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森林生态系统具有水土保持、水质净化、径流调节、土壤改良等重要生态功能[1-3],其中,枯落物层发挥着重要作用,而且还具有为森林中动植物及大量微生物生长提供栖息环境与养分等重要功能[4-6]。枯落物层的生物量、物质组成、层次组成等特征会随森林类型、立地环境、生长状况等而变化,而且林地水热条件和枯落物组成差异也会导致枯落物层的分解速率和理化性质差异[7-8],这必然导致枯落物层水文功能的差异。国内外对枯落物层水文功能研究开始很早,我国在20世纪80年代就开始此类研究[9],如马雪华等[10]的研究表明,林下枯落物蓄积量对持水能力有很大影响,贺淑霞等[11]研究也证明了该观点。Dabney[12]认为,林分树种组成、林木生长状况、季节变化等因素都将影响森林内枯落物的凋落。不同层次的枯落物会通过影响水热条件与养分进而影响林分生长情况以及土壤理化性质,进一步影响森林水文过程[13-15]。国内外学者在不同领域对不同类型森林的林下枯落物做了大量研究,但较缺乏对出现死亡现象等不健康森林的研究。因此,需分别研究不同区域不同森林在不同立地和生长阶段及不同健康情况的枯落物蓄积量及水文作用。
大兴安岭南段的内蒙古赛罕乌拉国家级自然保护区(以下简称:赛罕乌拉保护区)地处半干旱、半湿润区的过渡带,其植被是森林和草原的过渡带,森林植被的空间分布与生长对气候变化非常敏感。近年来,受气候变化影响,尤其是降水减少和温度升高带来的干旱胁迫影响,该地区山杨纯林与白桦纯林都出现了不同程度的衰退甚至死亡[16-17],在导致区域森林覆盖率和森林郁闭度降低的同时,也引发了森林枯落物层生物量大小和组成及水文功能变化。因此,需测定和评价山杨纯林与白桦纯林的水源涵养功能,为森林健康监测与评价及合理经营提供科学参考[18]。
本文以赛罕乌拉保护区为研究区,以出现树木死亡和森林衰退的山杨纯林与白桦纯林的枯落物层为对象,调查枯落物层的现存量,并采用室内浸泡法测定枯落物层的持水量、吸水速率等,从而准确认识显著遭受暖干化气候变化胁迫危害的山杨纯林和白桦纯林的枯落物层水文特征,为该地区的森林恢复与管理提供一定的理论依据。
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研究区位于赛罕乌拉保护区,该地位于大兴安岭南段,赤峰市巴林右旗北部(118°18′~118°55′E,43°59′~44°27′N),主要森林植被为杨桦次生林,海拔平均为1 000 m以上,年均气温5.21 ℃,年均降水量为400 mm。自1993年以来,该地区出现的气候干旱导致树木大量死亡[19]。
在研究区选择典型的山杨纯林与白桦纯林,设置面积为30 m × 30 m的样地各9块, 其林分结构、立地特征见表1。所选样地的郁闭度相近,立地条件基本相同。
林分类型
Stand
type坡向
Aspect坡度
Slope/
(°)坡位
Slope
position土壤
类型
Soil type林龄
Age of
stand/a密度
Density/
(株·hm-2)郁闭度
Canopy
closure/%枯落物层厚度
Litter layer
thickness/cm平均树高
Mean
Heigh/m平均胸径
Mean DBH/
cm山杨纯林 N 15~17 坡中 棕壤土 20~30 2 078 0.75 ± 0.15 8.33 ± 2.51 6.42 8.92 白桦纯林 N 12~18 坡中 棕壤土 25−30 1 378 0.75 ± 0.14 4.05 ± 0.86 7.88 15.79 Table 1. General situation of trees in different forest plots
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自7—8月,在各样地内的上、中、下部,各设置面积50 cm × 50 cm的样方3个,按枯落物层的未分解层、半分解层分别收集装袋保存,54个样地共取得样品108袋。
将采集到的枯落物样品迅速称量鲜质量;之后,将样品置于室内干燥通风7 d以上,至枯落物完全风干,称取枯落物风干质量。
采用室内浸泡法测定枯落物持水量及其吸水速度,即将装入尼龙网袋的风干枯落物样品浸入水中后,分别测定其在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、24 h后的质量变化,用于计算吸水速率,表现吸水过程。
计算枯落物蓄积量、含水量、含水率、拦蓄量以及拦蓄率等指标[20],用于后续分析。
(1)枯落物自然含水率(R0/%)计算公式如下:
式中:W1 为枯落物湿质量/g,W2为枯落物干质量/g。
(2)单位面积枯落物烘干蓄积量(M/(t·hm−2))计算公式如下:
(3)枯落物最大持水率(Rhmax/%)计算公式如下:
式中:W3为枯落物浸水24 h后的含水量/g。
(4)枯落物最大持水量(Whmax/(t·hm−2))计算公式如下:
(5)枯落物最大拦蓄率(Rsmax/%)计算公式如下:
(6)枯落物最大拦蓄量(Wsmax/(t·hm−2))计算公式如下:
(7)枯落物有效拦蓄率(Rsv/%)计算公式如下:
式中:0.85是因为实际拦蓄率只有最大拦蓄率的85%。
(8)枯落物有效拦蓄量(Wsv/(t·hm−2))计算公式如下:
(9)枯落物瞬时吸水速率(V/(g·kg−1·h−1))计算公式如下:
式中:Wt和Wt − 1分别为在浸泡时间t和t-1时的枯落物湿质量/g,
$ \mathit{\Delta t} $ 为在时刻t和t-1之间的时段长/h。 -
由表2可知:该地区山杨纯林标准地的枯落物总储量稍高于白桦纯林标准地。
林分类型
Stand type样品干质量 Sample dry weight/g 枯落物储量 Litter reserves 总量 未分解层 半分解层 总储量/
(t·hm−2)未分解层 半分解层 储量/
(t·hm−2)占总储量/
%储量/
(t·hm−2)占总储量
/%山杨 5 273.51 1 572.83 3 700.68 12.41 ± 0.55 3.70 ± 0.18 30.00 8.71 ± 0.41 70.00 白桦 7 407.50 2 024.92 5 382.58 10.97 ± 0.48 3.00 ± 0.12 27.00 7.97 ± 0.41 73.00 Table 2. Accumulation of litter in different stands
对未分解层枯落物储量,山杨纯林为3.70 t·hm−2,白桦纯林为3.00 t·hm−2,分别占各自枯落物总储量的30%和27%。
对半分解层枯落物储量,山杨纯林为8.71 t·hm−2,白桦纯林为7.97 t·hm−2,分别占各自枯落物总储量的70%和73%。
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由表3可知:山杨纯林和白桦纯林的最大持水率,未分解层分别为224.31%与269.29%,半分解层分别为218.36%与234.18%,表现为山杨纯林低于白桦纯林。
林分类型
Stand
type枯落物层
Litter
layer蓄积量
Amount of growing
stock/(t·hm−2)自然含水率
Natural moisture
content/%最大持水量
Maximum water-holding capacity/(t·hm−2)最大持水率
Maximum water holding capacity/%山杨纯林 未分解层 3.70 ± 0.18 59.36 ± 6.74 8.21 ± 0.45 224.31 ± 5.80 半分解层 8.71 ± 0.41 100.32 ± 5.02 18.64 ± 0.64 218.36 ± 8.20 合计 12.41 ± 0.55 — 26.85 ± 0.82 — 白桦纯林 未分解层 3.00 ± 0.12 75.09 ± 6.87 8.04 ± 0.31 269.29 ± 5.05 半分解层 7.97 ± 0.41 116.12 ± 2.62 18.47 ± 0.85 234.18 ± 4.49 合计 10.97 ± 0.48 — 26.47 ± 1.05 — Table 3. Water holding capacity of litter under two stands
山杨纯林和白桦纯林的枯落物层最大持水量,未分解层分别为8.21和8.04 t·hm−2,半分解层分别为18.64与18.47 t·hm−2,整个枯落物层分别为26.85与26.47 t·hm−2,山杨纯林稍高于白桦纯林。
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由表4可知:山杨纯林与白桦纯林枯落物层的最大拦蓄率,未分解层分别为164.65%与194.20%,半分解层分别为118.03%与118.07%,表现为白桦纯林高于山杨纯林。
林分类型
Stand
type枯落物层
Litter
layer最大拦蓄量
Maximum storage
capacity/(t·hm−2)最大拦蓄率
Maximum retention
rate/%有效拦蓄量
Effective storage
capacity/(t·hm−2)有效拦蓄率
Effective retention
rate/%山杨纯林 未分解层 5.97 ± 0.32 164.94 ± 7.99 4.74 ± 0.28 131.29 ± 7.54 半分解层 10.02 ± 0.46 118.03 ± 6.22 7.22 ± 0.41 85.29 ± 5.30 合计 15.99 ± 0.56 — 11.96 ± 0.81 — 白桦纯林 未分解层 5.70 ± 0.24 194.20 ± 8.49 4.50 ± 0.28 153.80 ± 8.07 半分解层 9.36 ± 0.53 118.07 ± 4.86 6.57 ± 0.40 82.94 ± 4.28 合计 15.06 ± 0.65 — 11.07 ± 0.53 — Table 4. Retention capacity of litter under two stands
山杨纯林与白桦纯林枯落物层的最大拦蓄量,未分解层分别为5.97与5.70 t·hm−2,分别相当于能吸收5.97与5.70 mm的降水;半分解层分别为10.02与9.36 t·hm−2,分别相当于能吸收10.02与9.36 mm的降水;整个枯落物层分别为15.99与15.06 t·hm−2,分别相当于能吸收15.99与15.06 mm的降水。2种森林的枯落物层蓄积量和持水能力虽然有差别,但最大拦蓄量却比较相近,白桦纯林略低于山杨纯林。
山杨纯林与白桦纯林枯落物层的有效拦蓄量,未分解层分别为4.74与4.50 t·hm−2,半分解层分别为7.22与6.57 t·hm−2,整个枯落物层分别为11.96、11.07 t·hm−2;在有效拦蓄率方面,未分解层分别为131.29%与153.80%,半分解层分别为85.29%与82.94%,2种森林的有效拦蓄量仍是白桦纯林略低于山杨纯林。
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单位质量的枯落物累积持水量随浸泡时间而变化[21]。由表5可知,2种林分的枯落物持水量在浸水时段0~0.5 h增加最快,之后趋于平缓,但依旧保持上升趋势。2种林分的未分解层和半分解层枯落物在分别浸泡12 h和6 h后,其林分的未分解层和半分解层枯落物的持水量均几乎达到饱和,且2种林分均表现为未分解层枯落物层的持水量高于半分解层。基于观测数据,建立了2种林分枯落物层动态持水量/(g·kg−1)与浸水时间/h的统计关系(表6),拟合精度均很高。
林分类型
Stand type枯落物层
Litter layer浸水时间 Immersion time/h 0.5 1 2 4 6 8 10 12 24 山杨纯林 未分解层 1561.56 1731.77 1835.83 1887.39 1947.48 2003.88 2057.25 2191.07 2229.76 半分解层 1564.00 1730.99 1808.33 1858.74 1884.71 1975.72 2034.05 2077.73 2140.83 白桦纯林 未分解层 2762.63 2969.04 3091.37 3188.88 3316.26 3323.73 3470.90 3561.66 3689.85 半分解层 1680.08 1933.52 2022.70 2128.95 2178.71 2202.70 2222.82 2282.40 2353.40 Table 5. Water holding process of the two stand litter layers at different time periods
g·kg−1 林分类型
Stand type枯落物层
Litter layer关系式
RelationR2 山杨纯林 未分解层 y = 167.02ln(x) + 1 693.1 0.960 2 白桦纯林 未分解层 y = 231.85ln(x) + 2 923.2 0.974 9 山杨纯林 半分解层 y = 142.8ln(x) + 1 687.4 0.966 9 白桦纯林 半分解层 y = 160.66ln(x) + 1 875.7 0.957 0 Table 6. Relationship between water holding capacity of litter layer and soaking time in two forests
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森林枯落物吸水速率是随浸水时间而变化的,林内降水会被吸水速率高的枯落物直接吸收,从而阻延地表径流[22]。
由图1、2可知:2种林分的未分解层和半分解层枯落物的吸水速率均随浸泡时间增加而降低,且山杨纯林的吸水速率明显低于白桦纯林。2种森林的未分解层和半分解层枯落物的吸水速率均表现为在0~0.5 h时间内非常高,白桦纯林和山杨纯林的未分解层分别为3 123.11与5 525.26 g·kg−1·h−1,半分解层分别为3 128.00与3 360.15 g·kg−1·h−1;之后,吸水速率急剧下降,直到4 h后趋于平缓,未分解层和半分解层在数值上分别小1 000 和接近于500 g·kg−1·h−1。可见,2种林分的未分解层枯落物的吸水速率在浸泡前期有较大差异,但均在8 h之后变化幅度微小;2种林分的半分解层枯落物的吸水速率差距微小,且在6 h之后变化幅度微小。
拟合2种林分的枯落物层吸水速率/(g·kg−1·h−1)与浸水时间/h的关系(表7),精度均极高。
林分类型
Stand type枯落物层
Litter layer关系式
RelationR2 山杨纯林 未分解层 y = 1 692.5x−0.911 0.999 7 白桦纯林 未分解层 y = 2 923.8x−0.928 0.999 9 山杨纯林 半分解层 y = 1 686.5x−0.923 0.999 7 白桦纯林 半分解层 y = 1 870.3x−0.920 0.999 5 Table 7. The relationship between water absorption rate of litter layer and soaking time in two forest stands
Hydrological Effects of the Humus Layer of Pure Forest of Populus davidiana and Betula platyphylla in Southern Section of Daxing'anling Mountains, Inner Mongolia, China
- Received Date: 2021-09-27
- Accepted Date: 2021-12-07
- Available Online: 2022-04-20
Abstract: