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物质循环反映了森林生态系统的生长状况和服务功能,而物质循环多以水分为载体或媒介,因此,水文过程中物质循环是生态系统物质循环的重要组成部分。大气降雨的输入和径流的输出是森林生态系统和外界系统发生物质交换和运移的主要媒介,我们把该过程定义为森林水文过程的物质外循环:物质由林冠层通过树干流和穿透雨(林内雨)向地下转移,并通过凋落物进入到土壤或随径流在土壤中运移,认为是森林水文过程的物质内循环。本论文将通过物质的外循环来探讨华南3种森林生态系统对各种物质的吸收、截留及释放功能；通过物质的内循环来体现物质循环在不同森林生态系统中的差异规律。
选取鼎湖山3种演替序列上的森林生态系统-季风常绿阔叶林(季风林)、针阔混交林(混交林)、马尾松林(松林)为研究对象,对大气降雨、穿透雨、树干流和地表径流中的物质元素进行分析,了解3种森林生态系统物质元素收支平衡和迁移规律,探讨华南地区森林水循环过程中的物质循环与森林生态系统发育的关系。主要研究成果如下:
(1)鼎湖山地区近30年来平均降雨量为为1656mm,其中雨季(4月～9月)降雨量为1325mm,占全年降雨量的80％；旱季(10月～次年3月)降雨量为332mm,占全年降雨量的20％。雨水中的物质元素含量变化规律不一致,按全年大气降雨中各种成分含量的变异系数排序为:Na+>K+>NO3>TON>NH4+>HPO42->Ca2+>TOC>TOP>Mg2+>TP>TN。
(2)比较地表径流中的物质元素浓度,3个林型中均以TOC最高,P及其三种形态最低。地表径流中物质元素含量的时空差异性与森林类型及物质元素本身性质有关。季风林的NH4+、TON、Mg2+,混交林的Ca2+、Mg+,松林的TP、NH4+、TON、K+、Na+、Mg2+存在季节性差异,旱季和雨季的浓度差异达到显著水平(P<0.05)。物质元素TOC、NH4+在3个林型间的差异也到达显著水平(P<0.05)。
(3)森林类型对降雨的再分配影响很大。季风林穿透雨和树干流占大气降雨的比例分别为66.0％和4.2％；混交林分别为76.7％和2.8％；松林分别为81.1％和0.2％。穿透雨中物质元素含量在旱季和雨季浓度差异程度因林型不同而不同,其中季风林穿透雨中物质浓度达到显著差异(P<0.05)的有NH4+、Ca2+、Mg2+；混交林NO3+、NH4+、Mg2+；松林NH4+、TON、Ca2+、Mg2+。季风林树干流中物质浓度达到显著差异(P<0.05)的有TP、TOP、NO3-、NH4+、TON、Ca2+、Na+、Mg2+；混交林NO3-、NH4+、TON、Ca2+、Mg2+；松林TN、NH4+、TON、Ca2+、Mg2+。
(4)大气降雨通过森林冠层的作用后,N、P、K、Ca、Mg的输入量有所增加,其中Ca在季风林增加显著,P、K、Mg在混交林增加显著,N在松林增加显著。将降水的输入量与凋落物输入量对比发现,大气降雨不仅是森林生态系统主要养分来源之一,而且是促使物质元素从森林冠层向地面迁移运动的关键因素,尤其对于演替初期的针叶林。
(5)3个林型物质外循环的研究发现,物质元素随水文过程流出森林生态系统的量在3种林型间有所不同,TOC、TN随演替而减弱；TP、HPO42-、Mg2+:随演替而增加；TOP、Na+、TON、K+在混交林中表现出强的输出量。对比输入量,可以发现季风林对TOC、TP、HPO42-、Mg2+、NO3-的截留量最大:混交林TOP、TON、K+、Na+的截留量最大；松林对TN、NH4+、Ca2+的截留量最大。