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森林枯落物层作为森林调节水源的第二层,包括林木及林下植被掉落下来的茎、叶、花、果实、树皮和枯死的植物残体等,能够有效对林冠层截留后的降雨进行再分配,从而有效减少地表径流,增强土壤的抗冲能力[1-3]。枯落物层较强的保水能力对土壤水分蒸发有较好抑制作用,同时对森林水源涵养有促进作用。
枯落物层自然含水量是森林生态系统水文循环中的重要分量之一,对森林生态系统地表界面的土壤蒸发、水分下渗、产流等水文过程起着关键作用[4-5],故中国生态系统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network, CERN)将枯落物层含水量列为森林生态系统试验站长期定位观测的水文要素之一,从而为我国主要类型生态系统水文过程的时间动态研究提供坚实基础。
目前,相关研究主要集中在枯落物的持水能力方面[6-11],这对揭示不同气候区典型森林类型枯落物层的生态水文效应及其功能评估奠定了重要基础,但对自然状态下森林枯落物层含水量的研究关注较少。以往学者研究表明,枯落物层自然含水量受自身理化性质及与气候有关的环境因子的影响[12],其中,气候因子主要包括温度、降雨量、相对湿度、降雨天数、风速和蒸发等[13-16]。然而,这些研究都只是基于短期时间内含水量的动态变化与相关因素的研究。枯落物层含水量长期动态研究的缺乏限制了对森林生态系统水源涵养功能的理论认知与评估工作。
鼎湖山季风常绿阔叶林是北回归线附近保存较为完好的地带性顶极植被类型,是当前相同纬度带上最具特色和研究价值的植被之一[17]。本文基于鼎湖山森林生态系统定位研究站季风常绿阔叶林永久样地2005—2018年枯落物层自然含水量定期观测的数据,探究该地带性顶极森林群落地表枯落物层自然含水量的时间动态,并结合气象要素、土壤水分要素等的长期观测揭示影响枯落物层含水量的主要因子。
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本文涉及的气象因子包括大气温度、降雨量、空气相对湿度、蒸发量(数据均来源于鼎湖山自动气象观测站2005—2018年的自动监测)及饱和水汽压差。大气温度、空气相对湿度分别用温度传感器(HMP45D,Vaisala公司,芬兰)和湿度传感器(HMP45D,Vaisala公司,芬兰)记录,降雨量采用雨量器(SM1-1型,上海气象仪器厂有限公司,上海)进行人工观测,蒸发量采用小型蒸发皿(ADM7,中环天仪(天津)气象仪器有限公司,天津)人工观测,饱和水汽压差(VPD)的计算公式如下:
$ V P D=0.611 \mathrm{e}^{\frac{17.502 T}{T + 240.97}}(1-R H) $
式中:T为大气温度,RH为空气相对湿度。
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在季风常绿阔叶林样地内冠层结构比较均匀的下方,按照一定的距离间隔随机设置3个1 m × 1 m的样方,每月中旬在没有降雨的情况下采集1次样品。取样时,将样方内所有的枯枝落叶都收集起来,去除夹杂的土壤后用透明不透气的封口胶袋包好并记录样方面积和位置信息。样品采集完成后带回实验室称质量并记录鲜质量(ma/g),然后用烘箱在105 ℃下将样品持续烘干至质量恒定,记录样品干质量(mb/g)。枯落物层含水量WL(%)计算公式如下:
$ W_{L}=( m_{a-} m_{b })/ m_{b} \times 100 {\text{%}} $
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观测期内,用CERN统一配置的中子仪(CNC503B,北京超能科技公司,北京)定期测量样地内表层土壤(0~15 cm)的土壤含水量。土壤体积含水量VWC(%)和观测剖面的土层土壤储水量SWS(mm)的计算公式为:
$ V W C=m\left(R / R_{w}\right) + c $
$ S W S=V W C \times h / 10 $
式中:R是土壤中的中子计数率;Rw是水体中的中子计数率;m和c为常数,取值分别为12.272和−1.2683;h为土层厚度。
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本文以2005—2018年为时间节点,所收集到的数据均用Excel 2016及SPSS 24.0处理,对所得的数据求取平均值、标准差及变异系数;同时对枯落物层含水量与所选取的影响因子做相关性分析,在P < 0.05水平上检验相关系数的显著性,相关系数在0.8~1.0为极强相关,0.6~0.8为强相关,0.4~0.6为中等程度相关,0.2~0.4为弱相关,低于0.2为极弱相关[20]。另外,为了避免多元线性回归中存在的共线性和个别自变量贡献率较小的问题,进一步采取多元逐步回归分析法建立枯落物层自然含水量与影响因子的模型。本文作图均采用Origin 2017完成。
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研究期内,鼎湖山的年降雨量的变化范围为1 423.1~2 869.2 mm,多年平均值为1 975.6 mm。年降雨量的平均相对变率(最大年值/多年平均值)和降雨变率(最大年值/最小年值)分别为1.5和2.0,变异系数为20.0%。大气温度的多年平均值为22.3 ℃,变异系数为1.2%。空气相对湿度的多年平均值为77.1%,其变异系数为5.5%。年蒸发量变化范围为992.8~1 338.1 mm,多年平均值为1 117.3 mm,变异系数为8.7%。饱和水汽压差的多年平均值为0.58 kPa,变异系数为29.4%。整体上,本地区降雨量丰富,热量输入相对稳定,干湿分明且雨热同期特征明显(图1)。
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在年尺度上,季风常绿阔叶林的枯落物层鲜质量平均值为230.0 g∙m−2,变化范围为186.1~263.5 g·m−2,变异系数为11.9%;干质量的平均值为126.0 g∙m−2,变化范围为75.6~178.8 g∙m−2,变异系数为27.4%。年尺度上季风常绿阔叶林枯落物层自然含水量的多年均值为89.5%,变化范围为59.7%~131.7%,变异系数为20.0%。在年内格局中,枯落物层自然含水量的最大值和最小值分别出现在6月和12月,其值分别为129.6%和53.0%,变异系数为30.1%(图2)。
图 2 2005—2018年季风常绿阔叶林枯落物层现存量与自然含水量的月动态
Figure 2. Monthly dynamics of standing mass of humus layer and humus layer moisture in the monsoon evergreen broad-leaved forest from 2015 to 2018
由图3a可知:枯落物层自然含水量在干季的平均值为75.8%,湿季为103.2%,湿季明显高于干季;干季变异系数为35.9%,湿季变异系数为19.6%,干季显著高于湿季。枯落物层现存量(干质量)的平均值表现为干季(130.3 g∙m−2)> 湿季(121.6 g∙m−2),变异系数分别为6.4%和5.0%。湿季的降雨量(1 496.0 mm)远大于干季(479.6 mm),湿季的变异系数(67.3%)显著高于干季(27.6%)(图3b)。表层(0~15 cm)土壤储水量湿季的平均值(56.0 mm)显著高于干季(45.7 mm),干季的变异系数较高(7.3%),湿季的变异系数为3.4%。在降雨季节分配极不均的鼎湖山地区,表层土壤和地表枯落物层均呈现出调蓄降水的重要水文生态功能,枯落物层与土壤层的自然含水量呈现出相同的季节变化格局。
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图4表明:湿季期间降雨量(P < 0.01)和空气相对湿度(P < 0.001)与枯落物层含水量均呈极显著正相关,表层土壤储水量(P < 0.05)与其呈显著正相关;其中,降雨量和土壤储水量为弱相关,空气相对湿度为中等程度相关;蒸发量(P < 0.01)和饱和水汽压差(P < 0.001)均与枯落物层含水量呈极显著负相关,相关程度分别为弱相关和中等程度相关;而大气温度与枯落物层自然含水量的相关不显著(P > 0.05)。干季期间,降雨量、空气相对湿度和土壤储水量均与枯落物自然含水量呈极显著正相关(P < 0.001),均为中等程度的相关;蒸发量和饱和水汽压差均与枯落物层自然含水量呈极显著负相关(P < 0.001),均为中等程度的相关;而大气温度与枯落物层自然含水量呈不显著负相关(P > 0.05)。
为深入了解枯落物层自然含水量与各环境因子的关系,对枯落物层含水量与各因子进行多元逐步回归分析(表1),结果表明:在湿季,枯落物层自然含水量主要受空气相对湿度影响(P < 0.001),空气相对湿度能单独解释枯落物层含水量26%的变异。在干季,空气相对湿度和降雨量能共同解释35%的变异,表明干季期间空气相对湿度和降雨量共同主导着森林地表枯落物层的自然含水量变化(P < 0.001)。
表 1 枯落物层自然含水量与环境因子的逐步回归分析
Table 1. Multivariate stepwise regression analysis between humus layer moisture and environmental factors
季节
Season回归方程
Regression equationR2 P 湿季 Wet season y=−292.3 + 4.8RH 0.26 0.000 干季 Dry season y=−111.0 + 2.4RH + 0.2P 0.35 0.000 注Note:RH为空气相对湿度(Air relative humidity),P为降雨量(Precipitation)。
鼎湖山季风常绿阔叶林枯落物层自然含水量的长期动态变化
Long-term Dynamics of Humus Layer Moisture in Monsoon Evergreen Broad-leaved Forest in Dinghushan
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摘要:
目的 枯落物层自然含水量是林地环境特征的重要方面,探究枯落物层自然含水量长期动态及其影响机制对认知森林生态系统的水源涵养功能及森林立地环境变化具有重要意义。 方法 本文以鼎湖山国家级保护区内严格保护下的季风常绿阔叶林为研究对象,按照中国生态系统研究网络台站标准化的观测规范,对森林枯落物层自然含水量长期观测(2005—2018年),探究该地带性顶极森林枯落物层自然含水量的长期动态及其环境影响机制。 结果 鼎湖山地区多年平均降雨量1 975.6 mm,年均蒸发量1 117.3 mm,降雨丰富,热量输入稳定,雨热同期特征显著。地带性顶极森林群落季风常绿阔叶林的枯落物层现存量的多年均值为126.0 g·m−2,干季期间现存量(130.3 g·m−2)略高于湿季(121.6 g·m−2);枯落物层自然含水量的多年均值为89.5%,湿季(103.2%)显著高于干季(75.8%),且湿季期间枯落物层含水量的变异系数(19.6%)显著低于干季(35.9%)。此外,相较于同期表层土壤(0~15 cm)的变化,枯落物层自然含水量的变异系数(30.1%)显著高于土壤水分的相应变异(11.6%),表明枯落物层对外界环境变化更具敏感性。进一步分析表明,降雨量、空气相对湿度、蒸发量、饱和水汽压差和土壤水分条件均显著影响着枯落物层自然含水量的变化,尤其是湿季期间空气相对湿度以及干季期间空气相对湿度和降雨量对枯落物层自然含水量变化表现出主导作用。 结论 鼎湖山季风常绿阔叶林的枯落物层自然含水量整体处于较高水平,枯落物层具有重要的稳定森林生态系统内部环境以及指示森林立地环境变化等的水文生态功能。 -
关键词:
- 枯落物层含水量
- / 季风常绿阔叶林
- / 水文功能
- / 中国生态系统研究网络
Abstract:Objective The humus layer moisture is one of the environmental characteristics of a forest. It is significant to explore the long-term dynamics of the humus layer moisture and the underlying regulatory mechanisms for understanding the water conservation function of a forest ecosystem and the changes of the forest environment. Method In this study, we focused on the zonal climax forest in lower subtropical China, i.e., the monsoon evergreen broad-leaved forest which was strictly protected in Dinghushan National Nature Reserve. Based on the unified standards for the construction and monitoring of forest plots by Chinese Ecosystem Research Network, long-term observation of humus layer moisture in the monsoon evergreen broad-leaved forest was conducted from 2005 to 2018. This study aims at exploring the long-term dynamic of humus layers moisture and its regulatory mechanisms. Result During 2005 to 2018, the average annual precipitation of Dinghushan was 1 975.6 mm, the average annual temperature was 22.3 ℃, the rainfall was abundant and the heat input was stable throughout the year, presenting warm wet summers and cool dry winters. The average standing mass of humus layer was 126.0 g·m−2, which was slightly higher in the dry seasons (130.3 g·m−2) than in the wet seasons (121.6 g·m−2). The average annual humus layer moisture was 89.5%. The mean humus layer moisture in wet seasons (103.2%) was obviously higher than that in dry seasons (75.8%), and the variation coefficient in the wet seasons (19.6%) was significantly lower than that in the dry seasons (35.9%). Compared with the change of soil water storage (0-15 cm) in the same period, the variation coefficient of humus layer moisture (30.1%) was significantly higher than that of the soil water storage (11.6%), indicating that humus layer was more sensitive to the change of external environment. Further analysis showed that the precipitation, air relative humidity, evaporation, vapor pressure deficit and soil water storage had profound effects on the dynamic of humus layer moisture, especially the air relative humidity in the wet seasons and the air relative humidity and precipitation in the dry seasons had the dominant effects, respectively. Conclusion The humus layer moisture in monsoon evergreen broad-leaved forest in Dinghushan is relatively high. It plays an important role in stabilizing the internal environment of forest ecosystem and indicating the change of regional environment. -
表 1 枯落物层自然含水量与环境因子的逐步回归分析
Table 1. Multivariate stepwise regression analysis between humus layer moisture and environmental factors
季节
Season回归方程
Regression equationR2 P 湿季 Wet season y=−292.3 + 4.8RH 0.26 0.000 干季 Dry season y=−111.0 + 2.4RH + 0.2P 0.35 0.000 注Note:RH为空气相对湿度(Air relative humidity),P为降雨量(Precipitation)。 -
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