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        伏牛山三種天然林的樹干莖流季節(jié)差異及胸徑影響

        2024-01-01 00:00:00牛保亮劉彥春
        林業(yè)科學(xué)研究 2024年3期
        關(guān)鍵詞:伏牛山胸徑

        摘要:[目的]探討伏牛山三種森林類型的樹干莖流差異及與林木胸徑的關(guān)系,分析相同量級降雨的樹干莖流季節(jié)差異。[方法]在伏牛山寶天曼地區(qū)選擇三種典型天然林(華山松針葉林、銳齒櫟闊葉林、華山松.鵝耳櫪針闊混交林)的標(biāo)準(zhǔn)木,實(shí)測并收集樹干莖流量后分析比較。[結(jié)果]生長季內(nèi)的高降雨量事件(58.2 mm)導(dǎo)致的樹干莖流體積與林木胸徑呈正相關(guān),然而在低降雨量事件(10.8 mm)下二者呈負(fù)相關(guān)。在單次降雨量相同或相近條件下,冬季的樹干莖流體積(17 770~35 590 mL)和莖流率(0.106)顯著高于春、夏和秋季,而樹干莖流體積在前三個(gè)季節(jié)之間并無顯著差異,針闊混交林在秋季和冬季的莖流率更高,這主要?dú)w因于冬季落葉闊葉樹的林冠葉片截持作用消失。相比針葉林和闊葉林,針闊混交林的林分密度更高且胸徑更小,導(dǎo)致其林分樹干莖流量最高。[結(jié)論]不同森林類型的樹干莖流量因降雨量和林木胸徑大小而異,林木胸徑和葉片形態(tài)是決定樹干莖流季節(jié)差異的重要因素。

        關(guān)鍵詞:樹干莖流;伏牛山;胸徑;季節(jié)變異

        中圖分類號:S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-1498(2024)03-0169-06

        水循環(huán)是維系陸地生態(tài)系統(tǒng)功能及維持人類生產(chǎn)生活的重要生態(tài)過程。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)面積最大的植物群落,森林在調(diào)節(jié)水循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用。森林植被對降雨的截留及再分配是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。林內(nèi)穿透雨、林冠截留及樹干莖流是森林參與降雨再分配的3種主要形式。相比林冠截留和穿透雨,全球森林平均樹干莖流量通常小于降雨總量的10%,在降雨再分配的量級上并不占優(yōu)勢。然而,樹干莖流匯集的水可沿樹干流至根系區(qū)域,一方面可以改變林地土壤水分空間分布格局;另一方面伴隨著葉片及枝干表面礦質(zhì)元素的淋洗,樹干莖流中的元素含量高出大氣降水幾倍,是植物生長及土壤生物生命活動的重要保障。因此,樹干莖流在森林生態(tài)系統(tǒng)水及養(yǎng)分循環(huán)中的作用不容忽視。樹干莖流形成過程和變化規(guī)律受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注,在莖流量、水溶性元素含量及其影響因素等方面開展大量研究。但是,不同天然林類型樹干莖流對同一量級降雨的響應(yīng)是否存在季節(jié)差異目前尚不明晰。

        伏牛山是秦嶺山脈向東延伸至河南地區(qū)的余脈,呈西北-東南走向,跨越近400公里,是中國黃河、淮河和長江三大水系的分水嶺,同時(shí)也是我國南水北調(diào)中線工程渠首一丹江口水庫的水源涵養(yǎng)區(qū)。伏牛山地區(qū)植物種類繁多,森林資源豐富,是河南省植物多樣性的分布和發(fā)育中心。類型多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的森林植被成為區(qū)域水量調(diào)節(jié)和水質(zhì)改善的重要因素。本研究以伏牛山南麓的寶天曼自然保護(hù)區(qū)為例,分析該區(qū)域主要天然林的樹干莖流規(guī)律,旨在揭示不同森林類型的樹干莖流季節(jié)差異,闡明樹干胸徑與樹干莖流量的關(guān)系,為評價(jià)伏牛山森林資源的水源涵養(yǎng)功能提供科學(xué)參考。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        河南寶天曼森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(簡稱寶天曼站)(33°25'~33°33'N,111°53'~112°01'E)位于河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣內(nèi)。內(nèi)鄉(xiāng)地處北亞熱帶向暖溫帶的過渡區(qū),以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?。該地年均氣?5.1℃,年均降水量885.6 mm,年均相對濕度68%。依據(jù)寶天曼站的自動氣象站數(shù)據(jù),生態(tài)站所在位置(海拔1 270 m)的年均氣溫9.8℃,年均降水量1 011.2 mm,相對濕度72.7%。該地區(qū)的代表性植被群落為不同的櫟類天然林,優(yōu)勢樹種是銳齒櫟(Quercus aliena var.acutiserrata Maximowicz ex Wenzig)、栓皮櫟(Quercus variabilis Blume)和短柄袍(Quercusserrata Murray),其它伴生樹種包括華山松(Pinus armandi Franch.)、鵝耳櫪(Carpinusturczaninowii Hance)、漆樹(Toxicodendronvernicifluum (Stokes)F.A.Barkl.)和化香(Platycarya strobilacea Sieb.et Zucc.)等。本研究野外調(diào)查時(shí)間為2015年,期間寶天曼站年均氣溫10.6℃,年降水量為901.2 mm,生長季5-9月份降水量占62%(圖1)。

        1.2 樣地布置

        在寶天曼站區(qū)域內(nèi)選擇華山松針葉林、銳齒櫟闊葉林、以華山松和鵝耳櫪為主的針闊混交林作為研究林分,每個(gè)森林類型設(shè)立3個(gè)20 m×20m樣地,樣地間隔在500 m以上。首先對每個(gè)樣地初步調(diào)查,確定林分胸徑分布結(jié)構(gòu)。調(diào)查顯示針葉林、闊葉林、針闊混交林的平均密度為1 400.1、1 575.2、2 325.5株hm-2;針葉林的平均胸徑和樹高最高;針闊混交林的平均胸徑和樹高最低,但密度最高(表1)。

        在每個(gè)樣地內(nèi),按胸徑大小分布將樹木分為4個(gè)徑級,每個(gè)徑級選擇2株標(biāo)準(zhǔn)木。在每株標(biāo)準(zhǔn)木的樹干約1.3 m高處,用內(nèi)徑2.5 cm、長約150 cm的聚氯乙烯膠管螺旋狀環(huán)繞樹干1周,將管子的末端連接到密封的水桶內(nèi)。每次降雨結(jié)束后,用量桶測定水桶內(nèi)收集的雨水體積,即為每株林木的莖流體積/mL。林分水平的樹干莖流量(Stemflow,SF) /mm用下列公式計(jì)算:

        式中,n代表徑級數(shù),Ci和Mi代表第i徑級的樹干莖流水量體積/mL和林木株數(shù),S。代表樣地面積(400m2)。

        1.3 數(shù)據(jù)分析

        采用單因素方差分析檢驗(yàn)森林類型之間的林分樹干莖流量差異,并采用對數(shù)回歸模型分析林分樹干莖流量與大氣降雨量的關(guān)系。選擇生長季中期兩次不同量級的降雨事件(7月30日降雨10.8mm,9月11日降雨58.2 mm),分析不同量級降雨下樹干莖流量與林木胸徑的關(guān)系。此外,進(jìn)一步選擇降雨量接近的4次降雨事件(5月12日9.4mm、7月27日9.6 mm、9月25日10.1 mm和11月21日9.6 mm),比較相同降雨量下的林分樹干莖流體積的季節(jié)(月份)差異,采用單因素方差分析比較森林類型之間的林木莖流體積差異。運(yùn)用簡單線性回歸分析,研究11月份9.6 mm降雨后不同林型樹干莖流與胸徑的關(guān)系(5月、7月和9月回歸關(guān)系均不顯著,故未展示)。

        2 分析與結(jié)果

        2.1 不同森林類型林分樹干莖流差異

        該研究監(jiān)測自5月開始至11月結(jié)束,涵蓋研究區(qū)森林的整個(gè)生長季。數(shù)據(jù)分析顯示,針闊混交林的林分樹干莖流量最高,為14.99 mm,顯著高于針葉林(8.89 mm)和闊葉林(5.43 mm)(P<0.05,圖2),比二者分別高出68.7%和176.0%。然而,針葉林與闊葉林并無顯著差異(pgt; 0.05,圖2)。

        2.2 林分樹干莖流量與降水量和林木胸徑的關(guān)系

        分析發(fā)現(xiàn),觀測期間內(nèi)不同森林類型的林分樹干莖流量均與次降水量呈顯著的對數(shù)關(guān)系(P<0.05,圖3)。樹干莖流量隨降水量增加而逐漸上升,但上升速率逐漸變小。在不同降雨量級下,針闊混交林的林分樹干莖流量最高,而針葉林與闊葉林的樹干莖流量較接近。隨著降雨量增加,針葉林和闊葉林更早趨于樹干莖流量的平穩(wěn)狀態(tài),而針闊混交林更晚達(dá)到樹干莖流的平穩(wěn)狀態(tài)且量級更高(圖3)。

        選取降雨量差別較大的兩次降雨事件,分析不同量級降雨時(shí)單株林木莖流體積與胸徑的關(guān)系。結(jié)果表明,在58.2 mm次降雨事件中,3種森林類型的樹干莖流體積均與林木胸徑呈正相關(guān)(圖4),針葉林(R2= 0.44)和闊葉林(R2= 0.60)的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。然而,在10.8 mm次降雨事件中,三種森林類型的樹干莖流體積均與林木胸徑呈負(fù)相關(guān),其中僅闊葉林的相關(guān)性(R2=0.73)達(dá)到顯著水平(P<0.05)。在兩次降雨事件中,針闊混交林樹干莖流體積與林木胸徑的關(guān)系均不顯著(圖4)。

        2.3 相同降雨量下樹干莖流體積與莖流率的季節(jié)差異

        對比春、夏、秋、冬季的林分樹干莖流體積,發(fā)現(xiàn)在相同次降雨量下,不同森林類型的樹干莖流體積存在顯著的季節(jié)(月份)差異。無論任何森林類型,均是冬季的樹干莖流體積(17 770~35 590 mL)和莖流率(0.106)顯著高于春、夏和秋季(P<0.05,圖5),而樹干莖流體積在前三個(gè)季節(jié)之間并無顯著差異。具體到每個(gè)季節(jié)而言,3種森林類型在春季并無顯著差異,針闊混交林的莖流體積在夏季和秋季均顯著高于闊葉林(P<0.05,圖5);此外,秋季針闊混交林的樹干莖流體積還顯著高于針葉林(P<0.05,圖5)。在冬季,針闊混交林和闊葉林的樹干莖流體積分別是35 590mL和29 230 mL.顯著高于針葉林的樹干莖流體積(17 770 mL)(P<0.05,圖5)。此外,針闊混交林在秋季和冬季的莖流率更高(圖5)。

        本研究還分析了不同季節(jié)的相同次降雨量下單株樹木莖流體積與胸徑的關(guān)系,表明在春、夏、秋季,三種森林類型的樹干莖流體積與胸徑均無顯著的相關(guān)關(guān)系。然而,在冬季,針闊混交林單株樹干莖流體積與林木胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05);闊葉林單株樹干莖流體積與林木胸徑呈顯著正相關(guān)(P<0.05,圖6);針葉林的單株樹干徑流體積則與林木胸徑無顯著相關(guān)(圖6)。

        3 討論

        本研究發(fā)現(xiàn)在年際尺度上,針闊混交林的林分樹干莖流量顯著高于針葉林和闊葉林,這一結(jié)果與官司河流域的研究結(jié)果相近,后者也發(fā)現(xiàn)針闊混交林樹干莖流高于其它林型。這種林分差異主要與林分結(jié)構(gòu)、樹皮糙度及樹種葉片形態(tài)及凋落特征密切相關(guān)。首先,本研究中針闊混交林的林分密度最大,是針葉林和闊葉林的1.6倍和1.4倍(表1);其林分郁閉度也最高,因此能匯集更多的降雨進(jìn)而導(dǎo)致更高的林分樹干莖流,這與人工林間伐郁閉度下降導(dǎo)致樹干莖流降低的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。其次,針闊混交林內(nèi)的林木平均胸徑小于針葉林和闊葉林,大徑級林木的林冠層可截持更多降雨,而小徑級林木更易產(chǎn)生樹干莖流。寶天曼地區(qū)降雨豐富,中到小雨的發(fā)生頻率更高(約占全年降雨事件的70%以上),相比于大胸徑林木,小徑級林木在降雨量級不大時(shí),更易產(chǎn)生樹干莖流。這與本研究發(fā)現(xiàn)的高降雨量級下樹干莖流體積與胸徑呈顯著正相關(guān)、小量級降雨時(shí)樹干莖流體積與胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果是一致的(圖4)。在丹江口庫區(qū)周邊的研究證實(shí),不同樹種產(chǎn)生樹干莖流的降雨量閾值不同,與林木冠幅大小及樹干紋理密切相關(guān)。與亞熱帶地區(qū)研究結(jié)果不同,本研究發(fā)現(xiàn)針葉林的樹干莖流量高于闊葉林,本研究中的闊葉樹是銳齒櫟,其樹皮非常粗糙,對低量級降雨及高量級降雨的早期樹干莖流有較大吸持作用。

        樹干莖流的季節(jié)間差異廣泛發(fā)生于不同氣候帶的森林。相比其它季節(jié),在相同降雨量級下的冬季樹干莖流體積最高,這種差異與林分結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。首先,針闊混交林4個(gè)季節(jié)均有最高的樹干莖流,這主要?dú)w因于其較高的林分密度和減小的胸徑,這均有助于樹干莖流形成。其次,除華山松以外,其他喬木及林下灌木樹種在冬季均落葉,樹冠葉片的降雨截持作用消失,使降水有更大機(jī)率降落在枝條上并匯集到樹干形成樹干莖流,這與圖6中冬季闊葉林樹干莖流與胸徑正相關(guān)是吻合的。然而,針闊混交林冬季樹干莖流量與林木胸徑呈負(fù)相關(guān),這主要與選擇的標(biāo)準(zhǔn)木胸徑有關(guān),該林分內(nèi)華山松胸徑相對大一點(diǎn),其作為常綠樹種在冬季仍有較高林冠截留作用,因此形成樹干莖流相對較少;而林分中胸徑較小的闊葉樹(主要是銳齒櫟和鵝耳櫪等)在冬季落葉后形成的樹干莖流量更大。值得注意的是,本研究選擇的4個(gè)季節(jié)的降雨事件量級均是在9.6 mm左右,生長季內(nèi)的林冠樹葉截留可大幅消減樹干莖流量。如是更大量級的降雨,則樹干莖流的季節(jié)差異可能會不同。

        4 結(jié)論

        在伏牛山地區(qū)寶天曼森林生態(tài)站對3種典型天然林的樹干莖流研究表明,生長季內(nèi)高量級降雨條件下,樹干莖流體積與林木胸徑呈正相關(guān),但在低量級降雨條件下樹干莖流體積與胸徑呈負(fù)相關(guān)。中低量級次降雨導(dǎo)致的樹干莖流體積存在顯著的季節(jié)差異,冬季的樹干莖流體積更高,這與闊葉樹落葉后的林冠截留能力減弱有關(guān);相比針闊混交林和闊葉林,針葉林樹干莖流的季節(jié)變異更弱。由于針闊混交林的林分密度較大和胸徑較小,其樹干莖流較高。

        (責(zé)任編輯:崔貝)

        基金項(xiàng)目:河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(222102320437);國家自然科學(xué)基金(31971454);河南省青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃(2020)

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