森林冠层是森林与大气环境接触最为直接的界面，对森林生态系统内水分及养分传输有着重要作用^[1]。穿透水和树干茎流是森林生态系统水文过程的2种运输形式，是森林内部水化学迁移的重要途径^[2]。大气向森林内部传输物质主要是伴随降水过程而发生，林冠层对降水的再分配改变林地的养分流动及水文循环，进而影响着植物生长和生物多样性，是维持森林生态系统稳定的重要环节^[3]。林冠层影响降雨水质往往受到多种因素的复杂性，而随着全球气候变化背景下的降水格局发生变化，影响林冠层降水化学因素存在季节性变动。不同季节的穿透水和树干茎流化学含量往往存在差异，穿透水和树干茎流离子浓度总体呈现双峰型，峰值分别在雨季和旱季，且离子浓度基本呈现雨季低于旱季的趋势^[4]。

亚热带地区旱雨季分明，而这可能使亚热带林冠层的降水化学特征呈现季节性差异。开展南方地区不同林分冠层降水过程中水化学物质的季节性变化研究，在揭示冠层水分循环机制、净化水质作用机理及维护森林保水固肥功能等方面意义重大。基于此，本研究依托广东南岭森林生态站，以针阔混交林和常绿阔叶林为研究对象，分析大气降水、穿透水、树干茎流的水化学特征，比较旱雨季大气降水化学成分对不同类型森林冠层下的响应变化，以期为该区域林分生态功能评价和科学经营提供参考依据和基础数据。

研究区位于广东省北部乳源瑶族自治县南岭国家级自然保护区，设置在广东省南岭森林生态站内(E 112°30′~113°04′，N 24°37′~24°57′)。该地区属中亚与南亚热带过渡的地带湿润气候，多年平均气温17.7 ℃，极端最低气温-4.2 ℃，极端最高温气温34.4 ℃。南岭地区的降水空间差异性较大，降水总体上随纬度增加而减少，随海拔增加而减少，多年平均降水量为1 705 mm，降水多集中于3—8月，复杂的山地地形形成东西方向上趋势不明显的差异性降水。保护区内种质资源繁多(表 1)，优越的生境条件孕育出复杂多样的森林植被类型^[5]。

表 1(Tab. 1)

表 1 试验样地概况 Tab. 1 Summary of the sample plot 林分类型 Forest type 林分密度 Stand density/(Plants·hm-2) 平均树高 Mean height/m 平均胸径 Mean diameter/cm 平均冠幅 Mean crown/m 郁闭度 Canopy density/% 优势树种 Dominant tree species 针阔混交林 Coniferous broad-leaved mixed forest 2 444 7.67 9.69 2.81 0.83 杉木、雷公鹅耳枥、罗浮锥Cunninghamia lanceolata, Carpinus viminea, and Castanopsis fabri 针阔混交林(含竹) Coniferous broad-leaved mixed forest (having bamboo) 3 711 6.79 7.12 2.28 0.88 杉木、毛面杜鹃(e)、雷公鹅耳枥Cunninghamia lanceolata, Rhododendron moulmainens, and Carpinus viminea 常绿阔叶林 Broad-leaved evergreen forest 4 366 6.00 6.35 2.06 0.80 栲、黄丹木姜子、红楠Castanopsis fargesii，Litsea elongaa, and Machilus thunbergii

表 1 试验样地概况 Tab. 1 Summary of the sample plot

大气降水：在林外标准气象观测场布设1台自动气象站(美国，CAMPBELL)记录降水过程，并在周边设置3个直径为50 cm的聚四氟乙烯大气降水采集器，收集大气降水。

穿透水：在3种林分内设置1个40 m×40 m水文样地，每个样地内随机布设3个面积为0.2 m×1.0 m的“V”字型集水槽，集水槽距离地面50 cm，与水平面保持约5°的倾角，集水槽一端底部开口，用PVC管连接至10 L带盖的塑料桶中，用于收集林内穿透水；同时，在集水槽附近布置3台自计雨量筒(RG 3-M)用于记录穿透水量。

树干茎流：按照林木径级标准，每个样地内选择9棵林木，利用泡沫板(宽30 cm，厚度2 cm)将树干紧包1周，在上部切一个锲形的剖面，在下部留出水口连接密封的塑料容器和翻斗式流量计(D J-5001)，分别进行树干茎流水样采集和水量监测。

采样时间为2022年3、5、7月和2023年1月中旬，在降水结束后立即采集水样，各装置(图 1)收集约0.50 L，检测指标为pH、TN、TP、NH₄⁺-N、NO₃^--N、Cu、Cd、Pb和Cr⁶⁺。

图 1(Fig. 1)

图 1 林内降水水样采集装置 Fig. 1 Sample collection device for precipitation and water in forest

水样中各化学指标的平均浓度：

式中：C为水样中各化学指标的平均浓度，mg/L; C_i为单场降水后测定的水质质量浓度，mg/L；P_i为每月单次降雨后测定的相应水量，mm；n为测定的降雨次数。

降雨通过林冠层的化学物质通量(F，g/hm²)计算公式如下：

大气降水通过林冠层后，降水中的物质通量发生变化，林冠层截留量和截留率计算公式如下：

式中：ΔF为林冠截留量，g/hm²；F_i为大气降水化学物质通量，g/hm²；F_j为林冠截留化学物质通量，g/hm²；R为截留率，量纲为1。

淋溶系数计算公式如下：

式中：M_i为某水质指标在穿透水或树干茎流的淋溶系数；C_i为某水质指标质量浓度，mg/L；C_p为该水质指标在大气降水中的质量浓度。

采用SPSS 26.0软件中单因素方差分析方法(One-way ANOVA)比较均值之间的差异，作图应用Origin 2023软件完成。

本研究中，旱季大气降水经过3种群落冠层后，穿透水和树干茎流质量浓度变化各异(图 2)。大气降水pH值为5.62，呈酸性，常绿阔叶林树干茎流酸性显著降低(P < 0.05)。TN浓度在降水过程中无显著变化(P>0.05)，针阔混交林内呈增加趋势，常绿阔叶林树干茎流浓度低于穿透水。TP浓度在针阔混交林冠层降水过程中无显著差异，而常绿阔叶林内树干茎流浓度显著高于穿透水。3种林分穿透水中NH₄⁺-N质量浓度与大气降水无显著差异(P < 0.05)，针阔混交林树干茎流浓度显著低于穿透水(P < 0.05)。大气降水中NO₃^--N质量浓度为0.045 mg/L，经过冠层后，混交林(含竹)和常绿阔叶林穿透水质量浓度均显著增加(P < 0.05)，分别为1.23和0.853 mg/L，树干茎流质量浓度均降低，其中混交林(含竹)为0.205 mg/L，常绿阔叶林为0.259 mg/L。

图 2(Fig. 2)

图 2 旱季典型林分冠层降水过程中水质质量浓度差异 Fig. 2 Difference in water quality concentration in the process of canopy precipitation in dry season

3种林分内Cu质量浓度均大幅度增加，仅混交林(含竹)穿透水无显著变化(P>0.05)。Cd质量浓度在3种林分中的变化趋势相同，均表现为先增加后减小。常绿阔叶林内穿透水Pd质量浓度显著高于大气降水(P < 0.05)。3种林分中Cr⁶⁺质量浓度变化各异，针阔混交林内穿透水质量浓度显著增加(P < 0.05)，树干茎流质量浓度相对于穿透水较小，混交林(含竹)中树干茎流质量浓度显著高于大气降水(P < 0.05)。

雨季大气降水中各化学成分经过林冠层后均得到不同程度的变化，与旱季相比，其变化规律各异(图 3)。大气降水pH值为5.87，呈酸性；常绿阔叶林内穿透水、树干茎流pH值相对于旱季增幅不明显。大气降水中TN质量浓度为0.40 mg/L，低于旱季降水；混交林(含竹)内穿透水和树干茎流质量浓度均显著高于大气降水(P < 0.05)。大气降水中TP质量浓度为0.019 mg/L，常绿阔叶林树干茎流质量浓度显著增加。3种林分内NH₄⁺-N质量浓度无显著变化，旱季NH₄⁺-N质量浓度普遍较高。常绿阔叶林穿透水中NO₃^--N质量浓度显著高于大气降水和树干茎流，而2种混交林中降水质量浓度均持续增加，针阔混交林内树干茎流质量浓度最高(P < 0.05)，为0.793 mg/L；旱季中NO₃^--N质量浓度峰值明显高于雨季。

图 3(Fig. 3)

图 3 雨季典型林分冠层降水过程中水质质量浓度差异 Fig. 3 Difference in water quality concentration in the process of canopy precipitation in rainy season

常绿阔叶林穿透水中Cu质量浓度显著高于大气降水和树干茎流(P < 0.05)，混交林内Cu质量浓度无显著变化(P < 0.05)；而旱季内3种林分穿透水和树干茎流质量浓度普遍较高。大气降水中Cd质量浓度为0.048 μg/L，降水经过针阔混交林冠层后，Cd质量浓度增幅为6.25%~41.7%；混交林(含竹)穿透水质量浓度最高，显著高于大气降水和树干茎流(P < 0.05)；常绿阔叶林穿透水和树干茎流内Cd质量浓度持续降低。大气降水经过3种林分冠层后，Pd质量浓度均有不同程度增加，旱季针阔混交林内穿透水质量浓度偏高。Cr⁶⁺在大气降水中质量浓度为0.006 3 mg/L，雨季降水过程中各水文分量质量浓度普遍低于旱季。

不同时期穿透雨和树干茎流中各化学成分的淋溶情况各不相同，淋溶系数能够很好的反映出其变化特征(图 4)。穿透水中，最大淋溶系数是针阔混交林(含竹)的NO₃^--N(27.47，旱季)，最小的是常绿阔叶林中的TP(0.60，旱季)。旱季常绿阔叶林内TP、Cr⁶⁺，雨季针阔混交林内TN和常绿阔叶林内Cd的淋溶系数均 < 1，这些穿透水中化学成分含量呈负增长；混交林(含竹)穿透水中各化学物质淋溶系数均>1，其化学含量呈增长趋势。3种林分内TN、NO₃^--N、Cu和Cd在旱季的淋溶系数均高于雨季，只有Cr⁶⁺在雨季的淋溶系数较高，而TP、Pb仅在常绿阔叶林以及NH₄⁺-N在针阔混交林内表现为雨季高于旱季。在树干茎流中，最大的淋溶系数是针阔混交林中的NO₃^--N(34.44，旱季)，最小的是针阔混交林中的NH₄⁺-N(0.30，旱季)。

图 4(Fig. 4)

图 4 典型林分穿透水、树干茎流淋溶系数 Fig. 4 Leaching coefficients of throughfall and stemflow in typical forest stand

大气降水与林冠层相互作用，导致水量与水化学性质改变的同时，输入到林地中的化学物质通量也随之发生变化。大气降水进入林分后，3种林分冠层对化学成分淋溶作用有所差异，但净淋溶总量均为正值，林分整体呈现出淋溶作用。旱季内(表 2)，大气降水中水化学物质输入总量为3 251.5 g/hm²，其中TN和NH₄⁺-N的输入量较多(约占94%)；Cu、Cd、Pb和Cr⁶⁺输入量较少，重金属输入量仅占1.19%。3种林分的穿透水化学输入总量均高于大气输入总量，其中混交林(含竹)穿透水输入量最高，为7 793.8 g/hm²。3种林分树干茎流输入总量介于52.9~79.6 g/hm²之间，以常绿阔叶林输入量最高。

表 2(Tab. 2)

表 2 旱季林分冠层化学成分输入量 Tab. 2 Canopy chemical composition input in dry season  g/hm2 林分类型 Forest type TN TP NH4+-N NO3--N Cu Cd Pb Cr6+ 总计 Total 针阔混交林 Coniferous broad-leaved mixed forest 大气降水输入量 Precipitation input 2 140.8 40.4 921.9 109.7 0.984 0.176 1.03 36.5 3 251.5 穿透水输入量 Throughfall input 2 738.8 93.2 722.4 668.9 11.7 0.337 3.45 49.2 4 288.0 树干茎流输入量 Stemflow input 45.9 1.91 3.18 22.0 0.372 0.003 0.085 0.686 74.2 净淋溶量 Net leaching 643.9 54.7 -196.4 581.3 11.1 0.164 2.50 13.4 1 110.7 净淋溶沉积比 Net leaching ratio 0.301 1.35 -0.213 5.30 11.3 0.929 2.43 0.368 0.342 针阔混交林(含竹) Coniferous broad-leaved mixed forest (having bamboo) 穿透水输入量 Throughfall input 4 671.0 98.7 1 025.0 1 877.8 15.3 0.724 7.13 98.1 7 793.8 树干茎流输入量 Stemflow input 40.2 0.858 8.02 2.88 0.124 0.004 0.046 0.729 52.9 净淋溶量Net leaching 2 570.4 59.1 111.1 1 771.0 14.5 0.552 6.15 62.4 4 595.2 净淋溶沉积比 Net leaching ratio 1.20 1.46 0.121 16.1 14.7 3.13 5.96 1.71 1.41 常绿阔叶林 Broad-leaved evergreen forest 穿透水输入量 Throughfall input 2 973.1 19.5 660.2 1 224.0 16.9 0.236 1.88 18.4 4 914.3 树干茎流输入量 Stemflow input 58.6 0.867 15.4 4.12 0.163 0.002 0.038 0.393 79.6 净淋溶量 Net leaching 890.9 -20.1 -246.2 1 118.5 16.1 0.062 0.886 -17.7 1 742.4 净淋溶沉积比 Net leaching ratio 0.416 -0.497 -0.267 10.2 16.4 0.352 0.860 -0.485 0.536

表 2 旱季林分冠层化学成分输入量 Tab. 2 Canopy chemical composition input in dry season

雨季大气降水中水化学物质输入总量为4 198.4 g/hm²，其中TN的输入量较多(约占70%)，重金属输入量仅占1.44%(表 3)。3种林分冠层对化学成分淋溶作用差异较大，仅混交林(含竹)的净淋溶总量及各化学成分净淋溶量均为正值，表明该林分冠层对所有化学成分表现为淋溶的作用趋势，总淋溶率为57.3%。混交林的净淋溶总量为-507.5 g/hm²，其中净淋溶沉积比为负值的为TN(-0.288)、TP(-0.03)、Cd(-0.211)和Pb(-0.114)；而NH₄⁺-N、NO₃^--N、Cu和Cr⁶⁺的净淋溶量分别为1.92 g/hm²、297.0 g/hm²、13.5 g/hm²和40.8 g/hm²，表现为淋溶；该林分整体上表现为截留作用，截留率为12.1%。阔叶林的净淋溶沉积比仅为-0.008，净淋溶总量为-35.1 g/hm²，整体表现出较小的截留作用；其中Cd受到截留作用最大，截留率为47.4%，而TN截留量最大，为596.7 g/hm²。

表 3(Tab. 3)

表 3 雨季林分冠层化学成分输入情况 Tab. 3 Canopy chemical composition input in rainy season  g/hm2 林分类型 Forest type TN TP NH4+-N NO3--N Cu Cd Pb Cr6+ 总计 Total 针阔混交林 Coniferous broad-leaved mixed forest 大气降水输入量 Precipitation input 2 973.6 135.6 387.3 641.3 11.1 0.312 7.90 41.3 4 198.4 穿透水输入量 Throughfall input 1 747.2 122.2 372.1 669.8 23.0 0.232 6.72 79.9 3 021.1 树干茎流输入量 Stemflow input 371.4 8.70 17.1 268.5 1.61 0.014 0.286 2.21 669.8 净淋溶量 Net leaching -855.0 -4.71 1.92 297.0 13.5 -0.066 -0.902 40.8 -507.5 净淋溶沉积比 Net leaching ratio -0.288 -0.03 0.005 0.463 1.22 -0.211 -0.114 0.987 -0.121 针阔混交林(含竹) Coniferous broad-leaved mixed forest (having bamboo) 穿透水输入量 Throughfall input 4 398.2 359.9 405.8 865.1 60.9 0.452 13.4 163.9 6 267.6 树干茎流输入量 Stemflow input 217.3 9.56 21.0 74.3 2.33 0.008 0.415 9.55 334.5 净淋溶量 Net leaching 1 641.9 233.8 39.6 298.0 52.1 0.148 5.96 132.1 2 403.7 净淋溶沉积比 Net leaching ratio 0.552 1.72 0.102 0.465 4.71 0.476 0.754 3.20 0.573 常绿阔叶林 Broad-leaved evergreen forest 穿透水输入量 Throughfall input 2 327.7 174.9 304.2 1 080.9 40.8 0.162 13.1 150.0 4 091.8 树干茎流输入量 Stemflow input 49.2 3.87 12.4 4.01 0.212 0.002 0.088 1.69 71.5 净淋溶量 Net leaching -596.7 43.2 -70.6 443.6 30.0 -0.148 5.25 110.4 -35.1 净淋溶沉积比 Net leaching ratio -0.201 0.318 -0.182 0.692 2.71 -0.474 0.665 2.67 -0.008

表 3 雨季林分冠层化学成分输入情况 Tab. 3 Canopy chemical composition input in rainy season

降水对林冠层具有淋溶作用，穿透水和树干茎流中化学物质浓度总体呈现出旱季高于雨季的趋势，旱季的穿透水淋溶系数整体上也高于雨季，这是由于雨季长时间且高强度的降水将大气及树体、枝叶表面的沉降颗粒洗脱或稀释^[6]。雨季植物体上附生植物和微生物的氮磷元素固定能力显著上升，对于氮磷化合物在冠层的交换和转化也具一定的相对贡献^[7-8]。同样，从常绿阔叶林内pH值变化来看，穿透水和树干茎流在旱季中和效应率比雨季更高。这与肖以华等^[9]的研究一致。大气降水在雨季水化学物质输入总量高于旱季，表明在大量降水条件下，大气中的沉降颗粒更易被雨水携带，输送到冠层的化学物质越多。其次，大气降水输入主要以氮磷养分为主，重金属输入量很小，仅1.19%~1.44%，可见降雨过程对于森林生态系统的养分循环意义重大。

穿透水和树干茎流中的化学成分变化特征与降水属性、化学物质活性及植物生理特性等因素有关，通常情况下穿透水化学浓度高于大气降水^[10-12]。这与本研究结果相同。树干茎流中养分质量浓度通常高于穿透水。这是由于树干茎流与植物表面接触时间更长，树皮表面的养分较树叶更易被淋，且树干茎流相对穿透水水量减少而导致浓缩效应^[13]。但由于群落生境状况、林内小气候、树种组成及生理特性等情况复杂，大气降水经过冠层后的养分及重金属质量浓度未必表现出一致的变化规律。

冠层淋溶是一个受多种因素影响极为复杂的过程，其影响因素包括树种、林龄、郁闭度和冠层结构等方面^[14]。本研究中，林分冠层在旱季降水过程中的淋溶作用明显强于雨季时期，其中混交林(含竹)内所有养分及重金属在旱雨季均受到淋溶作用，且旱季淋溶作用最强。这可能归因于阔叶树种叶片革质化程度高，从而浸出的养分、重金属元素较少，加上旱季导致大气颗粒在植物体表面富集，短时的大气降水洗脱的干沉降物较多，也使得水化学浓度提升。

穿透水和树干茎流是土壤—植被—水文耦合过程的重要组成部分，对土壤养分输入、水土流失等水文生态过程有重要影响^[15]。通常情况下，冠层淋溶可促进养分循环和生物作用，而过度的淋溶会导致养分离子的析出量超出植物体叶片的最初含量，导致水体富营养化或污染化^[16]。本研究中，针阔混交林和针阔混交林(含竹)中穿透水Cu和Cr⁶⁺重金属离子富集效应明显，可能与其本身较强的可移动性及树干酸性分泌物等因素有关；此外，针叶树种树干茎流酸性较强，这也导致其对于某种重金属的溢泌效应与常绿阔叶林有所差异^[17]。笔者开展了南岭不同森林群落冠层的水文过程监测研究，但由于降水事件具一定的随机性，且野外的复杂环境等因素对水文观测的影响较大，因此利用不同月份次降水水质数据得到的结论需进一步长期观测研究和验证，其内在机制及淋溶规律有待深入探讨。

1) 常绿阔叶林冠层的酸性中和效应明显优于其他2种林分，且旱季中和效应相对雨季较高。

2) 3种林分穿透水淋溶系数总体上表现为旱季高于雨季，而树干茎流表现各异。

3) 大气沉降以养分为主，且雨季化学沉降量高于旱季；3种林分冠层在旱季对降水化学物质均表现出淋溶作用，而雨季仅有针阔混交林(含竹)冠层淋溶作用明显。

4) 3种林分穿透水和树干茎流中大部分化学物质质量浓度表现出一致的规律。其中，针阔混交林中的TN、TP、NO₃^--N、Cd、Cr⁶⁺，针阔混交林(含竹)中的TN、NH₄⁺-N、Cd、Pb、Cr⁶⁺，以及常绿阔叶林中的TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N、Cu、Cd质量浓度均表现为旱季高于雨季。