木荷(Schima superba)为我国珍贵的用材树种，树干通直、木材坚硬，为纺织工业的特种用材。木荷树冠浓密、叶片厚且革质，能耐火，与马尾松混交，能起防火、防松毛虫的作用，因此已成为南方造林树种之一。本文利用连续2年的定位观测数据，对木荷林的降雨过程及其养分动态进行了分析，以揭示森林生态系统水文过程和水化学动态规律，为经营木荷人工林和林地生产力的维持提供一些理论依据。

1 研究地概况

中国科学院千烟洲试验站设在江西省泰和县，地理位置为115° 04′ 13″ E，26° 44′ 48″ N，为典型的红壤丘陵地貌。最高点海拔115.5 m，相对高度20~50 m，地形起伏，丘顶浑圆，坡度以10°~30°居多，由白垩系红色、紫红色砾岩、砂岩和泥岩组成，岩层倾角不大，除少数丘顶和裸露地外，风化层一般厚度在30~50 cm之间(陈永瑞，1995; 1996;1998;1999;2000)。林地土壤为红黄壤, pH值5.22~5.58, 有机质含量为16.5 ~ 6.2 g·kg^-1，该地属中亚热带湿润气候区，年平均温度为16.5℃，极端最高温度29.3℃, 极端最低温度8.5℃; 年均相对湿度88.8%；年均降雨量1 388.75 mm, 平均蒸发量1 358.6 mm; 年平均地表温度17.4℃，夏无酷热, 冬无严寒, 气候温和, 降水量常因季节分配不均，水热不完全同步。

样地设在试验站核心区以木荷为主常绿阔叶林径流场内，面积为154.17 m², 造林密度3 503株·hm^-2, 林龄16 a, 平均胸径9.0 cm, 平均树高9.7 m, 郁闭度0.95。林木除了木荷以外，还有少量的绵柯(Lithocarpus henryi)、柯(Lithocarpus glaber)、麻栎(Quercus acutissima)等壳斗科常绿阔叶树种，林木全部是春季造林，造林后未做任何处理。由于林分密度大, 林下只有少量蕨(Pteridium aquilinum)类分布，林缘和林窗内有一些篌竹(Phyllostachys nidularia)等植物生长。

2 研究方法

采用小集水区径流场技术，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-输出和系统内的物质转移和再分配(田大伦等，2001)。

2.1 降雨量测定与收集

降雨量:在林间空地设置口径为200 mm的虹吸式自记雨量计, 测定每次降雨量，然后定期收集水样品。穿透水量:在固定样地内均匀地设置10个标准雨量筒, 测定每次降雨通过树冠的穿透雨量，从雨量筒内采集水样混合后再取样。树干流量：将固定样地内每棵树的树干距地面0.5 m左右处用塑料胶管蛇型缠绕, 塑料管与树干间的空隙用沥青密封, 把树干流下的水通过塑料管导引到塑料桶内, 测定每次干流量。逐一采集少量水样混合后取样。地表径流是在封闭的径流场集水区出口处设置一个1 m³的水池用水表测定地表径流量，从水池取样。每次每个水样品采样量为200 mL, 并及时送实验室分析。

2.2 水样的分析方法

将水样品直接用ICP-AES(即等离体发射光谱法)测定P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Na、Sr、Zr、Na、Si等元素的含量。水样中N元素测定方法是用凯氏半微量定N仪测定。

3 结果与分析 3.1 木荷人工林降雨输入

根据1999—2000年观测的资料，统计出该区木荷人工林平均降雨输入与分配情况(表 1)。从表 1可以看出, 进入木荷人工林系统内的净雨量绝大部分是穿透水，占净降雨量的97.6 %，树干流量非常小，只占2.4 %。由于受降雨量大小和时间长短的影响，树干流在各月中有一定的变化，降雨量最多的4月份，其干流量为5.51 mm，降雨量最少的12月份仅0.4 mm。从表 1还可以看出，该木荷林的穿透量和树干流量有随大气降雨量的增加而增加趋势，而林冠截留量就不太明显。一年当中的1—2月份和11—12月份，由于这段时间空气干燥，降雨量少且分散，所以林冠截留雨水的能力较强，4个月平均达到32.75 %，而降雨量最大的4—6月份，3个月平均只有16.4 %。

3.2 木荷人工林系统径流输出

该木荷人工林系统地表径流输出情况见表 2。从表 2可以看出，该木荷林的地表径流量为44.48 mm(地下径流和蒸发散由于某种原因暂时未计)，占净降雨量的3.95%。从地表径流与净降雨的月变化的比较中可以看出，净降雨量最大的4月份和5月份(197.16 mm和160.18 mm)地表径流只有5.04 mm和5.01 mm，仅占11.33%和11.26%，而净降雨量只有129.47、91.43和95.06 mm的6月、7月和9月份，地表径流量却达到23.67 %、13.72 %和18.39%。

3.3 降雨、穿透雨和树干流中的化学元素特征

从对所取水样品的化学分析可以看出大气降雨经过林冠穿透、树干和地表后的矿质元素的变化，现将木荷人工林2年定期取样分析结果的平均值列入表 3。从表 3可以看出，大气降雨经过林冠后，N、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Sr、Zr和Ti等矿质元素的含量有所增加，其中K、Ca和Mg 3种元素增加的幅度较大，而P、Na和Si元素有所减少。大气降雨经过树干后，除了P之外，其他元素的平均浓度增加了不少，其中N、K、Ca、Mg、Fe、Na、Si等元素较为明显。大气降雨经过地表径流后，所有元素含量都有不同程度的增加，其中K和Ca元素增加的幅度最大。

3.4 木荷人工林内外降雨中养分输入动态

为了比较大气降雨、林冠穿透雨和树干流中的矿质元素对人工林生态系统的贡献，用单位面积年降雨、穿透雨和树干流的总量乘以相应的元素平均值含量(陈永瑞，2000)，从而计算出降雨、穿透雨和树干流中矿质元素含量1年各月的总量，见表 4~6。

从表中可知，该木荷林生态系统通过降雨、穿透雨和树干流输入的矿质元素量分别为349.85、462.381和12.121 kg·hm^-2a^-1。其中大气降雨中的Na、Si和Ca元素输入量最大，分别为93.41、84.94和46.23 kg·hm^-2a^-1, P元素最少，只有0.37 kg·hm^-2a^-1；穿透雨中的K和Ca元素输入量最大，分别为127.79和93.487 kg·hm^-2a^-1，P元素最少，只有0.242 kg·hm^-2a^-1，树干流中的K元素输入量最大，为5.45 kg·hm^-2a^-1，Fe元素最少，只有0.214 kg·hm^-2a^-1。同时还可以看出大气降雨、林冠穿透雨和树干流一年各月各矿质元素输入林地的动态过程。

3.5 木荷人工林地表径流元素输出动态

从该木荷林地表径流输出的矿质元素量为72.929 kg· hm^-2a^-1，其中Ca元素输出量最大，为32.873 kg·hm^-2a^-1，其次是N和Si，分别为17.064 kg·hm^-2a^-1和12.618 kg·hm^-2a^-1, Na、Mg、Sr、Mn、Zr、Ti和Fe次之，P元素输出量为0。同时也清楚地看到1年各月的地表径流中各养分元素从林地输出的动态过程(见表 7)。

3.6 木荷人工林生态系统养分平衡

为了进一步分析千烟洲试验区木荷人工林输入和输出变化情况, 将大气降雨中的元素输入和地表径流中的元素输出变化列于表 8。

从表 8中可以清楚地看出，该木荷林的12种矿质元素年净积累量为276.942 kg·hm^-2a^-1，其中以P元素年净积累量最大，达到了100%，然后是Fe、Zr、Mn、Ti、Sr、Na、K、Si、Mg和Ca元素，分别达到了98.2%、96.9%、96.7%、96.5%、95.9%、95.0% 94.2%、85.5%、57.6%和28.9%, N元素积累量最少, 只占17.6%。各元素间积累排列顺序为Na> Si > Zr > Sr > Mn > Ti > Ca > Fe > K > Mg > P > N，其中以Na和Si元素积累量最高，分别占总积累量的32.4%和26.1%，P元素积累量最少, 只占总积累量的0.1%。

4 结论

千烟洲试验区木荷人工林2年平均降雨量为1 388.75 mm，其中以林冠穿透雨形式进入林地的降雨量为1 099.4 mm，占年降雨量的79.2%，以树干流形式进入林地的降雨量为27.44 mm，占年降雨量的2%，林冠2年平均截流量为261.93 mm，占年降雨量的18.9%。

千烟洲试验区木荷人工林净降雨量的动态过程是跟随着降雨量多少发生变化，而截流量则是随着降雨前干旱时间的长短而定，如2月份和12月份降雨量只有43.55 mm和22.8 mm，但截流量却达34.9%和46.9%，而4月和5月份降雨量高达224.6 mm和190.85 mm，而截流量只有12.2%和16.0%。

千烟洲试验区木荷人工林2年平均地表径流量为44.48 mm，其中以6月份的径流量最大，为10.53 mm，占年地表径流量为23.67%，而降雨最大的4月份和5月份仅占11.33%和11.26%。

千烟洲试验区木荷人工林通过大气降雨输入的(N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Sr、Zr、Na、Ti、Si)等12种矿质元素量为349.85 kg·hm^-2a^-1，通过林冠穿透水输入的矿质元素量为462.381 kg·hm^-2a^-1，通过树干流输入矿质元素量为12.121 kg·hm^-2a^-1。随地表径流输出的矿质元素量为72.928 kg·hm^-2a^-1。

该木荷人工林的矿质元素2年平均净积累量为276.942 kg·hm^-2a^-1，其中Na和Si元素积累量最大，分别为88.73 kg·hm^-2a^-1和72.332 kg·hm^-2a^-1。