全 文 ：第 vz卷 第 v期
u s s t年 x 月
林 业 科 学
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湖南第 u代杉木幼林的水文学过程
及养分动态研究
田大伦 项文化 康文星
k中南林学院资源与环境学院 株洲 wtussyl
摘 要 } 采用小集水区技术和定位研究方法 o根据连续 v¤观测所取得的数据 o对湖南会同第 u代杉木幼林
的水量平衡和养分元素的地球化学循环进行了研究 ∀结果表明 }该森林生态系统年降雨输入为 ttzs1y°° o其
中 v1xv°°以树干茎流形式进入林地 o占降雨量的 s1v h o林内穿透水为 tstz1v°° o占 {y1| h o另外林冠年截留
量为 tw|1zz°° o占年降雨量的 tu1{ h ∀以径流形式流出该系统的水量为 wu{1sx°° o占年降雨量的 vy1xz h o其
中地表径流和地下径流分别占总径流的 w1vt h和 |x1y| h ∀系统另一输出形式蒸散量为 {yu1yw°° o为年降雨
量的 yu1u h ∀在该森林生态系统中 o由降雨输入的 ‘!° !Ž!≤¤!ª等元素的总量为 xv1tzv®ª#«°pu #¤pt o径流
输出量为 wu1xyv®ª#«°pu#¤pt o净积累量为 ts1yts®ª#«°pu#¤pt ∀与稳定态的第 t代杉木林相比 o第 u代杉木幼
林的林冠截留量成倍减少 o地表径流 !地下径流量和径流总量都高于第 t代杉木林 o其涵养水源的能力相对较
弱 o抵抗外界干扰的能力比稳定态的第 t代杉木林差 ∀从生物循环来看 o第 u代杉木幼林的养分存留量大 o表
明第 u代杉木幼林将从土壤中吸收的养分大量地保存在林木中 o造成土壤中养分的逐渐减少 o维持持久的林
地生产力应引起重视 ∀第 u代杉木幼林生态系统的养分输入量明显大于第 t代 o然而其养分的输出更大 o达
到近 x倍 o养分的累积量较少 o为第 t代的 s1wy倍 o说明第 u代杉木幼林生态系统仍处于生态恢复过程 o生物
调节要恢复到稳定态的第 t代杉木林水平需要一段时间 ∀
关键词 } 第 u代杉木幼林 o水文学过程 o养分动态 o生物地球化学 o小集水区
收稿日期 }usss2ts2tz ∀
基金项目 }国家林业局重点科研项目/湖南省会同杉木林生态系统定位研究0k|y2vwl和湖南省科委重大项目/杉木林生态系统在湖
南省地球化学循环中地位和作用的研究0k||≠tsswl的部分内容 ∀
ΗΨ∆Ρ ΟΛΟΓΙΧ ΠΡ ΟΧΕΣΣ ΑΝ∆ ΝΥΤΡΙΕΝΤ ∆ΨΝΑΜΙΧΣ ΟΦ ΨΟΥΝΓ
ΣΕΧΟΝ∆2Ρ ΟΤΑΤΙΟΝ ΧΗΙΝΕΣΕ ΦΙΡ ΠΛΑΝΤΑΤΙΟΝ
׬¤± ⁄¤¯∏± ÷¬¤±ª • ±¨«∏¤ Ž¤±ª • ±¨¬¬±ª
k Φαχυλτψοφ Ρεσουρχε ανδ ΕνϖιρονµεντoΧεντραλΣουτη Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ζηυζηου wtussyl
Αβστραχτ } …¤¶¨§²±·«¨ ¶°¤¯¯º¤·¨µ¶«¨§·¨¦«±¬´∏¨ ¤±§·«¨ ²¯¦¤·¨§²¥¶¨µ√¤·¬²± °¨ ·«²§o·«¨ §¤·¤¦²¯¯¨ ¦·¨§¬±v ¦²±¶¨¦∏·¬√¨
¼¨ ¤µ¶º¨ µ¨ ∏¶¨§©²µ¤±¤¯¼½¬±ª·«¨ º¤·¨µ¥¤¯¤±¦¨ ¤±§±∏·µ¬¨±·¶ª¨²¦«¨ °¬¦¤¯ ¦¼¦¯¬±ª¬±·«¨ ¶¨¦²±§2µ²·¤·¬²± ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ³¯¤±·¤2
·¬²±q׫¨ µ¨¶∏¯·¶¶«²º¨ §·«¤··«¨ ¤√¨ µ¤ª¨ ¤±±∏¤¯ µ¤¬±©¤¯¯ ²©·«¨ ¦¨²¶¼¶·¨° º¤¶ttzs1y°°o{y1| h os1v h ¤±§tu1{ h ²©
º«¬¦« º¨ µ¨ ¤¯ ²¯¦¤·¨§·²·«µ²∏ª«©¤¯¯o¶·¨°©¯²º ¤±§¦¤±²³¼¬±·¨µ¦¨³·¬²±oµ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ q׫¨ ¤±±∏¤¯ µ∏±²©© º¤¶wu{1sx°°o·«¤·
º¤¶vy1xz h ²©·«¨ ¤±±∏¤¯ µ¤¬±©¤¯¯q׫¨ ¶∏µ©¤¦¨ µ∏±²©©¤±§ªµ²∏±§µ∏±²©©¤¦¦²∏±·¨§©²µw1vt h ¤±§|x1y| h ²©·«¨ ·²·¤¯
µ∏±²©©q׫¨ ¶¨·¬°¤·¨§ √¨¤³²·µ¤±¶³¬µ¤·¬²±²©·«¨ ¶¨¦²±§2µ²·¤·¬²± ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ³¯¤±·¤·¬²± º¤¶{yu1yw°°o·«¤·º¤¶yu1u h ²©·«¨
¤±±∏¤¯ µ¤¬±©¤¯¯qŒ±·«¨ ³µ²¦¨¶¶²©¥¬²¯²ª¬¦¤¯ ¦¼¦¯¬±ªo·«¨ ¤±±∏¤¯ ∏³·¤®¨ ²©x ±∏·µ¬¨±·¨ ¯¨ °¨ ±·¶k‘o°oŽo≤¤¤±§ ªl ¬±·«¨
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«°pu#¤pt q
Œ± ¦²±·µ¤¶··²·«¨ ©¬µ¶·2µ²·¤·¬²± ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ³¯¤±·¤·¬²±o·«¨ «¼§µ²¯²ª¬¦³µ²¦¨¶¶¤±§±∏·µ¬¨±·§¼±¤°¬¦¶²©·«¨ ¶¨¦²±§2µ²·¤2
·¬²± «¤§§¬©©¨µ¨±·¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶q׫¨ ¦¤±²³¼¬±·¨µ¦¨³·¬²±µ¤·¨¬±·«¨ ¶¨¦²±§2µ¤·¬²± º¤¶¯ ²º¨ µ·«¤±·«¤·¬±·«¨ ©¬µ¶·µ²·¤·¬²±q
Œ±·«¨ ¶¨¦²±§2µ²·¤·¬²± ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ³¯¤±·¤·¬²±o·«¨ °²±·«¯¼µ∏±²©©√¤µ¬¨§º¬·«·«¨ ³¤¦¨ ²©·«¨ µ¤¬±©¤¯¯o¤±§·«¨ ¤±±∏¤¯ µ¨·¨±·¬²±
º¤¶«¬ª«¨µº«¬¯¨ ±¨·±∏·µ¬¨±·¤¦¦∏°∏¯¤·¬²± º¤¶¯ ²º¨ µq׫¨¶¨ ¶·¤·¬¶·¬¦¶µ¨√¨ ¤¯ §¨·«¤··«¨ ¶¨¦²±§2µ²·¤·¬²± ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ«¤§ ²¯º¨ µ
¦¤³¤¦¬·¼²©º¤·¨µµ¨ª∏¯¤·¬²±¤±§§¬¶·∏µ¥¤±¦¨ µ¨¶¬¶·¤±¦¨ q׫¨ ·µ¨ ¶¨¦²±¶∏°¨ §°²µ¨ ±∏·µ¬¨±·¶¤±§·«¨ ¦¨²¶¼¶·¨° º¤¶¬±·«¨ ¥¬²2
²¯ª¬¦¤¯ µ¨¶·²µ¤·¬²±¶·¤ª¨ q
Κεψ ωορδσ}≥¨ ¦²±§2µ²·¤·¬²± ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ³¯¤±·¤·¬²±o‹¼§µ²¯²ª¬¦³µ²¦¨¶¶o‘∏·µ¬¨±·§¼±¤°¬¦o…¬²¦«¨ °¬¶·µ¼o≥°¤¯¯ º¤·¨µ¶«¨§
杉木是我国亚热带地区特有的优良速生用材树种 o已有近千年的栽培历史 o通常采用皆伐作业和人
工造林更新等经营措施 o通过森林调整达到森林结构合理 o实现永续利用 ∀多代连栽和栽培面积扩大 o
产生杉木林地生产力维持问题引起学术界的广泛关注k中国林学会森林生态学会 ot||ul ∀
皆伐导致森林生态系统的生物调节丧失k鲍尔曼等 ot|{xl o人工造林则是森林生态系统的重建和生
物调节逐渐恢复的过程 ∀森林生态系统的能量流动 !水文学过程 !营养元素生物地球化学是生物调节的
重要功能过程 ∀利用小集水径流场技术进行长期定位观测 o取得这些功能过程的参数来研究系统的水
文学过程和营养元素循环的时空格局 o可为杉木经营和维持林地生产力提供理论依据 ∀
从 t|z|年中南林学院会同森林生态系统定位研究站建立以来 o利用小集水区技术对杉木人工林生
态系统中的森林生物量动态变化 !水文学过程和营养元素的生物循环及生物地球化学循环进行长期的
定位观测和研究 o其中稳定期的第 t代杉木林生态系统的水文学过程和养分动态已有系统的报道k潘维
俦等 ot|{|l ∀本文利用连续 v¤定位观测数据 o对第 u代杉木幼林的水文学过程及养分动态进行分析 o
从而了解两代杉木人工林生态系统的功能特点和森林经营的影响 o达到科学经营的目的 ∀
t 试验地概况
试验地设在中南林学院会同森林生态定位研究站 o东经 ts|βwxχ o北纬 uyβxsχ o属典型的亚热带湿润
性气候 o年均温度 ty1{ ε o年均相对湿度约 {s h o年均降雨量 ttss ∗ twss °°∀地层属震旦纪板溪系灰
绿色变质板页岩 o林地土壤为山地黄壤 o³‹ 值 w1x o有机质含量 t{1tªΠ®ªo土壤容重 t1tt ≅ tsv ∗ t1ux ≅
tsv®ª#°pv o总孔隙度 xu1z h ∗ xz1v h ∀地貌为低山丘陵 o海拔 uzs ∗ wss° o相对高度 txs°以下 ∀研究站
内的 {个试验集水区的地形和生境条件基本相似 o面积均在 u ≅ tsw °u 左右 o彼此相距不超过 tss°∀本
试验在第 v号集水区进行 o平均坡度 uxβ o该区第 t代杉木林 t|yy年营造 ot|{z2ts皆伐 ot|{{年春经炼
山 !全垦整地后 o营造第 u代杉木林 o造林密度 uvyw株#«°pu ot|{{2tt和 t|{|2sz经过全垦抚育 o此后未
做其他任何处理 ∀试验林分的林龄 z¤o平均胸径 {1uu¦°o平均树高 y1xt° o郁闭度 s1y ∀
u 研究方法
采用/小集水区径流场技术0k潘维俦等 ot|{wl o将小集水区作为一个生态系统的功能单位来测定系
统的物质输入2输出和系统内的物质转移和再分配 o具体测定方法如下 }
211 水文过程中的水量测定
由安装在集水区内观测铁塔k高出林冠 t1x°l上的雨量计观测降雨量 ∀穿透水由分别设置在山洼 !
山麓 !山坡的 v个约 t{°u 的穿透水承接装置测定 ∀树干茎流的测定采用聚乙烯塑料管蛇形缠绕树干基
部 ots株杉木为 t组将塑料管下端接入遥测雨量计自动记录 ∀利用径流场封闭技术在集水区出口设置
测流堰 o分别测定地表径流和地下径流 ∀
212 水样收集
按水样采集的一般要求 o每月降水后在水量测定处采集水样 t ∗ u次 o每次每个水样的采集量为
usss°o盛于清洁的塑料瓶中 o并及时送实验室分析 ∀
213 生物量测定和生产力的估算
用克拉夫特分级法对林木分级 o进行每木调查后选取各生长级和林分的平均标准木共 y株 o以 t°
为区分段分层截取 o测定干 !皮 !枝 !叶和根的生物量 o建立相对生长方程 o估算林分的生物量 o以年平均
增长量作为净生产力的估测指标 ∀
214 植物采样
xy 第 v期 田大伦等 }湖南第 u代杉木幼林的水文学过程及养分动态研究
进行分层测定生物量的同时 o按干 !皮 !枝k分当年生枝 !t年生 !u年生和老枝l !叶k分当年生叶 !t
年生 !u年生和老叶l和根k分  s1u¦° !s1u ∗ s1x¦° ! s1x¦° !根头l等组分采集植物分析样品 ∀
215 样品的化学分析
蒸馏比色法测定水样中的 ‘‹w2‘!‘’v2‘和有机 ‘o磷钼蓝比色法测定 °∀植物样品中的 ‘和 °分
别用半微量凯氏法和 zut分光光度计测定 ∀植物和水样中的 Ž!≤¤!ª均用原子吸收分光光度计测定 ∀
v 结果分析
311 第 2代杉木幼林系统的水量平衡
v1t1t 杉木幼林降雨输入与分配 大气降雨是外界各物质进入森林生态系统的主要途径 o根据 t||x ∗
t||z连续 v¤观测的资料 o统计出第 u代杉木林的降雨输入及分配情况k表 tl ∀由表 t可看出 o该系统的
年降水量为 ttzs1y°° o其中林内的净降雨量占总降雨量的 {z1u h o达到 tsus1{v°° o林冠年截留量为
tw|1zz°° o占年降雨量的 tu1{ h ∀进入杉木林内的雨水绝大部分是穿透水 o为 tstz1v°° o占净降雨量的
||1z h o以树干茎流形式进入林内的水量为 v1xv°° o占年降雨量的 s1v h ∀
表 1 第 2 代杉木幼林降雨输入及分配规律(1995 ∗ 1997)
Ταβ .1 Μοντηλψ διστριβυτιον οφ ραινφαλλιν τηε ψουνγ σεχονδ2γενερατιον πλαντατιον οφ Χηινεσεφιρ
月份
²±·«
降雨量
•¤¬±©¤¯¯
k°°l
穿透水
׫µ²∏ª«©¤¯¯
茎流
≥·¨°©¯²º
净降雨
‘¨·³µ¨¦¬³¬·¤·¬²±
截留
Œ±·¨µ¦¨³·¬²±
k°°l k h l k°°l k h l k°°l k h l k°°l k h l
t zz1v yz1{ {z1z s1wv s1y y{1uv {{1v |1sz tt1z
u tz1u tv1u zy1z s1st s1t tv1ut zy1z v1|| uv1u
v tuu1y tts1u {|1| s1wx s1w tts1yx |s1v tt1|x |1z
w ttt1{ tst1w |s1z s1wz s1w tst1{z |t1t |1|v {1|
x twy1y tuv1s {v1| s1x{ s1w tuv1x{ {w1v uv1su tx1z
y tu{1z ts|1x {x1t s1wx s1v ts|1|x {x1w t{1zx tw1y
z vtx1{ u{z1z |t1t s1yv s1u u{{1vv |t1v uz1wz {1z
{ tux1| tts1z {z1| s1wz s1w ttt1tz {{1v tw1zv tt1z
| tx1u tt1z zy1| s1ss| s1t tt1zs| zz1s v1xs uv1s
ts vu1| uy1z {t1u s1sty s1t uy1zty {t1v y1t| t{1z
tt wz1{ vw1u zt1x s1stw s1t vw1utw zt1y tv1x| u{1w
tu u{1{ ut1u zv1y s1stu s1t ut1utu zv1z z1x| uy1v
合计 ≥∏° ttzs1y tstz1v {y1| v1xv s1v tsus1{v {z1u tw|1zz tu1{
与稳定态的第 t代杉木林相比k潘维俦 ot|{|l o第 u代杉木林内的穿透水量和茎流量明显增加 o第 t
代杉木林的穿透水量和茎流量为 z{y1{{°° 和 t1uu°° o第 u 代杉木幼林分别增加到 tstz1v°° 和
t1xv°°∀而林冠的截留量和截留率成倍减少 o分别由第 t 代杉木林的 uzw1y°° 和 ux1{ h 下降到
tw|1zz°°和 tu1{ h ∀由于林冠层是生态系统与外界作用的重要界面 o对降水的截留作用减少了大气降
雨到达地面的数量和速度k马雪华 ot||vl o从而增加了系统对外界干扰抵抗能力 ∀第 u代杉木林林冠截
留量和截留率的减少表明其对外界干扰的抵抗力比稳定态的第 t代杉木林差 ∀
上述现象有两个方面的原因 o一方面是因为在观测期间内降雨量有所增加 o并且在 t||y和 t||z年
的 z ∗ {月份先后出现强的降雨过程 ∀另一方面是因为第 u代杉木幼林的树皮纤维薄且结构紧密 o对雨
水的吸收能力较差 o树干茎流增加 ∀同时第 u代杉木林林冠的郁闭度小 o树叶的密集度低 o从而对降雨
的截留也就减少 ∀
将表 t相应的数据绘制出图 t !u o从中可以看出第 u代杉木林生态系统的降雨输入及分配的月变化
规律 ∀林内的穿透水 !树干茎流和林冠截留量随着降雨量的增加而增加 o林冠的截留率则呈减少的趋
势 ∀一年内 tt ∗ u月冬春期间 o降雨量少 o多以小雨为主 o林冠截留雨水的能力强 o林冠截留率为全年的
yy 林 业 科 学 vz卷
最大值 o月平均截留率为 uu1w h ∀v ∗ {月的春夏期间 o降雨量多且降雨强度大 o林冠的月平均截留率最
小 o为 tt1y h ∀| ∗ ts月由于气温高且空气湿度小 o林冠干燥 o降雨量相对较低 o故截留率呈上升趋势 o
月平均值为 us1{ h ∀各月的树干茎流有一定的变化 o但其总量非常小 o在降雨量最大的 z月份 o月茎流
量也仅为 s1yv°° o茎流率在 s1t h ∗ s1y h之间波动 ∀
图 t 第 u代杉木幼林降水量的分配情况
ƒ¬ªqt ²±·«¯¼ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©µ¤¬±©¤¯¯o±¨·³µ¨¦¬³¬·¤¬²± ¤±§¬±·¨µ¦¨³·¬²±¬±·«¨ ¼²∏±ª¶¨¦²±§2ª¨ ±¨ µ¤·¬²± ³¯¤±·¤·¬²± ²©≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ
) υ ) 降水量 •¤¬±©¤¯¯op pωp p净降水 ‘¨·³µ¨¦¬³¬·¤·¬²±o2222σ2222截留 Œ±·¨µ¦¨³·¬²±q

图 u 净降水率和林冠截率的月变化
ƒ¬ªqu ²±·«¯¼ ¦«¤±ª¨ ²©±¨·³µ¨¦¬³¬·¤·¬²±µ¤·¨ ¤±§¬±·¨µ¦¨³·¬²±µ¤·¨
) σ ) 净降水 ‘¨·³µ¨¦¬³¬·¤·¬²±µ¤·¨o ) υ ) 截留率 Œ±·¨µ¦¨³·¬²±µ¤·¨q

v1t1u 径流输出及其分配 表 u列出第 u代杉木幼林径流输出及其分配规律 o该集水区年径流输出总
量为 wu{1sx°° o其中以地下径流输出为主 o为 ws|1x|°° o占总径流量的 |x1y| h o地表径流为 t{1wy°° o
占总径流量的 w1vt h ∀第 t代杉木林的地表径流 !地下径流量和径流总量分别是 |1|°° !t|{1{°°和
us{1w°° o可见第 u代杉木幼林的径流量都高于第 t代杉木林 o其涵养水源的能力相对较弱 ∀
为了说明第 u代杉木林径流的月分配格局 o将表 u中的数据绘制图 v ∀从图 v可看出 o月径流量从
t月份的 |1sz°°开始逐月增加 o到 z月份达全年最大值 {w1ty°° o随后逐月减少 o到 tu月仅为 |1|w°°∀
地表径流和地下径流有相似的变化规律 ∀将径流量和降雨量的月变化进行比较可以看出 o降雨量最大
的 z ∗ {月份过后的 | ∗ ts月份径流量却维持在一定的水平 o表明第 u代杉木幼林具有一定的延长径流
流出时间来增加枯水季节流量的水源涵养功能 ∀但从图 v来看 o第 u代杉木幼林的径流高峰期与降雨
量是同步的 o第 t代杉木林在 w ∗ y月是降雨量的高峰期 o而径流的高峰期却在 z ∗ {月 o说明第 u代杉
木幼林的调节洪峰的能力远不及稳定态的第 t代杉木林 ∀
zy 第 v期 田大伦等 }湖南第 u代杉木幼林的水文学过程及养分动态研究
表 2 第 2 代杉木幼林径流输出及分配(1995 ∗ 1997)
Ταβ .2 Μοντηλψ διστριβυτιον οφ ρυνοφφ ,συρφαχε ρυνοφφ ανδ γρουνδ2ρυνοφφιν τηε ψουνγ σεχονδ2γενερατιον πλαντατιον οφ Χηινεσεφιρ
月份
²±·«
降水量
•¤¬±©¤¯¯
k°°l
总径流
• ∏±²©©
k°°l
地表径流
≥∏µ©¤¦¨ µ∏±²©©
地下径流
Šµ²∏±§2µ∏±²©©
k°°l k h l k°°l k h l
t zz1v |1sz s1sy s1yy |1st ||1vw
u tz1u ts1yw s1tu t1tv ts1xu |{1{z
v tuu1y us1wz s1xy u1zw t|1|t |z1uy
w ttt1{ ws1ts t1ut v1su v{1{| |y1|{
x twy1y yv1|y u1xz w1su yt1v| |x1|{
y tu{1z yx1us u1s{ v1t| yv1tu |y1{t
z vtx1{ {w1ty |1ww tt1uu zw1zu {{1z{
{ tux1| ww1wt s1|w u1tu wv1wz |z1{{
| tx1u vv1vx s1uw s1zu vv1tt ||1u{
ts vu1| vu1|v t1sx v1t| vt1{{ |y1{t
tt wz1{ tv1{u s1s{ s1x{ tv1zw ||1wu
tu u{1{ |1|w s1tt t1tt |1{v |{1{|
合计 ≥∏° ttzs1y wu{1sx t{1wy w1vt ws|1x| |x1y|
图 v 第 u代杉木幼林的降水量和径流的月变化
ƒ¬ªqv ²±·«¯¼ ¦«¤±ª¨¶¬±µ¤¬±©¤¯¯¤±§µ∏±²©©¬±·«¨ ¼²∏±ª¶¨¦²±§2ª¨ ±¨ µ¤·¬²± ³¯¤±·¤·¬²± ²©≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ
降水量 •¤¬±©¤¯¯o2222σ2222地表径流 ≥∏µ©¤¦¨ µ∏±²©©o
p pωp p地下径流 Šµ²∏±§µ∏±²©©o ) υ ) 总径流 •∏±²©©q

v1t1v 系统的水量收支平衡 根据水量平衡公式 Π€ Ε n Ρ n ∃Ω o式中 oΠ为降雨量 oΕ为蒸散量 oΡ
为径流量 o∃Ω为系统内蓄水变化量k主要为土壤蓄水的变化lk周光益等 ot||yl ∀采用环刀法测定土壤
蓄水量的变化作为系统内蓄水变化量 ∀表 v为系统水量平衡情况 o结果表明第 u代杉木林系统的蒸散
量在水量平衡中占有显著地位 o是系统水量支出的主要形式 o其值为 {yu1yw°°#¤pt o占年降雨量的
yu1u h ∀以径流方式支出的水量为 wu{1sx°° o占年降雨量的 vy1xz h o其中地表径流和地下径流分别占
年降雨量的 t1x{ h和 vw1|| h ∀这些数据说明第 u代杉木林对径流尤其是地表径流有一定的调节作用 ∀
{y 林 业 科 学 vz卷
表 3 第 2 代杉木幼林水量平衡表(1995 ∗ 1997)
Ταβ .3 Ωατερ βαλανχειν σεχονδ γενερατιον πλαντατιον οφ Χηινεσεφιρ
降雨量
•¤¬±©¤¯¯
k°°l
地表径流
≥∏µ©¤¦¨ µ∏±²©©
地下径流
Šµ²∏±§µ∏±²©©
总径流
ײ·¤¯ µ∏±²©©
蒸散量
∞√¤³²·µ¤±¶³¬µ¤·¬²±
系统贮水变化
≥·²µ¤ª¨
k°°l k h l k°°l k h l k°°l k h l k°°l k h l k°°l k h l
ttzs1y t{1wy t1x{ ws|1x| vw1|| wu{1sx vy1xz {yu1yw yu1us tw1wt t1uv
312 第 2代杉木幼林生态系统的营养元素循环
v1u1t 系统降水中的养分输入 从表 w可以看出 o第 u代杉木幼林通过降雨输入的养分量为 xv1tzv®ª#
«°pu#¤pt o其中 Ž的输入量最大 o达 uv1x||®ª#«°pu#¤pt o≤¤次之 o为 ty1tzs®ª#«°pu#¤pt o‘为 tu1swy®ª#
«°pu#¤pt oª和 °较少 o分别为 t1twz®ª#«°pu#¤pt和 s1utt®ª#«°pu#¤pt ∀
表 4 第 2 代杉木幼林养分循环
Ταβ .4 Χηαραχτεριστιχσ οφ νυτριεντ ελεµεντσ χψχλειν ψουνγ σεχονδ γενερατιον πλαντατιον οφ Χηινεσεφιρ (®ª#«°− 2 #¤− 1 )
项目 Œ·¨° ‘‹w2‘ ‘’v2‘ ‘ ° Ž ≤¤ ª 合计 ≥∏°
养分输入 ‘∏·µ¬¨±·¬±³∏·
降雨输入 •¤¬±©¤¯¯ v1vw{ t1|xx tu1swy s1utt uv1x|| ty1tzs t1twz xv1tzv
穿透水 ׫µ²∏ª«©¤¯¯ ts1uuu v1tsu t{1wxs s1y|x vt1st| yx1w{u ts1|tz tuy1xyv
茎流 ≥·¨°©¯²º s1syx s1stv s1s|{ s1ssv s1uxy s1uss s1swt s1x|{
小计 ≥∏¥·²·¤¯ ≠ tu1u{z v1ttx t{1xw{ s1y|{ vt1uzx yx1y{u ts1|x{ tuz1tyt
降水淋溶 ¨¤¦« y1|v| t1tys y1xsu s1w{z z1yzy w|1xtu |1{tt zv1|{{
养分输出 ‘∏·µ¬¨±·²∏·³∏·
地表径流 ≥∏µ©¤¦¨ µ∏±²©© s1tu{ s1su{ s1t{x s1stt s1yy{ t1w{t s1tx{ u1xsv
地下径流 Šµ²∏±§µ∏±²©© s1xs{ t1zst u1v{w s1u|x z1vuy uv1w{x y1xzs ws1sys
径流输出 ײ·¤¯ µ∏±²©©≈ s1yvy t1zu| u1xy| s1vsy z1||w uw1|yy y1zu{ wu1xyv
养分的收支平衡 ‘∏·µ¬¨±·¥¤¯¤±¦¨ … u1ztu s1uuy |1wzz p s1s|x tx1ysx p {1z|y p x1x{t ts1yts
≠小计 €穿透水 n茎流 ≥∏¥·²·¤¯ ¨´ ∏¤¯¶·«¨ ¶∏° ²©·«µ²∏ª«©¤¯¯ ¤±§¶·¨° ¶·¨°©¯²º ~ 降水淋溶 €小计 p降雨输入 ¨¤¦«¬¶·«¨ ¶∏¥·µ¤¦·¬²± ²©
¶∏° ¤±§µ¤¬±©¤¯¯~≈径流输出 €地表径流 n地下径流 ײ·¤¯ µ∏±²©©¬¶·«¨ ¶∏° ²©¶∏µ©¤¦¨ µ∏±²©©¤±§ªµ²∏±§µ∏±²©©~…养分收支平衡 €降雨输入 p径
流输出 ‘∏·µ¬±¨·¥¤¯¤±¦¨ ¬¶·«¨ ¶∏¥·µ¤¦·¬²± ²©µ¤¬±©¤¯¯¤±§·²·¤¯ µ∏±²©©q
v1u1u 系统内养分的生物循环 生物循环包括吸收 !存留和归还 v个过程k⁄∏√¬ª±¨ ¤∏§ ετ αλqot|zwl o其
中存留量为系统养分元素的积累速率 ∀从表 x可见 o杉木幼林每年积累的养分量为 yy1yz®ª#«°pu#¤pt o
其中以 ≤¤的积累速率最高 o达 uv1sv®ª#«°pu#¤pt o°的积累量最低 o为 t1|z®ª#«°pu#¤pt o各元素养分元
素的积累速率的大小顺序为 ≤¤ ‘ Ž ª °∀
归还量包括凋落物量和雨水的淋溶量 ∀根据定位观测结果 o杉木幼林的郁闭度仅 s1y左右 o林分没
有充分郁闭 o树木半枯或枯死状的针叶多数附着在枝条上 o没有脱落产生凋落物 o因此系统内的归还主
要是雨水的淋溶量 ∀假设林冠截留而吸附在枝叶表面上的养分随下次降雨淋溶进入林地 o则降水淋溶
的养分归还量为 zv1|{{®ª#«°pu#¤pt ∀其中 ≤¤最多 oª!Ž和 ‘次之 o°最少k见表 wl ∀
根据公式 }吸收 €存留 n归还k⁄∏√¬ª±¨ ¤∏§ ετ αλqot|zwl o计算出第 u代杉木幼林的生物循环参数k见
表 yl ∀从表 y可以看出 o杉木幼林的年吸收量为 tws1yx{®ª#«°pu#¤pt o各元素的平均循环速率为 s1xv o
即林分当年吸收的养分元素有 xv h归还给土壤 o平均周转期为 tu1w ¤o其循环速率的顺序为 ≤¤ ª Ž
 ‘ °∀ ≤¤和 ª的周转期短 o用ts1x¤的时间可周转t次 oŽ!‘!°则分别要uu1w ∗ vx¤的时间周转t次 ∀
|y 第 v期 田大伦等 }湖南第 u代杉木幼林的水文学过程及养分动态研究
表 5 杉木林养分元素积累速率
Ταβ .5 Τηε νυτριεντ αχχυµυλατιον ρατε οφ Χηινεσεφιρ πλαντατιον
器官
’µª¤±
林分生产力
ƒ²µ¨¶·³µ²§∏¦·¬√¬·¼
k®ª#«°p u#¤ptl
营养元素积累量
„¦¦∏°∏¯¤·¨§±∏·µ¬¨±·k®ª#«°pu#¤ptl
‘ ° Ž ≤¤ ª 合计 ≥∏°
干 ×µ∏±® t|ty t qz{ s qtz t qvy t qzu t qvw y qvz
皮 …¤µ® vvv t qxt s qus t q|{ t qyy s quz x qyu
枝 …µ¤±¦« yu{ u q|{ s qwy w qsu w q|| t qtw tv qx|
叶 ¨¤© |y| tt qsv s q|{ z q|x tv qty u qtv vx qux
根 •²²· x|x t qzw s qty u qsu t qxs s qwu x q{w
合计 ≥∏° wwwv t| qsw t q|z tz qvv uv qsv x qvs yy qyz
表 6 第 2 代杉木幼林的生物循环参数表
Ταβ .6 Νυτριεντ βιο2χψχλε παραµετερ οφ Χηινεσεφιρ πλαντατιον ιν τηε ψουνγ σεχονδ γενερατιον (®ª#«°− 2 #¤− 1 )
生物循环参数 Œ·¨° ‘ ° Ž ≤¤ ª 合计 ≥∏°
吸收量 ˜³·¤®¨ ux1xwu u1wxz ux1ssy zu1xwu tx1ttt tws1yx{
存留量 • ·¨¨±·¬²± t|1sw t1|z tz1vv uv1sv x1vs yy1yz
归还量 • ·¨∏µ± y1xsu s1w{z z1yzy w|1xtu |1{tt zv1|{{
循环速率 ≤¼¦¯¬±ªµ¤·¨ s1ux s1us s1vt s1y{ s1yx s1xv
周转期 ×∏µ±²√ µ¨ u{1s vx1s uu1w ts1x ts1x tu1w
v1u1v 径流中的养分输出 第 u代杉木林通过径流输出的养分量为 wu1xyv®ª#«°pu#¤pt o其中 ≤¤的输
出量最大 o为 uw1|yy®ª#«°pu#¤pt o其次是 Ž和 ªo分别是 z1||w®ª#«°pu#¤pt和 y1zu{®ª#«°pu#¤pt o‘次
之 o为 u1xy|®ª#«°pu#¤pt o°最少 o为 s1vsy®ª#«°pu#¤pt ∀养分的输出以地下径流为主 o达 ws1sy®ª#«°pu#
¤pt o占年径流总输出量的 |w h o而地表径流的养分输出为 u1xsv®ª#«°pu#¤pt o占总径流输出量的 y h
k见表 wl ∀
v1u1w 养分元素的生物地球化学循环 为了进一步分析第 u代杉木林的养分循环 o对表 w和表 y作相
应的变动得出表 z ∀该系统养分的输入总量为 xv1tzv®ª#«°pu#¤pt o输出量为 wu1xyv®ª#«°pu#¤pt o净累

表 7 第 2 代杉木林的生物循环和地球化学循环参数对照表
Ταβ .7 Χοµπαρισον οφ βιολογιχαλ χψχλινγ παραµετερσιν τηε ψουνγ σεχονδ γενερατιον Χηινεσεφιρ πλαντατιον ωιτη γεοχηεµιχαλ χψχλινγ (®ª#«°− 2 #¤− 1 )
项目 Œ·¨° ‘ ° Ž ≤¤ ª 合计 ≥∏°
地球化学循环 Š¨ ²¦«¨ °¬¦¤¯ ¦¼¦¯¬±ª
输入 Œ±³∏· tu1swy s1utt uv1x|| ty1tzs t1twz xv1tzv
输出 ’∏·³∏· u1xy| s1vsy z1||w uw1|yy y1zu{ wu1xyv
净变化 ‘¨·¤¦¦∏°∏¯¤·¬²± |1wzz p s1s|x tx1ysx p {1z|y p x1x{t ts1yts
生物循环 …¬²¯²ª¬¦¤¯ ¦¼¦¯¬±ª
吸收量 ˜³·¤®¨ ux1xwu u1wxz ux1ssy zu1xwu tx1ttt tws1yx{
归还量 • ·¨∏µ± y1xsu s1w{z z1yzy w|1xtu |1{tt zv1|{{
存留量 • ·¨¨±·¬²± t|1sw t1|z tz1vv uv1sv x1vs yy1yz
积量为 ts1yt®ª#«°pu#¤pt o净变化率为 us1s h ∀各元素中以 Ž的净累积最高 o为 tx1ysx®ª#«°pu#¤pt o变
化率为 yy1t h o其次为 ‘o净累积量为 |1wzz®ª#«°pu#¤pt o变化率为 z{1z h ∀其他元素出现亏损 o≤¤的
亏损量最大 oª其次 o°较少 ∀从表 z还可看出 o除 Ž元素的净变化相近外 o各元素和总的生物循环净
变化都比地球化学循环大得多 ∀
sz 林 业 科 学 vz卷
第 u代杉木林的养分循环参数与第 t代进行比较 o有两方面值得注意的问题 }t是第 u代杉木林生
态系统的养分输入量明显大于第 t代kvu1s|®ª#«°pu#¤ptl o为 t1z倍 o然而第 u代杉木幼林的养分输出
比第 t代k{1{s®ª#«°pu#¤ptl更大 o达到近 x倍 o第 u代杉木幼林系统的养分累积量较少 o仅为 ts1yts®ª#
«°pu#¤pt o为第 t代杉木林积累量kuv1uw®ª#«°pu#¤ptl的 s1wy倍 ∀第 u代杉木幼林 ° !Ž!ªv元素出现
亏损 o第 t代的所有元素是净积累的 o说明第 u代杉木幼林生态系统仍处于生态恢复过程 o生物调节要
恢复到稳定态的第 t代杉木林水平需要一段时间 ∀u是尽管第 u代杉木林吸收量比第 t代ktz|1ys®ª#
«°pu#¤ptl小 o但其归还量也比第 t代ktvy1vx®ª#«°pu#¤ptl小 o从而第 u代杉木林对养分的存留比第 t
代kwv1ux®ª#«°pu#¤ptl大 o也就是说第 u代杉木幼林将从土壤中吸收的养分大量保存在林木中 o造成土
壤中养分的逐渐减少 ∀
w 结论
第 u代杉木林生态系统的年降雨输入为 ttzs1y°° o其中 v1xv°°以树干茎流形式进入林地 o占降雨
量的 s1v h o林内穿透水为 tstz1v°° o占 {y1| h o另外林冠年截留量为 tw|1zz°° o占年降雨量的 tu1{ h ∀
径流形式流出该系统的水量为 wu{1sx°° o占年降雨量的 vy1xz h o其中地表径流和地下径流分别占总径
流的 w1vt h和 |x1y| h ∀系统另一输出形式蒸散量为 {yu1yw°° o为年降雨量的 yu1u h ∀
在生物循环过程中 o杉木幼林对 ‘!° !Ž!≤¤!ªx种元素的年吸收量为 tws1yx{®ª#«°pu#¤pt o归还量
为 zv1|{{®ª#«°pu#¤pt o养分的积累为 yy1yz®ª#«°pu#¤pt o各元素的平均循环速率为 s1xv o即林分当年吸
收的养分元素有 xv h归还给土壤 o平均周转期为 tu1w ¤∀在该森林生态系统中 o由降雨输入的 ‘!° !Ž!
≤¤!ª等元素的总量为 xv1tzv®ª#«°pu#¤pt o径流输出量为 wu1xyv®ª#«°pu#¤pt o净积累量为 ts1yts®ª#
«°pu#¤pt ∀
与稳定态的第 t代杉木林相比 o第 u代杉木幼林的水文学过程和养分循环具有不同的特征 ∀林冠
的截留量和截留率成倍减少 o分别由第 t代杉木林的 uzw1y°°和 ux1{ h下降到 tw|1zz°°和 tu1{ h o表
明对抵抗外界干扰的能力比稳定态的第 t代杉木林差 ∀
第 u代杉木林在降雨量最大的 z ∗ {月份过后的 | ∗ ts月份 o径流量却维持在一定的水平 o表明第 u
代杉木林具有一定的延长径流流出时间和增加枯水季节流量的水源涵养功能 ∀但地表径流 !地下径流
量和径流总量 o都高于第 t代杉木林 o其涵养水源的能力相对较弱 ∀同时第 u代的径流高峰期与降雨量
是同步的 o说明其调节洪峰的能力远不及稳定态的第 t代杉木林 ∀
第 u代杉木林生态系统的养分输入量明显大于第 t代 o然而其养分的输出更大 o达到近 x倍 o养分
的累积量较少 o为第 t代的 s1wy倍 o说明第 u代杉木幼林生态系统仍处于生态恢复过程 o生物调节要恢
复到稳定态的第 t代杉木林水平需要一段时间 ∀另外从生物循环来看 o第 u代杉木林的吸收量比第 t
代小 o但其归还量也小 o从而林木对养分的存留量大 o也就是说第 u代杉木幼林将从土壤中吸收的养分
大量地保存在林木中 o造成土壤中养分的逐渐减少 o维持持久的林地生产力在杉木经营中应引起重视 ∀
参 考 文 献
≈美 ƒ q‹ q鲍尔曼等著 1 李景文等译 1 森林生态系统的格局与过程 1 北京 }科学出版社 ot|{x otwx ∗ tzs
刘煊章 o田大伦 o康文星等 1第二代杉木幼林生物量的定位研究 1 林业科学 ot||z ouvk≥³qul }yt ∗ yy
马雪华主编 1 森林水文学 1北京 }中国林业出版社 ot||v ozu
潘维俦 o田大伦 o文仕知等 1森林生态系统物质循环研究中的生物地球化学方法和实验技术 1中南林学院学报 ot|{w owktl }t{ ∗ u{
潘维俦 o田大伦 o谌小勇等 1亚热带杉木人工林生态系统中的水文学过程和养分动态 1 中南林学院学报 ot|{|k增刊l }t ∗ |
谌小勇 o田大伦 1 森林水文学研究中的流域试验法 1 森林生态系统定位研究k刘煊章主编l1 北京 }中国林业出版社 ot||v outy ∗ uus
中国林学会森林生态分会 o杉木人工林集约栽培研究专题组编著 1 人工林地力衰退研究 1 北京 }中国科学技术出版社 ot||u ot
周光益 o陈步峰 o曾庆波等 1海南岛热带山地雨林短期水量平衡及主要养分的地球化学循环研究 1 生态学报 ot||y otyktl }u{ ∗ vu
⁄∏√¬ª±¨ ¤∏§° o⁄¨ ±¤¨ ¼¨ µ2⁄¨ ≥°¨ ·≥ q温带落地林矿质元素的生物循环 1 植物生态学译丛ktl o北京 }科学出版社 ot|zw ozv
tz 第 v期 田大伦等 }湖南第 u代杉木幼林的水文学过程及养分动态研究