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

植物群落的許多生態(tài)功能并不完全依賴土壤的所有部分，地表的凋落物也起著重要作用。特別是在保護水源、維持水土和促進系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡方面，凋落物層發(fā)揮著不可替代的作用。國內(nèi)對于凋落物持水性能研究較多,但對同一地區(qū)不同植物群落凋落物持水性能的研究較少,尤其是涉及同一地區(qū)典型植物群落包括喬木、灌木以及草本凋落物在特定時段(雨季)持水性能的研究更少,而且部分研究也未對草本和灌木凋落物持水性能進行研究。實際上,在北方干旱半干旱地區(qū),灌木和草本植物在群落中所占比例較大,其凋落物對改善土壤理化性狀也起著重要的作用。京西百花山區(qū)山勢險峻,山地面積約占98.5%,在雨季來臨之際,極易發(fā)生水土流失、泥石流等自然災(zāi)害。因此,構(gòu)建合理的植被體系,強化區(qū)域水土保持功能已成為本區(qū)域研究重點。本文以當(dāng)?shù)赜退?Pinustabulaeformis)、青楊(Populuscathayana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等人工林,以及天然灌叢和棄耕地草本植被為主,重點研究不同植物群落凋落物持水能力,以及凋落物層在保持水土、減少自然災(zāi)害等方面的貢獻,為綜合評價該地區(qū)植物群落生態(tài)服務(wù)功能奠定一定基礎(chǔ)。1材料和方法1.1研究區(qū)土壤條件研究區(qū)位于北京西部門頭溝區(qū)清水林場境內(nèi),地理位置:北緯39°53′57.5″,東經(jīng)115°36′0.9″,海拔630～1010m。屬太行山北段百花山中緯度大陸性季風(fēng)氣候區(qū),春季干旱多風(fēng),夏季水熱集中,秋季涼爽濕潤,冬季寒冷干燥,年均氣溫10.2℃,日照2470h,年均風(fēng)速2.7m/s,降水量563.4mm,其中雨季(6～8月)約占70%以上。研究區(qū)為石質(zhì)山地,土層較薄,質(zhì)地粗糙,一般在土層深10cm以下即可見粗砂或礫石,土壤類型由地帶性褐土和山地棕壤等多個土類組成。植被呈喬灌草復(fù)合結(jié)構(gòu),覆蓋度90%以上。上層植被以刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、青楊(Populuscathayana)等人工林為主;中層灌木以荊條(Vitexnegundo)、艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、蒙古蒿(A.mongolica)、白蓮蒿(A.sacrorum)等蒿類植物為主;下層草本以鬼針草(Bidenspilosa)、遠東芨芨草(Achnatherumextremiorientale)、大油芒(Spodiopogonsibiricus)、二色胡枝子(Lespedezabicolor)、草木樨(Melilotusoffcinalis)等為主,每1m2物種數(shù)量平均25種以上。1.2凋落物采樣及分析實驗于2006年7月下旬到8月中旬進行。在研究區(qū)內(nèi),按不同植物群落選取6塊典型樣地,其基本特征參見表1。然后,在每塊樣地內(nèi)隨機布設(shè)50cm×50cm樣方5個,收集樣方內(nèi)的凋落物,并按照未分解層(A0層原有色澤不變保持原有形態(tài)的凋落物)和半分解層(A′0層外行破損,已辨不清原有形態(tài)甚至已全部分解成碎屑狀的凋落物)兩層采樣,編號裝入塑封袋內(nèi),帶回室內(nèi)進行分析。凋落物持水性能測定,按照森林土壤定位研究法進行自然含水率、最大持水率等項目的測定,并據(jù)此計算蓄積量、持水量以及有效攔蓄水量,為精確測定凋落物自然含水率,實驗中盡量做到當(dāng)天采樣、當(dāng)天測定。1.3處理數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,采用MicrosoftExcel2003軟件包進行,并利用SPSS12.0統(tǒng)計軟件進行相關(guān)性分析。2結(jié)果與分析2.1凋落物自然含水率凋落物蓄積量取決于植物的組成、生長量、輸入量、郁閉度(蓋度)和累積年限,而不同分解層的蓄積量則主要取決于分解速度、累積年限和采樣時間(參見表2)。表2表明,油松群落凋落物蓄積量高于其它群落,蓄積量高達18.5t/hm2,主要是受累積年限長和郁閉度高的影響;青楊、刺槐種植年限短、郁閉度低,蓄積量次之;灌木和雜類草群落凋落物蓄積量低于喬木的原因在于其生長量和輸入量低,雜類草群落蓄積量最低,只有3.9t/hm2。凋落物自然含水率與郁閉度、季節(jié)和立地條件有密切關(guān)系,一般是高郁閉度>低郁閉度、夏季>其它季節(jié)、低海拔>高海拔、陰坡>陽坡;同一植物群落凋落物的不同分解層次自然含水率相比較,半分解層高于未分解層,差異最大的青楊群落差值達到97.1%。不同分解層次的蓄積量,因植物群落類型不同而有別,同時累積年限和采樣時間也是重要的影響因素。實驗的采樣的時間選擇在夏季,因此未分解層凋落物蓄積量較其它季節(jié)少,油松未分解層與半分解層蓄積量差值最大為14.1t/hm2,刺槐差異最小為5.5t/hm2。結(jié)果表明分解強度從高到低的順序依次為青楊群落=刺槐群落(31.8%)>油松群落(11.9%);灌木和雜類草群落凋落物蓄積量較少,難于分層,所以在實驗中沒有做分層處理。2.2凋落物持水能力凋落物的持水能力通常用干物質(zhì)的最大持水量和持水率來表示,一般情況下,凋落物浸水24h后的持水率可視為該凋落物的最大持水率。表3結(jié)果表明,在3種森林群落中同種凋落物不同分解層次的最大持水率,半分解層均高于未分解層。其中,刺槐差異最大差值達到43.0%,青楊差異最小差值為2.5%。由此可見凋落物的持水能力與其分解程度有關(guān),半分解層的最大持水率高于未分解層,這與國內(nèi)相關(guān)研究結(jié)論基本一致。然而,植物群落不同,凋落物的持水能力差異很大。油松群落凋落物的最大持水率低于其它所有類型的闊葉林(表3),其未分解層和半分解層的最大持水率分別比青楊群落低97.5%和69.0%。不同植物群落凋落物持水總量順序為:青楊群落(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)>荊條群落(14.2t/hm2)>雜類草群落(7.9t/hm2),說明單位面積凋落物的持水總量與其蓄積量和持水能力有關(guān)。2.3不同層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與植物種類和分解程度有關(guān)。由表4可知,吸水階段不同,吸水量和吸水速度不同。不同植物群落凋落物的不同分解層次在吸水速度方面都表現(xiàn)為3個階段,即快速吸水階段(0～1.0h)、緩慢吸水階段(1.0～5.0h)、停滯吸水階段(24.0h)。其中,快速吸水階段其吸水量和吸水速度都要明顯高于其它階段,尤其是青楊群落和油松群落凋落物的半分解層其在快速吸水階段的吸水量占整個吸水過程的90.6%,85.3%,其在5.0～24.0h這一階段的吸水量只占整個吸水過程的3.7%和2.1%。由表4還可以得知,凋落物在5.0～24.0h這一階段吸水速度已經(jīng)趨近于零了。分解層次不同,吸水量和吸水速度也存在差異。同一植物群落凋落物的不同分解層次,在0～0.5h內(nèi)未分解層的吸水量和吸水速度均低于半分解層,差異最大的油松林群落吸水量二者之差為0.42g,吸水速度相差0.84g/h;在5.0～24.0h內(nèi)半分解層的吸水量和吸水速度均低于未分解層,這說明半分解層比未分解層更早到達吸水飽和點。2.4凋落物所持的雨水影響凋落物層對降雨有效攔蓄的因素很多,但起主要作用的因素有凋落物蓄積量、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,不能反映凋落物對實際降雨的攔蓄能力。因為最大持水率的測定是將凋落物試樣浸水24h后測定所得到的結(jié)果。實際上,山地植物群落的坡面一般不會出現(xiàn)較長時間的浸水條件,落到凋落物層上的雨水,一部分被它攔蓄,一部分會很快滲入到土壤中。當(dāng)降雨量達到20～30mm以后,不論哪種植物群落的凋落物以及其自然含水率的高低,實際持水率約為最大持水率的85%左右。所以用最大持水率來推算凋落物對降雨的攔蓄能力則有偏差。一般用有效攔蓄量估算凋落物對降雨的實際滯納能力。有效攔蓄量計算公式為:W=(0.85Rm-Ro)M式中:W——有效攔蓄量(t/hm2);Rm——最大持水率(%);Ro——平均自然含水率(%);M——凋落物蓄積量(t/hm2)。由表5看出,不同植物群落凋落物層對降雨的有效攔蓄量:青楊群落(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)>荊條群落(7.7t/hm2)>雜類草群落(4.5t/hm2)。有效攔蓄降雨最大的青楊群落凋落物層可截留2.85mm林內(nèi)降雨;最小的雜類草群落凋落物層只能截留0.45mm降雨。2.5凋落物層對降雨的有效攔截蓄積量與最大持水率關(guān)系研究結(jié)果表明,影響凋落物對降雨有效攔蓄的因子主要有凋落物的蓄積量、自然含水率和最大持水率。凋落物層對降雨的有效攔蓄量與其蓄積量、自然含水率和最大持水率的線性相關(guān)分析模型分別為: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,凋落物層對降雨的有效攔蓄量與凋落物的蓄積量和最大持水率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為r=0.7273(n=6,p<0.01)和r=0.8396(n=6,p<0.002),但其與自然含水率相關(guān)性不顯著。由此可知,凋落物對降雨的有效攔蓄量與其蓄積量和最大持水率有極為密切的關(guān)系。4結(jié)論和討論4.1凋落物對降雨的攔截能力京西百花山區(qū)不同植物群落凋落物蓄積量為油松群落(18.5t/hm2)>青楊群落(16.0t/hm2)>刺槐群落(15.1t/hm2)>荊條、野艾蒿群落(5.2t/hm2)>雜類草群落(3.9t/hm2);在不同森林群落中,不同分解層次凋落物蓄積量,未分解層低于半分解層,但不同群落凋落物未分解層與半分解層自然含水率相比普遍偏低。凋落物吸水過程與吸水速度分為3個階段,即浸水后0～1.0h為快速吸水階段、1.0～5.0h為緩慢吸水階段、24.0h為停滯吸水階段。不同層次凋落物的持水能力:未分解層<半分解層,未分解層在吸水初期的吸水量和吸水速度均低于半分解層,這也間接地說明半分解層會比未分解層更早地達到吸水飽和點。凋落物對降雨的有效攔蓄能力與凋落物蓄積量、最大持水率有密切的關(guān)系。相關(guān)分析表明,凋落物層對降雨的有效攔蓄量與凋落物蓄積量、最大持水率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。不同植物群落凋落物層對降雨的有效攔蓄量為青楊群落(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)>荊條群落(7.7t/hm2)>雜類草群落(4.5t/hm2)。4.2凋落物的水土保持作用研究植物群落凋落物層水源涵養(yǎng)作用不僅體現(xiàn)在持水能力上,而且體