貢嘎山東坡峨眉冷杉林演替過程中凋落物的持水能力

貢嘎山東坡峨眉冷杉林演替過程中凋落物的持水能力

森林中的土壤層位于森林植被層和土壤層之間。它是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是森林的重要表面和涂層。森林中的土壤不僅影響森林土壤的發(fā)育、水分的加熱、通風不良、養(yǎng)分循環(huán)以及森林生物群體的數(shù)量和數(shù)量，而且在森林生態(tài)系統(tǒng)界面的水分轉化過程中發(fā)揮著重要作用。水分的傳輸機制類似于樹冠采樣的過程，其殘余量與土壤覆蓋層的類型和蓄水能力有關，與林地單位面積的土壤覆蓋層成正比。國內(nèi)外對不同分布區(qū)不同森林類型的地被物的生態(tài)水文效益曾進行了大量的研究.但對于貢嘎山東坡峨眉冷杉林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的地被物分布及其水文效應的報道較少.本文通過實地觀測與調(diào)查,對貢嘎山東坡峨眉冷杉林不同演替階段林分內(nèi)的地被物分布及其水文效應進行了初步研究,以期為全面了解該森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)水文效應、剖析生態(tài)系統(tǒng)對水文過程的調(diào)節(jié)作用提供依據(jù).1一般研究和方法1.1冷杉生物量演替類型研究試驗地設在貢嘎山東坡海拔2970~3240m的峨眉冷杉林帶黃崩溜溝流域.本區(qū)主要受東南季風影響,潮濕多雨,冬暖夏濕,屬亞熱帶山地濕潤型季風氣候.年降水達1900mm,年均氣溫4.0℃,年降雨260d左右,年平均空氣相對濕度90%,蒸發(fā)量小(約300mm),氣候和植被景觀呈寒溫帶特點.主要森林類型是云冷杉林.現(xiàn)存冷杉林多為成熟林和過熟林,病、腐、枯現(xiàn)象嚴重,自然形成枯立木、枯倒木數(shù)量較多,林下自然更新差.喬木層多由120年生峨眉冷杉(Abiesfabri)單種構成,樹高達30~40m,胸徑50~80cm,郁閉度0.6.還有少量闊葉樹種,常見的有糙皮樺(Betulautilis),花楸(Sorbusspp.)杜鵑(Rhododendronspp.)等.灌木層組成種類豐富,蓋度極大(90%).草本層組成種類尚多,但分布稀疏而且不均勻,常在林緣或灌木蓋度較小的地方形成小群聚.活地被物層十分發(fā)育,苔蘚種類繁多,蓋度不小于90%,厚10~15cm.研究區(qū)黃崩溜溝流域的天然群落幾乎代表了整個峨眉冷杉林生態(tài)系統(tǒng)不同演替階段的各種演替類型.試驗點及取樣點分別布設在代表了演替初期、演替中期、頂級群落等演替序列類型林地的永久性標準樣地中.其中,演替初期為30~40年生的峨眉冷杉幼齡林,演替中期為70~80年生峨眉冷杉中齡林,演替后期為約120年生峨眉冷杉成齡林和150年生的峨眉冷杉過熟林.1.2學習方法1.2.1地被物的區(qū)分采用直接收集測定法測定地被物層的凋落量.收集器大小為1m×1m×0.1m,木板作框架,安裝有網(wǎng)眼直徑小于2mm的紗網(wǎng),分別在峨眉冷杉過熟林永久性標準樣地和幼齡林樣地內(nèi)放置4個,每月回收1次地被物.然后分樹種區(qū)分出枯葉、枝干、落花和落果等不同成分.并將區(qū)分后的樣品在80℃條件下烘干至恒重,然后換算成單位面積的平均貯量.1.2.2價值樣方貯量調(diào)查分別在各演替階段林分內(nèi)布設3個10m×10m的標準樣地.在每塊標準樣地內(nèi)4個角和中部共取5個0.2m×0.2m的標準樣方,分苔蘚層、地被物未分解層、半分解層、腐殖質(zhì)層進行貯量調(diào)查(不包括粗木質(zhì)殘體,有關粗木質(zhì)殘體已另文分析).1.2.3枯落物持水效應測定在不同演替階段林分內(nèi),分苔蘚層、枯落物未分解層、半分解層、腐殖質(zhì)層收取每個重復內(nèi)1個標準樣方內(nèi)的所有枯落物,雨水浸泡法測定其持水效應.2結果與分析2.1通過時空分布分析土壤樣品的質(zhì)量2.1.1過熟林和幼齡林中凋落物的組成及其影響用采集器法測定的濕季內(nèi)過熟林地和幼齡林地凋落物量見表1.從凋落物總量來看,無論幼齡林地,還是過熟林地在6~7月份的月均凋落物量差異不大,若以干生物量計,則均分布于6.9~8.9g/m2之間,相當于每月每公頃約產(chǎn)生69~89kg的凋落物.而8月的凋落物干生物量則驟然上升,幼齡林地和過熟林地的月平均干生物量分別達到了15.097和18.748g/m2.由表1和圖1還可看出,峨眉冷杉過熟林和幼齡林中凋落物成分所占總量的比例是有差異的.幼齡林地的凋落物成分主要是以糙皮樺和杜鵑等闊葉樹種的落葉為主,占該峨眉冷杉林總凋落物的77.4%,次之為枯枝占13.1%,其他成分約占9.5%左右.過熟林地的凋落物以峨眉冷杉針葉為主,占過熟林總凋落物的60.4%,此比例要明顯小于幼齡林地落葉占的比例.過熟林地的凋落物中,峨眉冷杉枯枝約占總凋落物量的38.6%,其他成分則不到總量的1%.而且從各成分在不同月份所占總量的比例來看,不同峨眉冷杉林演替階段也是不同的,這是與不同峨眉冷杉林不同的樹種組成和環(huán)境的影響密切相關的.枯枝在幼齡林地的凋落物中的含量是6月最大,為30.97%,7月和8月僅僅為2.07%和8.88%.在過熟林中,枯枝含量的趨勢與幼齡林地恰恰相反,6月和7月的含量為20.92%和23%,8月的含量則達到了53.61%.落葉的干生物量在兩種峨眉冷杉林類型中的季節(jié)分布規(guī)律是相似的,均是在初期較小,后期增多.受枯枝在總凋落物中含量變化影響較大的緣故,過熟林中落葉占總凋落物干生物量的比例是初期較大,而后期較小.另外,受闊葉樹種開花、結果、生長發(fā)育規(guī)律的制約,幼齡林地的落花凋落物的干生物量和占總凋落物量的比例為初期高,末期底,落果則與之相反.2.1.2林分地中苔蘚層的干重貯量林地地表枯落物根據(jù)分解程度的不同,一般可分為未分解的L亞層、半分解的F亞層和完全分解的H亞層3個層次.在該研究區(qū)內(nèi),由于冰川夏季消融、冬季向前推進的緣故,年內(nèi)氣溫較低且變化并不劇烈,而且濕季雨日長、空氣濕潤,所以單就枯落物的分解速率來說并不大.但因為除幼齡林外,所研究的林分的林齡均在70a以上,不同峨眉冷杉林內(nèi)的森林小環(huán)境已經(jīng)形成,濕潤的森林環(huán)境有利于枯落物的分解,尤其對于闊葉來說情況更是如此,所以從表2中可以得出如下結論,即各森林類型中枯落物未分解層所占的比率均小于半分解層和腐殖質(zhì)層的干重貯量.而幼齡林地地上植被層主要以糙皮樺、杜鵑等闊葉樹種為主,每年的凋落物和地上枯落物層的主要成分以闊葉樹的當年或前幾年的枯枝和落葉為主,所以未分解層在枯落物層中占相當大的比例.由表2還可以看出,峨眉冷杉林不同演替階段林分間苔蘚層的厚度和干生物量差別較大.以過熟林中苔蘚的貯存量最為豐富,平均厚度、平均蓋度和干生物量分別達到了4.5cm,95%和3.34t/hm2,其中干生物量貯量分別比成熟林地、幼齡林地、中齡林地的干生物量貯量高出1~3倍.中齡林中的苔蘚貯存量最低,平均厚度、平均蓋度和干生物量分別僅為1cm,15%和0.4t/hm2.該區(qū)未分解層厚度和干生物量在峨眉冷杉林間的差別不大,厚度均在3.5~4.0cm左右,生物量在2.0t/hm2左右.以中齡林地的未分解層生物量為最大,而成熟林地的未分解層則較小.雖然幼林林地未分解層平均厚度稍大于中齡林地未分解層,但由于幼齡林地的未分解層的成分多為以樺木為主的闊葉樹種的落葉,所以生物量反而要少于以細小枝干為主的中齡林未分解層的生物量.從腐殖質(zhì)層和半分解層的干生物量貯量和平均厚度來看,過熟林和成熟林林地均明顯大于中齡林地和幼齡林地,這是由于隨著林齡的增加,地被物總量逐年增加和積累、枯落物分解程度逐漸加深造成的.從處于不同演替階段的峨眉冷杉林林地地被物的總干重貯量來看,以成熟林貯量為最大,為18.36t/hm2.過熟林地的干重貯量比成熟林干重貯量稍小,但相差不大,為16.62t/hm2.而中齡林和幼齡林地被物總干重貯量則較小,分別為9.86t/hm2和9.78t/hm2.這與森林的順向演替能增加地被物的貯量并促進它的發(fā)育的規(guī)律相一致.2.2地幔的水文效果分析2.2.1枯落物最大持水量與持水能力地被物的持水作用是森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中的重要一環(huán),研究結果表明(見表3),不同演替階段的峨眉冷杉林間,林地上苔蘚層的最大持水量差別?不大,平均在478.65~523.28g/g之間.而對于枯落物來說,由于不同峨眉冷杉林林齡的不同,使得林內(nèi)枯落物的分解程度不同(由上面分析可知,隨著林齡的增加,林內(nèi)枯落物分解程度增加),從而進一步導致了不同峨眉冷杉林間枯落物的最大持水量存在較大差異.由表3可知,隨著林齡的增長,最大持水量逐漸增加,從幼齡林到過熟林4種典型峨眉冷杉林樣地內(nèi)的枯落物最大持水量分別為274.29,285.12,369.74,381.88g/g,其中,幼齡林和中齡林枯落物的最大持水量比較接近,成齡林和過熟林的枯落物最大持水量接近.這也可以說明峨眉冷杉林愈接近頂級,其生態(tài)功能就發(fā)揮的愈好.另外,苔蘚和枯落物的最大持水能力有差異,而且這種差異是隨著峨眉冷杉林演替的前進而逐漸變化的.浸水試驗表明,在幼齡林地內(nèi),二者相差119.67g/g,在過熟林內(nèi)二者差值達到208.08g/g.苔蘚最大持水量與枯落物最大持水量的比例也從1.31上升到1.76.另外,苔蘚具有比枯落物更好的持水保水效果.浸水飽和后的在林地原環(huán)境下的脫水試驗結果表明,苔蘚24h的失水率在20%左右,而枯落物卻達到了30%以上.需要指出的是,苔蘚和枯落物層的最大持水量是在完全浸水情況下測得的,一般只能反映該層理想的最大持水能力的大小,而不能反映對天然降水的實際攔截狀況.通常在研究中我們所關注的不是這個理想的最大持水能力,而是苔蘚和枯落物的實際有效持水量.通過對比較長時段較大降雨量的天然降雨(2001年7月27日,降雨歷時27h,林內(nèi)降雨量39.9mm)后枯落物的實際持水量和浸水條件下的最大持水量的結果表明,苔蘚的平均最大有效持水量為平均最大持水量的84.97%,枯落物的平均最大有效持水量為平均最大持水量的79.53%.據(jù)此可知,長江上游亞高山峨眉冷杉林內(nèi)地表枯落物的一次性最大持水量可達到3.93mm,即使有效持水量也可以達到3.23mm.另外,我們還可以用最大持水量乘以一個比例系數(shù)來表示林內(nèi)苔蘚和枯落物實際的最大有效持水量.如果知道降雨前的苔蘚和枯落物的實際含水量和持水量的話,就可以用最大有效持水量減去實際的雨前持水量得到林地地被物層對該次降雨的最大可能有效截留水量.2.2.2枯落物相對含水量的變化以幼齡林和過熟林內(nèi)枯落物為代表,通過浸水法探討了枯落物的吸水過程,結果表明:枯落物的吸水過程可以用冪函數(shù)來擬合(見圖2~3).其中幼齡林和過熟林林地枯落物吸水過程擬合曲線方程分別為:θ=221.23t0.0413(1)θ=252.94t0.0911(2)θ=221.23t0.0413(1)θ=252.94t0.0911(2)對幼齡林內(nèi)枯落物的擬合精度(r2=0.9113)要稍高于對過熟林內(nèi)枯落物的擬合精度(r2=0.7847)從枯落物吸水過程上來看,過熟林的枯落物由于分解程度較大,將其完全浸入雨水中后迅速吸水,在較短的時間內(nèi)(15~20min)相對含水量即趨于穩(wěn)定,其飽和時的相對含水量也較高;而相比之下,幼齡林林地內(nèi)的枯落物相對含水量在浸水后趨于穩(wěn)定的時間稍長(20~30min),其飽和時相對含水量(275g/g)也比過熟林枯落物的飽和相對含水量(380g/g)低.3不同演替階段枯落物含量對持水率的影響(1)長江上游亞高山峨眉冷杉林生態(tài)系統(tǒng)濕季內(nèi)每月每公頃約產(chǎn)生69~89kg的凋落物.(2)峨眉冷杉林的順向演替能增加苔蘚與枯落物的貯量并促進它的發(fā)育