贡嘎山东坡峨眉冷杉林演替过程中凋落物的持水能力

贡嘎山东坡峨眉冷杉林演替过程中凋落物的持水能力

森林中的土壤层位于森林植被层和土壤层之间。它是森林生态系统的重要组成部分，也是森林的重要表面和涂层。森林中的土壤不仅影响森林土壤的发育、水分的加热、通风不良、养分循环以及森林生物群体的数量和数量，而且在森林生态系统界面的水分转化过程中发挥着重要作用。水分的传输机制类似于树冠采样的过程，其残余量与土壤覆盖层的类型和蓄水能力有关，与林地单位面积的土壤覆盖层成正比。国内外对不同分布区不同森林类型的地被物的生态水文效益曾进行了大量的研究.但对于贡嘎山东坡峨眉冷杉林生态系统内的地被物分布及其水文效应的报道较少.本文通过实地观测与调查,对贡嘎山东坡峨眉冷杉林不同演替阶段林分内的地被物分布及其水文效应进行了初步研究,以期为全面了解该森林生态系统的生态水文效应、剖析生态系统对水文过程的调节作用提供依据.1一般研究和方法1.1冷杉生物量演替类型研究试验地设在贡嘎山东坡海拔2970~3240m的峨眉冷杉林带黄崩溜沟流域.本区主要受东南季风影响,潮湿多雨,冬暖夏湿,属亚热带山地湿润型季风气候.年降水达1900mm,年均气温4.0℃,年降雨260d左右,年平均空气相对湿度90%,蒸发量小(约300mm),气候和植被景观呈寒温带特点.主要森林类型是云冷杉林.现存冷杉林多为成熟林和过熟林,病、腐、枯现象严重,自然形成枯立木、枯倒木数量较多,林下自然更新差.乔木层多由120年生峨眉冷杉(Abiesfabri)单种构成,树高达30~40m,胸径50~80cm,郁闭度0.6.还有少量阔叶树种,常见的有糙皮桦(Betulautilis),花楸(Sorbusspp.)杜鹃(Rhododendronspp.)等.灌木层组成种类丰富,盖度极大(90%).草本层组成种类尚多,但分布稀疏而且不均匀,常在林缘或灌木盖度较小的地方形成小群聚.活地被物层十分发育,苔藓种类繁多,盖度不小于90%,厚10~15cm.研究区黄崩溜沟流域的天然群落几乎代表了整个峨眉冷杉林生态系统不同演替阶段的各种演替类型.试验点及取样点分别布设在代表了演替初期、演替中期、顶级群落等演替序列类型林地的永久性标准样地中.其中,演替初期为30~40年生的峨眉冷杉幼龄林,演替中期为70~80年生峨眉冷杉中龄林,演替后期为约120年生峨眉冷杉成龄林和150年生的峨眉冷杉过熟林.1.2学习方法1.2.1地被物的区分采用直接收集测定法测定地被物层的凋落量.收集器大小为1m×1m×0.1m,木板作框架,安装有网眼直径小于2mm的纱网,分别在峨眉冷杉过熟林永久性标准样地和幼龄林样地内放置4个,每月回收1次地被物.然后分树种区分出枯叶、枝干、落花和落果等不同成分.并将区分后的样品在80℃条件下烘干至恒重,然后换算成单位面积的平均贮量.1.2.2价值样方贮量调查分别在各演替阶段林分内布设3个10m×10m的标准样地.在每块标准样地内4个角和中部共取5个0.2m×0.2m的标准样方,分苔藓层、地被物未分解层、半分解层、腐殖质层进行贮量调查(不包括粗木质残体,有关粗木质残体已另文分析).1.2.3枯落物持水效应测定在不同演替阶段林分内,分苔藓层、枯落物未分解层、半分解层、腐殖质层收取每个重复内1个标准样方内的所有枯落物,雨水浸泡法测定其持水效应.2结果与分析2.1通过时空分布分析土壤样品的质量2.1.1过熟林和幼龄林中凋落物的组成及其影响用采集器法测定的湿季内过熟林地和幼龄林地凋落物量见表1.从凋落物总量来看,无论幼龄林地,还是过熟林地在6~7月份的月均凋落物量差异不大,若以干生物量计,则均分布于6.9~8.9g/m2之间,相当于每月每公顷约产生69~89kg的凋落物.而8月的凋落物干生物量则骤然上升,幼龄林地和过熟林地的月平均干生物量分别达到了15.097和18.748g/m2.由表1和图1还可看出,峨眉冷杉过熟林和幼龄林中凋落物成分所占总量的比例是有差异的.幼龄林地的凋落物成分主要是以糙皮桦和杜鹃等阔叶树种的落叶为主,占该峨眉冷杉林总凋落物的77.4%,次之为枯枝占13.1%,其他成分约占9.5%左右.过熟林地的凋落物以峨眉冷杉针叶为主,占过熟林总凋落物的60.4%,此比例要明显小于幼龄林地落叶占的比例.过熟林地的凋落物中,峨眉冷杉枯枝约占总凋落物量的38.6%,其他成分则不到总量的1%.而且从各成分在不同月份所占总量的比例来看,不同峨眉冷杉林演替阶段也是不同的,这是与不同峨眉冷杉林不同的树种组成和环境的影响密切相关的.枯枝在幼龄林地的凋落物中的含量是6月最大,为30.97%,7月和8月仅仅为2.07%和8.88%.在过熟林中,枯枝含量的趋势与幼龄林地恰恰相反,6月和7月的含量为20.92%和23%,8月的含量则达到了53.61%.落叶的干生物量在两种峨眉冷杉林类型中的季节分布规律是相似的,均是在初期较小,后期增多.受枯枝在总凋落物中含量变化影响较大的缘故,过熟林中落叶占总凋落物干生物量的比例是初期较大,而后期较小.另外,受阔叶树种开花、结果、生长发育规律的制约,幼龄林地的落花凋落物的干生物量和占总凋落物量的比例为初期高,末期底,落果则与之相反.2.1.2林分地中苔藓层的干重贮量林地地表枯落物根据分解程度的不同,一般可分为未分解的L亚层、半分解的F亚层和完全分解的H亚层3个层次.在该研究区内,由于冰川夏季消融、冬季向前推进的缘故,年内气温较低且变化并不剧烈,而且湿季雨日长、空气湿润,所以单就枯落物的分解速率来说并不大.但因为除幼龄林外,所研究的林分的林龄均在70a以上,不同峨眉冷杉林内的森林小环境已经形成,湿润的森林环境有利于枯落物的分解,尤其对于阔叶来说情况更是如此,所以从表2中可以得出如下结论,即各森林类型中枯落物未分解层所占的比率均小于半分解层和腐殖质层的干重贮量.而幼龄林地地上植被层主要以糙皮桦、杜鹃等阔叶树种为主,每年的凋落物和地上枯落物层的主要成分以阔叶树的当年或前几年的枯枝和落叶为主,所以未分解层在枯落物层中占相当大的比例.由表2还可以看出,峨眉冷杉林不同演替阶段林分间苔藓层的厚度和干生物量差别较大.以过熟林中苔藓的贮存量最为丰富,平均厚度、平均盖度和干生物量分别达到了4.5cm,95%和3.34t/hm2,其中干生物量贮量分别比成熟林地、幼龄林地、中龄林地的干生物量贮量高出1~3倍.中龄林中的苔藓贮存量最低,平均厚度、平均盖度和干生物量分别仅为1cm,15%和0.4t/hm2.该区未分解层厚度和干生物量在峨眉冷杉林间的差别不大,厚度均在3.5~4.0cm左右,生物量在2.0t/hm2左右.以中龄林地的未分解层生物量为最大,而成熟林地的未分解层则较小.虽然幼林林地未分解层平均厚度稍大于中龄林地未分解层,但由于幼龄林地的未分解层的成分多为以桦木为主的阔叶树种的落叶,所以生物量反而要少于以细小枝干为主的中龄林未分解层的生物量.从腐殖质层和半分解层的干生物量贮量和平均厚度来看,过熟林和成熟林林地均明显大于中龄林地和幼龄林地,这是由于随着林龄的增加,地被物总量逐年增加和积累、枯落物分解程度逐渐加深造成的.从处于不同演替阶段的峨眉冷杉林林地地被物的总干重贮量来看,以成熟林贮量为最大,为18.36t/hm2.过熟林地的干重贮量比成熟林干重贮量稍小,但相差不大,为16.62t/hm2.而中龄林和幼龄林地被物总干重贮量则较小,分别为9.86t/hm2和9.78t/hm2.这与森林的顺向演替能增加地被物的贮量并促进它的发育的规律相一致.2.2地幔的水文效果分析2.2.1枯落物最大持水量与持水能力地被物的持水作用是森林生态系统水分循环中的重要一环,研究结果表明(见表3),不同演替阶段的峨眉冷杉林间,林地上苔藓层的最大持水量差别?不大,平均在478.65~523.28g/g之间.而对于枯落物来说,由于不同峨眉冷杉林林龄的不同,使得林内枯落物的分解程度不同(由上面分析可知,随着林龄的增加,林内枯落物分解程度增加),从而进一步导致了不同峨眉冷杉林间枯落物的最大持水量存在较大差异.由表3可知,随着林龄的增长,最大持水量逐渐增加,从幼龄林到过熟林4种典型峨眉冷杉林样地内的枯落物最大持水量分别为274.29,285.12,369.74,381.88g/g,其中,幼龄林和中龄林枯落物的最大持水量比较接近,成龄林和过熟林的枯落物最大持水量接近.这也可以说明峨眉冷杉林愈接近顶级,其生态功能就发挥的愈好.另外,苔藓和枯落物的最大持水能力有差异,而且这种差异是随着峨眉冷杉林演替的前进而逐渐变化的.浸水试验表明,在幼龄林地内,二者相差119.67g/g,在过熟林内二者差值达到208.08g/g.苔藓最大持水量与枯落物最大持水量的比例也从1.31上升到1.76.另外,苔藓具有比枯落物更好的持水保水效果.浸水饱和后的在林地原环境下的脱水试验结果表明,苔藓24h的失水率在20%左右,而枯落物却达到了30%以上.需要指出的是,苔藓和枯落物层的最大持水量是在完全浸水情况下测得的,一般只能反映该层理想的最大持水能力的大小,而不能反映对天然降水的实际拦截状况.通常在研究中我们所关注的不是这个理想的最大持水能力,而是苔藓和枯落物的实际有效持水量.通过对比较长时段较大降雨量的天然降雨(2001年7月27日,降雨历时27h,林内降雨量39.9mm)后枯落物的实际持水量和浸水条件下的最大持水量的结果表明,苔藓的平均最大有效持水量为平均最大持水量的84.97%,枯落物的平均最大有效持水量为平均最大持水量的79.53%.据此可知,长江上游亚高山峨眉冷杉林内地表枯落物的一次性最大持水量可达到3.93mm,即使有效持水量也可以达到3.23mm.另外,我们还可以用最大持水量乘以一个比例系数来表示林内苔藓和枯落物实际的最大有效持水量.如果知道降雨前的苔藓和枯落物的实际含水量和持水量的话,就可以用最大有效持水量减去实际的雨前持水量得到林地地被物层对该次降雨的最大可能有效截留水量.2.2.2枯落物相对含水量的变化以幼龄林和过熟林内枯落物为代表,通过浸水法探讨了枯落物的吸水过程,结果表明:枯落物的吸水过程可以用幂函数来拟合(见图2~3).其中幼龄林和过熟林林地枯落物吸水过程拟合曲线方程分别为:θ=221.23t0.0413(1)θ=252.94t0.0911(2)θ=221.23t0.0413(1)θ=252.94t0.0911(2)对幼龄林内枯落物的拟合精度(r2=0.9113)要稍高于对过熟林内枯落物的拟合精度(r2=0.7847)从枯落物吸水过程上来看,过熟林的枯落物由于分解程度较大,将其完全浸入雨水中后迅速吸水,在较短的时间内(15~20min)相对含水量即趋于稳定,其饱和时的相对含水量也较高;而相比之下,幼龄林林地内的枯落物相对含水量在浸水后趋于稳定的时间稍长(20~30min),其饱和时相对含水量(275g/g)也比过熟林枯落物的饱和相对含水量(380g/g)低.3不同演替阶段枯落物含量对持水率的影响(1)长江上游亚高山峨眉冷杉林生态系统湿季内每月每公顷约产生69~89kg的凋落物.(2)峨眉冷杉林的顺向演替能增加苔藓与枯落物的贮量并促进它的发育