北京是一个严重缺水的城市，人均水资源占有量仅为300 m³，是全国平均值的15%，世界平均值的4%。据预测，2010年遇平水年北京市将缺水11.85亿m³，遇枯水年将缺水19.99亿m³；到2020年遇平水年将缺水23.76亿m³，遇枯水年将缺水30.90亿m³。密云水库是北京市的重要饮用水源，为北京市提供70%以上的生活用水，为了保证首都人民的生活用水问题，各级管理部门都制定了相应的政策、采取了相应的措施，其中密云水库水源涵养林营建是一项十分重要的内容。本文通过对北京密云水库库区水源涵养林冠层水文特征的研究，分析了林冠层对大气降雨再分配和降雨中化学元素性质的影响，为库区水源涵养林的经营与管理提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于北京市密云水库上游，即116°31′—117°31′E，40 °13′—40°48′N。气候类型属于暖温带半湿润季风型气候，年平均温度10.5 ℃，平均最低温-18 ℃，平均最高温38 ℃，无霜期176 d，多年平均降雨量669 mm，主要集中在6—8月份，雨热同期。地带性植被为暖温带落叶阔叶林区，现状植被以灌木丛为主。主要人工植被为油松(Pinus tabulaeformis)林和刺槐(Robinia pseudoacacia)林。土壤为褐土和潮土。

2 研究方法 2.1 小区布设

在密云县北庄乡水源保护试验站站旁布设人工刺槐林、油松林和板栗林(Castanea mollissima)观测小区。刺槐林10~15 a，平均胸径7.3 cm，平均高7.3 m，密度2 200株·hm^-2；油松林25~30 a，平均胸径11.7 cm，平均高6.7 m，密度1 706株·hm^-2；板栗林20~25 a，平均胸径20.8 cm，平均高5.1 m，密度325株·hm^-2。

2.2 测定项目

分别测定不同类型水源涵养林的树干茎流量和林内穿透降雨量；分别测定大气降雨，穿透降雨和树干茎流中全N、全P、K、Na、Ca、Mg、Cu、Zn、Fe和Mn等10种化学元素的含量。

2.3 水样采集

大气降雨样在密云县北庄水源试验站旁采集；林内穿透降雨样用直径为20 cm的圆口型塑料容器布设在林下收集获得，布设方式为机械布样，重复15次；树干茎流样用直径为2.5 cm的聚乙烯塑料管剖开后沿树干螺旋形固定，下部用容器承接获得。

2.4 分析方法

全N用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，全磷用钼酸铵分光光度法，K、Na用火焰发射光度法，其余的元素均用原子吸收分光光度法。样品采集和测定均采用国家颁布标准(谢贤群等，1998)。

3 结果讨论 3.1 大气降雨特征

1999年4—9月共有28场降雨，降雨总量221.4 mm，7月份降雨量较多，为70.1 mm，占总降雨量的31.66%；2000年4—10月共有降雨25次，降雨总量323.6 mm，其中6月份的降雨量最小，仅为4.4 mm，占7个月降雨量的1.36%，7月、8月的降雨量相对较多，占7个月降雨总量的60%以上。但总的来看，1999、2000年总的降雨量偏少，特别是1999年的降雨量不足多年平均降雨量的50%。研究时段内各月降雨量分配如表 1所示。

3.2 对大气降雨的再分配

研究期间不同水源涵养林冠层截留、穿透雨量、茎流量和林内雨量如表 2所示。从表中可以看出：3种林分林冠截留量中油松林最大，刺槐和板栗林的林冠截留量分别为油松林的72.30%和84.18%；穿透雨量刺槐林最大，油松林和板栗林的穿透量分别是刺槐林的97.08%和91.54%；茎流量中油松林的树干茎流量最大，刺槐林和板栗林的树干茎流量相近。

对53次降雨观测资料进行统计分析的结果表明：次降雨条件下，3种类型水源涵养林冠层截留量(I)与降雨量(P)之间呈指数相关关系，穿透雨量(T)与降雨量的之间呈线性相关关系，并且均在0.01水平上呈极显著相关。

刺槐林穿透雨量与降雨量、林冠截留量与降雨量之间的回归关系如下：

油松林穿透雨量与降雨量、林冠截留量与降雨量之间的回归关系如下：

板栗林穿透雨量与降雨量、林冠截留量与降雨量之间的回归关系如下：

3.3 大气降雨的化学性质

在森林流域内，大气降雨进入到森林生态系统后，一部分降雨从林间空隙直接到达地面；还有一部分降雨被林冠截留，随着降雨的进行，林冠截留的雨量一部分会从林冠层直接跃落进入林地，还有一部分会通过林冠、树干流下，在此过程中林冠层对降雨中的化学元素的影响主要是通过截留与淋溶两个作用过程，降雨对树叶、花、果、枝条和树干表面尘埃等物质的淋洗、淋溶以及树叶、枝等对降雨中元素的吸收、吸附等化学调节作用，使降雨中的元素含量发生了变化。

对53次降雨中29次降雨的10种化学元素含量进行了测定(见表 3)。由表 3可知，降雨中各元素含量的变幅很大，常量元素中变幅最大的元素是Na，最小的元素是P；微量元素中变幅最大的是Zn，最小的是Mn。大气降雨中10种化学元素含量(加权平均值)的排序为Ca>N>K>Mg>Na> P>Fe>Zn>Cu>Mn。

大气降雨中各种化学元素的含量变幅较大，主要是由以下3方面的原因所致：1)降雨的强度、季节、降雨量、持续时间以及次降雨之间时间间隔等对降雨中化学元素的含量均有影响，表现在观测时段内不同月份降雨中的化学元素含量不同(刘世海等，2000)；2)环境条件和气象条件对降雨中的化学元素含量也有影响，大气污染状况、大气环流携带的各种化学物质成分会随气象因素而发生随机变化，如水汽来源、风向风速等都会使降雨中化学元素含量发生变化；3)人类活动对环境的影响亦会引起局部大气降雨中的化学元素含量的变化，特别是随着人类向环境中释放污染物量的增加，这种影响会更加明显。

3.4 穿透降雨化学性质

大气降雨穿透林冠层后各化学元素含量如表 4所示。降雨穿过不同林分冠层后，各化学元素的含量变化不一，但10种化学元素含量加权平均之和呈增加趋势。在3种林分中，刺槐林穿透降雨中的增幅最大，与大气降雨相比增加了34.191 3 mg·L^-1，油松林和板栗林分别增加了8.612 4 mg·L^-1和5.109 4 mg·L^-1。刺槐林穿透降雨中的化学元素含量高，主要是因为元素K在刺槐林冠层大量的淋溶所致，K是10种化学元素中流动性最强的元素，很易从植物体内淋失。

各元素在不同林分的增减情况如下：刺槐林中，N、P、K、Na和Mg等5种元素的含量上升，其余5种元素的含量下降；油松林中，N、P、K、Mg和Cu的含量上升，其余5种元素的含量下降；板栗林中，Ca、Zn和Cu的含量下降，其余7种元素的含量上升。

3.5 树干茎流化学性质

林冠层截留的一部分降雨，除了以林内雨的方式进入林地中，还有一部分以树干茎流的方式流入林地，这一部分雨水主要是从叶流向枝、从枝流向干。在这个过程中雨水不仅对枝叶表面的干沉降物质以及叶片表面可溶性的元素进行了淋洗、交换，也和树干上的物质进行了淋洗、交换，使得其化学元素含量又一次发生了变化。

3种林分树干茎流中各化学元素含量如表 5所示。刺槐林树干茎流中各化学元素含量之和为61.586 2 mg·L^-1，比大气降雨中化学元素含量之和高出49.585 1 mg·L^-1, 比刺槐林内穿透降雨中化学元素含量之和高出15.3 93 8 mg·L^-1；油松树干茎流中的化学元素含量之和为73.323 5 mg·L^-1，是3种林分之最，比大气降雨元素含量高出61.322 4 mg·L^-1，比林内穿透雨高出52.710 0 mg·L^-1，由观测的数据可以看出，油松和刺槐林树干茎流化学元素总量大幅度的增加主要是由于K元素的增加所致，在油松林中仅K元素一项就增多了34.902 5 mg·L^-1，占增幅的56.92%；刺槐林中K元素增加量为35.051 0 mg·L^-1，占增幅的56.9 1%。这是因为K元素是所研究元素中最易淋溶的元素，且大量地分布在叶片表面细胞中，因而K元素极易从植物体内淋失；另外在研究期间降雨偏少，特别是1999系极干旱年份，研究区的油松、刺槐林在1999、2000年内均发生了较为严重的枯枝或枯死现象(板栗林因有灌溉条件未发生枯梢现象)，树木枯枝、枯死会有大量养分元素的释放(Schlesinger, 1997)，使得刺槐和油松树干茎流中K元素的增幅很大。板栗林树干茎流化学元素总量为35.507 4 mg·L^-1，比大气降雨总量高出23.506 3 mg·L^-1，比林内穿透降雨高出1 8.396 9 mg·L^-1。

3种林分树干茎流中不同化学元素含量与大气降雨相比较增幅顺序依次为：刺槐林是K>N>P>Mg>Na>Zn>Cu；油松林是K>N>P>Ca>Mg>Na>Zn>Cu；板栗林N>Ca>Mg>K>P>Na>Fe>Mn。

4 结论

1) 1999—2000年，大气降雨总量为545 mm，刺槐林穿透降雨量为434.78 mm，林冠截留量为97.73 mm，树干茎流量为12.49 mm；油松林穿透降雨量为397.98 mm，林冠截留量为131.54 mm，树干茎流量为15.48 mm；板栗林穿透降雨量为422.07 mm，林冠截留量为110.73 mm，树干茎流量为12.20 mm。次降雨条件下，林内穿透降雨量与次降雨量之间呈线性相关，林冠截留量与次降雨量之间呈指数正相关，均呈极显著水平。

2) 在观测期间，大气降雨中的化学元素含量值变化范围较大，观测时段内所测定的不同元素含量排序为：Ca＞N＞K＞Mg＞Na＞P＞Fe＞Zn＞Cu＞Mn。

3) 大气降雨经过3种水源涵养林后，林内穿透降雨中各化学元素含量变化如下：刺槐林N，P、K、Na和Mg等5种的元素含量增加，而其余的5种元素含量下降；油松林N、P、K、Mg和Cu等5种元素含量增加，而其余的5种元素含量下降；板栗林N、P、K、Na、Mg、Fe和Mn等7种元素含量增加，其余3种元素含量下降。

4) 大气降雨经过3种水源涵养林后，树干茎流中化学元素含量变化为：刺槐林N、P、K、Na、Mg、Zn、Cu等7种元素含量增加，其余3种元素含量下降；油松林N、P、K、Na、Ca、Mg、Zn、Cu等8种元素含量增加，其余2种元素含量下降；板栗林N、P、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn等8种元素含量增加，其余2种元素含量下降。