不同植物群落凋落物持水性能研究

不同植物群落凋落物持水性能研究

植物群落的许多生态功能并不完全依赖土壤的所有部分，地表的凋落物也起着重要作用。特别是在保护水源、维持水土和促进系统物质循环和养分平衡方面，凋落物层发挥着不可替代的作用。国内对于凋落物持水性能研究较多,但对同一地区不同植物群落凋落物持水性能的研究较少,尤其是涉及同一地区典型植物群落包括乔木、灌木以及草本凋落物在特定时段(雨季)持水性能的研究更少,而且部分研究也未对草本和灌木凋落物持水性能进行研究。实际上,在北方干旱半干旱地区,灌木和草本植物在群落中所占比例较大,其凋落物对改善土壤理化性状也起着重要的作用。京西百花山区山势险峻,山地面积约占98.5%,在雨季来临之际,极易发生水土流失、泥石流等自然灾害。因此,构建合理的植被体系,强化区域水土保持功能已成为本区域研究重点。本文以当地油松(Pinustabulaeformis)、青杨(Populuscathayana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等人工林,以及天然灌丛和弃耕地草本植被为主,重点研究不同植物群落凋落物持水能力,以及凋落物层在保持水土、减少自然灾害等方面的贡献,为综合评价该地区植物群落生态服务功能奠定一定基础。1材料和方法1.1研究区土壤条件研究区位于北京西部门头沟区清水林场境内,地理位置:北纬39°53′57.5″,东经115°36′0.9″,海拔630～1010m。属太行山北段百花山中纬度大陆性季风气候区,春季干旱多风,夏季水热集中,秋季凉爽湿润,冬季寒冷干燥,年均气温10.2℃,日照2470h,年均风速2.7m/s,降水量563.4mm,其中雨季(6～8月)约占70%以上。研究区为石质山地,土层较薄,质地粗糙,一般在土层深10cm以下即可见粗砂或砾石,土壤类型由地带性褐土和山地棕壤等多个土类组成。植被呈乔灌草复合结构,覆盖度90%以上。上层植被以刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、青杨(Populuscathayana)等人工林为主;中层灌木以荆条(Vitexnegundo)、艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、蒙古蒿(A.mongolica)、白莲蒿(A.sacrorum)等蒿类植物为主;下层草本以鬼针草(Bidenspilosa)、远东芨芨草(Achnatherumextremiorientale)、大油芒(Spodiopogonsibiricus)、二色胡枝子(Lespedezabicolor)、草木樨(Melilotusoffcinalis)等为主,每1m2物种数量平均25种以上。1.2凋落物采样及分析实验于2006年7月下旬到8月中旬进行。在研究区内,按不同植物群落选取6块典型样地,其基本特征参见表1。然后,在每块样地内随机布设50cm×50cm样方5个,收集样方内的凋落物,并按照未分解层(A0层原有色泽不变保持原有形态的凋落物)和半分解层(A′0层外行破损,已辨不清原有形态甚至已全部分解成碎屑状的凋落物)两层采样,编号装入塑封袋内,带回室内进行分析。凋落物持水性能测定,按照森林土壤定位研究法进行自然含水率、最大持水率等项目的测定,并据此计算蓄积量、持水量以及有效拦蓄水量,为精确测定凋落物自然含水率,实验中尽量做到当天采样、当天测定。1.3处理数据实验数据的统计分析,采用MicrosoftExcel2003软件包进行,并利用SPSS12.0统计软件进行相关性分析。2结果与分析2.1凋落物自然含水率凋落物蓄积量取决于植物的组成、生长量、输入量、郁闭度(盖度)和累积年限,而不同分解层的蓄积量则主要取决于分解速度、累积年限和采样时间(参见表2)。表2表明,油松群落凋落物蓄积量高于其它群落,蓄积量高达18.5t/hm2,主要是受累积年限长和郁闭度高的影响;青杨、刺槐种植年限短、郁闭度低,蓄积量次之;灌木和杂类草群落凋落物蓄积量低于乔木的原因在于其生长量和输入量低,杂类草群落蓄积量最低,只有3.9t/hm2。凋落物自然含水率与郁闭度、季节和立地条件有密切关系,一般是高郁闭度>低郁闭度、夏季>其它季节、低海拔>高海拔、阴坡>阳坡;同一植物群落凋落物的不同分解层次自然含水率相比较,半分解层高于未分解层,差异最大的青杨群落差值达到97.1%。不同分解层次的蓄积量,因植物群落类型不同而有别,同时累积年限和采样时间也是重要的影响因素。实验的采样的时间选择在夏季,因此未分解层凋落物蓄积量较其它季节少,油松未分解层与半分解层蓄积量差值最大为14.1t/hm2,刺槐差异最小为5.5t/hm2。结果表明分解强度从高到低的顺序依次为青杨群落=刺槐群落(31.8%)>油松群落(11.9%);灌木和杂类草群落凋落物蓄积量较少,难于分层,所以在实验中没有做分层处理。2.2凋落物持水能力凋落物的持水能力通常用干物质的最大持水量和持水率来表示,一般情况下,凋落物浸水24h后的持水率可视为该凋落物的最大持水率。表3结果表明,在3种森林群落中同种凋落物不同分解层次的最大持水率,半分解层均高于未分解层。其中,刺槐差异最大差值达到43.0%,青杨差异最小差值为2.5%。由此可见凋落物的持水能力与其分解程度有关,半分解层的最大持水率高于未分解层,这与国内相关研究结论基本一致。然而,植物群落不同,凋落物的持水能力差异很大。油松群落凋落物的最大持水率低于其它所有类型的阔叶林(表3),其未分解层和半分解层的最大持水率分别比青杨群落低97.5%和69.0%。不同植物群落凋落物持水总量顺序为:青杨群落(55.7t/hm2)>油松群落(51.4t/hm2)>刺槐群落(45.3t/hm2)>野艾蒿群落(15.0t/hm2)>荆条群落(14.2t/hm2)>杂类草群落(7.9t/hm2),说明单位面积凋落物的持水总量与其蓄积量和持水能力有关。2.3不同层次群落凋落物群落的吸水量和吸水性速度分析研究表明,凋落物的吸水量和吸水速度与植物种类和分解程度有关。由表4可知,吸水阶段不同,吸水量和吸水速度不同。不同植物群落凋落物的不同分解层次在吸水速度方面都表现为3个阶段,即快速吸水阶段(0～1.0h)、缓慢吸水阶段(1.0～5.0h)、停滞吸水阶段(24.0h)。其中,快速吸水阶段其吸水量和吸水速度都要明显高于其它阶段,尤其是青杨群落和油松群落凋落物的半分解层其在快速吸水阶段的吸水量占整个吸水过程的90.6%,85.3%,其在5.0～24.0h这一阶段的吸水量只占整个吸水过程的3.7%和2.1%。由表4还可以得知,凋落物在5.0～24.0h这一阶段吸水速度已经趋近于零了。分解层次不同,吸水量和吸水速度也存在差异。同一植物群落凋落物的不同分解层次,在0～0.5h内未分解层的吸水量和吸水速度均低于半分解层,差异最大的油松林群落吸水量二者之差为0.42g,吸水速度相差0.84g/h;在5.0～24.0h内半分解层的吸水量和吸水速度均低于未分解层,这说明半分解层比未分解层更早到达吸水饱和点。2.4凋落物所持的雨水影响凋落物层对降雨有效拦蓄的因素很多,但起主要作用的因素有凋落物蓄积量、自然含水率和最大持水率。其中,最大持水率一般只能反映凋落物的持水能力,不能反映凋落物对实际降雨的拦蓄能力。因为最大持水率的测定是将凋落物试样浸水24h后测定所得到的结果。实际上,山地植物群落的坡面一般不会出现较长时间的浸水条件,落到凋落物层上的雨水,一部分被它拦蓄,一部分会很快渗入到土壤中。当降雨量达到20～30mm以后,不论哪种植物群落的凋落物以及其自然含水率的高低,实际持水率约为最大持水率的85%左右。所以用最大持水率来推算凋落物对降雨的拦蓄能力则有偏差。一般用有效拦蓄量估算凋落物对降雨的实际滞纳能力。有效拦蓄量计算公式为:W=(0.85Rm-Ro)M式中:W——有效拦蓄量(t/hm2);Rm——最大持水率(%);Ro——平均自然含水率(%);M——凋落物蓄积量(t/hm2)。由表5看出,不同植物群落凋落物层对降雨的有效拦蓄量:青杨群落(28.5t/hm2)>刺槐群落(24.3t/hm2)>油松群落(12.4t/hm2)>野艾蒿群落(10.5t/hm2)>荆条群落(7.7t/hm2)>杂类草群落(4.5t/hm2)。有效拦蓄降雨最大的青杨群落凋落物层可截留2.85mm林内降雨;最小的杂类草群落凋落物层只能截留0.45mm降雨。2.5凋落物层对降雨的有效拦截蓄积量与最大持水率关系研究结果表明,影响凋落物对降雨有效拦蓄的因子主要有凋落物的蓄积量、自然含水率和最大持水率。凋落物层对降雨的有效拦蓄量与其蓄积量、自然含水率和最大持水率的线性相关分析模型分别为:Y=1.0622X+3.3378(R2=0.5290),Y=0.0897X+6.4862(R2=0.1575)和Y=0.1685X-32.2290(R2=0.7050)。其中,凋落物层对降雨的有效拦蓄量与凋落物的蓄积量和最大持水率呈极显著正相关关系,相关系数分别为r=0.7273(n=6,p<0.01)和r=0.8396(n=6,p<0.002),但其与自然含水率相关性不显著。由此可知,凋落物对降雨的有效拦蓄量与其蓄积量和最大持水率有极为密切的关系。4结论和讨论4.1凋落物对降雨的拦截能力京西百花山区不同植物群落凋落物蓄积量为油松群落(18.5t/hm2)>青杨群落(16.0t/hm2)>刺槐群落(15.1t/hm2)>荆条、野艾蒿群落(5.2t/hm2)>杂类草群落(3.9t/hm2);在不同森林群落中,不同分解层次凋落物蓄积量,未分解层低于半分解层,但不同群落凋落物未分解层与半分解层自然含水率相比普遍偏低。凋落物吸水过程与吸水速度分为3个阶段,即浸水后0～1.0h为快速吸水阶段、1.0～5.0h为缓慢吸水阶段、24.0h为停滞吸水阶段。不同层次凋落物的持水能力:未分解层<半分解层,未分解层在吸水初期的吸水量和吸水速度均低于半分解层,这也间接地说明半分解层会比未分解层更早地达到吸水饱和点。凋落物对降雨的有效拦蓄能力与凋落物蓄积量、最大持水率有密切的关系。相关分析表明,凋落物层对降雨的有效拦蓄量与凋落物蓄积量、最大持水率呈极显著正相关关系。不同植物群落凋落物层对降雨的有效拦蓄量为青杨群落(28.5t/hm2)>刺槐群落(24.3t/hm2)>油松群落(12.4t/hm2)>野艾蒿群落(10.5t/hm2)>荆条群落(7.7t/hm2)>杂类草群落(4.5t/hm2)。4.2凋落物的水土保持作用研究植物群落凋落物层水源涵养作用不仅体现在持水能力上,而且体