全 文 ：第 卷 第 期
年 月
林 业 科 学 研 究
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,
热带山地次生雨林生态系统的
水文学过程及养分动态 关
陈步峰 周 光益 曾庆波 李意德 吴仲民
摘要 在小集区技术和定位观测综合实验测定的基础上 , 研究分析了尖峰岭热带山地雨林更
新林生态系统 年间的水文学过程 、水质的动态变化 、营养元素积累 。结果表明 水量及营养元素的
输入 、 再分配和输出量主要集中在雨季的 月份 , 两者月动态变化特征密切相关 , 年降水输入
营养元素的 纬被森林生态系统积累 。
关键词 热带 山地雨林更新林 、水文分量 、养分动态
森林生态系统是一个 内部结构和功能错综复杂的系统 〔‘〕, 系统 中水分和养分循环是维持
系统有机物质生产的基本功能 , 而且在水文过程中营养元素的变化将成为系统研究中的一个
重要分支 。 为此 , 研究实验 以小集水区作为尖峰岭热带山地雨林更新林生态系统的一个限定范
围 , 较精确地测定水文分量及水化学元素的输人输 出 , 并确定某些养分 的收支 , 同时与生态系
统内生物群落的生产力 、 生物量积累 、 凋落物及分解归还等参数相配合 , 了解热带林 皆伐后的
更新前景和生态功能 。本文仅从水文特征及其水质变化 , 研究该群落的水文效益和养分贮蓄功
能 , 对合理经营热带林提供一些科学依据 。
自然概况和研究方法
自然概况
作者在 “林业科学研究” 卷 期中已有介绍 , 此处略 。
水量测定及水样采集分析方法
降水测 定 在集水 区 山脊森林蒸散观测塔顶部高出林冠 处设一 自计雨量计 , 并
在林外裸地气象观测站设雨量筒和 自记雨量计同步观测降水量 。
穿透水 、 树干茎流 定 在集水区内选定坡面标准地 , , 用网格法机械地设置
标准雨量筒 个 距地面 。 , 测定穿透水量 根据标准地内树种的重要值和径阶权重选
取 棵样株 , 用 一 内径聚乙烯管分 、 级粘绕样树底部 , 同时承接池采用 到 级分
流测定树干茎流量 。
总径流量浏 定 在集水区内设有 巴歇尔无喉堰和嵌套的 型溢流堰三级装置 , 测定
集水区总径流量 。
水样采集分析 按雨量级 , 对降水 、穿透水 、树干茎流和总径流采用标准洗液洗净未受
污染的样瓶取其混合样 , 分析 、 、 、 、 、 、 、 、 有机 的含量 。 分析方法 全 用
一一 收稿 。
陈步峰助理研究员 , 周光益 , 曾庆波 , 李意德 吴仲 民 中国林业科学 研究院热带林业研究所 广州 。
二 本文系林业部重 点项 目“海南岛尖峰岭热带林生 态系统研究 ”和 国家自然科学 荃金 资助项 目的一部分 , 杜
志鹊同志参加部分 工作 。
林 业 科 学 研 究 卷
扩散法 , 用磷钥蓝比色法 , 、 、 、 、 用原子吸收光谱法 , 有机 用重铬酸钾氧化亚
铁滴定法 , 用硅铝蓝比色法 。
结果和分析
热带山地雨林更新林生态系统的水文学特征
受热带季风气候的影响 , 该生态系统具有高温 、 高湿 、多雨 , 尤其是台风暴雨频繁 、干湿季
明显的特征 , 形成丰富的光 、热 、 水资源 。 年降水量的一半多来源于台风暴雨 。 年 月至
年 月 , 暴雨 、大暴雨 、特大暴雨总量 占年降水量的 , 年 月至 年 月 ,
三者占年降水量的 , 年 月至 年 月 , 三者占年降水量的 年间特
大暴雨发生 次 , 大暴雨发生 次 , 暴雨发生 次 , 因而构成该森林生态系统独特的水文学特
点 。 现就 年间降水 、林 内雨和总径流水文分量变化 , 分别予以分析讨论 。
降水在输入生态系统 、穿过和流出该系统的过程 中 , 水量分配会发生明显的变化 , 经 年
多 的实际测定和计算 , 年均 降水量为 , 穿透水量为 , 树干茎流量为
, 总径流输出量为 其月及年水量分配格局见图 , 其主要水文特点有
次咯翻璐岁辱盛抓噢辑
月份
图 月水文学特征
季 节分配 降水 、 林内雨输入主要分配在 月份 即雨季 , 分别 占年各输入量的
写和 降水量较少的 月为旱季 , 两者仅占 和 , 雨季即是 台风
侵入和暴雨 、特大暴雨发生较多的季节 , 又是植物群落高生长季节 。 降水和林内雨的年高峰值
均 出现在 月 , 分别为 和 , 占年降雨量的 和 降水及林内雨的
次峰值均出现在 月 , 分别为 和 , 占年降水量的 和 写 森林
冠层的截留率变化范围 , 雨季为 , 旱季为 一 , 两个季节的冠层截
留率均值分别为 写和 。 反映出林层截持水量受季节的变化而变化 旱季降水量少 ,
强度小 , 林层较干 , 截留率高 , 雨季则相反 。
对降水尤其是对大基雨较 多的 雨季降水径流的水文效应 从 图 月径流变化来看 ,
期 陈步峰等 热带山地次生雨林生 态系统的水文学过程及养分动态
总径流输 出从 月的 开始逐渐增加至 月的峰值 , 除 月份大于 月份外 , 此后逐
月递减 , 月出现最小值 。 季节分配也较明显 , 雨季为 , 占年总径流量的 , 月径
流峰值滞后于降水峰值 月 , 出现在 月为 。 从月径流系数变化角度分析 , 、 、
月份 , 径流系数变化范围为 一 。 一 月份 , 变化范围在 一。 “ 月至次年
月 , 径流系数分别为 。 、 、 。 反映出更新林生态系统的蓄贮水源 、 延缓洪峰的发生 ,
尤其是对大暴雨及特大暴雨的雨季降水径流的滞后作用 , 具显著的水文效益 。
水文分量及水化学元素的收支状况
热带 山地雨林更新林生态系统水文过程中的养分收支状况 , 能够客观地反映该生物群落
所具有的养分贮存和再循环能力 , 损耗最小 、积累有效 、 节约生 命必需的养分使群落保持经常
性的生长和发育川 , 是系统功能的主要体现 , 因而分析输入与输出物理量和水质量变化对于阐
明群落的生态功能是十分必要的 。
表 热带山地雨林更新林生态系统水 及水化学元素的收支状况
一 单位 ·
项 目 水量 、
降水 ·
元素浓度
穿透水
元素浓度
干茎 流 ·
元紊浓度
总径流输出 ·
元 素浓度 拷
收 支 差 额
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29.26
2.02
353.1
林内雨淋
注 :表中各水文分量 的元 素年输 入输出量是根据 3 年各 ,l4 次水徉分 析结 果每 月加权均值乘月水量的 月量之和 ;元
素浓 度 为月 加权值 的年 加 权值 。 水 样分析 取 样的 雨量级分配为 2. 0一 10.O n、m , 巧 次 ;10 . 1一 24. 9 m m , 25 次 ;
25.0一 49 , 9 m n 、 , 2 0 次 ;50.0一 10 0 . 0 n in i .7次 ;大 于 Zoo m :11 , 7 次 。
2
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2
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1 表 1 结果 给出更新林 林层穿透水 量 占年降水 的 78 . 5 % , 树干 茎流量 占年 降水 的
6. 6 % , 林冠层年均截留率为 14 .9 % , 年径流系数为 0.50 ;大气降水输入热带 山地雨林更新林
系统的 9 种元素总量为 11 .03 kg / (h m Z · a) , 其中 C a 元素占比例最大 , 为降水输入元素总、量
的 51. 1写 , 其次是 C 和 N 元素 , 为年降水输入总量的 20.1% 和 12 .5 % , 余下的依次为 :M g >
K > 5 1> A I> P > M n 。
与国 内外热带地 区的资料相 比 , 该地 区降水 中 N 的年输入量小于 马来 西亚 [19 .5 kg /
(h m Z · a ) 」和我国西双版纳地区[17 . 3一19 . 9 k g / (h m 之 · a ) ] [lJ , 而大于该地区半落叶季雨林区
的分析值「5.59 kg/(hm ’ · a ) 」川 , 原因是山体影响降水量分配 , 半落叶季雨林 区降水低于该林
区 。 降水中P 的年输入量介于西双版纳地区 [0 .2 一0 .49 9 k g / (hm Z · a ) 」中间川 , 小于半落 仆十
季雨林[1.69 kg / (h m Z · a ) 〕。 K 则均小于这两个地区 。 降水中 C a 的年输 入量均大于马来西亚
「21 , 5 5 k g / ( h m , · a ) 」、 香港[11.60 kg / (h m , · a ) 」、西双版纳[5.9 kg/(h m , · a ) 」和该区半落
叶季雨林[13.03 k g / (h m , · a ) 」[, , ‘」。 降水中 M g 的输入量大于马来西亚仁2.0 kg/(hn、, · a ) 〕、
林 业 科 学 研 究 7卷
香港〔3.0 kg/(hm , · a ) ] 和本区半落叶季雨林区 [7.7 1 k g / (h m Z · a ) 〕, 而在西双版纳 6.7~
12.3 k g /(h m Z . a )之 间 。
2
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2
.
2 林内雨水化学元素的输入 林内雨即到达林地的水量 , 包括穿透水和干流 , 这部分水
中水化学元素是经林冠截留和淋溶综合作用后的结果 , 除 C a 外(表 1) , 淋溶后元素浓度增加 ,
与降水中元素含量相 比 , 穿透水和树干茎流中水化学元素浓度增加序列分别为 :
穿 透水/降水序列 :C (22· o ) > K ( 1 7 · 7 ) > M n ( 1 5 ) > 5 1 ( 5 . 2 ) > p ( 3 . 1 ) > A I ( 2 . 4 4 ) > M g
( 2
.
4 3 ) > N (
1
.
5 0 ) > C
a
( 0
.
9 9 )
树干茎流/降水序列 :C (22. 5 )) K (15. 6)> 5 1(7.4 )) A I(3. 7)) p (3 .5 )) M g (1.5 )) N
(1. 7)) C a (1. 1)
因而林内雨中元素年输入序列为有机 C > K > C a> N > M g > Si > M n > A l> P ;降水穿过更新
林系统的林层 , 淋洗和淋溶 了林层上的大量物质 , 其元素的淋溶量序列为 :有机 C > K > Si >
M g > N > M n > Al > P > C a , 其中 C a 为负值 , 表明 C a 元素在植物体内移动性差或被冠层吸收
所致 。从水循环的角度看 , 穿透水与林地的状况构成水的来源面 , 树干流与树根周围的大空隙 ,
决定了这部分水的运动以点源形式进入林地 , 因而干流水质元素更易被植物吸收 。淋溶量的增
加 , 无疑增加了林地化学物质的输入 , 特别是解决了林分从母质风化所得 不到或量少的元素 ,
如 N 、 P 元素等 , 从而加速植物的生长 。
2
.
2
.
3 总径流水化 学元素的流失 总径流化学物排出不仅受降水 、 林内雨 、 枯落水中元素相
互作用的影响 , 而且受生物的吸收 、淋溶作用和土壤离子交换以及母质风化水解等复杂化学反
应过程的影响 。 从水化学元素输出结果分析 , 年总径流输出元素的序列为 Si > Ca> 有机 C > K
> N > M g > Al > P > M n ;风化释放及水解使 Si 和金属元素随径流输出量较高 , 其余元素均输
出量较少 , 说明该群落具有较高的养分保存机理 , 特别是在多雨的季节 。
2
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2
.
4 水化学元素的收支状况 热带山地雨林区 , 由于气候 、 地质生物群落和系统的发育水
平 , 决定了养分源的大小 , 导致具有的溶解物质和微粒物质的最小输出量及最大抗蚀力 。 从系
统输入输出差额即净变化值来分析了解营养元素的功能[s] , 表 1 中 Si 的净变化值为负值 , 但
它极易从风化中得到补充 。 除此之外 , 各元素均有相应程度的积累 , 尤其是有机 C 、 K 、 C a 、 N 积
累量大 , 水化学元素的积累 , 作为长效养分输入而被积累 , 对于植物群落高速生长发育是非常
重要的 。 从热带山地雨林更新林生态系统具有的涵养水源 、 养分贮存和再循环能力来看 , 除 Si
外 , 8 种水质元素年输入林地的总量 , 78 . 1 % 被系统积累 。
2. 3 水化学元素贮存动态
热带山地雨林更新林水文学过程与集水区化学物质的生物地球化学循环是同步进行的 。
分析重点以养分随降水和径流输入输 出变化特点为主体 , 即避开复杂的内部机理和相互关系
的数量化 , 从输入林地水量和总径流输出的月间和季节变化来反映系统贮存水化学物功能 。这
里我们仅取 5 种营养元素贮量来分析(表 2)。
2
.
3
.
1 从表 2反映出 , 更新林生态系统林地暂贮蓄水量的特点 。 雨季为贮蓄水量的主要季节 ,
占年贮水量的 94 .8% , 由于 6、 8 月降水量多 , 林地对水的有效贮留 , 使径流输出后系统贮水量
仍较大 , 而 9 、 10 月间则贮量减少 。 旱季贮水量相对很少 , 仅占年贮水量的 5.2肠 , 由于降水少 ,
且系统对雨季降水径流的滞后作用 , 使 12 月 、 1 月径流输出量大于降水输入量 , 表现为水分亏
缺 , 3 月份有微弱水分亏缺 。
期 陈步峰等 :热带山地次生雨林生态系统的水文学过程及养分动态
表 2 系统中部分水化学元素贮t 的月动态 [单位 :kg /(hm Z · a ) ]
雨 林地暂¹ …雨 林地暂¹季 贮水量 N P K C a M gº }季 贮水量 N P K c , M “º
(月) (m m ) l(只) (m m )05 150.2 1.870 0. 112 4.71 2.8 5 1.32 …“ 2‘· ‘ 。· 8 9 8 “· ‘2 9 2 · 5 2 。· 5 6 。· 3 。0 6 4 8 7 . 1 4 . 6 0 0 0 . 20 4 5 . 0 6 9 .8 9 4 . 2 7 …‘2 一 49 · “ 一 o · “6 2 “· “0 2 一 0 · 9 8 一 o · “5 一 0 · “‘0 7 91 . 5 0 . 7 3 3 0 . 10 7 1 0 . 4 3 0 .8 9 2 . 2 0
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¹ 为林 内雨减去总径流量 ;º 表中 N 、 P 、 K 、 Ca 、 M g 的贮量为林内雨 中输入元素量减去总径流输出量 .
2 . 3 . 2 更新林 来统中水化学元 素贮量动态 从表 2 看出 , 系统水化学元素 N 、 P 、 K 、 C a 、 M g
的贮量也主要集 中在雨季 , 分别占各 自年贮量的 85 .5% 、 70 · 9 写 、 74 . 6 写 、 95 . 9 % 、 8 . 4 % 。 雨
季元素贮量变化是 :N 在 7、 9 月份相对较少 , P 在 9 、 10 月份相对较少 , K 在 9 月份要从系统 中
亏损 , C a 在 8 月份要从系统中亏损 。 旱季水化学元素贮量月动态变化较突出 , 5 种元素均在
12 、 1 、 3 月份要从系统 内亏损或者是贮量较少 , 其中 N 贮量在 12 、 1 、 3 月份均要亏损 , K 、 C a 贮
量在 12 、 1 月份均要从系统中亏损 , M g 贮量在 12 月有微量亏损 。 其原因是降水量少的旱季 ,
随降水的养分输入相对较少 , 而径流量相对降水量大 , 使养分随径流流失大于输入量 。
3 结 语
(l) 热带山地雨林更新林的气候具有明显的干 、湿两个季节 。 降水 、林 内雨 、总径流的输入
输出主要分布在雨季 (5 ~ 10 月份 ) , 分别占年降水的 85 .4 % 、 85 . 8 % 、 7g 写 , 雨季降水径流滞后
作用明显 , 旱季林冠层截留率较高 。 穿透水占年降水的 78 .5 % , 树干径流占 6. 6 % , 年总径流输
出占年降水输入的 50 % , 该群落具有 良好的水文效益 。
(2 ) 降水是该系统水质元素输入主要来源之一 , 经林层淋溶作用 , 水化学元素含量被增加 ,
林层的年淋溶量序列为有机 C > K > Si > M g > N > M n > A l> P > C a ;系统具有有效的水化学
物质保存功能 , 可抑制总径流养分物的流失 。
( 3) 系统具有 良好的涵养水源和养分贮存功能 。 年贮水量为 9 7.9 m m , 94 . 8 % 为雨季贮
量 , 营养元素的贮量动态与蓄水量显著相关 。 在雨季 N 、 P 、 K 、 C a 、 M g 的贮量分别占其年贮量
的85 , 5 % 、 7 0 . 9 % 、 74 . 6 % 、 95 . 9 % 、 8 8 . 4 % , 营养元素表现亏损的月份主要集中在 12 月和 1 月
(即旱季 )。 除了 C a 元素外 , 年降水输入林地 8 种元素的总量 , 78 . 1 % 被系统积累 。
( 4) 研究结果表明 , 尖峰岭热带山地雨林更新林生态系统具有显著的水文效益和水化学物
积累功能 。
参 考 文 献
周晓峰主编.森林生态系统定位研究(第一集).哈尔滨市 :东北林业大学出版社 , 1 9 91 . 巧 2一 158 .
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鲍尔曼 F H 等 (李景文等译).森林生态系统的格 局与过程.北京 :科学出版社 , 1 9 85 . 6 5 ~ 10 1 .
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蒋有绪 , 卢俊培等.中国海南岛尖峰岭热带林生态系统.北京:科学出版社 , 19 91 . 2 32 ~ 2 3 4.
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