森林不仅会影响水量分配，对水中元素还具有物理的、化学的、生物的吸附、调节和滤贮的能力，从而影响水的化学特征。亚热带生态系统养分的主要来源于土壤和枯落物。由于生态系统中水分运动的途径会影响系统内养分的迁移。土壤养分的迁移不仅造成土壤退化，土地生产力水平逐渐降低，而且会加速地表水体的富营养化等^{[1, 2, 3]}。

从降雨降落到地面产生地表径流和壤中流水文过程中，经过森林冠层、枯落物层、土壤层的作用，其水化学性质会发生不同程度的变化。水体通过淋溶枯落物层及土壤中的交换性盐基离子，使其进入地表经流从森林生态系统中流出，造成森林生态系统生产力下降和环境退化^{[4, 5, 6]}。由于枯落物的水分蓄持能力^[4]和土壤水分入渗^[5]作用，森林能够减少径流量和土壤养分的流失。目前国内外关于径流中养分的研究集中在氮和磷等方面^{[6, 7, 8, 9, 10, 11]},并且主要在红壤及紫色土地区养分流失特征的研究，而对径流中的盐基离子研究很少^{[12, 13, 14, 15]}。 缙云山位于重庆酸雨区，森林生态系统受到酸雨影响严重。酸雨主要通过作用于土壤来危害生态系统。土壤酸化导致土壤物理化学性质的变化，会引起使土壤养分Ca、Mg、K等的流失^{[16, 17]}。基于水文过程研究缙云山具有代表性的森林群落针阔混交林和常绿阔叶林内的地表径流及壤中流中盐基离子流失特征，旨在探明缙云山水文过程中营养盐流失特征，并探讨林分养分流失对径流水质的影响。

试验地位于重庆市缙云山国家级自然保护区内,地理位置东经106°22′、北纬29°49′，海拔350—951.5m。属亚热带季风湿润性气候特征，年平均降水量1611.8mm,最高年降水量1683.8mm。相对湿度年平均值为87%，降雨主要发生在4—8月，降水量1243.8mm，占全年的77.2%；缙云山多雾，日照时数少，年平均雾日数高达89.8d，年平均日照时数则低于1293h。缙云山地形平缓，土层深厚，土壤肥力高，以三叠纪须家河组厚层石英砂岩、灰质页岩和泥质页岩为木质风化而成的酸性黄壤土为主。实验研究林总面积约为33.5hm²。 保护区主要树种为四川大头茶(Gordonia acuminata)、杉木(Cunninghamia lanceolata )、马尾松(Pinus massoniana)、 四川山矾(Symplocos setchuanensis)、四川杨桐(Adinandra bockiana)、广东山胡椒(Lin-dera kwangtungensis)、毛竹(Phyllostachys pubescens)、细齿叶柃(Eurya nitidaKorthals)、白毛新木姜子(Neolitea aurata)等。缙云山研究地理位置图 1所示。

图 1 缙云山位置示意图 Fig. 1 Jinyun Mountain site exhibition in Chongqing

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实验样地选取针阔混交林、常绿阔叶林两种林分(表 1)内5m×20m的标准径流小区。研究区林外空旷地设置全自动气象站1个具有CR10X数据采集器,其中以TE525MM雨量计记录降雨量。小区四周围墙高出地面约0.8m，深度均达到母岩层。地表流和壤中流集流槽设置在小区坡面下缘，垂直于径流流向，长度与径流小区宽度一致，宽高均为24cm。其上缘与小区坡地地面同高且水平，槽身由两端向下中心倾斜，以不产生泥沙为准。集流槽上、下端有混凝土浇筑的挡墙，墙体留有过水孔。在径流小区内，降雨产生的地表径流与壤中流在集流槽聚集，水流通过集流槽下端导管进入观测房。观测房配有T9801型多通道微电脑全自动翻斗式流量计(10次/min的翻斗容量为37.19mm)，自动监测记录地表径流和壤中流数据。

在针阔混交林、常绿阔叶林实验样地内收集2012年4—9月内8场典型降雨、地表径流及壤中流。在样地附近空旷处，放置自记雨量计筒，收集大气降雨。在径流小区观测房流量计出水口处放置塑料桶收集地表径流及壤中流，各采集500 mL装入塑料细口瓶内，在5℃下保存以备检测。监测项目包括pH值、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、NH₄⁺。检测pH值采用电极法，样品经0.45 μm的微孔滤膜过滤后，K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的浓度用原子吸收光谱仪测定，用比色分光光度法测定NH₄⁺的浓度。

降雨及径流内的离子通量根据公式(1)计算。

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采用SPSS18.0和Excel软件分析数据并处理图表。

从表 2中可以看出，选取的8次降雨量范围在9.2—30.6mm之间，降雨强度为0.62—2.45mm/h,包括小雨到暴雨等级的典型降水。与常绿阔叶林相比，针阔混交林中平均地表径流量较高，壤中流量较低^[18]。针阔混交林地表径流系数在0.023—0.080之间，壤中流系数在0.136—0.627之间。常绿阔叶林地表径流系数在0.006—0.198之间，壤中流系数在0.281—0.859之间。地表径流主要受地表覆盖物和土壤物理性质(包括郁闭度、土壤有效蓄水量、枯落物厚度等)和降雨因子(包括降雨量、降雨历时、降雨强度等)的影响。壤中流主要受土壤结构特征(包括土壤非毛管孔隙度和最大持水量等)的影响。因此，不同林分内的径流特征是不同的。

从图 2中可以看出，大气降水的pH值为5.25属于酸性降雨。在大气降雨-地表径流-壤中流过程中pH值变化趋势为：地表径流>壤中流>大气降水。与降雨pH值相比，针阔混交林地表径流和壤中流的pH值分别平均升高了42.86%、35.05%，常绿阔叶林地表径流和壤中流的pH值各升高了32.57%、18.29%，说明土壤及枯落物对酸雨有一定的缓冲作用，使地表径流及壤中流的pH值上升。针阔混交林对酸雨的缓冲作用高于常绿阔叶林。

图 2 各林分pH值的变化 Fig. 2 The change pH of different forest stand

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对降雨量和pH进行回归分析(图 3)，发现降雨量与pH值之间存在明显的指数关系，其拟合方程的决定系数R²=0.539，且达到了显著水平(P <0.05，n=8)。表 3也指出降雨强度与pH之间也存在一定的正相关关系(R=0.583，n=8)，说明该地区pH值的大小随着降雨量增加和降雨强度的增大而上升。重庆市大气污染严重，主要污染物为SO₂、NO_x等酸性气体。降雨过程中，SO₂、NO_x等溶于水产生H⁺导致降水pH值降低，当降雨量增加H⁺浓度降低，从而pH值上升。

图 3 pH值和降雨量之间关系 Fig. 3 The relationship between pH and rainfall

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两种林分内径流的pH与径流系数之间没有明显的相关关系(表 3)。针阔混交林内径流pH与地表径流径流系数和壤中流系数相关系数分别为-0.500、0.145，常绿阔叶林中相关系数也较小分别为0.328、0.014。说明降雨通过枯落物层及土壤层形成径流的过程中，pH值维持在相对稳定的范围内尤其是在壤中流中。pH的变化受径流流量影响较小，主要受枯落物及土壤的酸缓冲作用影响。

盐基离子是植物生长所必需的营养元素，主要包括Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、NH₄⁺等碱性阳离子。在酸雨的作用下，吸附在森林土壤胶体上的交换性盐基离子同H⁺发生反应，置换出盐基离子进入径流中，从而降低酸雨对土壤的危害^[17]。林分内地表枯落物的分解作用产生的盐基离子也会随着降水淋滤到径流中，增加了径流中离子的浓度，造成了盐基离子的损失。

由图 4可知，在降雨-地表径流-壤中流过程中，林分内Ca²⁺输出量均表现为壤中流>地表径流。针阔混交林中Ca²⁺在地表径流中输出量最小为0.138 kg/hm²,壤中流中最大为1.854kg/hm²。Ca²⁺降雨输入了0.690 kg/hm²，总的径流输出约是降雨输入的2.89倍。这可能是由于枯落物的分解和土壤的的风化产生Ca，降雨经过枯落物层及土壤层后淋滤出Ca²⁺使得径流输出量增多。常绿阔叶林中Ca²⁺地表径流(0.134 kg/hm²)<降雨(0.690 kg/hm²)<壤中流(2.142 kg/hm²)。总的径流输出量比降雨输入量增加了1.586 kg/hm²。

图 4 各盐基离子在水文过程中含量的变化情况 Fig. 4 The variation of base cations during hydrological processes

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通过与地表径流和壤中流径流量进行拟合分析(表 4)，发现两种林分内Ca²⁺输出量与径流量呈指数相关。针阔混交林中拟合决定系数分别为0.822、0.879，常绿阔叶林中拟合决定系数分别为0.839、0.609。说明两种林分内Ca²⁺输出量随着径流量的增加而增加。常绿阔叶林与针阔混交林都处于Ca流失状态影响森林健康。Ca含量升高会造成水体硬度变大，当径流汇入河流后引起河流水质变化。

由图 4可知，Mg²⁺的变化情况与Ca²⁺相似，Mg²⁺的降雨输入量为0.079 kg/hm²，输出主要以壤中流输出为主。针阔混交林和常绿阔叶林总径流输出比降雨输入分别增加了19.03%、89.29%,说明常绿阔叶林中Mg²⁺流失量高于针阔混交林。通过与地表径流和壤中流径流量进行拟合分析(表 4)，发现Mg²⁺径流输出量与径流量之间呈显著指数相关。针阔混交林(R²=0.584,0.901;P <0.05)，常绿阔叶林中的相关性(R²=0.736,0.963;P <0.01)，说明Mg²⁺的输出量会随着径流量的增加而增大。水体内Mg的含量对水体硬度也有一定的影响，因此Mg的流失会影响森林健康、径流水质及森林生态系统的养分平衡。

由图 4可知，大气降雨输入了0.199 kg/hm²的K⁺，K⁺输出主要以壤中流输出为主。针阔混交林总径流输出约是降雨输入的2.66倍，阔叶林是降雨输入的1.15倍。这可能是由于枯落物的分解和土壤的的风化产生K，降雨经过枯落物层及土壤层后发生淋滤作用造成K⁺径流输出量增多。K⁺径流输出量与径流量之间呈指数相关(表 4)，在针阔混交林中相关性显著(P<0.05)，地表径流和壤中流的相关性R²均为0.685,其含量随着径流量的增加而增大。常绿阔叶林相关性较低(P>0.05)，地表径流和壤中流的相关性R²分别为0.485、0.455,说明常绿阔叶林中壤中流K的输出除受径流量影响外，可能还受土壤内钾氧化物含量及溶解状况等其他因素的影响。由于K的溶解度高，径流量越大其溶解量越大，导致林分土壤内K的损失量增大，从而影响植物对K的吸收利用，并影响径流水质。

从图 4可知，在降雨-地表径流-壤中流水文过程中，Na⁺降雨输入量和径流输出量都较低。大气降雨输入量为0.107 kg/hm²，针阔混交林和常绿阔叶林总的径流输出约比降雨输入分别增加了0.126、0.044 kg/hm²。这可能是由于枯落物的分解作用，降雨通过枯落物层及土壤层后淋滤出Na⁺，造成径流内Na⁺增多。由表 4可知，Na⁺径流输出量与径流量之间呈指数相关，而常绿阔叶林Na⁺在壤中流中的相关性不明显(P >0.05)，说明常绿阔叶林Na⁺输出量还受其他因素的影响，如土壤内Na的含量等。在两种林分内Na径流输出量大于降雨输入量，都发生了养分流失。

由图 4可知，针阔混交林与常绿阔叶林中NH₄⁺的降雨输入远大于总径流输出，降低幅度分别为94.08%、95.10%。对NH₄⁺输出量与地表径流和壤中流径流量进行拟合分析(表 4)，两种林分中NH₄⁺输出量与径流量之间无明显的相关性。这可能是由于地表径流中NH₄⁺来源比较复杂,主要来自林冠层大气沉降及代谢产物淋洗和枯落物的分解，在形成径流阶段截留了部分的NH₄⁺或矿化为NO₃-N，减少了NH₄⁺的淋失。壤中流中NH₄⁺输出量的变化与枯落物或土壤中氮含量等多种因素有关。由于氮含量增大是水体富营化重要原因之一，径流内NH₄⁺的减少，降低了水体富营养化的风险。

由图 4可知，针阔混交林中盐基离子总量在地表径流输出量为0.283 kg/hm²，壤中流为2.58 kg/hm²。降雨输入0.929 kg/hm²，径流输出较降雨输入增加了约3.1倍。这可能是由于枯落物的分解和土壤的的风化产生，降雨经过枯落物层及土壤层后淋滤作用使得径流输出量增多。常绿阔叶林中所有盐基离子径流输出增加了3.238 kg/hm²。可以看出，针阔混交林中总的盐基离子输出量要大于常绿阔叶林输出量，说明针阔混交林对保持土壤肥力的能力较差，且两种林分内养分均流失，影响森林养分循环及平衡。径流内盐基离子含量的增加也会造成水体污染，影响生活、工业及灌溉用水。

本研究指出大气降雨pH值与降雨量之间存在显著的相关性，而冯延文等人指出降雨量的不同也会造成大气降水化学性质的差异^[18]。刘鸿雁等人在缙云山的研究中指出pH值的变化主要受水体中盐基离子浓度的影响，尤其是Ca²⁺浓度。地表径流及壤中流中Ca²⁺浓度分别增加了2—3倍和3—7倍，影响径流pH值的变化^[19]。本研究中地表径流中Ca²⁺浓度增加了约3—11倍，壤中流中增加了4—12倍，地表径流和壤中流中pH值明显上升。与刘鸿雁的研究相比，pH增加幅度在壤中流中相近，而地表径流中相差较大，可能是由于土壤类型相同且性质稳定而地表凋落物覆盖及分解程度不同等造成的。万睿等人在三峡库区水化学循环中也发现降水形成径流后pH值升高，并指出可能是由于土壤层枯枝落叶的分解物及土壤内的盐基离子逐渐被淋溶到地表径流中，从而pH值上升^{[20, 21]}。壤中流pH值低于地表径流，可能是由于元素在水分作用向下迁移，土壤下层的盐基含量要高于土壤上层，因而缓冲能力增加引起的。缙云山地区降水多属于酸性降水，经过森林生态系统的作用后，径流pH值上升至6.2—7.5之间,从而不会危害水生生物的健康和人类饮用水水质。

(1)Ca²⁺和Mg²⁺

通过水文过程可以看出，Ca²⁺径流输出量明显大于降雨输入，当径流量增大损失会增加。这与吴飞华等人关于钙在森林生态系统中流失研究结果一致^[22]。张胜利等人在秦岭地区的研究中指出径流输出的Ca²⁺和Mg²⁺量增加，且Ca²⁺和Mg²⁺主要来源于土壤、岩石及林冠层、枯落物层^[23]。当水硬度过大时，易使人患暂时性胃肠不适、肾结石、脑血管等疾病，影响人类健康。因此，缙云山径流中Ca、Mg等主要盐基离子的流失，主要影响水的硬度和矿化度，同时其长期流失会导致森林生态系统营养失衡和影响人类活动用水。

(2)K⁺

K⁺是植物生长必需的重要营养元素，其流失会影响植物的健康生长。研究地内K⁺的输出量大于输入量，而任青山等人指出在藏东南冷杉原始林中K⁺被吸附滞留在凋落物或土壤中，其输出量小于输入量^[24]。这与本研究存在一定的差别，可能是由本研究中降雨数据较少产生的误差。针阔混交林地表径流输出量与地表径流量之间存在指数关系，与谭家得等关于湿地松林地表径流研究结果一致，指出径流量是决定K流失量的主要因子^{[25, 26]}。此外，李俊波等人指出K流失量还受到降雨强度、地形坡度。地表覆盖度的影响^[27]。

(3)Na⁺

Na⁺属于比较稳定的离子，主要来源于海洋。通过水面蒸发和海浪飞沫向大气中输入含Na的物质，并且迁移到陆地以干沉降和湿沉降的形式落到地表下垫面上^[28]。缙云山处于内陆地区远离海洋，缺少海洋输送，因而该地降雨中的Na⁺含量较小。两种林分径流输出中Na⁺含量都增加，张胜利指出森林中水体土壤是Na⁺的主要来源，此外，有人指出枯落物也有一定的影响^{[23, 29]}。刘鸿雁等人在缙云山研究中也发现Na⁺的径流输出浓度大于降雨输入^[19]，而万睿等人的研究表明径流中Na⁺含量增加不明显^[20]。与K⁺相同的是在水文过程中Na⁺损失还受到降雨量、降雨强度及地表覆盖度等的影响^[27]。

(4)NH₄⁺

NH₄⁺是植物生长不可缺少的营养元素之一。张兴昌、黄河仙等人的研究中都指出氮素流失，并探讨了不同植被覆盖类型对氮流失的影响，植被覆盖度大的地区养分流失较少^{[21, 30]}。任青山等人指出NH₄⁺降雨输入小于径流输出，会造成元素流失和土壤生产力的衰退^[25]。而本研究中针阔混交林及常绿阔叶林内NH₄⁺的降雨输入量大于径流输出量,这可能是由于本实验处于植物生长季节，对氮素的吸收作用强烈或一部分的铵态氮在微生物作用下转化为硝态氮形式流失。此外，土壤对NH₄⁺也具有一定的净化作用^{[23, 30]}。

(5)盐基离子总量

酸雨对森林生态系统影响主要作用在土壤上，盐基离子径流输出量因森林土壤中交换态盐基离子的淋失而增加。Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺径流输出量与径流量之间存在指数关系，随着径流量的增大，林分土壤中盐基离子流失量也越大，径流汇入河流、湖泊后影响其水质。刘鸿雁等人发现径流中盐基离子与土壤交换性盐基离子之间存在负相关关系，但显著性不明显，地表径流化学成分受土壤和枯落物分解的影响，而壤中流主要受土壤的影响^[19]。因此，土壤及枯落物与径流内养分盐基离子损失之间的关系需要进一步研究。同时，刘楠等人发现降雨除了加速盐基离子的淋溶外，径流内重金属元素的含量也增加，从而导致了水体的进一步污染^[31]。盐基离子的变化可反映森林生态系统的营养平衡趋势，随着径流量的增大，大部分盐基离子径流输出量增加，引起森林生态系统养分的流失，造成土壤贫瘠化，导致生态环境恶化^{[32, 33]}。因此，为减少酸雨导致的养分流失及保护河流等水体的清洁，需要减少煤、石油等能源的燃烧。

在森林生态系统中，大气降水主要以地表径流及壤中流的形式输出。通过对地表径流及壤中流中盐基离子变化特征的研究，可以全面了解水文过程中，植被、凋落物和土壤对水质的影响，为保护流域周围水环境提供依据。由于本文研究时间序列较短、数据较少，因此径流中盐基离子的变化特征有待进一步研究。

针阔混交林与常绿阔叶林的pH值变化趋势相同均为：地表径流>壤中流>大气降水。pH与降雨量，降雨强度之间存在显著相关关系。在大气降雨-地表径流-壤中流过程中，除NH₄⁺ 外，Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺在地表径流和壤中流输出量之和均大于降雨输入量，表明了大部分盐基离子发生了损失，土壤对NH₄⁺有一定的持留能力，使得其流失较少。从盐基离子的总量来看，林分内地表径流盐基离子总量相对于降雨下降的幅度分别为：常绿阔叶林(76.43%)，针阔混交林(69.58%)；壤中流中增加的倍数分别为：针阔混交林(2.77)，常绿阔叶林(2.34)。 径流输出量均增加表现为针阔混交林(2.86 kg/hm²)，常绿阔叶林(2.47 kg/hm²)，说明在针阔混交林中和常绿阔叶林盐基离子都发生损失。通过对各盐基离子含量与降雨量及径流量之间进行回归分析发现，K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺盐基离子输出量与径流量之间存在指数相关关系。而NH₄⁺输出量与径流量之间的相关关系不明显。