長白山4種森林類型凋落物分解動態(tài)研究

長白山4種森林類型凋落物分解動態(tài)研究

apollo營養(yǎng)元素分解不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要過程之一（蘇佩斯等人，1979），也是森林生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學循環(huán)的重要因素。它在維持土壤肥力、確保植物再生長養(yǎng)分的可利用性以及促進森林生態(tài)系統(tǒng)正常生物循環(huán)和養(yǎng)分平衡方面發(fā)揮著重要作用。土壤、動物和微生物的能量和物質的來源。據(jù)估計,植物凋落物分解過程中每年釋放的營養(yǎng)元素可滿足69%～87%的森林生長所需量(Warning&Schlesinger,1985)。凋落物分解速率的高低在很大程度上決定了一個生態(tài)系統(tǒng)(尤其是森林生態(tài)系統(tǒng))生產力高低和生物量大小(黃建輝等,1998;Adrienetal.,2001)。早在1876年,德國的Ebermayaer就開始研究凋落物在養(yǎng)分循環(huán)中的作用。此后國外許多學者對世界范圍內凋落物的分解及養(yǎng)分釋放進行了大量報道(Hornsbyetal.,1995;Arunachalametal.,1998;O’neilletal.,2003)。有關森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物分解的研究在中國直到20世紀80年代以后才逐漸有所報道,并且多集中于葉凋落物的分解研究(黃建輝等,1998)。近年來,一些研究者對長白山自然保護區(qū)中的原始森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物分解(代力民等,2001;郭忠玲等,2006;李雪峰等,2007)、凋落物對土壤CO2及N2O釋放通量的影響(林麗莎等,2004;肖冬梅等,2004)等方面進行了研究,取得了一定進展,但已有的研究多采用網袋分解法,或置于地表,或埋于地下,而利用凋落物原位減少法研究凋落物分解還未見報道。本文采用凋落物原位減少法,通過2年的野外分解試驗,研究了以長白山北坡不同海拔梯度分布的闊葉紅松(Pinuskoraiensis)林、紅松云杉(Piceajezoensis)冷杉(Abiesnephrolepis)林、岳樺(Betulaermanii)云冷杉林和岳樺林的凋落物分解動態(tài)及其變化規(guī)律,為認識森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物在碳循環(huán)中的作用提供依據(jù)。1研究領域和方法1.1森林分布及類型長白山自然保護區(qū)位于吉林省東南部安圖、撫松和長白3縣境內(41°42′45″N—42°45′18″N,127°33′30″E—128°16′48″E),年均氣溫4.9℃～7.3℃,年降水量600～900mm。研究地點位于保護區(qū)北坡,由于海拔高度的上升導致小氣候變化,在不同海拔梯度上形成了不同的森林類型,從下至上依次為針闊混交林、紅松云冷杉林、岳樺云冷杉林、岳樺林。本實驗的研究地點分別位于中國科學院長白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站在上述4個植被類型的標準樣地附近。1.2凋落物收集器設置2003年5月分別在中國科學院長白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站上述4個植被類型的準樣地附近選擇一塊具有代表性的樣地,面積為50m×50m。按系統(tǒng)布樣法在每個樣地內設置5個1m×1m的凋落物收集器,四周用紗網圍起來,并固定在地面上。凋落物殘存量及分解速率的測定(凋落物原位減少法):2個月收集1次網下(0.25m×0.25m)凋落物,將枝、葉和雜物分開,于70℃烘干稱量,留作成分分析。1.3初始干物質分解kt式凋落物分解速率可根據(jù)衰減指數(shù)模型計算:Xt=X0e-kt式中:X0為分解初始干質量;t為分解時間(d);Xt為分解t天后的殘留干物質重;k為分解系數(shù)即平均分解速率。顯著性采用Pearson雙尾檢驗。2結果與分析2.1不同林分凋落物現(xiàn)存量的表現(xiàn)森林凋落物的現(xiàn)存量是單位面積林地上森林凋落物所積累的數(shù)量。不同的森林群落其林下凋落物的現(xiàn)存量存在著很大的差別,由表1可知,凋落物現(xiàn)存量最大的為紅松云冷杉林,依次為闊葉紅松林、岳樺云冷杉林、岳樺林。這與森林年凋落物量以闊葉紅松林最大不同,森林凋落物現(xiàn)存量和年凋落物量的這種顯著差異是由于林分樹種組成和氣候因素綜合作用的結果。雖然闊葉紅松林年凋落物量最大,但其所在地的年平均溫度也較高,而且闊葉成分易于分解,從而造成其凋落物現(xiàn)存量并不是最大的結果。而紅松云冷杉林所在地溫度相對較低,凋落物組成中以針葉占絕對優(yōu)勢,而且不易分解,所以凋落物現(xiàn)存量最大。岳樺云冷杉林和岳樺林由于年凋落物量較小,雖然因溫度低分解很慢,但凋落物現(xiàn)存量并不大。闊葉紅松林的凋落物現(xiàn)存量中,處于半分解狀態(tài)的雜物所占比例最高,為39.03%,其次為闊葉、枝、針葉;紅松云冷杉林針葉和雜物分別為47.37%和41.42%,占了其凋落物現(xiàn)存量的絕大部分;岳樺云冷杉林雜物所占比例最大,其次為針葉、枝;岳樺林凋落物現(xiàn)存量中闊葉所占比例最大,其次是雜物、枝。從以上可以看出,4種森林類型凋落物現(xiàn)存量中,主要以處于半分解狀態(tài)的雜物為主,除岳樺林外,所占比例均超過1/3。2.2不同種類凋落物殘留量的變化從圖1a可以看出,長白山闊葉紅松林枝、闊葉和針葉的分解存在2個階段,前期2003年5—10月,在這段時間內凋落物殘存量下降較快,即為凋落物的快速失重期。2004年5—9月,凋落物殘存量下降較慢,即為凋落物的慢速失重期。從圖1a還可以看出,闊葉殘存量的下降速度大于枝和針葉,在實驗前期,枝的失重速度大于針葉,而后期則小于針葉。圖1b為紅松云冷杉林凋落物殘存量的動態(tài)變化。從圖1b可以看出,在整個實驗過程中,枝和葉殘存量都逐漸減少,但葉殘存量減少的速度較大,而枝殘存量減少的速度很小;從圖1c可以看出,實驗過程中,岳樺云冷杉林枝、葉殘存量隨時間減少的趨勢大致相同,即在實驗過程中降低的速度大致相同;岳樺林枝、葉殘存量隨時間的變化也有相同的趨勢,即前期降低較快,后期較慢(圖1d)。2.3不同植物器官年分解常數(shù)結果的回歸模型測定凋落物在不同分解時間的殘余質量,可以得到凋落物在不同分解時間的殘留率。用x/x0=e-kt模型進行回歸分析可得到不同凋落物殘留率(x/x0)與時間t(d)關系的指數(shù)方程。表2所列是不同凋落物分解殘留率y(%)與時間t(d)的指數(shù)回歸方程。根據(jù)表2,可計算出凋落物分解殘留率(%),即預測值。表3為不同森林類型在不同時間(d)凋落物分解殘留率(%)的實測值與預測值。從表2可以看出,闊葉紅松林在實驗開始時,凋落物分解殘留率實測值大于預測值,凋落物分解前期,預測值大于實測值,后期發(fā)生變化,預測值大于實測值,但不同植物器官,實測值與預測值大小發(fā)生變化的時間不同,枝大約在417d、針葉大約在362d時,實測值開始大于預測值,而闊葉分解殘留率的實測值一直小于預測值。紅松云冷杉林在實驗前期(約在73d之前)和后期(約366d后),凋落物分解殘留率實測值大于預測值,實驗中期,預測值大于實測值。岳樺云冷杉林在實驗開始時和實驗后期,實測值大于預測值,中期是預測值大于實測值。岳樺林枝在實驗前期(約368d前)和后期(約368d后),分解殘留率實測值大于預測值,中期預測值大于實測值,葉分解殘留率是實驗前期實測值大于預測值,后期則相反。森林凋落物分解速率主要取決于森林類型、立地條件、林分密度、大氣候條件等,同時,人為經營措施以及氣象因子等自然因素也會引起分解速率的波動,這種波動是用數(shù)學模型難以描述的,也就是說,采用數(shù)學模型預測凋落物分解殘留率必然存在誤差。因此,用該模型來預測的凋落物分解殘留率是一種相對準確的方法。根據(jù)上述回歸方程,可推算出闊葉紅松林、紅松云冷杉林、岳樺云冷杉林、岳樺林4種類型森林不同器官的年分解常數(shù)及其分解95%所需要的年數(shù)(表4)。從表4可以看出,長白山不同類型森林凋落物年分解常數(shù)的變化范圍是0.25～0.47,闊葉紅松林凋落物年分解常數(shù)大于岳樺林,其次為紅松云冷杉林,岳樺云冷杉林最小。同一類型森林中,植物不同器官的年分解常數(shù)不同,一般是闊葉大于枝大于針葉。分解95%所需的時間范圍是18～39年,岳樺云冷杉林凋落物分解95%所需的時間最長,其次為紅松云冷杉林、岳樺林,闊葉紅松林最短。3凋落物分解速率傳統(tǒng)的凋落物分解研究多采用網袋分解法,或置于地表,或埋于地下,這種方法操作方便,是研究凋落物分解行之有效的方法,但是,網袋分解法改變了凋落物分解環(huán)境,使獲得的數(shù)據(jù)與實際地分解速率有一定的偏差。而凋落物原位減少法正是在盡可能減少對凋落物分解環(huán)境干擾的情況下進行試驗的,但是,在分解進行到一定程度的時候,利用這種方法不容易將其中分解程度高的凋落物分出,這樣也會造成結果偏差。總的來說,原位減少法可以作為一種網袋法研究凋落物分解的方法補充。長白山凋落物分解速率與時間均呈指數(shù)關系,這與凋落物分解過程中先后出現(xiàn)分解速率較快和較慢2個階段的結果相吻合(許新健,1995;Jamaa&Nair,1996)。長白山不同類型森林凋落物年分解常數(shù)的變化范圍是25%～47%,闊葉紅松林凋落物年分解常數(shù)大于岳樺林,其次為紅松云冷杉林,岳樺云冷杉林最小,接近于已報道的溫帶森林凋落物的平均分解速率20%～30%(沈海龍等,1996;Caldenteyetal.,2001)。同一類型森林中,植物不同器官的年分解常數(shù)不同,一般是闊葉大于枝大于針葉。分解95%為所需的時間范圍是18～39年,略高于我國暖溫帶常見樹種(為8～17年)(張德強等,2000)。岳樺云冷杉林凋落物分解95%所需的時間最長,其次為紅松云冷杉林、岳樺林,闊葉紅松林最短,這是長白山4種森林類型所處的海拔高度和凋落物品質綜合作用的結果。凋落物分解速率的差異與凋落物的物質組成有著密切的關系,依賴于構成組織的易分解成分(N、P等)和難分解有機成分(木質素、纖維素、半纖維素、多酚類物質等)的組合情況、組織的養(yǎng)分含量和組織的結構。其中C/N比和本質素濃度是制約凋落物分解速率最重要的凋落物內在因素,同時也是預測凋落物分解速率最重要的質量指標。至于分解過程的前后期,不同的凋落物質量因素制約分解速率,是由于初始的凋落物所包