森林生态系统的水文学过程与养分循环紧密相连，构成生态系统的重要功能过程(潘维俦等，1989)，其中大气降水是系统养分输入的主要形式之一(巩合德等，2005)，降水经过林冠由于植物叶片吸附和淋溶，穿透水和树干茎流的养分含量发生较大的改变(Silva et al., 2001)。到达土壤的水分会形成地表径流、壤中流和地下径流离开生态系统(马雪华，1993)，部分养分随之离开系统。这些过程反映了一个生态系统的养分循环和平衡状况(鲍文等，2004；李凌浩等，1994)。水文学过程的养分特征是进一步研究森林生态系统生物地球化学循环、养分平衡和评价森林净化水质功能的基础。

暗针叶林分别占西藏森林面积的48%和总蓄积量的61%(李文华，1985)，主要由云杉属(Picea)、冷杉属(Abies)和铁杉属(Tsuga)的树种组成。林芝云杉(Picea likiangensis var. linzhiensis)是云杉属中常见树种丽江云杉(Picea likiangensis)的一个变种，集中分布于雅鲁藏布江中游及其支流两侧的山坡上，丰沛的降水及温和的气候条件有利于云杉生长。该区林芝云杉林高耸挺拔、郁密粗壮，有些树干直径可达2 m，树高80 m，立木蓄积量高达3 831 m³·hm^-2，堪称世界之最(徐凤翔，1981)，在涵养水源、保持水土以及净化水质、固碳等方面都发挥着重要作用。但目前对该区森林生态系统水文学过程养分输入、输出及转移方面的研究较少。本研究利用2006—2007年定位观测数据，分析林芝云杉林水文学过程中的水化学特征，为进一步研究该森林生态系统的功能过程提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于西藏林芝地区米林县南伊沟(29°09′ N，94°01′ E)的原始林芝云杉林，海拔3 050 m，属于较典型的亚高山温带半湿润季风气候区，年均气温8.2 ℃，最低月(1月)平均气温-13.98 ℃，最高月(7月)平均气温19.23 ℃，年降水量675 mm，85%的雨水集中在6—9月，全年无霜期170天。

林分为原始过成熟林，主要树种为林芝云杉，间有急尖长苞冷杉(Abies georgei var. smithii)，郁闭度为0.7，平均胸径88.3 cm，平均树高39.6 m。土壤为山地棕壤。林下灌木主要有杯萼忍冬(Lonicera inconspicua)、齿叶忍冬(L. setifera)、毛叶野丁香(Leptodermis nigricans)、木姜子(Litsea pungens)和大花黄牡丹(Paeonia ludlowii)等；主要草本有鳞毛蕨(Dryopteris sp.)、管花鹿药(Smilacina purpurea)、蟹甲草(Cacalia pentaloba)、落芒草(Oryzopsis tibetica)和川西千里光(Senecio solidagineus)等；此外，苔藓层主要有锦丝藓(Actinothuidium hookeri)、多蒴曲尾藓(Dicranum majus)、曲尾藓(D. scoparium)、偏蒴藓(Ectropothecium sp.)和美丽大灰藓(Hypnum plumaeforme)等。

2 研究方法 2.1 水文观测和水样采集

2006年在南伊沟林芝云杉林内的典型地段(坡度 < 5°、中下坡)设置30 m×30 m标准样地1块，建立水文观测场进行连续水文观测。每月采样1次，采样之前，先准备好用蒸馏水冲洗干净的500 mL聚乙烯瓶，采样时先用收集的水样冲洗3次，现场测定pH值，然后立即送回实验室进行分析。各水样收集方法如下。

大气降水：在距离林缘20 m的空旷地设直径20 cm雨量筒5个，收集林外降水。2006-10—2007-09，在月初降水量超过3 mm时采集水样1次，因12和2月降水量不足而未采样，全年共采样10次。

穿透水：样地内随机分布4个集水槽，长200 cm, 宽20 cm, 高15 cm，于槽口出水处收集水样，收集时间同林外降水。

树干茎流：根据径级和冠幅的大小，在样地内选择5株云杉，用塑料管蛇形缠绕树干，收集树干茎流。全年收集5—9月水样，其他月份未产生树干茎流。

地表径流和壤中流：在样地建立水平投影边长为10 m的棱形水量平衡径流场，深度150 cm，四周用塑料薄膜分离，在下坡出水口距地表 0, 30, 60, 90和120 cm处分别水平安装宽20 cm的接水板，0 cm处为地表径流，其他为壤中流。全年4—10月发生地表径流，4—9月发生壤中流。

山溪河流等水样：在距样地500 m处的山涧溪流中采集溪流样品，在溪流汇入南伊河500 m处采集河水样品，在南伊河汇入雅鲁藏布江约1 km处采集江水样。全年每月采集1次，具体方法参见文献(谢贤群等，1998)。

2.2 水样的化学分析

pH值用PHBJ-260型便携式pH计(上海精密仪器厂)现场测定；颗粒物含量采用烘干质量法测量；C1^-含量用硝酸银滴定法测定；HCO₃^-和CO₃^2-含量采用双指示剂滴定法测定；SO₄^2-含量采用硫酸钡比浊法测定；PO₄^3-含量采用钼蓝比色法测定；N(水解性N)含量采用碱解蒸馏法测定；K⁺和Na⁺含量采用火焰光度法测定；Ca²⁺，Mg²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺和Fe³⁺含量用原子吸收法测定(谢贤群等，1998)。

2.3 数据统计分析

分别计算出林外降水、林内穿透水、树干茎流、地表径流、壤中流和溪流中各测定化学指标的均值和标准差，然后计算变异系数。净淋溶为穿透水或树干茎流的养分含量与林外降水养分含量的差值，淋容系数为穿透水或树干茎流的养分含量除以林外降水养分含量；净迁移为径流输出(山涧溪流)的养分含量与林外降水养分含量的差值，迁移系数为径流输出(山涧溪流)的养分含量除以林外降水养分含量(卢俊培等，1991；田大伦等，2002)。数据处理均在Excel中完成。

3 结果与分析 3.1 各水文学过程的颗粒物含量和pH值

林芝云杉林中各水文学过程的颗粒物含量表现为大气降水 < 壤中流 < 地表径流 < 山涧溪流 < 南伊河 < 穿透水 < 雅鲁藏布江 < 树干茎流(表 1)。大气降水的颗粒物含量最少(5.56 mg·L^-1), 表明该地区大气中粉尘含量低，自然降水非常洁净。经过林冠后，颗粒物含量均有所增加，树干茎流增大了12.3倍，穿透水增加了2.4倍，与林冠层和树干上吸附着一定的灰尘有关。经过地被物和土壤吸收过滤之后，地表径流和壤中流泥沙明显减少，含量均在8.6 mg·L^-1左右。山涧溪流、南伊河和雅鲁藏布江的颗粒物含量均有所增加，主要是因为它们流经了无林区域，特别是雅鲁藏布江流经了高原腹地，植被覆盖率较低，带来了大量的泥沙。这些表明林芝云杉林具有较大的净化水质和保持水土作用。

由表 1还可看出，大气降水pH值为7.61，呈中性偏碱，由于淋洗树冠枝叶和树干上的养分及分泌物，pH值分别下降到6.62和6.42，中性偏酸，呈现酸化现象(田大伦等，2002)。经过土壤的过滤、吸附后，pH值恢复到7.48，说明穿透水中的H⁺已滞留于土壤中，使云杉林下的土壤呈酸性，表现为酸性暗棕壤。当降水由溪流、河流逐步汇入江河时，因为途中溶解了富含Ca的斜长角闪岩和含夕线石石榴石片麻岩等母岩(王金丽等，2008)，pH值逐渐提高，到达雅鲁布藏江后，pH值已达到8.15，略呈碱性。

3.2 大气降水的化学元素特征

大气降水中各元素主要来源于海面蒸发盐晶、陆地扬尘、火山喷发物、空气放电产物和人类排放物质等(马雪华，1993)，在不同地域存在明显差异。从表 2可以看出，测定区域大气降水以SO₄^2-含量最高，平均值为7.201 mg·L^-1；HCO₃^-的变异系数高达1.061，说明它受温度的影响最大，导致在各季节中含量差异大。各元素含量排序为Zn＞Ca＞N＞Fe＞Cu＞Mg＞Na＞K，其中Zn是K的226倍，而K元素的变异系数最高，10，11和4月份水样中未检出K元素。总体而言，该地区大气降水中各元素含量较低，表明该地区空气未受污染，空气质量良好。

大气降水中N和S等元素含量主要与人类活动、距离污染的远近和降水来源的走向有关。如美国西北部Cedar流域花旗松(Pseudotsuga menziesii)林年降水的N输入量低于0.2 g·m^-2，而在东部工业较发达地区的Coweeta和Hubbard Brook等试验点为0.8 g·m^-2，德国西部的Solling试验点高达2.3 g·m^-2(Cole et al., 1981)。而本研究表明该区域的N年输入量仅为0.25 g·m^-2，其大气降水中N的含量仅0.505 mg·L^-1，低于长沙樟树(Cinnamomum camphora)林(NO₃^-和NH₄⁺中N含量为1.569 mg·L^-1)(陈书军等，2006)和重庆四面山混交林(NO₃^-和NH₄⁺中N含量为1.442 mg·L^-1)(陈军等，2009)，也低于凉水自然保护区原始红松(Pinus koraiensis)林(1.265 mg·L^-1)(武秀娟等，2009)和会同杉木(Cunninghamia lanceolata)林(1.029 mg·L^-1)(田大伦等，2002)。以上数据说明本研究区域大气降水中N含量非常低，而N主要受近距离环境的影响，说明该区域附近没有可产生N元素的污染源。从图 1中可以看出，N的含量随大气月降水量增加而减少，其原因是旱季降水少，空气中粉尘较多，所以N元素含量稍有升高。

本区域大气降水中SO₄^2-含量在所有离子和元素中最高，与其他区域相比，低于重庆缙云山(10.217 mg·L^-1)(魏虹等，2005)，与重庆四面山相当(7.555 mg·L^-1)(陈军等，2009)，高于贵州雷公山(1.02 mg·L^-1)(肖劲松等，2007)，比拉萨大气降水也要高(2.338 mg·L^-1)(章典等，2005)。同时从图 1中可以看出，SO₄^2-含量随月降水量增加有增大的趋向。很明显，本区域里几乎无S污染源的存在，表明它来源于中、远距离传输(周光益等，2009)。结合降水量，我们认为这部分污染物应来自东南亚地区, 每年夏季孟加拉湾暖温气流随东南风沿雅鲁藏布江北上，到达该区域时将分成2股气流：一股沿雅鲁藏布江干流逆流而上，另一股沿尼洋河逆流而上(王军等，2000)，这样在该区域可形成滞留带，在带来大量降水的同时，也带来了污染物。而本区域降水以中到小雨为主，其SO₄^2-含量不会因降水量而产生较大的改变。当然，这点还有待于进一步试验验证。

3.3 林冠降水的化学元素特征及淋溶效应

林内穿透水和树干茎流的养分状况受大气降水的化学特征、林冠蒸发、干沉降的淋洗及器官表面化学物淋溶的影响(Silva et al., 2001)。林冠枝叶和树干表面可截留、吸附大气中漂浮的化学元素，降水淋溶这些养分元素和表面分泌物，使养分含量增加，但叶片和树干也可能吸收大气降水中的某些化学元素，因此穿透水和树干茎流的化学元素发生着较为复杂的变化(Lindberg et al., 1986；Puckett，1990)。大气降水经过林芝云杉林林冠后，穿透水中SO₄^2-和Zn元素含量有所下降，其他元素含量均有所增加(表 2)，特别是在旱季(11月至翌年4月)穿透水中化学元素含量明显高于雨季(5—10月)。穿透水中各元素的淋溶系数表现为Na＞P＞Mg＞Ca＞HCO₃^-＞Cl^-＞N＞Cu＞Fe＞SO₄^2-＞Zn(表 3)，其中Na，P，Mg和Ca等元素的淋溶强度较高，为正淋溶，而SO₄^2-和Zn表现出负淋溶，表明林冠对它们有吸附作用。

SO₄^2-树冠淋溶系数各月差异较大，1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10和11月份的淋溶系数分别为0.697, 0.458, -0.690, -0.776, -0.565, -0.773, -0.719, 0.167, -0.487和0.336。

可见，本研究区域旱季降水较少，空气中粉尘含量较多，叶片吸附的SO₄^2-也较多，被雨水淋溶下来的可能性也增大，淋溶系数表现为正值。在雨季降水量较大，叶片上吸附的粉尘量下降，而叶片本身可吸附SO₄^2-，导致它在叶片上吸附量增加，而淋溶系数呈负值。就全年而言，由于雨季中SO₄^2-的含量远超过旱季(图 1)，造成SO₄^2-以被叶片吸附为主，其平均值为负淋溶。Zn元素也有类似的规律，表明林芝云杉叶片对SO₄^2-和Zn元素有较强的吸附能力。其他元素全年均表现为正淋溶。

从树叶和树干上淋溶的养分一般是水溶性的，无需经过复杂的分解过程就可被植物直接吸收，特别是树干淋溶部分，它直接流到植物根的周围，更易被植物的根部吸收，因此降水对养分的淋溶具有促进植物生长和养分循环的功能(马雪华，1993)。林芝云杉林中树干茎流各元素的含量均高于穿透水(表 2)。但同大气降水相比，树干茎流中SO₄^2-含量下降，其他各元素的含量均所有增加，表现为正淋溶效应。树干茎流各元素的淋溶系数排列次序为：Na＞P＞Mg＞Ca＞HCO₃^-＞Cl^-＞N＞Fe＞Zn＞Cu＞SO₄^2-(表 3)。

3.4 地表径流的养分特征及迁移效应

降水到达林地后，经地表径流汇入溪流，一部分养分也随之离开生态系统，即产生迁移效应(卢俊培等，1991)。林芝云杉林地表径流和壤中流中除SO₄^2-，Zn和Fe含量低于大气降水含量外，其他元素的含量高于大气降水(表 2)。达到溪流后，HCO₃^-，K，Ca，Na，Mg和Cu的含量大于大气降水(表 2)。从大气降水到溪流，各元素或离子迁移量表现为：HCO₃^-＞K＞Na＞Ca＞Mg＞Cu＞P＞Fe＞N＞Zn＞Cl^-＞SO₄^2-(表 4)，其中HCO₃^-，K，Na，Ca，Mg和Cu的迁移量为正，说明这些元素或离子顺溪流流出云杉林生态系统，而P，Fe，N，Zn，Cl^-和SO₄^2-为负值，说明云杉林生态系统对其有吸附或吸收的功能。

各元素或离子的迁移系数表现为：Na＞Mg＞HCO₃^-＞Ca＞Cu＞SO₄^2-＞P＞Fe＞N＞Cl^-＞Zn(表 4)。Na的迁移系数最高，迁移量为大气降水的129倍，而K元素在大气降水中含量极低，K和Na这2种元素的水溶性好，极易溶解到径流水中而流失迁移。N和P等养分元素的迁移系数为负值，说明它们的径流输出量较少。同时，在森林生态系统内部水文过程中，大气降水输入N和P的含量较少，但经过林冠枝叶和树干淋溶后，穿透水中N和P的含量分别为大气降水含量的1.5和11.6倍，树干流中N和P的含量分别是大气降水的2.6和26.7倍。穿透水和树干茎流中淋溶的N和P等养分进入林地后，林地土壤吸收并贮存了大量的N和P供林木的吸收利用，仅少部分N和P流入溪流，表明该森林生态系统具有积累和保持土壤肥力的能力。

4 结论

作为原始林，大气降水中的养分元素输入可能是林芝云杉林生态系统短期内养分元素输入的唯一途径。该区域自然降雨呈中性，颗粒物含量及其他各种离子或元素的含量相对较低，表明该地区人类活动强度较低，空气总体质量高。由于污染源很少，N元素在降水中含量很低，并且与月降水量呈反比。在降水中SO₄^2-的含量最高，并且有随月降水量增加而增大的趋势，污染源应来自东南亚地区(王军等，2000；周光益等，2009)。

降雨经过森林林冠层和树干后，各元素含量均发生了明显的变化，一方面降水可淋洗、溶解叶片、枝干上的物质而增加含量，另一方面又可能被它们吸附而减少含量。在原始林芝云杉林中，穿透水中仅SO₄^2-和Zn含量减少，树干茎流中仅SO₄^2-含量下降，其他各元素含量均有所增加。其中K和Na元素的净淋溶系数最大，说明这2种元素极易溶于水，容易被水淋溶流失。而SO₄^2-和Zn表现为负淋溶, 均是由于自然降水中含量较高，被林芝云杉枝叶和树干吸附较多。养分淋溶是原始林内部养分循环的重要途径，在维持原始林土壤养分供应的有效性和促进林木生长方面发挥着重要作用。

对原始林芝云杉林而言，地表存在比较厚的凋落物层，有极强的吸水性，产生地表径流和壤中流的量都非常小，输出量远小于输入量。但各元素浓度变化有差异，地表径流和壤中流的SO₄^-，Zn和Fe含量低于大气降水含量外，其他元素的含量高于大气降水。通过林地到达溪流后，HCO₃^-, K和Na等含量升高，说明它们溶解了部分土壤中的养分，然后顺溪流流出云杉林生态系统，造成系统养分的流失。