森林通过对降水的再分配，具有调蓄降水、缓渗缓释及净化、稳定水质的作用，降水再分配的过程中，雨水的化学特性、元素浓度发生了很大的变化^[1-2]，这种变化构成了系统养分循环的重要部分。森林生态系统对不同化学组成物质，表现出的作用方式不同，净化程度也不同^[3]。分析森林植被对水环境的影响，对探索森林生态系统水源涵养、营养循环及净化水源的作用机制有重要意义。

森林再分配过程中雨水化学特性的改变主要在于雨水在流经林木叶、枝、干过程中对树木表层吸附吸滞的大气颗粒物的洗脱、组织内物质的淋溶^[4]及植物组织对离子的吸收3个方面。水溶性元素很容易被植物吸收利用^[5]，可以加速养分循环和促进植物生长。本文从降雨、穿透雨、树干径流、枯落物渗透水、坡面径流5个过程入手，通过测定水样中的7个指标对山涧口流域白桦林生长旺季降雨再分配过程中雨水的化学特征进行研究，以分析白桦林的水源涵养功能、对营养元素的吸收特性等，以期为今后林地的精细经营、可持续发展提供积极的指导。

1.   研究区概况

小五台山属太行山余脉，位于河北省西北部（114°47′～115°30′E、N 39°50′～40°07′N），地处张家口蔚县、涿鹿两县境内，东西长约60 km，南北宽约28 km；有亚高山、中山、低山、丘陵、河滩及阶地等多种地貌类型；海拔为890～2 882 m；气候为东部季风区高寒半湿润性多雨气候，大陆性气候显著，四季分明，水热同季。年平均气温为3～7 ℃，最高7月，最低1月，年活动积温为1800～2800 ℃；年降水量为450～620 mm，降水多集中在7—9月，这3个月的降水量约占全年降水量的55%。

山涧口流域白桦Betula platyphylla Suk.林样地（ 115°4′51″E、39°59′10″N）海拔1 674 m，坡向东，坡位中，坡度36°，林龄46 a，平均树高12.6 m，平均胸径19.0 cm，密度1050株·hm⁻²，郁闭度70%，枯落物厚度3.0 cm，腐殖质厚度2.0 cm，林下褐土；伴生植物有山杨Populus davidiana、华北落叶松 Larix gmelinii var. principis-rupprechtii 、六道木Abelia dielsii、绣线菊Spiraea salicifolia、山刺玫Rosa davurica var. setacea 、黑果栒子Cotoneaster melanocarpus、毛榛Corylus mandshurica 等。

2.   研究方法

2.1   水样的采集

在距样地20～30 m的空旷地布设3个110 cm×60 cm×30 cm（长×宽×高）的集水槽收集降雨水样，降雨量由小型气象站测定并记录。在样地内布设3个相同规格的集水槽收集穿透水样，集水槽上覆盖一层纱网防止枯枝落叶进入。依据样地调查结果，选择3株白桦作为标准木，刮除翘裂老皮，使用塑料软管螺旋状缠绕树干，软管上侧割开形成汇水及导水通道，树皮与软管间用玻璃胶堵严缝隙，下方摆放容积100 L的集水桶收集树干径流水样^[6]。用3个直径90 cm、高20 cm包裹纱布的塑料盆收集枯落物渗透水水样，纱布上平铺原状枯落物。利用样地下部的坡面径流场（投影面积100 m²，长×宽：20 m×5 m）收集坡面径流水样，将收集的同类水样测定总量后进行混匀，再取样2.5 L用于水化学特征分析。

取样时间为2017 年7～8月，取得7月13日、7月26日、8 月12日3次降雨水样进行分析。

2.2   水样的测定

采集的水样在10～15日内完成分析处理。pH值用玻璃电极法测定，使用上海仪电科学仪器股份有限公司PHS-2F型实验室pH计；HCO₃⁻用滴定法测定；Ca²⁺、Mg²⁺用原子吸收分光光度法测定，参考《大气降水中钙、镁的测定原子吸收分光光度法》（GB/T 13580.13—1992）；Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺用电感耦合等离子发射光谱法测定，采用美国Thermo 6300全谱直读光谱仪，搭配iTEVA操作软件。水样测定重复3 次，取平均值作为测定结果，重复间差异过大时，增加重复次数，剔除不合理数据后取平均值^[7-8]，表1数据采用3次降雨加权平均计算得出。

表  1  降雨及再分配过程中的水化学特征和变化率

Table  1.  Hydro-chemical characteristics and rate of change in rainfall and redistribution processes

指标	m降	m穿	m树	m枯	m坡	变化率/%
						m穿	m树	m枯	m坡
Ca2+/(mg·L−1)	0.187	1.370	0.301	6.640	5.840	633	61	3451	3023
Mg2+/(mg·L−1)	1.700	0.220	0.130	1.560	0.518	−87	−92	−8	−70
Zn2+/(mg·L−1)	0.065	0.100	0.060	0.098	0.039	54	−8	51	−40
Mn2+/(mg·L−1)	0.013	0.048	0.050	0.080	0.233	269	285	515	1692
Fe2+/(mg·L−1)	0.481	0.565	0.875	1.760	8.660	18	82	266	1700
HCO3−/(mg·L−1)	35.000	42.000	6.000	41.000	55.000	20	−83	17	57
pH值	7.68	7.240	6.390	6.600	7.390	−6	−17	−14	−4
注：变化率（%）=（各过程测定值−降雨测定值）*100/ 降雨测定值。

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.3   数据处理

数据处理用Excel 2007软件。

物质流转量计算采用公式如下：

流转量公式：

式中，$ \mathrm{\rho }_{ \mathrm{穿}} $表示穿透雨各物质流转量（mg·m⁻²）；m_穿 表示穿透雨各物质浓度（mg·L⁻¹）；V_穿表示穿透雨量（L·m⁻²）。

降雨流转量$ \mathrm{\rho }_{ \mathrm{降}} $、树干径流流转量$ \mathrm{\rho }_{ \mathrm{树}} $、枯落物渗透水流转量$ \mathrm{\rho }_{ \mathrm{枯}} $、坡面径流流转量$\mathrm{\rho }_{ \mathrm{坡}} $参照上述公式计算。

净余量公式：

式中，净余量（mg·m⁻²）$ \mathrm{\rho }_{ \mathrm{净}} $表示各物质输入土壤层流转量和减去输出土壤层流转量的差值； c表示白桦林郁闭度（%）；林内降雨及穿透雨输入受郁闭度影响，穿透雨林地分配量为c$ \mathrm{\rho }_{ \mathrm{穿}} $、林内降雨分配量为（1−c）$ \mathrm{\rho }_{ \mathrm{降}} $^[9]；枯落物渗透水分配量需要减去降雨的输入量为（$ \mathrm{\rho }_{ \mathrm{枯}} $−$ \mathrm{\rho }_{ \mathrm{降}} $）。

3.   结果与分析

3.1   降雨及再分配过程水化学特征

3.1.1   降雨水化学特征

由表1可以看出，雨水中阳离子浓度Mg²⁺>Fe²⁺>Ca²⁺>Zn²⁺>Mn²⁺；阳离子输入量为0.317 kg·hm⁻²，降雨pH值7.68，呈现弱碱性。

3.1.2   穿透雨水化学特征

由表1可知，雨水冲洗林冠后碱性下降，Mg²⁺浓度降低，表现为吸收；Ca²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺浓度升高，其中Ca²⁺、Mn²⁺浓度升高较多，分别约达降雨的7.3、3.7倍。

3.1.3   树干径流水化学特征

树干径流呈现弱酸性，其Mg²⁺、Zn²⁺浓度降低，白桦树干对Mg²⁺吸收率达到92.35%；Mn²⁺、Fe²⁺、Ca²⁺浓度表现为淋出升高，分别约达降雨的3.9、1.8、1.6倍。

3.1.4   枯落物渗透水化学特征

枯落物渗透水呈现弱酸性，Mg²⁺浓度降低，可见枯落物层对于Mg²⁺有吸附截留作用；Ca²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺浓度升高，表现为淋出，其中淋出较多的Ca²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺浓度分别约达降雨的35.5、6.2、3.7倍。

3.1.5   坡面径流水化学特征

坡面径流呈现弱碱性，其中Mg²⁺、Zn²⁺浓度降低，可见白桦林土壤对Mg²⁺、Zn²⁺有截留作用，分别截留70%和40%；Ca²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺淋出，分别约达降雨的31、18、18倍。

3.2   降雨再分配过程中养分元素变化

在降雨再分配过程中，穿透雨经过枝杈汇集到树干形成树干径流，两者关联密切，所以进行比较分析。由表1可知，相对于穿透雨，树干径流水样中Mn²⁺、Fe²⁺浓度升高，Zn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺浓度降低。树干径流是降水经过两次交换形成的，部分元素含量增加，另一部分元素的含量则有所降低，其含量的增减因植被类型、种类及元素种类的不同而异 ^[10-11]。树木皮层作为树体主要运送养料的通道，韧皮部内含有大量需要运送的营养物质，所以在树皮湿润的条件下，韧皮部运输的活跃物质可以交换到树干径流中，表现为淋出^[12]；并且树干分泌产生有机酸和无机酸^[3]也改变了部分物质的活性，造成物质交换浓度的改变。

枯落物渗透水经汇流逐步形成坡面径流，枯落物渗透水在土壤表层通过溶解、水化、水解、碳酸化等作用，再次进行物质交换，使土壤表层中一部分成分进入水中并被带走，同时截留一部分物质^[10]。由表1可见，与枯落物渗透水相比，坡面径流水样中Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺浓度降低，表现为截留，下降较多的Mg²⁺浓度只有枯落物渗透水的33.2%；Mn²⁺、Fe²⁺浓度表现为流失升高，分别是枯落物渗透水的2.9倍、4.9倍。

3.3   水量分配及土壤营养元素的输入输出

3.3.1   水量分配格局

降雨通过林木的再分配，水量分配为林内降雨、穿透雨、树干径流、枯落物渗透水、坡面径流5部分，其中林内降雨和穿透雨的分配与林地郁闭度有关；穿透雨占到降雨量的95.8%，远高于其他的水量分配过程；坡面径流作为水肥输出的途径，其占比最低，仅为降雨量的5.74%，白桦林将94%以上的降水截留在当地，对于水源涵养效果显著。具体分配见图1。

图  1  降雨再分配过程中的水量分配格局

注：为了测算方便，V_树 用标准木平均值（L·株⁻¹）乘以密度（株·hm⁻²）换算成统一单位L·m⁻²。

Figure  1.  Water distribution pattern in the redistribution processes of rainfall

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.3.2   土壤营养元素的输入输出

降雨作为物质流转的一个载体，经过再分配过程，最后以坡面径流的方式将部分物质输出，其中向林地表层土壤输送营养物质的过程包括林内降雨、穿透雨、树干径流及枯落物渗透水；坡面径流是林地营养物质的输出过程^[13-15]。结合表1和图1利用公式计算降雨再分配过程物质流转量及各物质净余量，结果见图2。

图  2  降雨再分配过程中的物质流转量

Figure  2.  Material circulation in redistribution processes of rainfall

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图2得出Mg²⁺、Fe²⁺处于流失状态，分别流失123.6 mg·m⁻² 、27.3 mg·m⁻²；Ca²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺处于保留积累状态，Mg²⁺是树木需要的大量元素，Fe²⁺为树木需要的微量元素，目前尚未发现林木有缺素影响生长的问题；假如Mg²⁺、Fe²⁺长期不断流失，必然对树木的长期生长不利^[16] ，所以加强长期定点研究林地的营养元素流失情况，监测林木生长状况对于林木健康经营是十分必要的。

4.   结论与讨论

4.1   结论

（1）与降雨相比，在再分配过程中，Mg²⁺浓度下降；Fe²⁺、Ca²⁺、Zn²⁺（除在树干径流和坡面径流过程下降外）、Mn²⁺浓度升高。

（2）树干径流与穿透雨比较，水样中Mn²⁺、Fe²⁺浓度升高，表现为淋出；Zn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺浓度降低，表现为吸附。坡面径流与枯落物渗透水比较，水样中Zn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺浓度降低，表现为截留；Mn²⁺、Fe²⁺浓度升高，表现为淋出。

（3）白桦林坡面径流只有降雨的5.74%，截留雨量94%以上，对于水源涵养效果突出。

（4）表层土壤中Mg²⁺、Fe²⁺处于流失状态，Ca²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺处于保留积累状态。白桦林在保持和维护当地的环境稳定方面发挥着重要的作用。

4.2   讨论

综上所述，与刘茜等^[13]和刘阳等^[4]的研究比较，Ca²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺变化相一致；Zn²⁺在树干径流中稍有差异，Mg²⁺在各个过程中的变化与上述研究的不一致，存在明显差异。其原因是刘茜和刘阳等研究中Ca²⁺浓度远远高于Mg²⁺浓度；本研究中由于降雨中HCO₃⁻含量较高，易与Ca²⁺结合，形成微溶的Ca（HCO₃）₂，造成Mg²⁺浓度高于Ca²⁺浓度，也远高于刘茜和刘阳等测定的Mg²⁺浓度；在弱碱性条件下有利于植物对Mg²⁺的吸收^[17]，并且7～8月白桦处于生长旺季对于各种营养元素需求旺盛，因此表现出Mg²⁺差异明显。

枯落物渗透水呈现弱酸性，此结果与Daniel Markew itz等^[18]凋落物分解过程中产生大量的有机酸和无机酸的论断相符。枯落物渗透水pH值6.6而坡面径流pH值7.39，可见白桦林地土壤呈现弱碱性。酸碱环境的改变可以引起离子化学特性的变化，如Zn²⁺ 在酸性环境中处于游离态易被置换，在碱性环境下与OH⁻结合形成Zn（OH）₂沉淀，不易转移，这解释了Zn²⁺在枯落物渗透水中表现为淋溶，在坡面径流中表现为截留的现象；也可以解释在碱性环境下Ca²⁺、Mg²⁺溶解度降低，在坡面径流中有所减少的现象。

本研究与前人研究的差别在于，植被对水化学的影响与降雨（降雨量、降雨强度、降雨历时等）、树种、林分状况（林冠的干净程度、郁闭度、树皮粗糙度等）、大气状况等有很大关系^[10-11]。刘阳等^[4]、卢晓强等^9]、罗韦慧等^[19]的研究表明降雨呈现弱酸性，而刘茜等^[13]的研究表明降雨呈中性，并且他们大多从质量浓度的角度出发研究降雨再分配过程中部分阶段的水化学特性变化规律，没有针对完整的降雨再分配过程。本研究在具有典型地域特点的小五台山地区，针对弱碱性降雨条件和完整的降雨再分配过程，进行质量浓度变化及再分配量的研究，各个过程的数据中包含了大气沉降的影响，这使分析结论更加合理及完善，如坡面径流Ca²⁺质量浓度增加到降雨的31倍、Mg²⁺降低70%，但是经过流转量的计算Ca²⁺处于保留积累状态，Mg²⁺处于流失状态；研究结果对于白桦林的肥水精细管理具有一定的数据和理论支撑作用，如土壤中的Mg²⁺、Fe²⁺处于流失状态，Ca²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺处于保留积累状态；另外，白桦林地积累较多的HCO₃⁻（净余量525.9 mg·m⁻²）可以有效延缓土壤酸化过程，提高营养物质（Ca²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺）的积累效率，促进林地的长期发展及生境的改善。

本研究的不足是时间跨度短。由于研究在7—8月份进行，只能分析总结白桦林生长旺季的水化学特性，不能对整个生长期及年度的特性进行分析说明，今后在可能的条件下要延长调查时段及持续调查，利用多年的数据提高研究的代表性。