天山云杉枯落物持水特性的空間異質(zhì)性1)

范 靜 劉 華

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036)

白志強(qiáng) 臧潤國 劉貴峰 郭仲軍

(新疆林業(yè)科學(xué)院) (中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所) (內(nèi)蒙古民族大學(xué)) (新疆林業(yè)科學(xué)院)

枯落物是指在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，由地上植物組分產(chǎn)生并歸還到地表面，作為分解者的物質(zhì)和能量來源，借以維持生態(tài)系統(tǒng)功能的所有有機(jī)質(zhì)的總稱［1］。作為森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的結(jié)構(gòu)層次，枯落物層在促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)［2］、養(yǎng)分平衡［3－4］、保持水土［5－6］、水源涵養(yǎng)［7］等方面具有重要作用，其持水能力是整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中的重要一環(huán)。它的持水性能體現(xiàn)在持水量、吸水速率、持水率等的大小，持水性能不僅與林地上枯落物的儲(chǔ)量及其本身的持水能力有關(guān)，還與森林生態(tài)系統(tǒng)的樹種組成［8－10］，林分發(fā)育［11］，坡度，坡向［12］，枯落物的組成、分解程度［13－14］等因子關(guān)系密切。其中，枯落物的儲(chǔ)量主要取決于枯落物的輸入量、分解速度和累積年限，而森林生態(tài)系統(tǒng)的種群結(jié)構(gòu)及多樣性［15－16］、功能類型［17］及其所處水熱條件的差異都對枯落物儲(chǔ)量有較大影響。有關(guān)枯落物水分特征研究表明，林下枯落物儲(chǔ)量對其持水量有重大影響［18］;枯落物持水量可達(dá)到自身干質(zhì)量的2 ～4 倍［1］。

天山 云 杉(Picea schrenkiana var. tianschanica(Rapi)Cheng et Fu)是新疆天山山地森林中分布最廣、蓄積量最大的森林生態(tài)樹種，對新疆的水源涵養(yǎng)、水土保持和林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的形成與維護(hù)起著主導(dǎo)作用。目前，對新疆天山云杉林分的研究涉及天山云杉種群的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)、分布格局，針葉、球果大小性狀的變化，林分因子、物種多樣性和生物量等群落特征［19］，而對其林下枯落物持水特性的研究相對較少，僅見張洪亮等［20］研究的關(guān)于天山中部的4 種不同林分郁閉度狀態(tài)下天山云杉枯落物層的持水特性。文中選擇沿天山山脈由西至東5 個(gè)地點(diǎn)對天山云杉枯落物進(jìn)行大尺度對比研究，分析其持水特性隨立地條件的變化規(guī)律，旨在揭示天山云杉林水文生態(tài)功能，為天山林區(qū)實(shí)行天然林保護(hù)工程提供理論依據(jù)，也為當(dāng)?shù)靥焐皆粕剂纸?jīng)營管理提供技術(shù)支撐。

1 研究地概況

天山山系是亞洲中部最大山系之一，全長2 500 km，新疆境內(nèi)天山東西長1 760 km，占天山全長的2/3，寬250 ～350 km，面積46.4 萬km2。在新疆境內(nèi)的天山，有若干平行山脈組成，一般較高的山峰達(dá)3 500 ～4 500 m，山結(jié)處高達(dá)5 000 m，最高峰在海拔7 000 m 以上。新疆天山山脈橫貫新疆中部，把全疆分成南疆和北疆;在地形上為南高北低，西高東低;降水規(guī)律是北疆多于南疆，西部多于東部，北疆的降水為100 ～600 mm;年日照時(shí)間是從北向南略減，從西到東增加。天山云杉林主要分布在天山北坡1 400 ～2 800 m 的中山地帶，且只生長在土壤濕度較大的陰坡和半陰坡，林下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較高。文中研究地從西到東依次選擇昭蘇、新源、呼圖壁、天池和奇臺(tái)5 個(gè)地點(diǎn)，各地自然環(huán)境概況見表1。新源、呼圖壁兩地實(shí)際調(diào)查過程中由于遇到道路被沖毀無法到達(dá)其最高分布界限的區(qū)域，故兩地調(diào)查的最高海拔分別為2 300、2 150 m。

表1 調(diào)查地概況

2 材料與方法

標(biāo)準(zhǔn)地選擇:于2010年7—8月份，在昭蘇、新源、呼圖壁、天池和奇臺(tái)5 個(gè)地點(diǎn)沿海拔每隔50 m設(shè)置一塊20 m×20 m 的樣地，5 個(gè)地點(diǎn)的樣地?cái)?shù)分別為19、13、10、19 和19 塊，進(jìn)行天山云杉的群落調(diào)查。測定每個(gè)樣地所處的坡度、坡向、海拔、郁閉度等林分因子，記錄樹種名稱、樹高、地徑、更新與死亡情況(包括枯立木、傾倒木、風(fēng)折木)。

枯落物儲(chǔ)量調(diào)查:將每塊樣地按5 m×5 m 劃分16 個(gè)網(wǎng)格，在網(wǎng)格內(nèi)依對角線分別在四角及中心區(qū)域設(shè)置1 m×1 m 的小樣方測定枯落物厚度，每個(gè)小樣方內(nèi)枯落物按照未分解層(A)和半分解層(B)分兩層收集，分層混合后裝入密封袋中編號(hào)、稱質(zhì)量，由此可計(jì)算枯落物單位面積的儲(chǔ)量。5 個(gè)地點(diǎn)A、B兩層枯落物分別采集80 個(gè)樣本。其中，未分解層枯落物指枝葉基本上保持原有的形狀及質(zhì)地;半分解層枯落物指枝葉未完全腐爛，肉眼還能分辨出枝葉的大體形狀。

枯落物持水性能測定:取部分采集的枯落物在實(shí)驗(yàn)室烘干(80 ℃)至恒質(zhì)量，用浸泡法測其持水性能。稱取烘干后的枯落物樣品70 g，放入自制的PVC 篩中，置于盛有清水的水池中，水面高于PVC篩的上沿。在分別浸泡2、4、6、8、10、12、24 h 后稱質(zhì)量，每次拿出后靜置5 min 左右，直至PVC 篩及凋落物不滴水為止，迅速稱枯落物的濕質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)，每個(gè)樣品重復(fù)3 次，取其平均值，以研究其吸水速度及吸水過程。分別根據(jù)公式(1)、(2)和(3)計(jì)算枯落物在不同浸水時(shí)間的持水量、吸水速率和持水率的大小。

當(dāng)枯落物含水量達(dá)到飽和時(shí)稱最大持水量。一般情況下，枯落物浸水24 h 后的持水量可視為該枯落物的最大持水量［10］，此時(shí)的持水率稱為最大持水率。

3 結(jié)果與分析

3.1 天山云杉枯落物的儲(chǔ)量

5 個(gè)地點(diǎn)天山云杉枯落物儲(chǔ)量見表2。從表2中可以看出不同地點(diǎn)枯落物層總厚度變化于0.44 ～1.58 cm，且半分解層的厚度均大于未分解層的。處于最西部的昭蘇林區(qū)天山云杉枯落物厚度要大于其他4 個(gè)地點(diǎn)的。從西到東5 個(gè)地點(diǎn)未分解層中枯落物儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的比例分別為48%、48%、51%、52%和51%，半分解層中枯落物儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的比例分別為52%、52%、49%、48%和49%。

5 個(gè)地點(diǎn)天山云杉枯落物總儲(chǔ)量變化于(8.48±0.52)～(11.10 ±0.33)t·hm－2，其由大到小的排序?yàn)樘斐亍⑵媾_(tái)、昭蘇、呼圖壁、新源。在昭蘇和新源林區(qū)天山云杉半分解層枯落物儲(chǔ)量略高于未分解層的，在呼圖壁、天池和奇臺(tái)3 個(gè)林區(qū)天山云杉半分解層枯落物儲(chǔ)量略低于未分解層的。其中，天山云杉未分解層枯落物儲(chǔ)量在昭蘇、新源及呼圖壁3 地點(diǎn)間及在奇臺(tái)和天池之間的差異均不顯著(p ＞0.05)，但昭蘇、新源及呼圖壁3 地點(diǎn)均顯著低于奇臺(tái)和天池的(p ＜0.05);半分解層枯落物的儲(chǔ)量昭蘇、新源及呼圖壁處差異不明顯(p ＞0.05)，奇臺(tái)與天池和昭蘇與奇臺(tái)處差異也不明顯(p ＞0.05)，但奇臺(tái)與天池和新源與呼圖壁間有明顯差異(p ＜0.05)。

表2 不同地點(diǎn)天山云杉枯落物厚度及儲(chǔ)量

3.2 不同地點(diǎn)天山云杉林下枯落物持水量動(dòng)態(tài)分析

枯落物的最大持水量決定于枯落物的質(zhì)和量。不同林分枯落物層的最大持水量與枯落物的種類、厚度、儲(chǔ)量、濕度及分解程度關(guān)系密切。經(jīng)過24 h浸泡后，昭蘇、新源、呼圖壁、天池、奇臺(tái)枯落物的最大持水量分別為(163. 49 ±3. 22)、(170. 15 ± 5.77)、(175.43 ±3.13)、(233.75 ±3.33)、(162.91 ±2.68)g?？偝炙坑纱蟮叫〉呐判?yàn)樘斐?、呼圖壁、新源、昭蘇、奇臺(tái)，其中天池地區(qū)枯落物的持水量明顯大于其他地區(qū)(p ＜0.05)，奇臺(tái)地區(qū)與呼圖壁間有明顯差異(p ＜0.05)，昭蘇、新源和奇臺(tái)地區(qū)間差異不顯著(p ＞0.05)(表3)。

5 個(gè)地點(diǎn)天山云杉枯落物半分解層的持水量均大于未分解層的。在未分解層中，天池地區(qū)云杉枯落物未分解層的飽和持水量最大，為(96.46±1.61)g，顯著高于其他4 個(gè)地點(diǎn)的(p ＜0.05);昭蘇地區(qū)的最小，為(67.84±1.21)g，其由大到小排序?yàn)樘斐?、呼圖壁、新源、奇臺(tái)、昭蘇;其中昭蘇與奇臺(tái)之間、新源與呼圖壁之間都沒有明顯差異(p ＞0.05)，但昭蘇和奇臺(tái)與新源和呼圖壁間有顯著差異(p ＜0.05)。半分解層的飽和持水量也是以天池林區(qū)的為最大，其值為(137.29±2.52)g，明顯高于另外4 個(gè)地點(diǎn)的(p ＜0.05)，而另外4 個(gè)地點(diǎn)之間沒有顯著差異(p ＞0.05)。

5 個(gè)地點(diǎn)天山云杉枯落物未分解層及半分解層枯落物的持水量隨時(shí)間延長呈增加的趨勢，且在前2 h 內(nèi)吸水量增加較快;隨后吸水速率逐漸減小，在浸泡12 h 左右接近飽和，即12 h 后，隨著浸泡時(shí)間的增加，其持水量大小基本不增加。5 個(gè)地點(diǎn)的天山云杉枯落物持水量(Q)與浸泡時(shí)間(t)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)二者存在對數(shù)函數(shù)關(guān)系:Q=kln(t)+p(其中k，p 為擬合方程參數(shù))，且均達(dá)到極顯著差異水平(p ＜0.01)。

表3 不同地點(diǎn)天山云杉林下枯落物持水量

3.3 不同地點(diǎn)天山云杉林下枯落物吸水速率動(dòng)態(tài)分析

將不同地點(diǎn)云杉枯落物不同浸泡時(shí)間的持水量除以相應(yīng)的浸泡時(shí)間，即為不同地點(diǎn)云杉枯落物的吸水速率測定值。5 個(gè)地點(diǎn)天山云杉枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間的變化趨勢見圖1，天山云杉枯落物的未分解層和半分解層的吸水速率均隨著浸泡時(shí)間的增加呈遞減的趨勢，前2 h 吸水速率最大，之后急劇降低，12 h 基本趨于穩(wěn)定。且每個(gè)地點(diǎn)天山云杉枯落物半分解層的吸水速率大于未分解層的。不同地點(diǎn)枯落物吸水速率(Y)與浸泡時(shí)間(t)進(jìn)行回歸分析表明，二者之間存在冪函數(shù)關(guān)系為Y=ktn(其中k，n 為擬合方程參數(shù))。

圖1 天山云杉枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3.4 不同地點(diǎn)天山云杉林下枯落物持水率動(dòng)態(tài)測定

枯落物的持水率是其持水能力的一個(gè)重要方面，用枯落物吸收的水分與其干質(zhì)量的比值來表示，該值越大，枯落物的持水能力就越強(qiáng)［21］。從表4中可以看出，半分解層枯落物持水率均大于未分解層枯落物持水率。對最大持水率進(jìn)行方差分析，得到未分解層中奇臺(tái)、昭蘇、天池3 個(gè)地點(diǎn)枯落物持水率差異性不明顯(p ＞0.05)，同時(shí)新源、呼圖壁地區(qū)也沒有明顯差異(p ＞0.05)，但奇臺(tái)、昭蘇和天池地區(qū)與新源和呼圖壁地區(qū)有顯著差異(p ﹤0.05)。半分解層中奇臺(tái)、新源、昭蘇、呼圖壁4 個(gè)地點(diǎn)枯落物持水率差異不明顯(p ＞0.05)，同時(shí)新源、昭蘇、呼圖壁、天池差異性也不明顯(p ＞0.05)，但奇臺(tái)與天池地區(qū)有明顯差異(p ﹤0.05)。未分解層枯落物持水率由大到小的順序?yàn)楹魣D壁、新源、天池、奇臺(tái)、昭蘇。半分解層枯落物持水率由大到小的順序?yàn)樘斐?、呼圖壁、昭蘇、新源、奇臺(tái)。平均持水率由大到小的順序?yàn)楹魣D壁(170.83%)、新源(163.62%)、天池(163.19%)、昭蘇(158.16%)、奇臺(tái)(154.65%)。

表4 不同地點(diǎn)枯落物最大、平均持水率

5 個(gè)地點(diǎn)枯落物持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系見圖2，從圖2中可以明顯看出，持水率隨浸泡時(shí)間的增加呈現(xiàn)遞增趨勢。對5 個(gè)地點(diǎn)的天山云杉枯落物持水率(S)與浸泡時(shí)間(t)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者存在對數(shù)函數(shù)關(guān)系:S=kln(t)+p(其中k，p 為擬合方程參數(shù))，且均達(dá)到極顯著水平(p ＜0.01)。

圖2 天山云杉枯落物持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)論與討論

枯落物單位面積儲(chǔ)量呈現(xiàn)東部地區(qū)(天池、奇臺(tái))＞中部地區(qū)(呼圖壁)＞西部地區(qū)(昭蘇、新源)的規(guī)律，根據(jù)枯落物分解過程的影響因素來分析，由于試驗(yàn)所選5 個(gè)地點(diǎn)不同樣地的天山云杉林分郁閉度及表層土壤溫度基本一致，則這種變化規(guī)律與降水量從東到西逐漸增加的關(guān)系密切，降水量大的地區(qū)枯落物分解速度就會(huì)加快。從組成來看，從西到東未分解層儲(chǔ)量所占比例呈現(xiàn)增加的趨勢，西部地區(qū)未分解層小于半分解層，東部是未分解層大于半分解層。

各枯落物層的儲(chǔ)量和持水性能共同決定枯落物持水能力。持水量的大小和質(zhì)量大小存在正相關(guān)的關(guān)系，吸收的水分與枯落物干質(zhì)量的比值越大，枯落物的持水率越大，持水能力就越強(qiáng)。儲(chǔ)量越多，持水量越大則持水能力越強(qiáng)。5 個(gè)地點(diǎn)天山云杉枯落物的總持水量由大到小的排序?yàn)樘斐亍⒑魣D壁、新源、昭蘇、奇臺(tái)，其中天池地區(qū)的總持水量與其他4 個(gè)地區(qū)存在明顯差異(p ＜0.05);每一地點(diǎn)天山云杉枯落物半分解層的持水量均大于未分解層的。持水量與浸水時(shí)間存在對數(shù)關(guān)系:Q =kln(t)+p。這與張峰等［9］的研究結(jié)果，即針葉類型枯落物未分解層的持水量大于半分解層的不同，枯落物儲(chǔ)量的大小與林分結(jié)構(gòu)及其所處的環(huán)境存在很大的關(guān)系，所以對于不同地區(qū)林分枯落物未分解層及半分解層枯落物持水量大小的確定，不能一概而論，而應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行分析研究。

天山云杉枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間存在冪函數(shù)關(guān)系:Y=ktn?？萋湮镂捶纸鈱蛹鞍敕纸鈱游俾孰S時(shí)間均呈遞減趨勢，且不同地點(diǎn)枯落物半分解層吸水速率大于未分解層。也有研究表明，枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系呈反函數(shù)關(guān)系:y =p+kt－1［14］。不同地點(diǎn)天山云杉枯落物持水率與浸水時(shí)間存在對數(shù)關(guān)系:S=kln(t)+p，隨著浸泡時(shí)間的增加枯落物持水率呈遞增趨勢，且半分解層均大于未分解層，枯落物持水率由大到小的順序?yàn)楹魣D壁(170.83%)、新源(163.62%)、天池(163.19%)、昭蘇(158.16%)、奇臺(tái)(154.65%)。

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