近自然林經營過程中森林凋落物的水文特征研究

近自然林經營過程中森林凋落物的水文特征研究

在英文中，森林是由樹枝、樹枝、花、果實、果皮和植物的殘留物組成的。用中文枯落物和枯枝落葉層釋義forestlitter都不及凋落物準確。筆者以團風縣馬尾松人工林進行近自然化改造過程不同階段森林凋落物為研究對象,進行了凋落物數(shù)量及其持水特性研究,以期為人工林進行近自然化改造水土保持工作提供試驗依據(jù)。1材料和方法1.1地貌和氣象條件研究區(qū)域位于黃岡團風縣境內。團風縣位于湖北省東部,大別山南麓,長江中下游北岸。地理位置介于東經114°47′~115°14′,北緯30°35′~30°54′之間。境內地貌分為平原、崗地、丘陵、山地4個類型。地勢由東北向西南傾斜,最高點在北部大畸山頂,海拔1040.8m,最低在西南部黃草湖,海拔15.8m。全縣三面環(huán)水,湖泊、水庫、河流、港汊、渠道眾多,主要河流分別注入巴河、舉水和長江。全縣屬亞熱帶大陸性季風區(qū),兼有南北過渡的氣候特點,四季分明,日照充足,年平均日照時數(shù)2082h;年平均氣溫攝氏15.4°~17.0°,極端最高氣溫40.3℃,極端最低氣溫-12.2℃;年平均降雨量1213.4mm;無霜期平均為244d。1.2基于單株經營體系的森林經營人工林經營最大特點是以整個林木群體作為經營對象,而近自然林業(yè)則是以單株為林分作業(yè)對象,目標樹經營體系是近自然森林經營區(qū)別于其它森林經營且最為顯著的特點。目標樹單株林木作業(yè)體系將林木個體分為:目標樹、干擾樹、特殊目標樹和一般樹。1.3測試方法1.3.1凋落物采集與測定在馬尾松建群階段、質量形成階段、競爭選擇階段及恒續(xù)林階段林分設置樣地,每個樣地的面積是16m×16m,重復2次。在每個樣地內各設4個點,各取面積為50cm×50cm的凋落物樣方4個。采集凋落物時,將未分解層和半分解層分別收集保持原樣裝入塑料袋內。未分解凋落物是指基本上保持其原有形狀及質地的枯枝落葉,半分解凋落物是指未完全腐爛肉眼能分辨出其枝葉大體形狀的枯枝落葉。現(xiàn)場記錄各層厚度,用于測定凋落物數(shù)量及測定其持水量和吸水速率,見表1。1.3.2地下植被調查在各個階段的林分內設4個小樣方,調查各小樣方內植被的種類株數(shù)平均地徑平均高度、平均冠幅,見表2。1.3.3林下凋落物吸水性對所采集的凋落物放在室內通風干燥處風干并稱重,稱重時將同一階段的兩塊樣地的凋落物分層混合稱重,并換算成單位面積重量。將稱重后的凋落物放入已稱重的容器之后泡水,水面要沒過凋落物。將凋落物浸入水中后,前2h每隔30min將凋落物倒入竹篩中,靜置5min左右,直至凋落物不滴水為止,迅速稱量凋落物的濕重并記錄。達到2h后則每隔2h將凋落物連同容器一并如上述方法稱重。一直浸泡到20h再取出凋落物稱重。每次稱重所得的凋落物濕重與其風干重差值,即為凋落物浸泡不同時間的持水量,該差值與浸水時間的比值即為凋落物的吸水速率測定值。再將所吸取的水量(mL)按所取小樣方的面積換算成(mm)。對林下持水量與浸泡時間進行回歸分析,對所求的回歸方程進行求導即可以得到林下凋落物吸水速率與浸泡時間的關系式,對所得的回歸分析方程進行顯著性檢驗。林下凋落物吸水速率與浸泡時間之間存在如下式所表示的關系:S=ktn,式中:S-凋落物吸水速率(g·kg-1·h-1);t-浸泡時間(h);n-指數(shù)。2結果與分析2.1不同層次生物凋落物的形成特點將采集回來的凋落物放在通風干燥處,以手摸沒有濕感為止,將其重量作為馬尾松各階段的森林凋落物風干數(shù)量,結果見表3。森林凋落物層的水文特性取決于森林凋落物的種類數(shù)量組成成分及其分解程度等,其中葉片約占凋落物總量的70%~85%,樹皮樹枝約占總量的10%~30%。不同的森林植被類型及林齡的變化、林下凋落物種類和組成成分都有差異,即使在相同的森林類型中,單位面積上凋落物的儲量也不相同。從表3可以看出:馬尾松4個不同階段的凋落物的數(shù)量有一定的差別,其中競爭選擇階段的凋落物數(shù)量是最多的,其次是恒續(xù)林階段,再其次是質量形成階段,最少的是建群階段。馬尾松建群階段,林分樹冠還沒有郁閉,所以凋落物數(shù)量最少。質量形成階段雖然已經郁閉,但樹種比較單一,凋落物數(shù)量仍然比較少,但較建群階段多。競爭選擇階段林分開始競爭,出現(xiàn)分化,林冠結構復雜,但主要樹種仍為馬尾松,馬尾松的針葉比較難分解,而第4階段雖然林冠結構越來越復雜,但在主林層不僅有先鋒樹種,而且也有具有先鋒特性的許多其它樹種。所以,競爭選擇階段凋落物比恒續(xù)林階段要多。對各階段未分解層和半分解層的凋落物進行分析,結果發(fā)現(xiàn)除了恒續(xù)林階段的半分解層占的比例大之外,其余3個階段都是未分解層占的比例大。其中建群階段未分解層所占的比例最大,其次是質量形成階段,這是因為馬尾松處于建群階段,針葉難分解,大多處于未分解狀態(tài)。質量形成階段,先鋒樹種是馬尾松,但起源于天然更新的一些耐蔭樹種在先鋒樹種林冠下開始出現(xiàn)和生長。所以未分解層占的比例比建群階段略少。競爭選擇階段凋落物未分解層占總量的55%,比半分解層略多,這是因為該階段林分內出現(xiàn)競爭分化,在林分中處于中下層,林木開始生長,但主要樹種仍為馬尾松,所以未分解層所占的比例略多。恒續(xù)林階段的林分擁有許多不同層次,已形成良好的垂直結構,還處于質量形成階段的樹木充滿小的林隙。林分中生物多樣性良好,在主林層不僅有先鋒樹種,而且也具有先鋒特性的許多耐蔭樹種。在地表的植被中,典型的森林灌木和蕨類植物占主導地位,形成了針闊混交林。針葉不容易分解,所以恒續(xù)林階段的未分解層比半分解層少。2.2林下凋落物最大持水量各階段的未分解層吸水量和半分解層吸水量,結果見表4。比較表4中馬尾松不同階段的林下凋落物未分解層的最大持水量發(fā)現(xiàn):恒續(xù)林階段的林下凋落物的最大持水量最大,其次為競爭選擇階段,再次為質量形成階段,建群階段的林下凋落物最大持水量最小。比較表4中不同階段林下凋落物的半分解層的最大持水量發(fā)現(xiàn):競爭選擇和恒續(xù)林階段的最大持水量最大,其次為質量形成階段,建群階段最小。對表4進行分析還可以發(fā)現(xiàn):在未分解和半分解的林下凋落物中單位最大持水量呈現(xiàn)出增大的趨勢,這說明針闊混交林的林下凋落物持水量是比較好的,而馬尾松的針葉持水能力是比較差的。2.3apollo營養(yǎng)元素與吸收時間之間的關系2.3.1根據(jù)變化的量來分類泡的前4h時,凋落物的持水量變化很大,再繼續(xù)浸泡其持水量變化很微小或者基本不再發(fā)生變化。從圖1和圖2的變化趨勢看:在凋落物浸泡于水中20h后,其持水量基本上不變化,所以可以把凋落物浸泡20h的持水量作為凋落物的最大持水量。2.3.2凋落物分解和吸濕量的變化從圖3和圖4中可以看出:未分解凋落物在前6個小時的吸水速率是最大的,往后的變化就很小了,第1階段和第2階段、第3階段和第4階段的凋落物的吸水速率的變化趨勢是相近的。但半分解凋落物則是在前4h的變化最大,往后幾乎沒有變化。同樣,建群階段和質量形成階段、競爭選擇階段和恒續(xù)林階段的凋落物的吸水速率的變化趨勢是相近的。這說明森林結構和類型對凋落物的吸水速率還是有一定影響的。并且從圖3和圖4中還可以看出:競爭選擇階段和恒續(xù)林階段的吸水速率不論是半分解還是未分解都遠遠大于建群階段和質量形成階段。推斷其原因可能是闊葉薄壁細胞多,更容易吸水而先吸水,針葉表層多蠟質,不容易分解,要待闊葉樹將要飽和時才開始大量吸水。2.4凋落物降雨時,降雨會發(fā)生滲滲和地表徑流計算表明:各個階段林下凋落物的最大持水量建群階段為0.15mm,質量形成階段為0.60mm,競爭選擇階段為1.23mm,恒續(xù)林階段為1.70mm,相對應的最大吸水速率依次為0.11mm·h-1,0.20mm·h-1,0.12mm·h-1,0.17mm·h-1。由于當林內降雨量小于凋落物的最大持水量并且林內降雨強度小于凋落物最大吸水速率時,降雨量全被凋落物所吸收,所以在只有凋落物存在的情況下,建群階段內,當降雨量小于0.15mm,降雨度小于0.11mm·h-1時,不