全 文 ：第 卷 第 期
年 月
林 业 科 学研 究
!
,
认 。 ,
海南岛尖峰岭热带林生态系统
的 水 化 学 特 征
卢 俊 培
中国林业科学研究院热带林业研究所
摘要 本文根据对降水、 穿透水及林区溪水水质的动态观测分析 , 探讨了海南岛尖峰岭半落
叶季雨林一砖红壤一花岗闪长岩、 黑云母花岗岩及山地雨林一砖黄壤一似斑状钾长石 花岗岩两
个植被一土坡一基岩体系的水化学性状、 季节变化及水化学平衡特点。 文章指出 , 降水和穿透水
是热带林生态系统主要的元素输入源 , 森林生态系统具有较强的水化学过滤、 吸贮功能 , 元素的
输出率可以大大降低 , 保持物质循环的封闭式平衡状态 。 山地雨林生态系统的水化学调节功能优
于半落叶季雨林生态系统。
关扭饲 热带林生态系统 , 降水 , 穿透水 , 溪水 , 水化学特征
降水 、 穿透水和溪水的化学性状常被视作区域环境质量的指标 , 也是森林生态系统中物
质循环的重要量值 , 这方面的研究不断有报道 ‘一“ , 。一 ‘’。 笔者曾对海南岛尖峰岭的两个植 被
一土壤一基岩体系的降水 、 穿透水 、 溪水进行过动态性的化学分析研究 , 现报道如后 。
研究方法
分别在半落叶季雨林和山地雨林样地中 , 各设置 个塑料器皿 收 集 穿 透 水 离地面
, 取平均混合水样作分析样 , 视 降水过程不同每月抽测 次 。 采样点的分布兼顾林
分主要种群 、 郁闭度和坡位。 降水样只在半落叶季雨林区的林外旷地收集 。 溪水每月取样
次 。 观测时间 !年 月至 年 月 , 山地雨林区前两年缺测 。
水样分析项目及方法饰 全氮扩散法、 磷 磷铝蓝比色法 、 钾 四苯硼钠 比浊 法 、
钙 、 镁 ! 容量法 、 硅 硅钥蓝 比色法 、 铝铝试剂比色法 、 铁 邻啡呷琳比色法、
总酸度 中和滴定法 、 总碱度 双指示剂滴定法 、 比色法 、 烘干残渣 重量法 。
不 同体系的水化学性状
水是一种活动载体 , 其所流经的环境条件不同 , 水化学性状各异 。 观测场地是两个不同
而有垂直带联系的体系 , 其一为海拔 的半落叶季雨林 , 土壤为砖红壤 , 基岩为花岗 闪
长岩和黑云母花岗岩 , 简称 体系 , 其二为海拔 的山地雨林 , 土壤为砖黄壤 , 基 岩为
本文于 年 月 日收到。
本项研 究为 自然科学基金资助项 目内容之一 , 叁加工作的还有刘其汉 , 林月娟 , 刘京同志, 本所分析室化学分析 ,
一并致谢 。
林 业 科 学 研 究 卷
似斑状花岗岩 钾长石花岗岩 ,
表 。
表
简称 体系。 它们的水化学性状与某些地区比较 , 各有异同
不同类型的水化学背, 值比较
地点 项 目 ! 千残渣 碱度 酸度
降 水
穿透 水
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溪 水 。,
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降 水 一 一 一
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溪 水 一 一 一
降 水 ‘9 0 .9 0 1 .3 1 0 .3 0 一 一 一 一 一 一 6 .00
E 仁5 ] 穿 透 水 1 .58 0 .038 3 .22 2 .17 1 .17 一 一 一 一 一 一 5 .9
溪 水 0 .37 0 .060 0 .70 1.33 1 .51 一 一 一 一 一 一 6.5
注 : 八 、 B 分别为尖峰岭的半落叶季 雨林和 山地雨林 , 均为历年历次测值的算术平均值(上行)和标准差 (下行) , C 为
新几 内亚山地雨林 , 根据原文中 4种林地换算的算术平均值 , D 为英国减尔士 北部云杉林; E 为湖南会 同杉木 人
工林 。
从表 1可见 , 尖峰岭地区的水质均为弱酸性软水 , 绝大多数元素含量都是A 体系大于 B
体系; 穿透水的酸度及干残渣含量 , B 体系略高于A 体系 , 而溪水则相反 。 元素之间的含量
序列有不同的组合 , 按表 1 中的代号排列如下:
1. K > C a > M g > N ) 5 1> P > A I> F e ,
2
。
K > C a > N > M g > 5 1 > P > A I > F
e ;
3
.
5 1 > C a > K > M g > N > P > A I > F
e ,
4
。
K > 5 1 > N > M g > C
a > P > A I > F e 多
5 。 5 1 > M g > K > C a > A l > N > P > F e
。
其中 , 1 、 2 序列的结构相似 , N 素因冠层淋溶浓度增大而位置前移。 2 、 4 序列相比较 ,
A 体系富C a少si , 而 B 体系相反 。 两类溪水相比较 , 元素含量组合差异大 , A 体系属5 1一C a
型 , B 体系为51二M g 型 , 同时B 体系中A I的位置也因N 、 P 的含量减少而前移 , 从而改变了
其它四类水稳定的 P > A l> F e 结构。
热带阔叶林盐基物质的冠淋强度远大于高纬区的针叶林 , 与亚热带的杉木林相差较小 ,
期 卢俊培 : 海南岛尖峰岭热带林生态系统的水化学特征
但元素的含量序列各不相同。 溪水中的元素含量序列及含量水平差异尤大 , 尖峰岭地区为硅
质软水 , 显示了热带砖红壤地区的现代脱硅过程 , 与其它类型显著不同 。 所有类型 水 的 pH
立体格局都有一个增酸一变碱过程 , 其弱酸性变化明显区别于高纬区针叶林灰化 土 区[‘’1 的
强酸性的地球化学过程 。 B 体系中的 尝.酸度和总碱度都不高 , 与硬质碱性水区的 高浓 度 不
同18]。
烘干残渣的含量说明 , 该地区大气中的干沉降是明显的 , 两类林冠都有近似 的净化作用 ,
半落叶季雨林更稳定 。 两类溪水的差异主要是水中悬移质及可溶盐 , 可能与半落叶季雨林区
大面积游耕加剧水土流失有关。
3 不同体系水化学的季节变化
区域性的水质特征同时受约于该地区的降雨过程 、 植物生长发育过程和元素的可溶性 ,
因而元素含量有不同的季节变化 , 现摘其含量大者汇总如图 1 。 .岔的来说 , 水质的季节变化
较大且与降雨的季节性大致关联 , 而各类水的关联程度和变幅又各异 。
降水中多数元素的含量季节差异较小 , K 、 C a 的 变化较大 , 元素含量与降雨量月变化
曲线有负向拟合趋势 , 尤以 si 最吻合 。 这可能与该地区间隙性不定期 的 烧垦活动有关 , 烧
失烟尘飘逸于大气中 , 烟尘中含量较高的 K 、 C a 、 Si 等元素 , 自然反映最明显 。
穿透水中的元素含量季节变化普遍较大 , 在冠层淋溶过程中 , 大气降水的物质含量因生
物因素及界面作用的引入而产生复杂的变化。 初夏季节 , 多数树种都大量抽稽展叶且富含易
溶的 K 、 N , 穿透水中的 K 、 N 含量相应增加; 雨季末期 , 新叶处于成熟或老 龄 期 , K 、 N 转
移或易移性滞缓 , 水中的含量随之降低 。 难移性元素如M g 等 , 季节变化小 , 山地雨林尤为
明显 , 说明热带林冠层 M g 积累可能较丰 , 从而能维持全周期较稳定的淋溶特点; C a元素含
量变化大 , B 体系的冠流还连续出现痕量月份 , A 体系则富含 C a , 与树 种组成中后者多富
C a 植物相符 , 与降水的季节变化大体一致 , 两体系冠流的 Si 含量变化均与降水月变化呈负
向吻合 , 雨量增加后的稀释作用十分明显 。
A 体系溪水中各元素的季节变化差异较小 , 唯 K 的跳动较大 , 这与该 区游耕农业的季节
性烧垦有关 , 也与降水的月际变化略显相反的关联; N 素的变化与降水较一致 , 6 ~ 8 月多
暴雨 , 地表退流大量汇集, 溪水含N 量升高; C a 、 M g 含量变化不规则; S又的月变化在 7 ~
20 m g/L 的范围内近水平趋势跳动 , 反映了较强的硅释放和脱硅过程。 B 体系的溪水中K 、
C a
、
N 的含量常出现断续图象 , 可能说明这些元素在生态系统内部的截留利用较多; M g 的
变化较有规律 , 与降水变化大体呈负关联; Si 的含量除4、 n 月最低外 , 余均在 4一12 m g /L
之间略呈渐减趋势跳动 , 水溶性 si 的释放和淋洗稍弱于A 体系 。
此外 , 尚可从烘干残渣等其它性质的差异分析水质的季节变化特点 。 统计结果说明 , 在
五类水中 , 雨水和穿透水的烘干残渣的极值多出现在10 月至翌年 3 、 4 月 , 月际差异大 , 年
中月变异系数约60 % ; 溪水则不同, 干残渣的高含量多在雨季月 , 旱月含量 低 , 年中 月 变
异系数达90 % 以上 , 尤以 B 体系明显 , 反映了地表冲刷及林地渗滤作用的强度 和 时 间效应
差异。 P 、 A l 、 F e 等元素在各类水中的含量少 , 变化小 , 溪 水 中的含量更低 , 常有痕量 。
B 体系穿透水的总酸度变异小(变异系数3 % ), 总碱度变异大(变异系数71 % ), 溪水相反 ,
变异系数依次为113 % 和25 % , 反映了前者植物活体酸淋溶的稳定性及碳酸 、 重碳酸盐类的
卷
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期 卢俊培: 海南岛尖峰岭热带林生态系统的水化学特征
不稳定淋溶以及后者植物残体有机酸释放及风化层有机 、 无机酸淋失迁移的不稳定和各类无
机酸盐类的稳定迁移特点。 p H 值的月变化都很小 , 变异 系数仅 1 % ~ 3 % , A 体系的降水、
穿透水和溪水 pH 月变化范围依次为 6 一6.3 、 5 . 9 一6.2 、 6 . 1 ~ 6 . 2 ; B 体系的穿透水和溪水
的PH 依次为 5
.8~ 6.2 、 6 。 2 ~ 6 . 4 。 溪水 pH 的变幅小于降水和穿透水 , A 体系的变化小于
B 体系。
4 不同体系的水化学平衡
降水一穿透水一溪水化学性状的系统变化 , 可相对地反映系统内的水化学平衡状况和生
态系统物质循环特征(表 2 ) 。
表 2 不同休系的水化学迁移
项 目 N P K C a M g 5 1 A l Fe 于残渣 总城度 总酸 度 pH
6. 林冠净淋洛
(m g /IJ)
A
B
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n . 水化学迁 移
序列
A
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A
B
5 1 ) C a > M g ) A I ) F
e ) P > K ) N
5 1 > A I ) M g ) F e ) C a > P ) K ) N
往 1 项 目栏中的 1 ~ 5 见表 1 。 8 、 9 项中的A 因该 区有约 50% 的游耕地 , 故取降水和穿透水含量的平均值作输入含
惫.
琳溶系数 = 穿透水含量/降水中的含量 , 迁移系孜 二 辘入含量/输出含量, 相对平衡值 = 输入含量 一输出含量。
降水通过林冠后 , 由于枝叶面上的积尘及植物器官中可溶物质被淋洗 , 使水化学浓度添
加而产生林冠净淋溶 , 不同元素的可溶性及其在植物体内的转移情况和时期不同 , 净冠淋含
量及元素组合序列也各异 。 从表 2 可见 , A 体系的冠淋元素含量 , 除 si 、 A l 外都大于 B 体
系 , 淋溶系数全部> 1 ~ 3 , 淋溶序列有较大改变 , 如取淋溶系数> 2 为限 , 则为 N 一 K 型
淋溶; B 体系淋溶系数< 1 ~ > 3 , C a 为负淋溶 , Si 、 A l 的淋溶含量增加 , 使淋溶序列大
改变 , 这个趋势可能与山地雨林树种组成中较少富 C a 的豆目植物或叶面直接吸收多 有关。
烘千残渣的相对淋洗量与多数元素相反 , 山地雨林略高于半落叶季雨林 , 这与山地雨林冠层
厚度及重叠度大 、 表面积大的林分结构特征相吻合 。 从 pH 看 , B 体系的冠琳增酸作用稍强
于A 体系 , 与前述元素淋溶差异一致。
溪水是降水通过生态系统立体空间多层次再分配后的地面输出水 , 其化学成分变化是复
杂的。 如以溪水的元素输出含量与降水和穿透水的元素输入含量之比值(暂名迁移系数)等于
1 , 或输入含量与输出含量之差值等于零为平衡界限(表 2 ), 并将其分为不同类型 , 按平衡
林 业 科 学 研 究 4 卷
值大小排序 , 则在A 体系中 , Si > C a > M g 为淋失迁移型(负值), K > N > P > A l > F e 为内
贮型 , 即输入含量尚有部份在系统内吸收贮存; 烘干残渣为侵蚀型 , p H 变化为微增 碱型 。
在 B 体系中 , Si > 总碱度> 总酸度为淋失迁移型 ;K > N > M g > C a > P > A I> F e 为内贮型 ;
烘 干 残 渣 为过滤型 , p H 值变化为增碱型 。 对 比两体系依元素迁移系数排列的迁移序列可
见 , 最突出的差别在 C a 和 A I的位置 , 如将其抽出 , 则两体系拥有完全相同的水化学迁移。
据其异点可视A 体系为 Si 一C a 型迁移 , B 体系为 51一A l 型迁移。 以上水化学的相对平 衡 特
点 , 与两体系的植被类型 的组成和结构 、 上壤类型及其性状和基岩类型差异相吻合 , 与两体
系所处的气候垂直带差异相符 , 从水化学角度证实了 B 体系较之 A 体系具有更大的生态化学
调节功能和游耕农业对 A 体系水化学 的影响 。
5 结 语
海南岛尖峰岭地处热带区 , 高沮多雨 , 降雨是热带林生态系统主要的物质输入源 。 通过
林冠的穿透水可使雨水中的绝大多数元素含量增加。. 3 ~ 2 . 8倍 , 富化了输入源 , 有利于系统
内的物质循环 。 半落叶季雨林的冠淋含量大于 山地雨林 , 各元素的淋溶量依植被类型而异 ,
K
、
N 的含量高。 山地雨林冠流中的含 C a 量因树种含 C a 少和冠层直接吸收多而 降 低 。 溪
水中的多数元素含量低于穿透水 中的含量 , 系统内相对的水化学平衡特点是内部贮存利用大
于输出 。 半落叶季雨林 的 Si 、 C a 、 M g 、 烘千残渣和山地雨林的 Si 、 总碱度 、 总酸 度 的输
出含量稍大于输入含量 。 山地雨林生态系统对水化学的生态调节功能优于半落叶季雨林生态
系统。 随降水及植物的季节变化和元素可溶性不 同, 各类水 的元素含量均有明显不 同的季节
波动。
今 考 文 做
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M a t u r e S it k a 一 s p r u c e p l a n t a t i o n i n B a d d g e l e s t F o r e s t , N o r t h W a l o s
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台期 卢俊培: 海南岛尖峰岭热带林生态系统的水化学特征 237
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K e y w o r d s t r o P i e a l fo r e s t e c o s y s t e m ; P r e e i p i t a t i o n ; t h r o u g h f a l l ; s t r e a m ;
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