2種櫟類天然次生林凋落物觀測研究

白榮芬

(1.遼寧省森林經(jīng)營研究所；2.遼寧遼東半島國家森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測研究站，遼寧 丹東 118002)

天然林資源是森林資源的根本，是改善陸地生態(tài)環(huán)境的主體，而天然櫟林通過調(diào)節(jié)凋落物的輸入相對緩解養(yǎng)分輸入的限制。森林凋落物是植物地上部分包括枯枝落葉、樹皮、植物的繁殖器官、野生動物殘骸及代謝產(chǎn)物等[1]產(chǎn)生并歸還地表的所有有機物質(zhì)的總稱，是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要載體。凋落物的質(zhì)和量會改變土壤養(yǎng)分狀況，了解養(yǎng)分輸入來源及過程對評估森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)狀況具有重要意義[2]。研究森林生態(tài)系統(tǒng)功能過程必須掌握各類森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物量及其在不同地理空間的分布規(guī)律[3]，以森林生態(tài)為載體研究天然櫟林凋落物分布及動態(tài)與研究養(yǎng)分輸入狀態(tài)是地球森林生態(tài)系統(tǒng)的重要部分[4]，研究凋落物組分調(diào)控機制對于預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)凋落物分解及揭示營養(yǎng)元素循環(huán)規(guī)律具有重要意義。

遼寧省櫟類林占天然林面積的比例為35.69%[5]，遼東地區(qū)沈丹線以東以蒙古櫟Quercusmongolica為代表的櫟林具有適應(yīng)性強、生長迅速、經(jīng)濟效益高等特點；莊蓋路以南以麻櫟Q.acutissima與栓皮櫟Q.variabilis為代表的櫟林是華北植物區(qū)系的過渡種，輪伐期短、木質(zhì)堅硬，柞蠶養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達促進了遼東地區(qū)絲綢經(jīng)濟發(fā)展。“天保工程”實施以來，學(xué)者們從不同角度對櫟林凋落物進行化學(xué)指標計量分析[6]，但是針對遼寧東部不同立地條件的凋落物量及櫟林不同器官凋落物的碳儲量沒有深入研究[7]，因此，研究遼東不同觀測樣地的凋落物空間分布及輸入動態(tài)，為科學(xué)發(fā)展當?shù)厣稚鷳B(tài)經(jīng)濟及氣候評估指標體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地自然概況

固定樣地位于遼東半島南部莊河仙人洞國家級自然保護區(qū)內(nèi)(122°57′E，39°59′N)和遼東山地東部本溪縣草河口鎮(zhèn)(123°52′E，40°51′N)。仙人洞自然保護區(qū)年均氣溫9.5 ℃，年降水量950 mm，年日照時數(shù)2 480 h，平均海拔450 m，植被由蒙古植物區(qū)系、華北植物區(qū)系和長白植物區(qū)系構(gòu)成。土壤以棕色森林土為主，沿海拔垂直分布明顯，從高到低依次為棕色森林土、淋溶褐土和典型褐土，植物主要有蒙古櫟、栓皮櫟、照山白Rhododendronmicranthum、三椏烏藥Linderaobtusiloba、羊胡子苔草Carexcallitrichos、蓭閭Artemisiakeiskeana等，氣候?qū)倥瘻貛駶櫦撅L氣候，并有一定的海洋氣候特點。

草河口年均氣溫6.5 ℃，年降水量926 mm，年日照時數(shù)2 285 h，氣候?qū)俅箨懶约撅L氣候，平均海拔645 m，天然櫟類林有蒙古櫟、槲櫟Q.aliena、元寶槭Acertruncatun、雞腿堇菜Violaacuminata、銀線草Chloranthusjaponicus等植物，土壤為棕色森林土，試驗地位于遼寧省森林經(jīng)營研究所實驗基地的圍封區(qū)(圍封面積170 hm2)。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

遼東半島森林生態(tài)站采用一站二點式觀測，固定樣地7塊，臨時觀測樣地10塊，建于2009—2014年，固定觀測樣地分別設(shè)在遼寧省森林經(jīng)營研究所實驗林場圍封區(qū)內(nèi)(300 m×200 m)1塊(近熟林)、仙人洞國家自然保護區(qū)內(nèi)天然次生櫟林 (100 m×100 m) 1塊(中齡林)，樣地情況具體見表1。固定觀測樣地參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準LY/T1952-2011森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測方法，水平距離20 m為單位在樣地內(nèi)劃分為方形網(wǎng)格。樣地內(nèi)所有胸徑(離地面1.3 m處的直徑)≥1 cm的木本植物個體全部掛牌、定位和鑒定。2014年7月和2019年8月對樣地內(nèi)所有已被掛牌的個體進行了2次復(fù)查，死亡和新增的胸徑≥1 cm的木本植物被鑒定、定位和測量。

表1 樣地基本信息

2.2 樣品收集與處理

在每個樣地內(nèi)按55～75年林齡“S”形設(shè)置10個面積為1 m×1 m的收集框，記錄收集框20 m以內(nèi)海拔、密度等。2015—2020年每月收集1次凋落物，分為枝、葉、皮、繁殖器(花序)、雜物，分別放入70～75 ℃恒溫風干烘箱烘干稱質(zhì)量，測定生物量及含水量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010和SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，采用Pearson相關(guān)分析法分析各器官凋落物含量之間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 櫟林凋落物月動態(tài)

2015—2020年樣地總凋落量為12.25～63.16 kg·hm-2，平均凋落量為31.01 kg·hm-2。從圖1可以看出，草河口平均凋落量在2020年達到最大值39.26 kg·hm-2，仙人洞平均凋落量在2016年達到最大值63.16 kg·hm-2。2017年8月受暴雨等氣象災(zāi)害影響，出現(xiàn)枝葉凋落小高峰，排除以上偶然因素，草河口和仙人洞6年凋落物總量動態(tài)表現(xiàn)為：2種天然櫟林凋落量基本呈雙峰分布；草河口櫟林第一個凋落小高峰出現(xiàn)在5月上旬，呈現(xiàn)繁殖器(花序)凋落，8月果實出現(xiàn)凋落高峰；仙人洞天然櫟林凋落物雙峰分布較明顯， 5月明顯表現(xiàn)第一個凋落高峰，以葉為主的凋落高峰期為8月至11月初。

圖1 2種櫟林2015-2020年凋落量動態(tài)

3.2 最近鄰元素分類與模型

記錄2015—2020年“枝”、“皮”、“葉”、“繁殖器”和“雜物”各組分的訓(xùn)練樣本，對目標觀察值“葉”與預(yù)測值“枝”和“皮”凋落量進行交叉分類，焦點個案標識符“繁殖器”，個案標簽“雜物”，對仙人洞和草河口櫟林凋落組分做最近鄰元素模型，分類得到圖2。

圖2 草河口和仙人洞最近鄰元素分類

數(shù)據(jù)集中“皮”的凋落量百分比配給“枝”，各獲得1個一般線性模型來探討氣溫對櫟林凋落量的影響，草河口枝凋落量與氣溫的線性方程y=1.65x+197.39，仙人洞y=1.953x+127.04。得出模型預(yù)測能力的“真實”估計值：草河口“枝”的凋落量為3～66 kg·hm-2，仙人洞“枝”的凋落量為30～280 kg·hm-2。

3.3 遼東櫟林凋落的相關(guān)性分析

2019年2種櫟林各組分凋落量動態(tài)分析(圖3)表明，仙人洞在3號和7號觀測點各部位凋落量明顯處于高峰，草河口在4號和7號觀測點凋落量較高。

圖3 2019年2種櫟林各組分凋落動態(tài)

從表2可以看出，“枝”與“葉”的相關(guān)系數(shù)是0.961，說明在0.01水平上“枝”與“葉”凋落量極顯著相關(guān)，這應(yīng)該是一種伴隨關(guān)系；“皮”和“繁殖器”的凋落量顯著相關(guān)，認為櫟林“皮”的凋落量與成熟期等的相關(guān)性較大。在本研究中，降水變化引起了櫟樹葉凋落物的定量變化，凋落物量與氣溫存在顯著的正相關(guān)，可能是櫟林在最佳生長時需要養(yǎng)分的平衡有效性。

表2 櫟林凋落物各器官凋落量的Pearson相關(guān)分析

4 結(jié)論與討論

2015—2020年樣地總凋落量為12.25～63.16 kg·hm-2，平均凋落量為31.01 kg·hm-2，其中2016年的總凋落物歸還量顯著高于其他年份。草河口平均凋落量在2020年達到最大值，仙人洞凋落量在2016年達到最大值，分別為39.26 kg·hm-2、63.16 kg·hm-2。排除偶然因素，兩種櫟林平均凋落總量動態(tài)表現(xiàn)為雙峰分布；仙人洞天然櫟林凋落物雙峰分布較明顯，5月是第一個凋落高峰，8月中旬開始至11月初出現(xiàn)以葉凋落為主的高峰期。

以生命活動月為單位，采用最近鄰元素模型來分析氣溫對櫟林凋落量的影響，得出枝凋落量與氣溫的線性方程，模型預(yù)測能力的“真實”估計值：草河口“枝”的凋落量為3～66 kg·hm-2，仙人洞“枝”的凋落量為30～280 kg·hm-2。按生命曲線下的枝凋落量與時間計算得出的估計值作為累積溫函數(shù)的氣溫損失[8]。

兩種天然次生櫟林表現(xiàn)為枝、葉凋落物的輸入量高于其他組分凋落物輸入量，增溫和降水變化引起櫟樹枝、葉凋落物定量變化，證明植物的最佳生長需要養(yǎng)分的平衡有效性，植物的養(yǎng)分獲取能力或土壤中礦化速率的變化都會影響植物的代謝產(chǎn)物組成。