全 文 ：7：71一 7
第1 7卷第4期
1 9 9 7年 7月
生 态 学 报
ACTA ECoLoGICA SINI(：A
Vol_l 7．No．4
Ju]．， 1997
华北暖温带山地落叶阔叶混交林的茎流研究
李海涛
(中国科学院北京森林生态系坑定位研究站，北京．100096)
整兴国、／陈灵芝 ·r‘。’_--I--__一 、／
(中国科学院檀物研究所，北京，100093)
· ，2
摘蔓 测定华北睡温带山地落叶荫叶褪空林的树干茎液量及其元素古量．并比较了不同树种问的差异。通过
82戎孤立降雨的测量，得到了辽东栋、棘皮拇、五角枫、大叶白睛和繁椴 5种主要树种及整十韩分茎流量 s
与降雨尸的关系，经多种方程担合，仍以直线方程为最佳．降雨水质分析的结果给出了 N、P、K、Ca、Mg、A1、
S元素各孜测量的平均浓度厦其变异系数，以及年输^t的估测值．茎藏元素音量的分析结果表田，5种乔术
中，以辩皮桦的茎流中各元素浓度的增加幅度最大．表现出最强的淋溶效应。辽东栎、太叶自蜡、蒙椴形成的
茎流中P的浓度均有下降．A】元素在各树种茎液中与降雨相比其浓度均无显著变化．就整个韩分而言，茎流
中以N、s和K浓度的增加较为显著，分别增加了53．4 、337．4 和 124 ．P的浓度表现为负增量．
DECIDUoUS
BR0AD—LEAVED M IXED FoREST IN THE W ARM
TEMPERATE ZoNE 0F N0RTHERN CHINA
Li Haltao
(Beijing Forest Ecosystem Research Station，the Chinese Academy of Sciences，Beijing，100093，China)
Han Xingguo Chen Lingzhi
(Institute of Botany，the Chinese Academy ofSciences，Be ng，100093，China)
Abstract The stemflow and its dement content were studied，meanwhile comparisons
were made among five ma in tree species in the deciduous broad—leaf mixed forest in this pa—
per．The relationships between gross rainfall and stemflow in the five ma in tree species
and in the whole forest were analyzed in 82 precipitation events in the growth seasons of
1 993 and 1 994．concentration and amount of seven chemical elements in the gross precipita—
tlon and stemflow were also analyzed．The results showed that the concentrations of the
seven chemka1 elements were all the highest in the stemflow of Betula dahurfca in the five
感谢马克平、黄建辉 邢雪荣、王其兵 刘文彬、严昌荣等先生的热情帮助和大力协怍
收稿时间：1996—05—20，修改稿收到时间：1997—04一Z5。
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tree species．The concentrations of N，S and K wel~ remarkbaly increased by 53．4 ，
337．4 and 124 respectively，P was reduced，and A1 was not changed in the stemflow of
the whole forest．The order of relative element content in grOSs rainfall was N>K>Ca>
S>Mg>P>AI，and that in stemflow was K>S>N>Ca>Mg>P>A1 in the whole for—
est．
Key words：
mixed forest
gross rainfall，stemflow，chemical elements，the deciduous broad—leaved
大气降水到达森林表面后被重新分配-其中由林冠截留后沿树干流下的水量称为茎漉 由于雨水对树
体表面分泌物的褡解、枝叶对降水中离子的吸收以及雨水对枝叶表面粉尘、微粒等大气悬浮沉降物的淋
洗，茎漉中的化学成分发生变化，影响树木根系的养分状态、树体四周土壤含水量以及 pH值等理化性状．
因而茎流在森林生态系统的功能研究中具有重要的地位。魏晓华、周晓峰 3、马雪华03等对此作过专门研
究。而在华北暖温带地区．对其代表性植被——以辽东栎(Onerous 肚 )为主的落叶阔叶混交林的
茎漉规律研究 -国内尚未见报道。笔者于 1993年及 1994年的 5～1O月对上述方面作了测定，现将结果报告
如下
1 试验区概况
试验区位于北京市门头沟区齐家庄乡小龙门中国科学院北京森林生态系统研 究站，站区距北京市区
ll4km一东经 115。26 -北纬 39 58 ．海拔 l140m。该地区处于太行山北段小五台山余脉．属暖温带半湿润季
气候区-年均温 2～8℃。年平均降水量为 611．9ram-全年降水的 78 集中在 6、7、8三十月。年蒸发量为
1077．3ram，年平均相对湿度为 66 。全年总日照时数为 2003．9h，生长季(5~10月)为1194．8h，占全年的
59．6 。太阳总辐射为 2985~3095MJ／m 。
以辽东柢为主的落叶阔叶混交林是该地的重要植被．也是 中国暖温带森林区域的代表性森林群落类
型。其中建群种除辽东栎外 ，尚有棘皮桦(Betula dahurica)、五角枫(Ater 。)、大叶白蜡(Fraxin rh3m-
chophylla)和蒙椴(Tilia mongolica)}群落成层现象非常明显-按生活型可分为乔木层、灌木层和草本层。乔
木层分为两个亚层-其地上部分所处的微气象条件均有差异。辽东栎、棘皮桦、蒙椴处于第一亚层，郁闭度
为0．75，五角枫、大叶白蜡处于第二亚层，郁闭度为0．{～o 6。样地土壤类型为山地棕壤土，成土基岩以花
岗岩、石英岩为主，成土母质为其风化的残坡积物 坡度为 28。．坡向N35。W。样地林学特征见表 1。
裹 1 样地中备树种的群落学特征
Table 1 The commumlty characteristics ef various tree species in the plot
(1)Oak(2)Dahurian birch (3)Ash (4)Maple(5)Mongt~tian linden
2 研究方法
2．1 水量观测
2．1．1 林外降雨的观测 在落叶阔叶林伸出林冠的 24m高铁塔上设置标准雨量简及虹吸式自记雨量计
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以每次降雨后观测值作为林外雨值。油松林样地以位于林外开阔地上本站气象站内的标准雨量筒和遥测
雨量计值为林外雨值。灌丛样地外降雨由位于样地外开阔地段上的 2个雨量筒观测值作为林外降雨值
2．1．2 茎流的测定 在乔木林内根据不同树种嵌其胸径大小均匀选择径鳜，在每一径鳜上选取其标准
木，将直径 6cm的塑料管沿中缝锯开，取其一半螺旋状缠绕于树干上 ，接缝处用橡皮泥堵严 ，使干流能精导
管导流到塑料容器内进行测量，按每株树的树冠投影面积换算成单位面积的树干茎流量。各树种样木教
为：辽东栎lo株，棘皮桦 7株，蒙椴7株，大叶白蜡 6株，五角枫5株。5种乔木树种样木数共 35株。
2 2 水化学分析
2．2．1 取样 为避免林冠对大气降水可能污染，林外雨水取 自设置于林中观测铁塔上的雨量筒中的水
样，茎流雨水拌的采集在每次降雨结束后水量观测时进行。用未经使用过，井经蒸馏水冲洗的 200ml塑料
瓶取样 ，每个取样单元设两个重复，以保证结果的准确性。取样后用酸度计测量pH值 ，井用 HgCI：同定，置
于冰箱中，以备元素分析用。1994试验年度雨量变化范围为0．3O～62．8ram，均值为 16．59ram，统计了6月
29 El、7月 22 El、7月 24 El、8月 5 El、8月 13 El、9月 9 El的分析结果，对应 降雨量分别为 25．1
．
ra m 、
8．9rnm、29．5ram、15．8ram、43 5ram、5．65ram，共取得并分析水样 48O个。
2．2．2 元素分析 全氮测定采用蒸馏法 ，礴测定采用钼蓝比色法，钾、钙、镁采用火焰原子吸收法，AI采用
铅试剂比色法，S采用碱酸钡比浊法。
3 结果与讨论
3．1 单次降雨茎流量与降水量的关系
选择 了主要优势树种辽东栎、棘皮桦、蒙椴、五角枫 大叶白蜡作为观测对象 ，通过 1993、1994年度全
生长季共 82次孤立降雨的测量，得到各树种茎流量 与降雨 P的关系，经多种方程拟台，仍以直线方程为
最佳 ，结果见表 2。
衰2 各主要搠种单敬降雨茎流量s与降雨量P的关系
Tab】e 2 The reJaUonship~between stemflow of the main tree specks and rainfall
(1)Oak(Z)Dahmian birch(3)Mongolianlinden(4)Maple(5)AOb (6)Minimum precipitation atwhich stem~owwas
observed initially(7)Mean ratlo Of stemflow tO preelpitxtion(8)Maxlmum rado of stem[~ow to prociphation calculated bv
结果表明，上述树种单次降雨茎流量均随降雨量的增加而线性增加。单次降雨茎流量与降雨量的关系
非常复杂，产生的茎流量既与降雨前树体表面的干燥程度、雨强随时间的变化关系、雨量大小、冲击叶片的
雨滴动能及角度等因素密切相关，也与树种 自身形态结构特征如叶片形状大小 叶片与水平面角度、叶柄
粗细、树皮枉糙程度、枝条与树干的夹角有关，同时也受到不同树种所在层次及树种之阿相互遮蔽程度的
髟响。而在野外条件下，上述种种因素难 定量测定，因而基于大量取样基础上得到的直线关系往往更接
近于真实。由表 1可见，令 一O，由经验方程可得各树种的产生茎流所需的最小降雨量大小顺序依次为棘
皮桦>大叶白蜡>五角风>蒙椴>辽东椽，棘皮桦虽与蒙根及辽东椽均处于乔木层第一亚层，但由于其叶
片面积较小 质薄 叶柄支持力弱、叶片多数平展或下垂，树皮斑驳片状剥落，粗糙度最大，小雨量难以形成
明显水汽，而多以雨滴形式从树皮表面湔落，因而需要较大的降雨量方能产生茎漉。辽东栎处于乔木上层，
在群落中为重要值最大的主要优势种，同时具有最大的叶面积指教，叶柄短枉，树叶排列紧密且叶尖向上
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倾斜，能够承接较大的再滴动能而截获雨水．同时树皮上缴纹发达，有利于再水沿着倾斜的枝干汇入主干
蒙椴叶片较大、树皮光滑且具有较小的枝干交角，大叶白蜡与五角枫主要由于受上层乔术的遮蔽．产生茎
流所需要的降雨量亦较大，表中各树种单次降雨平均茎流率(单次降雨茎流量与单次降雨量的平均比率 )
的大小腰序为蒙椴>辽东栎>五角枫>大叶白蜡>棘皮桦 ，实测最大茎流率(单次降雨茎流量与降雨量的
最大比率)的腰序也与此相同．反映了各树种产生茎流的能力．基本与前进情彤一致，
落叶阔叶混交林单次降雨的茎流量与降水量的回归关系为：s’⋯ 0 0397+0．0583 P相关系数为
0．944。
3．2 茎流中的元素浓度及淋溶量变化规律
3．2．1 大气降水元素浓度的变化 由表 3可见，大气降水中所舍各种元素的浓度明显不同．所有元素中，
N是测区降水中占优势的成分，平均浓度为 2．61mg／l，其次为 K．平均为 2．2rag／1．P和 Al的浓度较低．分
别为 0．295mg／1和 0．0617mg／l，
寰3 大气降水中的元素浓度和辅人■
Table 3 The nutrient coRce~traUols and inputs hy pnd p】ration
① A r丑ge c0㈣ Ⅱat n@Coe~ficlent of varletion@IⅡput per year
表 3中最后一栏列出了对应于年总量达 7l7．3rnm的降雨中的 N、P、K、Ca、ig、Al、S的总输入量的估
测值 ，系由统计的各状降雨的总输入量除以其代表雨量在年降雨量中所占比例得出
不同地区由于年降水量和雨水元素浓度的不同，其各种元素的年输入量也不同。N的含量各地变化很
大．据Cooks估计0]t世界大部分地区N的年输入量在 2．3～11．3kg／l~n 之间，本地高于此值，但远低于已
有资料中的最高值 45kg·hm (苏门答腊)，亦低于马来西亚 19．5kg／hm ，我国金毕地区为 23 1kg／
hm“ ，P为雨水最为缺乏的元素 ，年输入量绝大多数地区在0．2kg／hm ·a左右．原因可艟在于降水中的P
主要来源于大气尘埃的溶解，我国海南尖峰蛉 P年输入量为 3．71kg／hmz·a【5]，本地低于此值 我国降水
中化学元素输入量的顺序依次为：N≥Ca>S>K>Mg>P．这与世界其它地区雨水元素输入的规律大体一
致。而北京西部暖温带山地大气降水中各元素的年输入量腰序为 N>K>Ca>S>Mg>P，除 K的位置略
有提前外，基本符合上述规律 。
3．2．2 茎流的化学元素浓度与淋溶量 大气降水经过树体表面后 ，通过交换，其中部分元素含量将显著
增加，而另一些元素的含量则有所降低．其含量的增减取决于交换过程中雨水淋溶和枝叶吸收的数量对
比，并因植被类型、树种及营养元素种类的不同而异。
首先讨论落叶蠲叶混交林中不同坩种的茎流元素浓度变化。表 4给出 5次不同季节的铡量值的平均
浓度及其变异系数。
由表可见．降雨中的元素经过不同树种体表交换后．其浓度变化因不同坩种而异。除蒙椴外，辽东椽、
棘皮桦 、五角枫、大叶白腊 4类坩种茎流中的元素浓度均以K为最高。与林外雨水相比，茎流中K浓度的增
加最为显著。辽东栎、棘皮桦、五角枫、大叶白腊、蒙椴茎谎中的 K浓度分别增加了 110 、527％、361 、
274．9 、12．6 ，其中以棘皮桦增加幅度最大．而以蒙椴最小。上述树种中棘皮桦的树皮粗糙度最大，雨水
沿树体表面移动的时间及距离均相对较长．因而有较多与坩皮表面进行离子交换的机会．从反映元素浓度
季节波动的变异系数上看，表 4中 5类树种的茎流中以 N的浓度变异系数较小，而以S的浓度变异系数为
最大，与大气降水中S较小的元素浓度变异系数相比较有明显不同，表明茎流中S浓度的季节变差远大于
输入的大气降水中的 S浓度的季节变整
表 5给出了与大气降水相比较的落叶阔叶混交林不同树种的茎流中的元素浓度增减情况。经过 f检验
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4期 李海涛等 华北暖温带山地落叶阔叶混交林的茎范研究 375
可知茎流中大多效元素浓度显著高于障雨中的浓度。其中以棘度桦的茎藏雨中各元素浓度的增加幅度最
大，表现出最强的淋溶效应。表5还表明，经过树体表面离子交换后，辽东栎、大叶白睹、蒙饭形成的茎范中
P的浓度均略有下降，与大气降水相比分别下降了9．6 、27．3 和11．9 ，表明上述树种的树体表面对P
具有一定程度的吸收和嗳附作用。Al元素在各树种茎范中与降雨相比其浓度均无显著变化，可见上述树种
对 Al元素未见明显的离子交换。
寰4 落叶啊叶混交#生长季中番树种茎瀛元素的平均浓度豆变异暴数
Table 4 The mel~ and c0erfkI|nt 0f varlaflom of routrlemt concentralJom
0ftk tree spedes1n rolthe growth sem n
①Average concentration~Coefic／ent 0f v i衄
表 6为与林外雨水相比较的落叶阔叶林不同树种茎流元素浓度的高低顺序的变化情况。表中可见与
林外雨相比，除Mg>P>AI的顺序未改变外，茎范雨中N、K、Ca、S的浓度顺序均发生了明显改变。辽东
栎、五角枫、大叶白腊茎流元素表现出相同的浓度高低牍序，而棘皮桦与蒙椴各不相同。上述情形说明，在
树体表面对茎流中离子的离释及吸收吸附过程中，不同树种对不同元素表现出不同的选择性嗳收效应。
寰5 落叶问叶#不同树种茎瀛与 寰6 落叶问叶#不同树种茎洼
降雨同的浓度比较 元素浓度■序变化情况
Table 5 The compsrison of nutrient
contentralJons 0f tlz tree spi es
hetween s~mflow and rainfall
备注；显著性水平为 0．05．+表示差异显著，茎流维虞
显著高于降雨浓度Io寰示差异不显著．茎藏维虞与降雨敢
度无 显著 差异。Explsinstions1The signifcance level
m 05．-I-represents t| t nutfien voncentrsdons of stemf]．ow
were higher than nutrient of rainfall signi~i—
candy．0 repz~=sents that there was nO signli~cant differenc e
kt㈣ ch
Table 6 The com parison of sequence of
nutrient conce~atralJoss of tk tree
species in stemflow and rainfall
嘎目ltems 元素訾虞履序sequ。
nutrient Dorec~ntratlo]is
林外雨水(1)
辽东操茎瘴(2)
尊皮棒茎藏(3)
五角枫茎藏(4)
大叶白暗茎瘴(5)
蒙艟茎瘴(6)
N> K>Ca>S>Mg> P> AI
K> S> N> Ca> Mg> P> AI
K> N>S> Ca> Mg>P> A]
K> S>N>Ca> Mg>P> A]
K>S> N：>Ca> Mg> P> A1
N> S> K>．Ca> Mg> P> AI
(1)Gr0 precipitation。(2)Oak sternflow．(3)Stem—
flow。fDahurisn birch一(4)MapLe stem[1ow·(5)Ash stem—
flow (6)M ongolian lindea stemflOw
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376 生 态 学 报 17卷
表 7为落叶阀叶混交林中茎流的元素浓度及淋溶量，反映了由各树种茎流的元素浓度及淋溶量的综
合效应。由表中可见，落叶阏叶混交林中茎流雨水化学元素的淋溶量较小，各种元素的年淋溶量一般在 2
kg／hm ·a以下。在 1994试验年度，茎流雨水中年淋溶量较高的元素有 K、N、S，分别为 1．393、1—1917、
1．14kg／hm。·a。虽然茎流雨量及其所吉的元素总量和淋溶量较少，但茎流雨中所舍的元素离子均为可利
用态．并扼直接到达树木根系四周+对树木营养生长的养分供应具有特殊的意义。同时，对于树干上附生植
物如苔藓等生长的影响也应弓I起足够重视 表中可见+与林外雨水相比较，P的浓度表现为负增量．表明在
冠层交换过程中+以树木枝叶对P的吸收吸附占优势，使得P元素浓度有所下降，因而出现负值。这一现象
应引起高度重视+因为本来P紊在大气降水中的总输入量就很低，而随林内起到达树木根区的部分又有所
减少+这样势必对林木正常生长造成不利影响。其他元素在茎流中浓度均高于林外雨水，而以N、S和K的
增加较为显著 ，分别增加了 53．4 、337．4 和 124 ．S的增幅最大 从浓度变异系数上看，茎流中以S元
素浓度的季节波动亦最大，远高于林外雨水。大气中硫的主要来源是燃料+如煤和石油，S在茎流中的高浓
度可能表明该区大气干沉降中具有较高的碗含量。
表 7 落叶阔叶混交林茎流元素浓度、变异系数爰淋溶量
Tahie 7 1"he nutriexit coacel~tcations．coef dent of variat|0n and
nutrient depositions In stemflow in deciduous broad—leaved forest
①Average concentration~ efficlcnt 0f variation@Input per ar
从元素浓度高低顺序来看，在林外雨水中为 N>K>Ca>S>Mg>P>A1，而在落叶阏叶混交林中为
K>S>N>Ca>Mg>P>AI。可见，与林外雨比较．N、K、Ca、S 4种元素的浓度大小次序在茎流中均发生
明显变化，而Mg、P、A1的相对顺序在各林分中均无变化。
参 考 文 献
1 魏晓华+局晓峰．三种阏叶扶生韩的茎瘟研究．生态学报，1989t(4)：395~329
8 马雪华．在杉木林和马尾橙林中雨水的养分淋溶作用．生态学报 ．1989，9(1)：15~20
3 Cooks G W．The c m 。}s I Fertility．Crosby Lockwood and Son Ltd·1967．178
4 鲁如坤．史陶钧．盒华地区降雨中养分音量的初步研究．土壤学报,1979，16(1)：81~84
8 卢俊培．海南岛尖峰峰半落叶季雨林生态效应的研究——冠层淋溶．热带林业科技，1888，1：1～6
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