1、.森林植被對降水水化學的影響鮑文1, 2，包維楷2，丁德蓉1，何丙輝11：西南農業大學資源環境學院，XX北碚 400716；2：中國科學院XX生物研究所，XX XX 610041摘要：綜述了森林植被各個層次對降水水化學影響的主要研究成果，并指出了目前該方面研究存在的問題及今后需要努力的方向。大量集中在喬木層的研究表明，與林外雨比較，穿透雨、樹干莖流中多數元素的濃度均呈增加的趨勢，濃度大小的總趨勢為樹干莖流>穿透雨>林外降雨，K、Mg、Mn等表現突出，濃度可增加10倍以上；影響元素濃度變化因素包括降水特征、林分類型、大氣狀況等；具體到某一種元素，不同區域、不同林型間研究結果差異很大，

2、很難得出一致的結論。對灌草層和枯落物層吸附淋溶作用研究較少，也就不能正確評價森林植被對降水水化學的綜合效應。因此，在空間尺度上，要加強不同區域森林植被各個層次的研究；在時間尺度上，短時間的觀測缺乏代表性，長期定位觀測更具科學性。此外，目前的研究，尤其是國內的研究，只是對現象的揭示，缺乏過程及機理的深入研究，限制了我們對森林植被的內在運行機制和客觀規律的正確認識。關鍵詞：植被；大氣降水；穿透水；莖流；水質；淋溶中圖分類號：S718.5文獻標識碼：A文章1672-2175（2004）01-0112-04. v.降水通過森林植被系統，在降水量得到分配的過程中，其中的化學元素濃度發生了很大的變化1,2

3、，這種變化構成了系統養分循環的重要部分3，降水便成了森林生態系統化學物質的主要來源之一，也是森林生態系統養分循環及養分平衡的基礎。我國最早研究降水水化學性質的是魯如坤和史陶均4。近年來，隨著經濟的迅速發展，酸沉降對森林生態系統的影響加速了植被的養分淋溶5，降水通過植被時的酸性增強也引起了人們的高度重視68。有關植被對降水水化學的研究已有較多報道，涉及不同地區的不同植被類型，例如，落葉松和油松林911、杉木林1216、馬尾松13, 17, 18、白樺19、櫟樹天然次生林20、濕地松21和榿木22等，結果表明植被對水化學的影響與降雨（降雨量、降雨強度、降雨歷時等）、樹種、林分狀況（林冠的干凈程度、

4、郁閉度、樹皮粗糙度等）、大氣狀況等有很大關系。但是目前的研究主要集中在喬木層，對穿透雨、樹干莖流的研究較多，灌草層對降水水化學的影響及枯落物層對林內雨的過濾作用的研究較缺乏。本文將總結森林喬木層、灌草層和枯落物層對降水水化學的影響，探討植被不同層次對降水水質的影響規律，提出研究中存在的問題，為將來的研究提供參考。1 喬木層對降水的淋溶作用降水通過喬木層將以穿透雨和樹干莖流兩種形式落入林地，并且雨水的水化學將發生很大的變化，穿透雨和干流化學物質的輸入保障了林分對養分的需求，淋溶出來的養分都是水溶性的，無需經過復雜的分解過程便可被植物直接吸收23。可見喬木層對降水化學性質的改變意義重大。1.1 林

5、冠層對降水水化學的影響森林冠層是大氣降水攜帶各種物質進入森林生態系統后的第一個作用面，降雨經過林冠后，主要受下列幾個過程的影響3, 15, 24：降雨對枝葉、枝條表面塵埃等物質的淋洗過程；降雨對枝葉中元素的淋溶過程；枝葉對降雨中的元素吸收、吸附過程。雨水通過喬木冠層時，所含各種元素濃度均發生變化，含量變化不一，但多數元素含量增加且總量呈增加的趨勢25。與其他元素相比，凈淋溶量普遍較高的元素有K、Na、Zn、Mg、Mn、N等1214, 21, 22, 2631，其濃度可分別達到林外降水的1.3211.4倍、1.112.02倍、3.81倍、1.1111.06倍、3.478.65倍、1.011.47

6、倍，而林冠對Cu、P等多表現為不同程度的吸收吸附作用20, 21，在遼東櫟、人工油松林和華北落葉松林中，穿透雨與林外雨相比，P的濃度分別降低了27.1%、22.5%和52.7%32；X世海在板栗林發現，穿透雨Cu的質量濃度為0.0124 mg/L，僅林外雨（0.0562 mg/L）的22.1%33。影響林冠淋溶因子多而復雜，其中包括降雨（雨強，降雨量、林外降雨酸度、降雨歷時、降雨間隔期等）、林分(林種、郁閉度、枝葉量、林木自身生理活動等)、大氣污染、人為活動等3438。不同地區森林植被的凈元素淋溶量也各不相同。密云水庫地區的人工油松林冠對Na、Zn則表現為顯著的負淋溶現象9，而田大倫等研究發現

7、杉木林林冠對Zn有著吸收作用12,39。許利群、李飛、樊后保等人發現林冠對N也有著明顯的吸附作用15,29,40。至于Ca元素，研究結果差異較大，降雨通過濕地松、榿柏混交林林冠對Ca元素淋溶量顯著12,21,22,40，而在山地次生雨林、落葉松、刺槐林等出現了明顯的負淋溶10,41,42。Mahendrappa43對3種闊葉林和6種針葉林13 a的觀測研究得出林分冠層能吸收降雨中的SO42-和NO3-。另外，林冠對降水水化學的影響存在季節性差異，并且季節波動因不同元素而異3,32,4446，這可能是因為雨季降水較多，淋溶出來的元素也相應遞增，而且每年的9月份后，樹葉開始老化，生命過程停止，枝葉

8、的淋溶作用加強。森林林冠層對降水水化學的影響，pH值的變化越來越受到人們的重視。一般降水經過林冠后，pH值減小，酸性增強，林外降水的pH一般在中性或微酸性，而穿透雨的在2.666.32之間 21,34,47,48。在酸雨典型的XX地區，穿透水的pH值比大氣酸雨的pH值更低，且樹干莖流的pH值比穿透雨的還低4851。但是，不同地區不同的樹種間差異顯著，黃忠良等在鼎湖山的研究發現降水經過林冠后，其酸性減弱52，與Veneklaas30的研究結果一致。表1 大氣降雨和樹干莖流的元素質量濃度平均值及其對比項目NPKNaCaMgFeZnCuMnpHw/(mg·L-1)大氣降水2.1770.11

9、31.5511.6302.3720.5910.1230.6390.0250.0256.20樹干莖流6.6290.4779.6394.8627.0482.1130.3240.8160.0350.2015.25增加倍數2.043.225.211.981.972.581.630.280.407.04樣本數/n2228321134331117151612林冠對降水化學元素的研究已經很多。總的來說，降水通過林冠層，元素輸入量是增加的，即降水經冠層的化學淋溶為增值效應。但具體到某一種元素濃度變化的時候，由于缺少長期的定位觀測，研究結果的差異性較大，還不能得出普遍性的規律。不同的元素在同一林分中的離釋程度是

10、不同的，同時在穿透雨中，改變后的濃度大小順序在不同林分中不相同，這也反映出不同組成樹種的林分的不同冠層交換特性。目前的研究只是陳述了降水通過林冠，其化學元素發生變化的事實，而沒有深入研究這些養分、礦質元素的增減引起的原因，是雨水對未降雨期間林冠上沉積物的沖洗，還是雨水對枝葉組織滲出物的淋溶。國外更注重對冠層淋溶機制的研究38,53，在國內這樣的研究實在太少。此外，降水是森林生態系統養分輸入的一個重要途徑，卻很少人研究植被對林內雨水養分、礦質元素輸入的依賴程度如何，進入林地的有多少真正被植被吸收利用。因此，有必要加強降水經林冠層后元素發生變化的內部機理研究。1.2樹干莖流水的水質變化樹干莖流在森

11、林對降水的分配各個分量中只是一個微小的部分，是沿著樹干以樹干莖流的形式降落的，這部分降水除了與林冠層進行了化學元素的交換外，又與樹干表面進行了化學元素交換，使得流入林地表面的水化學性質又一次發生了變化，在國內外的定量研究中常常被忽視14,30,5456，但這部分在生態系統中的作用卻是不容低估的18,49。樹干莖流不僅是引起局部地段產生蓄滿徑流的源，更重要的是它對森林生態系統養分、礦質元素的輸入影響很大10,12,57。樹干莖流是大氣降水通過兩次交換，其中部分元素含量顯著增加，而也有少數元素的含量則有所降低58,59，其含量的增減因植被類型、樹種及元素種類的不同而異。彭培好等22在XX官司河流域

12、的研究表明，榿木樹干莖流中K、Mg、P等的濃度分別為柏木的3.2倍、1.8倍、1.2倍，而柏木樹干莖流中Ca的濃度高于榿木，是榿木的1.7倍。同一樹種在不同區域的樹干莖流水的水化學間差異顯著，黃承標等60對杉木林的研究結果是，與林外雨比較，不同地點莖流水元素濃度有不同程度的增加，P、K、Mg、Mn分別是林外的2.413.2倍、5.414.9倍、3.610.5倍、4.213.6倍。X建軍等61的研究表明，油松莖流的pH值由林外雨的6.51降為4.97，而銳齒櫟莖流pH值為6.60，較林外雨的高，說明不同林型樹干莖流的pH值差異顯著。表1總結了不同地區的大氣降雨和樹干莖流中各元素. v.質量濃度的

13、平均值913,19,21,22,41,42,47,52,6266。可以看出，樹干莖流各元素的平均質量濃度與大氣降雨相比，均有不同的增加，增加的倍數在0.276.78之間；次序為：Mn>K>P>Mg>N>Na>Ca>Fe>Cu>Zn；其中，Mn、K、P的增幅較大，Zn、Cu相對較小，與我國一些地區的研究結果基本相符17,67。這說明不同元素在同一森林植被類型的樹干莖流淋溶效應不同，同一元素在不同森林植被類型莖流淋溶存在差異。值得一提的是，Ca、Zn、Mg等元素樹干莖流的質量濃度多次出現低于大氣降水的質量濃度，Ca在落葉松、白樺中表現顯著19,

14、42；Zn分別在白樺、水曲柳、蒙古櫟、杉木林中出現明顯的負淋溶12,19,47。而杉木林和濕地松林對于P元素表現為吸收或吸附68，與我們統計的結論相反。研究52,60,69表明，大氣降水經過林木水分循環過程中的養分濃度變化趨勢基本上是樹干莖流>穿透雨>林外雨；穿透雨和樹干莖流中各化學元素含量變化趨勢基本一致，不同樹種對不同元素表現出不同的選擇性吸收效應。2 灌草層對降水水質的影響林下灌草不僅能夠截留一定量的雨水，分散、減弱林內的降雨動能，而且對降水的水化學性質也有一定的影響。由于林下灌草體積小，無明確的冠形，導致可信賴的測定相當困難，同時與林冠相比，各方面的重要性也都較低70。目前

15、關于灌草層對降水水質的影響研究實例很少，從現有的灌草層對降水水質影響研究來看，N、Ca、K在灌冠穿透水中的質量濃度高于林冠穿透水，而P、Mg的質量濃度有所降低，但變幅都很小22。對灌草層更多的研究集中在其生物量或元素累積量等方面40,71。而灌草層是森林植被中的層次和組分之一，要全面了解不同層次的水文效應，降水通過灌草層的研究也不容忽視。3 枯落物層對林內雨的過濾作用林地枯枝落葉層是大氣降水進入森林生態系統后的第三個作用面，與冠層類似，對隨水分攜帶穿過其間的各種物質進行著兩種相反的過程，即過濾吸附和淋溶。但目前對枯落物層的研究主要集中在涵養水源72,73、改善土壤理化性質74以及其本身分解養分

16、歸還土壤7578等方面，缺乏枯落物層對林內雨的吸附過濾作用研究。周湘莉等16的研究發現，杉木林枯落物幾乎全部截留林冠淋溶的Zn和Cd；在銳齒櫟林中，穿透雨水經過其林下枯落物層時，Zn、Cu、Cd的質量濃度和攜帶量均小于穿透雨中，盡管Pb的質量濃度有所提高，但攜帶量卻還是減少20。在杉木林生態系統也發現，地被物層對Pb、Cd等污染物質有較強的截留過濾作用14。有限的枯落物層對降水水質影響的研究，很難得出普遍的規律性結論。為了了解植被不同層次對降水的吸附淋溶作用，全面評價整個植被系統對降水水化學的綜合效應，應進一步加強枯落物層對林內雨的吸附過濾作用的研究。4 結論森林植被對降水水化學的影響相當明顯

17、，主要是雨水通過喬木層、灌草層和枯落物層來實現的，但是不同層次對雨水的影響存在差異。目前對喬木層的研究相對較多，普遍認為各元素的濃度是：樹干莖流>穿透雨>林外降水，并且呈現出明顯的季節性變化。灌草層和枯落物層對林內雨水的影響研究較缺乏，可能是因為灌草層研究起來比較困難，加上其作用也許沒有喬木層那么重要。很難了解單獨的灌草層或枯落物層對林內雨水的吸附、過濾作用，也就不能正確評價整個植被系統對降水水化學的綜合效應。此外，大部分元素通過植被各個層次，其含量呈增加趨勢，且同一元素在不同林分中變幅不一，不同元素在同一林分中的變化差別很大。已有的研究不能闡明植被不同層次對降水水化學的影響。森林

18、植被對降水水化學特性的影響在時間上和空間上的變化都很顯著，但目前的研究，時間尺度多集中在短時間上（月或年）；在空間尺度上，對喬木層的研究較多，而冠草層對降水水質的影響研究缺乏；加上影響降水通過植被水化學的因子眾多且復雜，其規律性不甚明顯，而很難得出普遍性的結論。所以今后要加強植被各個層次對降水水化學影響的研究，深入研究這些養分或元素增減的原因。在時間尺度上，以月或年為時間段的觀測較多，往往會缺乏代表性，或出現偶然的結果，只能得出一些推斷性的結論。要了解森林植被對降水化學特性的年度動態變化，須進行長期定位觀測。參考文獻：1 LINDBERG S E, LOVETT G M, RICHTER D

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40、型枯落物持水性能及養分含量測定初報J.西北林學院學報, 1996, 11(4): 7-11. v.Effects of forest vegetation on water chemistry of precipitationBAO Wen1,2, BAO Wei-kai2, DING De-rong1, HE Bin-ghui11: Department of Resources and Environment, Southwest Agricultural University, Chongqing 400716, China; 2: Chengdu Institude of Biology, ChineseAcademy of Sciences, Chengdu 6