.10%。 对 NH+4 输出量与地表径流和壤中
流径流量进行拟合分析(表 4),两种林分中 NH+4 输
出量与径流量之间无明显的相关性。 这可能是由于
地表径流中 NH+4 来源比较复杂,主要来自林冠层大
气沉降及代谢产物淋洗和枯落物的分解,在形成径
流阶段截留了部分的 NH+4 或矿化为 NO3鄄N,减少了
NH+4 的淋失。 壤中流中 NH
+
4 输出量的变化与枯落
物或土壤中氮含量等多种因素有关。 由于氮含量增
大是水体富营化重要原因之一,径流内 NH+4 的减
少,降低了水体富营养化的风险。
3.3.6摇 对盐基离子总量的影响
由图 4可知,针阔混交林中盐基离子总量在地
表径流输出量为 0.283 kg / hm2,壤中流为 2.58 kg /
hm2。 降雨输入 0.929 kg / hm2,径流输出较降雨输入
增加了约 3.1倍。 这可能是由于枯落物的分解和土
壤的的风化产生,降雨经过枯落物层及土壤层后淋
滤作用使得径流输出量增多。 常绿阔叶林中所有盐
基离子径流输出增加了 3.238 kg / hm2。 可以看出,
针阔混交林中总的盐基离子输出量要大于常绿阔叶
林输出量,说明针阔混交林对保持土壤肥力的能力
较差,且两种林分内养分均流失,影响森林养分循环
及平衡。 径流内盐基离子含量的增加也会造成水体
污染,影响生活、工业及灌溉用水。
表 4摇 各盐基离子含量与径流量之间的拟合分析
Table 4摇 The fitting analysis between base cations content and runoff
离子
Ions
类型
Types
针阔混交林
Mixed conifer R
2 P n
常绿阔叶林
Evegreen broadleaves
forest
R2 P n
Ca2+ 地表径流 y= 0.025e1.714x 0.822 0.005 7 y= 0.022e1.460x 0.839 0.001 8
壤中流 y= 0.287e0.221x 0.879 0.021 7 y= 0.660e0.2x 0.609 0.038 7
Mg2+ 地表径流 y= 0.001e1.815x 0.584 0.045 7 y= 0.001e1.654x 0.736 0.006 8
壤中流 y= 0.023e0.163x 0.901 0.001 7 y= 0.051e0.092x 0.963 0 7
K+ 地表径流 y= 0.011e2.139x 0.685 0.022 7 y= 0.013e1.056x 0.485 0.055 8
壤中流 y= 0.054e0.235x 0.685 0.022 7 y= 0.089e0.058x 0.455 0.077 7
Na+ 地表径流 y= 0.002e2.248x 0.646 0.029 7 y= 0.002e1.241x 0.515 0.045 8
壤中流 y= 0.032e0.201x 0.648 0.029 7 y= 0.061e0.065x 0.485 0.124 6
NH+4 地表径流 y= 0.001e1.689x 0.277 0.361 5 y= 0.000e1.158x 0.248 0.314 6
壤中流 y= 0.007e-0.07x 0.042 0.698 6 y= 0.003e0.116x 0.236 0.406 5
图 4摇 各盐基离子在水文过程中含量的变化情况
Fig.4摇 The variation of base cations during hydrological processes
2507 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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4摇 结论与讨论
4.1摇 讨论
4.1.1摇 水文过程中 pH值的变化
本研究指出大气降雨 pH 值与降雨量之间存在
显著的相关性,而冯延文等人指出降雨量的不同也
会造成大气降水化学性质的差异[18]。 刘鸿雁等人
在缙云山的研究中指出 pH 值的变化主要受水体中
盐基离子浓度的影响,尤其是 Ca2+浓度。 地表径流
及壤中流中 Ca2+浓度分别增加了 2—3 倍和 3—7
倍,影响径流 pH 值的变化[19]。 本研究中地表径流
中 Ca2+浓度增加了约 3—11倍,壤中流中增加了 4—
12倍,地表径流和壤中流中 pH 值明显上升。 与刘
鸿雁的研究相比,pH 增加幅度在壤中流中相近,而
地表径流中相差较大,可能是由于土壤类型相同且
性质稳定而地表凋落物覆盖及分解程度不同等造成
的。 万睿等人在三峡库区水化学循环中也发现降水
形成径流后 pH值升高,并指出可能是由于土壤层枯
枝落叶的分解物及土壤内的盐基离子逐渐被淋溶到
地表径流中,从而 pH值上升[20鄄21]。 壤中流 pH 值低
于地表径流,可能是由于元素在水分作用向下迁移,
土壤下层的盐基含量要高于土壤上层,因而缓冲能
力增加引起的。 缙云山地区降水多属于酸性降水,
经过森林生态系统的作用后,径流 pH 值上升至
6郾 2—7.5之间,从而不会危害水生生物的健康和人
类饮用水水质。
4.1.2摇 对盐基离子损失的影响
(1)Ca2+和 Mg2+
通过水文过程可以看出,Ca2+径流输出量明显
大于降雨输入,当径流量增大损失会增加。 这与吴
飞华等人关于钙在森林生态系统中流失研究结果一
致[22]。 张胜利等人在秦岭地区的研究中指出径流
输出的 Ca2+和 Mg2+量增加,且 Ca2+和 Mg2+主要来源
于土壤、岩石及林冠层、枯落物层[23]。 当水硬度过
大时,易使人患暂时性胃肠不适、肾结石、脑血管等
疾病,影响人类健康。 因此,缙云山径流中 Ca、Mg等
主要盐基离子的流失,主要影响水的硬度和矿化度,
同时其长期流失会导致森林生态系统营养失衡和影
响人类活动用水。
(2)K+
K+是植物生长必需的重要营养元素,其流失会
影响植物的健康生长。 研究地内 K+的输出量大于
输入量,而任青山等人指出在藏东南冷杉原始林中
K+被吸附滞留在凋落物或土壤中,其输出量小于输
入量[24]。 这与本研究存在一定的差别,可能是由本
研究中降雨数据较少产生的误差。 针阔混交林地表
径流输出量与地表径流量之间存在指数关系,与谭
家得等关于湿地松林地表径流研究结果一致,指出
径流量是决定 K 流失量的主要因子[25,26]。 此外,李
俊波等人指出 K流失量还受到降雨强度、地形坡度。
地表覆盖度的影响[27]。
(3)Na+
Na+属于比较稳定的离子,主要来源于海洋。 通
过水面蒸发和海浪飞沫向大气中输入含 Na 的物质,
并且迁移到陆地以干沉降和湿沉降的形式落到地表
下垫面上[28]。 缙云山处于内陆地区远离海洋,缺少
海洋输送,因而该地降雨中的 Na+含量较小。 两种林
分径流输出中 Na+含量都增加,张胜利指出森林中水
体土壤是 Na+的主要来源,此外,有人指出枯落物也
有一定的影响[23,29]。 刘鸿雁等人在缙云山研究中也
发现 Na+的径流输出浓度大于降雨输入[19],而万睿
等人的研究表明径流中 Na+含量增加不明显[20]。 与
K+相同的是在水文过程中 Na+损失还受到降雨量、
降雨强度及地表覆盖度等的影响[27]。
(4)NH+4
NH+4 是植物生长不可缺少的营养元素之一。 张
兴昌、黄河仙等人的研究中都指出氮素流失,并探讨
了不同植被覆盖类型对氮流失的影响,植被覆盖度
大的地区养分流失较少[21,30]。 任青山等人指出 NH+4
降雨输入小于径流输出,会造成元素流失和土壤生
产力的衰退[25]。 而本研究中针阔混交林及常绿阔
叶林内 NH+4 的降雨输入量大于径流输出量,这可能
是由于本实验处于植物生长季节,对氮素的吸收作
用强烈或一部分的铵态氮在微生物作用下转化为硝
态氮形式流失。 此外,土壤对 NH+4 也具有一定的净
化作用[23,30]。
(5)盐基离子总量
酸雨对森林生态系统影响主要作用在土壤上,
盐基离子径流输出量因森林土壤中交换态盐基离子
的淋失而增加。 Ca2+、Mg2+、K+、Na+径流输出量与径
流量之间存在指数关系,随着径流量的增大,林分土
壤中盐基离子流失量也越大,径流汇入河流、湖泊后
3507摇 23期 摇 摇 摇 唐晓芬摇 等:水文过程对缙云山径流盐基离子变化特征的影响 摇
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影响其水质。 刘鸿雁等人发现径流中盐基离子与土
壤交换性盐基离子之间存在负相关关系,但显著性
不明显,地表径流化学成分受土壤和枯落物分解的
影响,而壤中流主要受土壤的影响[19]。 因此,土壤
及枯落物与径流内养分盐基离子损失之间的关系需
要进一步研究。 同时,刘楠等人发现降雨除了加速
盐基离子的淋溶外,径流内重金属元素的含量也增
加,从而导致了水体的进一步污染[31]。 盐基离子的
变化可反映森林生态系统的营养平衡趋势,随着径
流量的增大,大部分盐基离子径流输出量增加,引起
森林生态系统养分的流失,造成土壤贫瘠化,导致生
态环境恶化[32鄄33]。 因此,为减少酸雨导致的养分流
失及保护河流等水体的清洁,需要减少煤、石油等能
源的燃烧。
在森林生态系统中,大气降水主要以地表径流
及壤中流的形式输出。 通过对地表径流及壤中流中
盐基离子变化特征的研究,可以全面了解水文过程
中,植被、凋落物和土壤对水质的影响,为保护流域
周围水环境提供依据。 由于本文研究时间序列较
短、数据较少,因此径流中盐基离子的变化特征有待
进一步研究。
4.2摇 结论
针阔混交林与常绿阔叶林的 pH 值变化趋势相
同均为:地表径流>壤中流>大气降水。 pH 与降雨
量,降雨强度之间存在显著相关关系。 在大气降雨鄄
地表径流鄄壤中流过程中,除 NH+4外,Ca2
+、Mg2+、K+、
Na+在地表径流和壤中流输出量之和均大于降雨输
入量,表明了大部分盐基离子发生了损失,土壤对
NH+4 有一定的持留能力,使得其流失较少。 从盐基
离子的总量来看,林分内地表径流盐基离子总量相
对于 降 雨 下 降 的 幅 度 分 别 为: 常 绿 阔 叶 林
(76郾 43%),针阔混交林(69.58%);壤中流中增加的
倍数分别为:针阔混交林 ( 2. 77 ),常绿阔叶林
(2郾 34)。 径流输出量均增加表现为针阔混交林
(2郾 86 kg / hm2),常绿阔叶林(2.47 kg / hm2),说明在
针阔混交林中和常绿阔叶林盐基离子都发生损失。
通过对各盐基离子含量与降雨量及径流量之间进行
回归分析发现,K+、Ca2+、Mg2+、Na+盐基离子输出量
与径流量之间存在指数相关关系。 而 NH+4 输出量
与径流量之间的相关关系不明显。
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