全 文 ：第 6 卷 第 Z 期
1 9 9 3 年 4 月
林 业 科 学 研 究
FQR E ST R E SEA R CH
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6
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.
2
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。 , 1 9 9 3
热带山地次生雨林的水化学特征
及其与降雨量关系的研究 *
陈步峰 周光益 曾庆波 吴仲民 李意德 杜志鸽
摘要 采用了小集水区技术和定位观测方法 , 研究分析了降雨 、 穿透水 、 树干流及径流的各
化学物质含量和迁移变化特征。 指出 : 降雨和穿透水是热带山地次生雨林生态系统的主要化学物
质输入源 , 次生雨林不仅具有较强的养分截获和生态调节功能 , 而且具有较强的化学过滤、 吸贮
功能 , 且建立了穿透水 、 干流和总径流的各化学元素含量与降雨特征因子的多元线性关系 。
关幼词 热带山地次生雨林、 水化学特征 、 穿透水 、 干流
热带山地次生雨林是我国热带地区分布面积较大 、 天然更新的热带山地雨林类型。 它种
群繁多 , 生长量大 , 结构复杂 , 生产力高 , 成为一典型的具有较高的生态效益和价值的生物
群落。 深入研究其结 构 与 功能 , 意义重大 。 我们在对尖峰岭半落叶季雨林和山地雨林研究
的基础上 , 采用小集区技术和长期定位观测方法对山地次生雨林生物群落进行研究 。 本文仅
从其水化学及其与降雨量关系的角度, 探讨热带山地次生雨林的水化学规律。
1 自然概况及研究方法
1
.
1 自然棍况
试验区位于海南岛尖峰岭热带林保护区的山地次生雨 林内, 18 “4 ‘ N , 10 8 0 5 , E , 中
山山地 , 海拔8 26 ~ 1 olo m 。 属热带季风气候 , 年平均气温19 . 5 ℃ , 一月平均气温 14 . 3 ℃ ,
七月为2 . 8 ℃ 。 年均降雨量为2 2 6 5 m m , 多集中在 5 ~ 10 月 , 暴雨出现日数 可 达 5 3 . i d ,
年平均相对湿度为8 % , 年平均风速1 . 4 m / 8o
小集区面积3 . ol h m Z , 林分属1 9 6 5年皆伐后天然更新的热带山地次生雨 林; 上层 木 以
黎茹拷(Ca 忿ta , op sis f1’s sa ) 占优势 , 其次 是 越南拷 (C 。 蓄o nk i”en sis )、 毛 荔枝 (N ephe l1’,
top
en g ii)
、 盘壳栋(口u e r e : 5 p a te llifo r m is )、 广东钓樟(L fn de r a 加 a o g tu n g e n s玄: ) , 并夹有莫
氏五月茶 (A 作tid e s优a 二a e lu 犷e i)、 橄榄(Ca na , i眺 a 肠城)、 海南水团花(Ad in a ha in a加称5 15 )、
毛果石栋(Lftho c a rP 封5 p se : do o e stftu s)和木荷(S比加a s仰e rba )等种类 , 下木为九节 (P s, c h-
。tria r动ra )、 粗叶木属(石a : ia n ,h: : )、 省藤属(伪触杭 . 5 )、红藤(石公‘从。: o : op : 勿a ; g a , itae )、
1 9 92 一01 一13 收稿。
陈步峰助理研究员 , 周光益 , 曾庆波 , 吴仲民 , 李意德 , 杜志鸽(中国林业科学研究 院 热 带林 业 研究 所 广 州
5 1 0 52 0 )
。
* 承海口农垦侧试中心分析水样 , 卢俊培剐研究员审阅本大 , 一并软谢 ,
n s 林 业 科 学 研 究 6 卷
裂叶棕枚 (Li‘妞la sP J’n os a) , 林木繁茂 , 枝冠浓密 , 郁闭度达。. 92 。 土壤属砖红壤性黄壤 ,
其母质基岩为伟品花岗岩 , 主要成分为钾长石。
1
.
2 研究方法
在热带山地次生雨林集水区设置两个坡面径流场 , 面积各为2 1 m “和2 09 . 3 m 2 , 采用分
流池和 V 型堰测定径流量。在山脊森林蒸散观测塔塔顶部高出林冠 Z m 处装设一自记雨量计 ,
并在林外裸地夭池气象站设一自记雨量计同时观测林外降雨量 。 集水区内设有巴歇尔测流堰
和嵌套的 V 型溢流堰三级装置 , 测定集水区总径流量 。 选定标准地 1 2 0 m Z(包括树种 54 种 ,
平均胸径 1了. 9 c m , 平均树高i l . 92 m )作为林冠截流及千流测定场 , 用网格法布设标准雨量筒
2 3个 (距地面 7 0 c m ) , 测定穿透雨量 。按树种的重要值和径级权重选取样株36 株 , 将内径为2 . 。
~ 6
.
o c m 的聚乙烯管剖开绕在树干底部 , 分一或二级收集干流 , 收集干流承器采 用一 到 三
级分流装置 。 对林外 、 穿透雨 , 干流 、 地表流及总径流采用标准洗液洗净未受污染的样瓶取
得混合水样作为分析样 , 且按雨量级取其各水样 , 对所 含 N 、 P、 K , Ca 、 M g 、 Si 、 A I、
M n
、 有机 C 及 p H 值进行测定。
水样测定方法 : 全氮用扩散法 , 磷用磷铝蓝比色法 , 钾 、 钙 、 镁 、 铝 、 锰用原子吸收光
谱法 , 有机碳用重铬酸钾氧化亚铁滴定法 , 硅用硅铂蓝比色法 , pH 值 用 D F沼 07 型 p H / m v
离子计测定法 ; 在水化学与降雨量关系研究中采用多元线性方法。
2 结果与分析
2
.
1 热带山地次生雨林区降雨及林层水的化学性状和功能
降雨是热带山地次生雨林生态系统化学物质的主要来源之一 。 尖峰岭热带山地次生雨林
区 , 地处高温高湿多雨地 , 大气层雨水中溶解的与保留的以有机、 无机微粒或者大气层中以
‘干沉降 ’形式的气雾及烟雾进入生态系统。 此外 , 邻近集水区外的部分海洋水汽及集水区外
围森林采伐后烧山的部分烟雾灰尘均溶解在雨水中 。 其各元素化学测定值见表 1 。
表 1 热带山地次生雨林水化学含t 洲定位
(1 9 9 0一 1 0 ~ 10 9 1一1 0 , 单位 : m g / L )
项 口 N P K C a M g 5 1 A I M n 有机 C p H
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之L : 化学含及分析取样的降雨范国 : 0 ~ 6 . 0 m m , 取 5 次 , 6 . 1 ~ 1 5 m m , 取1 3 次, 1 5 . 1 ~ 30 m m , 取 x 4 次, 30 . 1 ~
5 0 m m
, 取 1 1次 , 5 0 . 1 ~ 1 0 o m m , 取 5 次, 1 0 0 . 1 ~ 4 58 . 6 m m , 取 3 次。 表中的统计值为历次侧定的算 术 平均
位 . * 为疑 间数据 .
表 1 反应出降雨各化学元素含量序 列 是 : Ca > C > N > M g > K > Si > P> A l> M助 降
雨 属微酸性 , 与各热带地区测定的资料相比各有异同 [ ’1。 C a 、 M g 、 K 主要来源于海洋水蒸
汽气体被雨水溶解以及烟尘被降雨的溶解 , C 、 N 为大气层中的含量 , 其他元素均来自于溶
解尘埃和有机物。
2 期 陈步峰等: 热带山地次生雨林的水化学特征及其与降雨量关系的研究
热带山地次生雨林的土壤淋溶 、 风化川 , 土壤中的Ca 、 M g 、 K 含量贫膺 , 降雨的输入
对于改善土壤某些化学性状是极为重要的多 而以有机形式作为蛋白质的氨基氮和游离氨基酸
进入土壤 , 对植物的吸收和生长是非常有益的。
山地次生雨林体系 , 林地水体及土壤中的一些养分物质受蒸腾“拉力 ”或 “内聚力”升到林
冠 [z1 , 会被留在叶 、 枝 、 花 、 果及树体的各个部位 , 此后因淋溶或者落叶分解而 进 行 再 循
环; 同时林层能有效地截获空气中的尘埃、 烟 和雾、 花粉及在风的作用下沉积在林层上面的
化学物质 。 无雨日, 这些大气输入的化学物质储在林层的各个部位 , 经雨水的淋溶以穿透水
和干流为载体带入林地 (表 1 ) ; 穿透水中M n 、 K 、 C 、 si 的含量分别是林外雨含量的 16 、 14 、
9
、
8倍 , 干流中可达 1 5 、 26 、 n 、 10 倍 ; 而穿透水与干流中的A I、 P 、 N 含量分别高于林外
降雨含量的 5 、 4 、 1 . 7倍和 3 、 3 、 2 倍 ; 也反应了冠淋溶率与元素在植物体内移动和 分 配
速度的相关 ; 进入植物各器官的化学物质 , 除了可以在体内重新分配外 , 一部分可以从活组
织中丢失至环境中 , 茎叶中盐分也会被降水及次生雨林的夜雨淋洗 ; 木质部汁液可以被根压
经由叶子的气孔或水孔压出后被雨带走 ; 况且雨水呈微酸性 , 那么雨水中氢离子可以经过角
质层把叶内的金属阳离子交换出来 。 该群落高温高湿 , 使得微生物能持续活动 , 从而 N 的固
定 、 挥发 、 反消化及有机态N 转化为可溶态 N 均可持续进行 , 它又易从老叶移到嫩叶中而利
于雨水溶脱 ; P 以 H ZPO ‘一 状态为植物吸收[s] , 在植物各组织中以果实 、 种 子及活跃的分生
组织含量最多 , 易从老叶迁移新叶和分生组织 ; K 在植物活跃的生长区 , 特别是芽、 嫩叶和
根尖部位含量很多 , 它在化学上移动性极强 , 水中极易溶解, 极易从叶 、 枝 、花 、果上溶脱 ,
C a 在植物体内 , 老叶多于嫩叶并以果胶钙形式永久固定于细胞壁的中胶层 , 不易移动与再分
配 , 因而影响到穿透水和林外雨含量的变化 , M g 在种子内含量多 , 易移动且易 溶 脱 ; Si 在
植物体内含量较高 , 当 P的水平低时 , Si 可代替 ; M n 和 A l的移动性也较 高 ; C 以 CO : 、
C a( H C0 3 ): 等形式存在并与C 循环相联系 ; 这均增加了淋溶量 。
次生雨林系统冠淋溶率正是伴随化学元素被截获量和植物体内的移动速度而变化 , 冠层
介面不仅使降雨量再分配 , 而且使化学物质量再分配 , 干流和穿透水经溶脱过程的物理化学
效应 , 各元素含量均呈增加态 , 穿透水较降雨增加0 . 43 ~ 15 . 1倍 , 干流较 降 雨 增 加0 . 26 ~
2 4
.
7倍 , 表明热带山地次生雨林群落对化学物质具有较强的截获和调节功能 。 降雨淋溶叶、
树干面上的尘埃 、 盐分 、 有机物 , 同时可以溶解叶细胞的浸出物 , 所以说穿透水和干流化学
物质的输入 , 保障了林分对养分量的需求 , 何况淋溶出来的养分都是水溶性的[’] , 无需经过
复杂的分解过程便可被植物直接吸收 , 从而加速了次生雨林的生长 。
2
.
2 热带山地次生雨林集水区地表和地下径流化学元案含量变化
热带山地次生雨林生态系统的地表及地下径流是化学物质损失的一个重要渠道〔“] 。 从表
1 结果分析 , 热带山地次生雨林地表流养分是伴随着地表群落养分动态的复杂过程 。 一则大
量的枯枝落叶在高温高湿以及地表微生物活动下迅速分解 , 而从腐解的凋落物及动物尸体中
释放出的养分不能直接移动到上壤或林木的根系 , 二则落下的有机体腐烂分解 , 组成生物体
各种元素 , 如 C 、 H 、 O 、 N 相当大部分形成 C 0 2 、 H : 0 、 N H : 及复杂的高分子腐殖质 ; 植
物遗体分解过程中可释放出 51 0 : 和A I: 0 3 , 正由于地表群落的分解 、 呼吸 、 溢泌及 从 活到
死有机物被淋洗溶解所致 , 地表流中N 、 K 、 P 、 Ca 、 C 、 Si 、 A l的含量尤为 增 加 , 而且
在这一过程中, 可能因湿润环境中产生的 CO : + H 20 o H ZCO。, 地表水的酸性较穿透水有极
1幼 林 亚 料 学 研 究 6 卷
微的增加 。 多雨的山地雨林区 , 表流是化学物质迁移的途径之一 。
地下径流中化学物质分两部分 : 一种是溶解中的离子形式 , 另一种是颗粒形 式 被 迁 移
(表 l ) 。 从表 1 可见 , 除了 Si 、 C a 、 K 的含量较高外 , 其余元素含量均较低 , 这 是 因为进
入 土壤中的水分经土壤剖面向下淋溶 , 淋溶和风化的速度受控于水的酸性之故 。 热带山地次
生雨林 区正是处于高温高湿引起强风化的条件下 , 风化强烈进行 , 有机质被迅速分解 , 产生
的 C0 2 向大气分逸 , 腐殖酸被大量雨水冲稀 , 如风化过程中的水解 :
ZK (A ISiao 。) + 3H : 0 、ZK O H + H : A I: 0 。·H 20 + 遵5 10 : [“ ]
H 七将 K ‘ 、 C az 士排挤出硅酸盐 , OH 一 与金属阳离子汇入径流使径流具有中性和微碱性反应 ,
而使风化中 51 0 : 、 C a 、 K 、 Mg 淋失量较大 。 A I则呈氧化物 、 氢氧化物聚集在风 化壳中 ,
从风化得到的可溶性养分被土壤胶体吸附而被森林植物利用。 分析结果表明 , 径流化学物质
含量较低 , 集水区域具有一定的储存养分功能 , 而大量的无机物转移过程发生在暴雨期间 。
2
.
3 热带山地次生雨林集水区化学物质的迁移变化
各种元素的生物地球化学流包括生态系统各成分之间的交换[ ’J, 养分可以被植物和微生
物吸收和同化 , 有的传递到异养消费者 , 并通过呼吸 、 生物分解等过程得以再利用。 因此 ,
分析森林水化学物质输入输出动态变化 , 可以深入分析森林水化学物质的相对特性 , 研究次
生雨林生态系统的动态功能。
表 2 结果表明 , 山地次生雨林冠净淋溶量较大 , Ca 为负淋溶 , 从淋溶系数可 明 了各元
素淋溶的大小序列 ; 而通过迁移系数和迁移序列可反映出 Si 、 C a 、 A I的迁移性大 , 在水体
中移动性较高 , 从而使水体性质有所变化 , 从相对平衡值来看 , 除 si 和 C a 为损失元素外 ,
尽管山地次生雨林土壤的淋溶率高 , 但由于各种养分保存机理制约 , 如林分根系的生物量大 ,
根在土壤表层或近于土壤表层的聚集 , 菌根 、 复杂的地下群落的维持 , 寿命长 、 抵抗力强的
叶子 , 林分有较厚的树皮 , 土壤的迅速排水 , 以及可能存在的硅的代谢 , 降低了养分的损失 。
衰 2 热带山地次生工林橄水区水化学. 质迁移变化
项 目 N P K C a M g 5 1 A l M n 有机 C p H
冠净琳溶 0 . 3 8 0 . 0 2 5 4 1 . 6 9 5 一0 . 0 3 0 . 4 3 7 0 . 5 5 5 0 . 0 4 3 0 . 0 5 1 4 8 . 5 6 9 0 . 6
琳溶系数 1 . 7 2 2 . 75 1 7 14 . 2 0 0 . 9习4 2 . 3 0 4 7 . 6 0 7 3 . 1 5 0 16 . 1 2 8 . 6 4 4 1 . 1
迁移系数 0 . 4 3 0 . 3 6 5 9 0 . 8 7 3 1 . 2 0 7 0 . 5 8 1 1 5 . 0 1 1 . 1 4 9 0 . 0 2 4 0 . 0 8 9 1 . 1 2
相对平 衡 0 . 5 2 0 . 0 2 5 3 0 . 2 3 0 一0 . 3 8 0 . 3 2 4 一 8 . 9 5 0 . 0 0 9 0 . 0 5 3 5 8 . 8 2 5 一 0 . 8
淋 溶序 列 M n > K > 有机C > 5 1) A l> P > M g ) N > C a
迁移序列 Si > C a > A I> K > M g > N > P > 有 机C > M n
注 : 淋溶系数 = 穿透水含量 / 降水中含蛋 , 迁移系数 二 轴出含 t / 翰入含里 , 相对平衡位 = 输入含及 一 愉出含 企 . 冠净
淋溶和相对平衡值的单位为m g / L 。
2
.
4 热带山地次生雨林化学元素与降雨 t 关系的研究
植物种群的增长毫无疑问地受生物与非生物环境的限制〔3 ] 。 热带山地次生雨林集水区域
具有高温 、 多雨 、降雨频繁、降雨强度大 、 多台风暴雨等引起大 的 产 流等 特征 , 从降雨量因
素的角度出发 , 本文捕捉了每次降雨量 (x , ) 、 每次降雨至上次降雨的时间间隔 (x 2 ) 、 侮次降
雨的最大雨强(x 3 ) 、 上次降雨量 (x ‘)、 侮次降雨时间 (x 。) 、 及侮次降雨后的总流 量 (x 。) ; 以
此作为化学物质输入输出该系统的影响因素 , 通过多元线性模式反 映其数从规于彭。J(表 3 )。
2 期 陈步峰等: 热带山地次生雨林的水化学特征及其与降雨量关系的研究 12 1
表 3 热带山地次生两林集水区水化学元斑含皿与相关因介的回归方握及挂脸
元素 项目 样数 回 归 方 程 式 绷余S
(平方和) 声汽 厂汽 显若因子
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注 : B 、 C 、 E 分别表示穿透雨 、 干流和总径流项 , X l 、 X 卜 X 3 、 X ‘、 X 。、 X 。 分别为林外(内)降雨 量 (m m ).
每次降雨至上 次降雨时间 (h) , 每次降雨最大雨强(m m / h) , 前次雨量 (m m ) , 每次降雨时间(h ) , 流量(I / s) : y
为元素浓度(m g / l) ; a < 。. 1为无 * , a < 。. 05 , * , a < 0 . 01 , * * 水平 。
2
.
4
.
1 穿透水化学元素含量与降雨特征的回归分析 降雨经林冠介面到达林地的穿透水的各
元素量变化与降雨特征密切相关 。 表 3 给出其与 x : 、 朴 、 x 3 、 x ‘ 、 二。 的多元线性回归式, N
12 2 林 业 科 学 研 究 6 卷
的含量与 x 。、 x : 、 x : 成极显著水平 , P受 x Z 极显著影响 , K 受 厂。极显 著影 响 , x : 对其有
a < 0
.
1的影响t0J ; Ca 与 x , 成显著 、 与 x Z 成 a < 。. 1的影响 , Si 受 礼 、 x : 显 著 影响 , M n 受
x : 极显著和 x ‘、 x : 显著影响 , 各模型的 F 、 R 检验除 C a 外均达到 a < 0 . 05 、 0 . 01 的水平 ,
模型均达统计要求。 影响因素的机理在于林冠截获与植物体内元素的移动速率及其积累量 ,
溶脱和离子交换的时间效应 。 如各元素量变化与降雨 间隔和降雨时 间均成 正 偏 关 , 而 K 、
M g
、
Si 与 Ca 、 5 1、 M n 以及 P 、 K 分别与林内穿透雨量、 最大雨强和上次雨量成负偏关较
大 , 表明这些影响因子的变化对于冠体上元素的积累及淋溶程度相应的时间效应成负相关 ,
因而其量愈大 , 元素在水体中含量愈低 。 此外 , 各因子间的交互影响也会纳入模型 , 通过模
型中各因素的变化便可获得穿透水输入物质的量变化 。
2
.
4
.
2 干流化学元素含量与降雨特征的 回归分析 林内雨的一部分是通过干流输入的。 热带
山地次生雨林的干枝浓密 , 树体粗大皮厚 , 干流量大 , 冠淋溶的部分水经枝干汇聚于干底部
时同时淋溶了枝干表面的化学元素 , 因而从含量与降雨量关系表现出比穿透水较多而复杂的
变化 。 从表 3 各元素模型影响因素的偏关程度分析 , 干流的特征是除冠淋溶外增加了枝干表
面物的溶脱 。 各元素量均与最大雨强和上次雨量成负偏关 , 较大的有 K 、 Si 、 M n 和 N 、 K 、
M g
、
M n
, 表明上次雨量和雨强愈大 , 相应的积 累和淋溶时间愈少 , 而各元素量均与降雨间
隔和降雨时间成正偏关 , 除 N 外各元素量与林外雨量均成负偏关 , 这些 因素对含量的影 响效
应类同穿透水。 各模型的 F 、 R 检验除 A l外均达到显著与极显著水平 , 因此将此 模 型用于
研究干 流物输入量的计算是极其适应的。
2
.
4
.
3 集水区径 流元素含量与其各因素的 回 归模拟 径流是系统内物质经复杂的循环过程 后
输出系统外的 。 本文仅通过降水 、 降水强度 、 降水间隔 、 上次雨量 、 降雨时间和降雨后流量
来探讨与元素在径流中的含量模式 。 经反复拟合检验得出N 与降雨间隔成二次回归 , K 与上
次雨量成直线回归 , Ca 与流量成幂回归 , 其余元素经反复剔除因子获相应的多 元 线性式。
Mg 受流量一定影响 , P受降雨时间显著影响 , Si 受流量和雨强极显著和显著影响 , M n 受
流量 、 降雨和雨强相应极显著和一定影响 , A I在径流中未表现出数 量 规 律 。 除 K 、 M g 外
各模型的 F 检验均达到显著和极显著水平。 由于系统内循环的复杂性而导致各因子影响的复
杂性 , 但通过数量模式易获得系统物质的输出量 。
穿透水、 树干茎流和径流纳括了系统的输入输出 , 故通过拟合精度高的模型对研究该系
统的化学物流数量规律是特别有意义的 , 它既反应出其数量规律 , 又反应出该系统的生态效
益 , 而且减免了长期复杂的取样分析。
3 结语
(1) 热带山地次生雨林地处高温多雨地 , 次生群落生长期长 , 降雨是系统的化学物质输入
源 。 通过林冠的穿透水可使降水中的元素含量增加0 . 43 ~ 1 5 . 1倍 , 干流元素含量较雨水元素
含量增加。. 26 ~ 2 4 。 7倍 , 尤以 K 、M n 、 C 、 Si 、 P 的淋溶量相对较高 ; Ca 因 林分含量或体内移
动或吸收所致 , 穿透水中含量偏低 。 穿透水及干流的各物质输入 , 有利于系统内物质循环 。
(2) 高温高湿使次生林系统地表群落高速分解 , 多雨尤其台风暴雨引起径流。 地表流中
仔元素含尼较高 , 但由于作种物质的保存机理 , 地下径流中各元素含歇除 C 、 Ca 、 Si 外均较
2 期 陈步峰等: 热带山地次生雨林的水化学特征及其与降雨量关系的研究 12 3
低 , Ca 、 si 是系统中流失量最高的元素。
(3) 降雨量特征因素与系统各水化学物质含量关系显著 , 穿透水、 干流及径流的元素含
量与降雨量的关系模式 , 宜用于研究热带山地次生雨林的水质与量的变化规律 , 对于保护和
优化经营该林分是极其有效的数量指标 。
参 考 文 献
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