大气降水是森林生态系统主要的养分输入形式。大量研究结果表明，不同地带性气候相对应的森林类型具有不同的降水养分输入特征，养分的输入量在0.2到53.03 kg·hm^-2a^-1之间(周光益等，1996；水建国等，1999；甘建民等，1996；田大伦等，1999；周梅等，2000)。虽然不同地区降水中养分的输入量幅度很宽，但其平均值还是具有普遍意义的，在循环研究中值得重视。对降水输入的养分特征进行深入研究，为进一步研究森林生态系统的养分收支规律以及养分循环规律奠定了基础。西藏东南部(林芝地区)是西藏森林的主要分布区，现有森林面积240万hm²，森林覆被率达26.5%, 是我国西南国有林区的重要组成部分。由于其特殊的地形、地貌、气候等因素的影响和制约，藏东南森林生态系统具有复杂多变的水热条件、独特的树种组成、丰富的森林植被类型和特殊的分布规律。目前还未见有关西藏森林生态系统养分循环的研究报道。急尖长苞冷杉(Abies smithii)在藏东南高海拔地区分布广泛，以急尖长苞冷杉为研究对象旨在填补高海拔地区(3 900?m左右)进行养分循环研究、积累基础数据的国内空白，为进一步研究西藏高原森林生态系统的物质循环和能量流动提供必要的基础数据。

1 试验地概况

观测地属于西藏高山森林生态系统定位站，位于色季拉山东南坡，海拔3 850 m，具体位置94°25′~94°45′E，29°35′~29°57′N，属较典型的亚高山温带半湿润气候区，年均气温-0.73℃，年均日照时数1 150.6 h，日照百分率26.1%，年均相对湿度78.83%。年均降水量1 134.1 mm，蒸发量544.0 mm，6—9月为雨季，占全年降水的75%~82%。土壤以酸性棕壤为主，土层较厚，腐殖质化过程明显，在海拔较高的冷杉林下常有明显的灰化层。试验林面积1 hm²，海拔3 850~3 950 m，坡度25°，坡位中，林分组成为急尖长苞冷杉原始纯林，平均胸径76 cm，平均树高38 m，郁闭度0.7，平均年龄200 a，为成过熟原始林。林下植被主要有西南花楸(Sorbus rehderiana)、柳叶忍冬(Lonicera lenceolata)、冷蕨(Cystoperis sp.)、草莓(Fragaria sp.)等。

2 研究材料与方法 2.1 小气候观测

分别在冷杉林内与林外采伐迹地进行林分内、外小气候观测，在近地面及0.5 m、1.5 m处，设置温度计、通风干湿表和轻便风速表进行温、湿、风梯度观测；于1.0 m处设置天空辐射表进行总辐射和反射辐射的观测。测定时期：2000年(1—12月)—2001年(1—12月)，每天6:00—18:00观测，每小时观测1次。

2.2 降水观测 2.2.1 林外雨

在对照径流场(设置于林外采伐迹地)设直径20 cm雨量筒，分自记和人工2种，每日晚8:00观测，作为当天的林外降雨量，且自记装置能记录下降雨的详细过程。

2.2.2 穿透雨

在林内径流场(设置于急尖长苞冷杉林内)设4个400 cm×20 cm×15 cm的集水槽，随机分布于急尖长苞冷杉原始林内，槽口出水处连接虹吸式自记雨量计，可连续记录林内降雨的详细过程，最后以4个集水槽的雨量平均数作为林内降雨量。

2.2.3 树干径流

在林内径流场样地内设5株不同径级、不同冠幅的急尖长苞冷杉，将半剖面的圆形塑料胶管固定在处理平滑的树干0.5~1.0 m高处，呈“S”型绕树体3周后，将胶管引流至一个体积为1.0 m³的塑料桶内。以5株树的平均树干径流量作为单株树干径流量，总树干径流量=单株径流量×N(样地内总株数)。

2.2.4 降雪观测

冬季降雪量的大小决定第2年春季溶雪径流量，因此降雪观测是森林水分循环研究的重要环节。本试验采用雨量筒法，于林内随机布设4个雨量筒，以测量林内降雪；于林外空地设置2个雨量筒作对照，每次降雪后测量筒内积雪厚度，算出体积、求出密度，并融化成水量测其体积。

2.3 水质的养分含量测定(中国科学院南京土壤研究所，1978)

Cl^-：硝酸银滴定法；SO₄^2-：硫酸钡比浊法；PO₄^3-：钼蓝比色法；CO₃^2-、HCO₃^-：双指示剂滴定法；N(水解性N)：碱解蒸馏法；Na、K：火焰光度法；Ca、Mg和其它元素：原子吸收光谱法。

3 结果与分析 3.1 大气降水和林内降水的化学组成

在包括林外雨和林外雪的所有大气降水中(表 1)，以林外雨中的SO₄^2-含量最高，为71.4 mg·L^-1，而林外雪中的P和林外雨中的Na元素含量最低，均为0.002 mg·L^-1，两者竟相差35 700倍。林外雨比林外雪的pH值略高一些，说明雨水中比雪溶解了较多的矿质元素，因此各元素含量都要高一些(Na除外)，这与雪的溶解性能差有关，也与季节的不同和大气的养分含量变化有关。林外雪中，营养元素含量大小依次为：N >Mg >Fe >Ca >K >Na >P >Zn；林外雨中营养元素含量排序为：Zn >N >Mg >Fe >Ca >P >Na >K。

森林巨大的叶面积和分布在空间的枝干，时刻都在截留、吸附着大气中漂浮的养分物质，降水把叶表面的物质以林冠层淋溶和树干径流的方式输入到土壤中去。在这个过程中，降水携带的营养物质含量发生着复杂的变化(Arthur，1993)。当大气降水通过林冠后，其性质和含量发生了明显变化(Blew，1993)。穿透水和树干径流的酸度均增加，且树干径流增加更多，说明树干表面比林冠表面含有较多的酸性及水溶性物质。

林内雪(穿透雪)和林外雪相比较，pH值变化不大，但各元素含量均有增加，其中Ca元素增加了140%，P和K元素均增加了100%，其它元素稍有增加，这说明降雪通过林冠时，还是有一定的淋溶作用的。

降水把林冠枝叶中的养分淋洗出来，树干径流水还会把树皮中的养分浸提出一部分来，但同时降水中的部分营养元素被植物吸附和吸收，故与林外相比，林内降水的养分含量是否增加视具体情况而定。穿透水、树干径流和林外降雨中各元素含量相比，除了SO₄^2-含量略有减少外，其它离子和元素的含量均增加了许多；穿透水中增加最多的元素是Na，增加了1 400%；在树干径流中增加最多的是P元素，为5 632.4%。说明林冠淋溶是以Na元素为主，而树干淋溶则是以P元素为主。树干径流与穿透水相比各元素的含量要高许多，主要原因是降水到达林冠形成树干径流以后沿叶、枝、干缓慢下淌，淋溶的面积比穿透水大，时间也比穿透水长；穿透水中一部分经过枝叶，其余未经枝叶便直接进入土壤，淋溶面积小且时间较短。此外，树干特别是树皮表面比枝叶表面吸附有更多的营养物质，而且树皮中的营养物质更容易被雨水淋溶。

通过降水进入森林养分循环的各种元素的含量与植被的物候特征、离子的活跃程度及水和雪的溶解性密切相关。林内降雨中SO₄^2-含量的降低，说明林冠对酸性物质有一定的吸附作用；HCO₃^-、Cl^-等离子和无机盐类中的N(NO₃^--N、NH₄⁺-N)、Na、Ca、Mg、Fe等元素，经大气降水进入森林群落的量较少，但经过林冠层和树干之后，林内降水中的养分含量明显高于降水，一方面为大气降水从植物组织中淋溶出来的物质(田大伦等，1999)，另一方面为大气降雨洗脱附着在树叶、树枝和树干表面的颗粒物质。Mg、Ca元素的溶解性好，其来源主要是植物组织内部物质的淋溶，而Zn、Fe、P等元素的溶解性差，容易穿过林冠，因此可以认为这些物质的主要来源是后者。大气降雨淋洗附着于林冠及淋溶植物组织的各种养分物质，通过穿透水、树干径流到达林地，这对林地养分的补给，起到了积极的作用。

急尖长苞冷杉林冠之上寄生有附生物——松萝，松萝的生物量约占急尖长苞冷杉叶片生物量的3%左右，密度较小，表面积较大，在降水的淋溶作用中，附生物对降水中养分含量的改变起着不可忽略的作用。

3.2 降水中养分输入量的季节变化

区域性的水质特征受该地区的降雨、植物生长发育和元素的可溶性等因素的综合影响(周光益等，1996；水建国等，1999；黄忠良等，2000；甘建民等，1996；周梅等，2000)，因而元素的输入量有不同的季节变化。从西藏色季拉山东坡海拔3 800 m各月份平均降雨量、穿透水量及树干径流量的变化情况可以看出(图 1)：5—9月份是当地的雨季，这一阶段的雨量约占全年总降水的87%，其它月份降水较少，主要以降雪为主。穿透水和树干径流主要发生于雨季。其中年穿透水量和年树干径流量分别占年降水量的39.3%和0.6%，可见林内降水以林冠穿透水为主。树冠对降水截留较大的原因可能与林冠上附生的松萝增加了截留面积有关。

从大气降水中各元素及离子输入量的季节变化情况可知(表 2)：1 a中降水输入系统的各种离子和养分总量以SO₄^2-为最大，为742.6 kg·hm^-2，最少的是K元素，仅有0.007 kg·hm^-2。林外雨所有元素的输入总量(N、P、K、Na、Ca、Mg、Zn、Fe，下同)为62.93 kg·hm^-2a^-1，对森林生态系统而言，大气降水中营养元素的年输入量还是比较可观的。其中Zn元素的年输入量为25.1 kg·hm^-2a^-1，占营养元素总量的39.9%；N元素的年输入量为23.3 kg·hm^-2a^-1，占营养元素总量的37%，说明本地区大气降水中养分的输入主要以Zn和N元素为主。所有元素和离子的年输入量大小顺序为：SO₄^2->HCO₃^->Cl^- >Zn >N >Mg >Fe >Ca >P >Na >K。

降水中各种离子和元素的输入量随季节变动较大。大部分离子和元素的月平均输入量是随降水量的增大而增大的，说明降水量是影响养分输入量的一个主要因子。K元素的输入量变化较为特殊，在生长季内4—10月份，输入量为0，非生长季有少量输入，而且比较均匀。结合表 1的数据可以看出，K元素在降雨中的含量为0，在降雪中有一定的含量。这可能与该地区的农牧民在冬季大量取暖伐木烧柴有关。火烧烟尘飘逸于大气中，烟尘中K的含量较高，所以降雪时因吸附大气中的烟尘使得K含量增大。

3.3 林内穿透水中养分输入量的季节变化

林内穿透水中大多数元素的输入量表现出季节性变化(表 3)。1 a中林内穿透水输入系统的各种元素及离子总量以SO₄^2-为最大，为179.5 kg·hm^-2，最少的是Na元素，仅有0.13 kg·hm^-2。林内降水中营养元素的输入总和为54.15 kg·hm^-2a^-1，其中Zn元素的年输入量为17.57 kg·hm^-2a^-1，占营养元素总量的32.4%；Mg元素为16.84 kg·hm^-2a^-1，占总量的31.1%；N元素为12.03 kg·hm^-2a^-1，占总量的22.2%。在冷杉林内穿透水的养分输入是以Zn、Mg和N为主。各离子和元素输入量的大小顺序为：SO₄^2->HCO₃^->Cl^->Zn>Mg>N>Fe>Ca>P>K>Na。

林内穿透水的养分输入量随降水量的增大而增大，与林外雨的变化规律大体一致。K元素在生长季内，通过降雨对林冠和树干的淋洗，与同期林外雨相比，形成明显的输入高峰。这也说明K元素淋溶性很强。

3.4 林内树干径流水中养分输入量的季节变化

急尖长苞冷杉林内树干径流的发生主要集中在雨季(6—10月份)，其它时间由于降雨量的减少，不形成树干径流。树干径流量与树木胸径、冠幅之间的关系较为密切，随着林木胸径的增加、林冠覆盖面积增大、树皮增厚，干流量减小(表 4)。因为除降暴雨外，一般情况下在林冠和树皮吸水达到饱和之后才会出现树干径流，胸径越大则冠幅越大、树皮越厚，从而导致树体蓄水能力增大、树干径流量减少。

1 a中树干径流输入土壤中的各种元素及离子总量以SO₄^2-为最大(表 5)，为4.63 kg·hm^-2，最少的是Na元素，仅有0.002 5 kg·hm^-2。树干径流中营养元素的输入总和为1.52 kg·hm^-2a^-1，其中Zn元素为0.64 kg·hm^-2a^-1，占总量的42.1%；Mg元素的年输入量为0.40 kg·hm^-2a^-1，占总量的26.3%；N元素为0.17 kg·hm^-2a^-1，占总量的11.2%；P元素的年输入量为0.14 kg·hm^-2a^-1，占总量的9.2%，在冷杉林内树干径流的养分输入以Zn、Mg、P和N为主。离子和元素输入量的大小顺序为：SO₄^2- >HCO₃^- >Cl^- >Zn >Mg >N >P >Fe >K >Ca >Na。

树干径流与林内穿透水相比养分输入量要小许多，各种元素的输入量仅占林内穿透水的1.23%~15.84%。因此在林内降水中，主要以林内穿透水为主，养分的输入也以林内穿透水为主要的输入来源。

3.5 降水对林冠和树干养分的淋溶

林木吸收的大部分养分，除来自于凋落物归还土壤的部分外，还来自降水淋溶林冠和树干而归还土壤的养分(田大伦，1999)。在植物的营养生长期或生殖生长的初期，叶片或茎有吸收养分的功能，对某些矿质养分的吸收比根的吸收能力强。由于淋溶出来的养分都是水溶性的，无需经过复杂的分解过程，可以被植物直接吸收，因此降水的养分淋溶作用具有促进植物生长，促进养分循环的作用。林外降水通过林冠和树干以后所产生的淋溶量中养分的大小顺序依次为(表 6)：Mg > K >P >Ca > Na >Fe >Zn >N >Cl^- >HCO₃^- >SO₄^2-，其中Mg、K、P、Ca、Na等元素被淋溶，而其它元素或离子被吸附；淋溶系数显示的次序为K> Na> P> Mg> Ca> Fe> Zn> HCO₃^-> Cl^-> N> SO₄^2-，说明K、Na、P、Mg等元素的淋溶强度较高。由于冷杉林冠之上附生有松萝，松萝的养分来源主要是依靠大气降水而非寄主，因此养分极易被林冠特别是松萝所富集。Fe、Zn、HCO₃^-、Cl^-、N、SO₄^2-等元素和离子被林冠吸附，其中HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-等离子的吸附对缓解酸雨的影响有一定意义；P、K、Na元素在降雨中含量很低，但有一定的淋溶量，故其淋溶系数较高。

4 结论与讨论

急尖长苞冷杉林生态系统的大气降水中化学元素含量及输入量的大小顺序为：Zn >N >Mg >Fe >Ca >P >Na >K，各元素的输入量分别为25.1、23.3、8.1、4.1、1.9、0.4、0.026、0.007 kg·hm^-2a^-1；SO₄^2-、HCO₃^-和Cl^-的输入量分别为742.6、74.3和51.6 kg·hm^-2a^-1，大气降水中养分的输入主要以降雨输入为主。大部分离子和元素的月平均输入量是随降水量的增大而增大。

降雪通过林冠时，有一定的淋溶作用，各元素含量均有增加，其中Ca、P和K元素均增加了1倍以上。

树干径流与穿透水相比各元素的含量要高许多，林冠淋溶是以Na元素为主，而树干淋溶则是以P元素为主。但树干径流各元素的输入量仅占林内穿透水的1.23%~15.84%，林内穿透水和树干径流中N、P、K、Na、Ca、Mg、Zn、Fe等元素的输入总量分别为54.15和1.52 kg·hm^-2a^-1，因此养分的输入以林内穿透水为主。

Mg、K、P、Ca等元素被淋溶的数量较大；而K、Na、P、Mg等元素的淋溶强度较高。林冠对Fe、Zn、HCO₃^-、Cl^-、N、SO₄^2-等有吸收作用，其中HCO₃^-、C l^-、SO₄^2-等离子的吸附对缓解酸雨的破坏有一定意义。