全 文 ：第1 8卷第4期
1 9 9 8年 7月
生 态 学 报
ACTA ECoLOGICA SINICA
Vo1．18．No．4
Jul-， 1998
1
热带山地雨林生态系统的水分生态效应
冠层淋溶、水化学贮滤
曾庆 黄 全
i E学院热带林业研究所
7f 以 几L
周光益 吴仲民 李意德
生态环境研究室 广州 510520)
摘要 小集水区定位测定方法-系统地涮定丁海南尖峰峰热带山地雨林更新林系统水文分量及水化学组
成-分析 比较丁热带林生态系统降水化学含量及冠层的琳藩效应 F其本实验区年降水量在1822．2mm～
3225．8ram，林冠屠年均截 留辜为14．3 ，年径瘫系数在0．39～机71之间，降水养分元素输入总量均值为
85．81 ／hm ．a，林层的淋溶效应使养分元素增加57．04]~g／hm2．a。5～10月是降水，求化学物主要输入以及
林层淋藩辜颇高的季节．降水占年总量85．4 、水体各元素量占相应年总量在58．1 ～9o．o ．淋藩量在
72．2 ～8 2 F系统具有良好的化学调节舱力和化学贮撼机制，有效地抑制了水拉化学组成物质的流失，
仅 K sj、AI和有机 C流失量大于输入量．表现出良好的生毒效益。水化学林藩量与降水量间． 灰色关联
动态方法建立的动态模式 GM(1．2)，精度较高，宜于系统水化学淋溶量的动态估算．
关蕾调：垫聋山地再替-墨虽捧鼙，灰色关联动卷模式t盎坐兰茎量。
EC0HYDR0L0GICAL EFFECT 0F TR0PICALN0UNTAIN RAlN
F0REST 0N JlANFENGLING，HAINAN lSLAND
— — CANoPY LEACHING AND HYDROCHEMICAL STORAGE
Chen Bufeng Zeng Qingbo Huang Quan Zhou Guangyi Wu Zhongmin Li Yide
(The Re．arch Ins~ute of Troplcal F~ stry，CAF Guangzhou，510520，China)
Abstract Using the technique of small watershed，the hydrologic factors and hydrochem—
istry were measured systematically from 1989 to 1993 in tropical mountain rain forest of
Jianfengling，Hainan Island，China，The annual rainfall ranged from 1822mm to 3228mm
and 14．3 of annual rainfall was intercepted by the canopy layer，Runoff coefficient
changed between 0。31 to 0．71 per year，Except Ca，mean contents of nutrients in internal
rainfall of forest increased by 1．5～ l 2。5 times as compared with that of rainfall per year
due to effect of forest canopy layer。About 5，2～11。6(kg／hm。，a)of input Ca by rainfall
could be absorbed by the canopy layer of forest。85．4 of annual rainfal was distributed
in rainy season。In rainy season，the input amount of each element by precipitation accouted
for 58。1 ～ 90。0 of annual input amount of that，and leaching amount of elements ac一
- 本文属林业部重点课题“海南岛尖峰岭热带林生态系统定位研究 内容的一部分。
本文曾得到中国科学院生态环境研究中心冯宗炜研究员指导，特Jl匕致谢J
收稿日期 1 995 09—20．修改稿收到日期：1997—10—23。
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4期 陈步峰等：热带山地雨林生态系统的水分生态效应——冠层淋溶、水化学贮滤 365
couted for 72．2 ～89．2 of the annual leaching of that．The system had good adjust
function of the hydrochemistry meehanisim ，annual net store amounts of N ，Ca，M g，P，M n
in system amounted to 47．3 ，43．5％，40．5 ，39．5 ，136 of that input amounts by
rainfal，respectively．So the chemical accumulation of the system was strengthened．Ac—
cording to the method of the Grey System Theory，GM (1，2)models of the Grey had been
established between leaching amount of element and rainfall for six hydrochemistry ele
ments．These models suited to calculate canopy leaching of the hydrochemical elements in
the system．
Key words： tropical mountain rainfoerst，leaching of forest canopy，GM (1，2)dynamic
mode1．hydroehemical storage．
海南岛尖峰岭热带山地雨林更新林是热带山地原始雨林皆伐后天然更新的山地雨林类型，大面积地
分布在山地原始雨林外围．海拔80o～llOOm，中山山地 ，水、热资源相对丰富，群落结构复杂、种类繁多、生
产力高 ，具典型的热带山地原始雨林的特征，在调蓄水源、保持水土和环境效益方面发挥着重要的作用 但
由于地处山高偏远、生境严酷、交通不便的热带原始林区，实墙以小集水区技术，系统地研究该森林生态 系
统的功能及效益 ，必然倍加艰辛．尤其是受台风暴雨的影响．降水量大 、径流流程短，获取反映系统水文效
益及系统对水化学物质作用机制方面的研究材料较为困难。本文便 以这方面多年的研究资料，反映更新林
的生态效益。
1 试验区自然概况和研究方法
1．1 自然概况
试验区位于北纬18 44 、东经108。50 的海南岛尖峰岭热带山地雨林区，中山山地．海拔在800 1100m
间。属热带季风气候 ，年总辐射量为5571．5MJ／m。，年平均气温19．5"C．最低月平均气温14．3℃}多年平均
降水 量为2265mm；临近海 域，受 热带 风暴及 台风暴雨影 响频繁，近 5a的测定数据 ．年 均降水 量这
5688 7ram．其中台风雨量占有5o ～70 ，年均风速为1．5m／s，年均相对湿度为88 】，高温高湿}由花崮
岩母质风化形成的山地黄壤，透水性能良好．热带植物繁衍生长迅速
集水流域的森林植被属6O年代初 皆伐后天然更新的热带山地雨林类型．主要的上层乔术组成有黎蒴
栲 (Costanopsis fi,s~)、盘壳栎(c．patelloformis)、斧柄椎(c．tonkinensis)、毛荔枝 (Nephelium topengi)、大
叶自颜 (Gironniera subaequalis)、广东山胡椒 (Lindera kwangtungensis)、海南水团花(Adina hai artemis)、
薄皮红稠(Lamygdalifolius)、木荷(Schima superba)、阴香(Cinnamomom burmanni)、拟赤扬(Atniphyll m
fortunei)、枝花李揽(Linociera r~gtl讲帅 )、山苦楝(Euodia meliaefotia)、线枝蒲桃(Syzygium araiocladum)
以及竹叶橙(Podocarpus neriifolius)、香楠(Machilus odoratissima)、中华厚壳桂(Crytocarya chi sis)、白
背槭(Acer decandrurn)、广东钩樟(Linolera kwangtungenMs)等54种之多}下层末主要有九节(Psychotri口
rubra)、粗叶术属(Lasianthus)、省藤属 (Catara~s)、红藤 (Daeraonorops margartae)和 裂叶棕枚 (Licuala
spinosa)等，林分郁闭度这0．95
1．2 研究方法
采用小集水区技术定位观测和对比实验研究方法，集水实验区设在热带原始雨林天然更新林(流域面
积3．Olhm )。集水区内设两个 (200m )坡面地表径流测定场}森林蒸散(18m塔)测定及林内小气候观测场}
1200m。生物多样性测定样地、生产力测定实验地 ；在1200m 的标准样地中，设置有穿透水、树干茎流、渗透
水及渗透速率、枯枝落叶水、土壤水分物理形状测定装置及各水样采集、枯枝落叶、凋落物分解速率测定实
验设施等。
1．2 1 降水量测定 设置一虹吸式自记雨量计在蒸散观测塔顶部．高出林冠2m外．在林外水平距300m
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生 态 学 报 18卷
的气象观测站设置虹吸式 自记雨量计和标准雨量筒，同步测定大气降水。
1．2．2 穿遗水、树干茎汽测定 在集水区内，选定坡面标准固定样地1200m (分布有更新乔木54个种类之
多)，用网格法设置标准雨量筒23个(距地面70cm)，测定穿透水量 }按乔木组成的重要值比倒和径阶权重，
选定36株林木，用2～6cm 内径聚乙烯管剖开，分1或2级粘绕弹树树干底部分步截取，承接仪采用多级分流
装置，测定茎流量 ]。
1．2．3 总径流测定 集水区汇流rl设置有巴歇尔无喉堰和嵌套的V型溢流堰连体三级测水工程，测定集
水区的总径流量，日记水位计采集水位数据。
1．2．4 水弹采集与分析 按雨量分布特点，垒年降雨分雨量级分别取降水、穿透水、树干茎流 、渗透水、地
表径流和总径流的混合水样，盛于用标准洗液洗净未被污染的取样瓶 内，3d内带至实验室分析 N、P、K、
Ca、Mg、A1、Mn、Si、有机 C的浓度含量。分析方法 t总 N用扩散法，P用磷钼蓝比色法，K、Ca、Mg、A1、Mn
用原子吸收光谱法，有机C用重铬酸钾氧化亚铁滴定法，si用硅钼蓝比色法，加权法求取月、年平均浓度含
量值。
2 结果与动态分析
1 热带山地雨林降水化学输入及林冠层淋溶的生态效应
降水是本实验集水区相对丰富的水资源，为植物必须并且是系统内部营养循环以及溶解物质和悬浮
徽粒转运的载体 ·降水净化了大气，作为养分元紊的携带者和溶解荆，吸收大气中所固有的各种化学成分，
浮游物以及尘粒，同时携带有海盐离子．以溶解态或以有机与无机的散粒输入森林生态系统0]，为系统重
要的环境输入源，在其动态中起着重要的作用．表1给出了1 989~1 992年对热带山地雨林集水区降水及携
带养分元紊经林冠层淋藩的(各83次水样测定)计算结果，引用半落叶季雨林和橡胶林生态系统(卢俊培，
1 980～1 983年}王醇儒等，1985年)测定结果加以对比(见表L)。
表1 热带森林生态系雏降水养分输人■殛经过林冠层后的变化
Table 1 The nmt~ent Input by rainfall of tropical forest ecosystem per year(1989~ 1 992)
Mountaln 净降雨 尸盯+
rainforest 淋溶量 工
P 『P
半落叶季雨林 障水P
Semideciduous 净降雨 尸仃+ )
r∞衄叩n rain o瑚 t 淋溶量 工
P盯+ )／P
西双版纳地区老 降水P
龄椽胶林_|] 净降雨P(升∞
Rubberfo工e自t of 淋溶量 工
Xishuang-hanna P(r+s)／P
2499．2 20．84 1．028 54．23 49．29 l7．92 143．308
一 一 一 6．65 0．644 60．41 —9．18 8．99 57．494
0 86 1 47 2．68 14．16 0．84 2．01 1．67
1629．6 5．59 1．69 12．0Z 13．03 7．71 40．04
1266．1 12．91 2．15 27．72 18．99 13．54 75．31
一 一 一 7．32 0．460 16．70 5．96 5 83 35．27
0．78 2．31 1．27 2．31 1 46 1．76 1．88
1092 5 10．10 0．51 12．90 8．71 10．91 43．1 3
一 一 一 18．06 1．441 24．90 18．63 15．80 78．83
一 一 一 7．96 0．93 12．O0 9．92 4．889 35．70
一 一 一 1．79 2．83 1．93 2．14 1．45 1．83
Note：P=RafinfaH，尸 T+ =(throughfal+stemflow)，工=Leaching
2．1．1 降水及水化学的输入 本集水实验 区年降水量相对较高，分别比半落叶季雨林和橡胶林生态系统
降水量高出1275．8ram和1812．9ram，降水养分元素年输入总量为85．81kg，hrfl ，降雨各养分输入差别主要
是雨量相差}腺 ca外，浓度含量相差较小，且因测定的时间和空间所致．净降雨量养分物质总量也以本实
验集水区为高．分别是半落叶季雨林和橡胶林测定值的1．90、1．82倍。以单位降雨量5种养分含量排序：像
胜林为0．0395kg／hm ．a>奉实验区0．0295kg／hm‘．a>半落叶季雨林0．0249kg／hm。．a．降水中 N、ca的含
量以本集水区最高(见表L)，分别是季雨林和像胶林的2．54、4．49倍和1．4、6 71倍．K、P元素含量则比两实
验区测定值低，Mg的含量高于半落叶季雨林区、低于像胶林实验区。这主要是由于区域气候和海拔影响，
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降水量及养分元素浓度含量之差；但对森林 生态系统，降水及养分元素的环境输入，无疑是一种长教的养
分输入源，对热带林群落的繁衍生长具有显著的生态效应。
2．1．2 林冠层的水化学淋溶效应 林冠层的水化学淋溶效应表现在，一方面大气颗粒物经气流传输至林
层尝被植物表面束缚、溶解或通过气孔被吸收，且这种溶解与吸收与植物表面的干湿相关；另一方面是降
水对植物的淋失，即阳离子从植物 内部的“自由空问”丧失，叶子表面阳离子的淋失包含着交换反应即角质
层的交换 上的阳离子与淋洗溶液中的氢离子交换 ；阳离子也会通过质流，直接从叶子中的运输流移凡淋
洗溶蔽。表1的测定结果表明，车集水实验区，频繁的降水，扩大了淋溶淋洗发生的机率 K的淋溶量占营养
元素总淋溶量89-4 ，Mg和 N的年淋溶量分别是营养元素总淋溶量的15．6 和i1．6 ．Ca元素表现为林
层具吸附作用。 ，出现负值；半落叶季雨林和橡胶林的水化学琳溶状况分别是 K、N、Ca和 K、Ca、N的淋溶
量相对较高。从林内雨营养元素输入占降水输入的比例即淋格系数米分析 ，山地雨林实验集水区 K、M 元
素高出季雨林实验区6，l、1．1倍，高出橡胶林实验区7．3、1．4倍，Mg元素的季雨林为高，P、Ca元素以橡胶
林最高。由此反映出，热带森林林冠层对降水化学的调节能力较为显著，淋溶效应明显 ，水溶性 的淋溶元素
较快地被植物吸收利用 ，加速了养分循环的速度，其中通过树干流淋溶的养分围绕根基部渗入土壤能够
迅速被植物根系利用，促进植物生长
2．2 水化学淋溶的特征及动态
2·2-1 季节特征 表2是经5a各水文要素96次水样测定的计算结果，热带山地雨林，雨季降水和林 内雨的
分配量各占相应年总量的85．4 和85．8 ；降水、林内雨水中9种化学元素分别占年相直各墒入 总量的范
围分别在58 ～89 和72 ～89 ，各元素雨季淋溶量占年淋溶量范围在72 ～8g ；降水及到达林地的
净降雨量中9种元素总含量分别是相应年总量的84．1 和78．9 可见，雨季是降水及水化学物输^系统
的集中季节；也是降水琳溶林层产生效应最高的季节 ；雨季g种元素淋溶增量是相应年增量的77．6 。
表2 山地雨林降水、冠层化学淋溶雨季(5～1o月份)输人分配(1 989~1994，kg／hn-~ ．a)
Table 2 M ean input and lcachtng of the hydrochemical elements by rainfall from M ay to Oct．per year
Note； ~Account for year al L( )，P r 一 (Throu fa]L-Stemf Low)
构成这一特征的主要原因，是在5～10月份，大气层副高压影响、槽脊活动，气流活动加快 ，降雨和 台风
多发生，由此带来的暴雨侵入，降水频繁 ，森林植被表面基本上是经常潮湿的，密集的林层截获的大部分溶
解气体物质及颗粒物为溶解或束缚的比倒较大 ，植物被雨水淋失和淋洗的程度增高，植物体代谢速度加
快；从而扩大了淋溶量，比较突出的是 N、Ca、Mg、SJ。这些元素大量输入，对该森林群落的养分循环产生的
效应是积极的，输入的水及营养物质可直接参与植物高生长期的代谢过程；以加速养分循环速率，满足植
物高生长期的代谢需求，加速植物生长
2 2·2 水化学淋溶量的动态 降水是热带山地雨林生态系统水化学发生淋溶作用的主动力，而林冠层的
枝、叶、干则构成淋溶作用的巨大舟面，水体对植被枝叶干表面截获物的淋洗及对植被表面物质的溶解、离
子交换等化学作用，产生的淋溶量大小与降水量及降水特征、植被表面结构特性等具有复杂的相关性，尤
是降水的发生使淋溶产生，而淋溶作用的内部机理是复杂的，即林 内雨水中元素增减来源于淋洗林冠层的
量 、淋溶量及降水中化学元素含量参入各多少均为不明确 故对于本实验系统年淋溶量与降水量关系作者
试以灰色戈联动态模式 GM(1，2)分析预测 ，旨在减少长期穿透水和干流水样分析所遇到霞重的困难，便
于了解系统地上林层部分水化学调节的动态变化。
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368 生 态 学 报 18卷
降水经林冠层后．水化学元素淋溶量与降水问的灰色关联动态模型建立的建立如下(以水化学淋溶元
素 N为饼)：
① 给定测定原始序列为 L； (淋溶量 kg／hm。．a)及因子序列Pf (降水量(ram))
其年份序列 1989年．1990年．1991年，1992年，1993年
Lf。 =(6．7675．6．0282，7．7322．7．1679．3．5283)
P c0)1一 (2784．3，2431．9，3228．5．3176．7，1822．2)
圆 确定GM(1，N)灰差分及影子方程
，<1)
( )+ c】)( )： [1】( )． ～T +口 一
r 1
@求参数二： 一l：l=(B B) BTy~,按AGO(一次累加)对Lf”及P【0]作生成即接：
￡ R-
L{ ( )一∑L；。 (m)，P(】)( )一∑P (m)得到：
^ - 1 ● 一 1
L【1】一(6．768．12．796，20．528．27．696．31．224)
P}】’一(2784．3，5216．2，8444．7．11621．4．13443．6)
对 ”作均值生成即按： z【1】( ) o．5[工【】 ( )+Ll”( 一1)3． 写成矩阵为：
2)
3)
4)
5)
r一 9．7816 5216．2
l一16．6618 8444．7
J一 24．1119 n 621．
L-29．4598 13443．
厂Lf (2)
一 l (3) ”
一
。 (4)
(5)
广一 9．7816
[- 9, 781一 16． 6 -m24 ．¨11 -m29 ．。4．5 9]·f二
L——29．4598
r一 9．7816 — 16．6618
L 5216．2 8444．7
24．1119 — 29．45981
11621．4 13443．6 ．J
5216．2]
8444．7 l
11621．4 l
13443．6-1
广 0．243389 5．09906× 10．‘] 广一 9．7816 — 16．6618 — 24．1119 — 29．4598]
L5．09906× 10一‘ 1．07068× 10一 J L 5216．2 8444．7 11621．4 13443．6 J
故 一r]一『。 ]即：口 918767,6_o．066393
L6J L0．00666393-I
J ，c1)
其影子方程为 } +2．918767L~”=0．00666393P~
其灰差分方程式为： Lf。 ( )一O．00666393P~”( )一2．918767Z[”( )
影子方程中．a为发展变化系数，6为因子对淋溶变化的影响系数． 为正，表明L【1】的增加是有限的．b
厦映因子对淋溶影响的性质和程度．b为正．表明降水对淋溶元素量起促进作用。依次类同对该研究系统水
化学元素P、K、Ca、Mg、Si的年淋溶量与降水量进行了灰色关联动态模拟．并将结果及依次检验和动态预
测估算列入表3，各水化学元素淋溶量的模型精度检验用灰差分方程式来实现I其预测量通过响应方程来
实现(见表3中1993年(年降水量为1822．2ram)时元素年淋溶估算量)t
r ‘ 1 ‘
L； (f)一I L 一÷P(】 (f)le一 +÷P；“(1)
表3中各水化学元素淋溶量与降水量的灰色影子方程的系数n均为正值，反映出各元素淋溶量的增减是有
2 2 9& m
6 7 7 3
● ●
Z Z Z Z
一 一 一 一
—．．．．．．．．．．．．．，．．．．L
—
B
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4期 陈步峰等：热带山地雨林生态系统的水分生态效应 冠层淋溶、水化学贮滤 369
限的 ，其 “值愈太，则衰减愈快 ，对于 P、N元素，其衰减较快 ；各元素方程的系数 值，除 ca元素外，均为正
值，反映出降水困子对淋溶起促进作用，6值愈大，其促进作用愈强烈，从 b值相对地来看，肄水对 K元素淋
溶增量增加作用最大，其次促进效应依次为 N>Si>Mg>P，降水对 ca元素淋溶产生抑制作用。分析各模
型的精度检验，除 ca元素稍大外，其余各元素模型的相对误差小于士8．3 ，精度是相当高的，适宜于该系
统年淋溶 b}的动态估算。
表3 降水化学元素淋溶量(kg／hm a)的灰色动态模式、检验、估算
Table 3 Grey drnamle models(GM (1，2))and test between the hyrochemical elements and rainfal
Note；1"he n Lodel s Mg aad based un date from 1989 t0 1992
． ⋯ I e。f 1993 L lucu【ted lⅡTabk 3
2-3 热啦山地I：l=『林生态系统的水文效应
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370 生 态 学 报 l8卷
降水通过热带山地雨林系统时，由于热带山地雨林更新林林冠层浓密，森林地被物中高浓度有机物和
土壤良好的渗透性，进入系统的水与活、死生物体及矿质土密切接触，元索组成发生一系列物理与化学变
化I据集水区定位棋f定统计，1989~1993年间．降水量变幅在1822．2~3225．8ram之间．林冠层年截留率变
化在1I．3 ～17．8 之间 1990年 降水 输入 系统2431．9ram．总径 流流 出量794．5ram，径 流占 降水的
32．67 ，1991年降水输入系统3228．5ram，总径流流出量为2293．8ram，占降水的71．1 1992年降水量为
3176．7ram，总径流为1887．9ram，占降水量的53．13 I由此可见，降水多即暴雨量大的年份，系统蓄浦产流
亭高。再据1989年8月～1992年4月测定结果统计，系统的林地土壤体年均暂贮水量997．97mm，占年降水量
的34．7 ，表现出良好的水文蓄贮能力·而降水输入与总径流输出系统的水化学元索的差值(1989年8月～
1992年4月平均值 kg／hm ．a)为lN(6．43)、P(O．15)、K(一I 7．37)、Ca(24．74)、Mg(3．49)、Al(一0．26)、Mn
(0．0649)、Si(一97．8)、有机 c(一6．54)．反映出系统具有良好的水化学贮虑功能及生物地球化学机制I这
主要在于一方面茂密的热带山地雨林的林冠层及丰富的地被物层，有效地截持了水量，削弱了雨滴侵蚀土
壤表面的能量和强度，尤其是强度大的暴雨I再则森林土壤渗透性能良好，蓄水性大．有效地疏导和延缓径
流洪峰．最大限度的减少了水土流失 另一方面系统林冠层的水化学物调节功能以及聚集在热带林地表或
近地表的生物量大的根系、苗根，丰富的地下群落维持、土壤的迅速排水、母质风化等作用，使水化学物迁
穆过程中有较高的贮存率，系统仅 si、K、有机 C和Al有相应的亏损，但又极容易从风化释放中输入系统
得到补充，因为母质岩主要为钾长石，高温高湿土壤富铝化程度较高。
3 结 语
降水是热带山地雨林更新林生态系统水循环和养分物质地球化学循环的主导因素I降水化学物的输
入是系统的一个十分重要环境输入源，对于热带植物繁衍具有非常重要的生态意义。
更新林林冠层对降水及化学成分产生的截留、化学调节效应是非常积极的．林内雨的各养分元素是降
水输入各量的0．85～12．1倍 I且主要分配在雨季，雨季降水输入各化学量占相应年总量的57 至89 ，其
中N、P、Ca、Mg、AI相对较大超过年量的80 ，各元索淋溶量占相应年总量的61 ～88 ，其中 N、Ca、Mg、
si的雨季淋溶量占年淋溶量的B0 以上，淋溶扩大了系统物质循环的输入源，促进更新林的生长。
系统具有良好的水量调蓄功能和生物地球化学机制，最大限度地减少了水土流失和化学量的损失，年
化学贮量以N、Ca、Mg、P、Mn相对较高，是降水输入的47．3 、43．5 、4O．5 、39．5 、136 ，这就相应地
增加了系统的化学积累。
灰色关嗟动态GM(1，2)方法对元索淋溶量与降水量的动态模拟，即可有效反映降水对淋溶影响的性
质和程度-又从年间动态统计角度解决淋溶量的估算．
参 考 文 献
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4 Feq Zo~wei B耐 Norio O~ura，Proc~edlngs ofChina—Japan t 5ymt~osium 口n lk im~ a$and control strategies
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5 马葺华．降雨在杉术和马尾橙人工林养分循环中的作甩．林业科学研究 1988，l(2)，1拍～131
6 邓聚龙．农业灰色理论与方法 济南，山东科学技术出版社，1983．91～95
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9 睬步峰，周光益-曾庚披等．热带山地扶生雨林生态系统的水文学过程厦养分动态．林业科学研究，1994，(5)t s26～
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