金沙江干热河谷草被凋落物的分解率与持水性能*

张明忠,朱红业,沙毓沧,张映翠,金杰,史亮涛,龙会英,纪中华

(1.云南省农业科学院热区生态农业研究所,云南元谋651300;2.云南省农业科学院 科研管理处,昆明650231;3.云南烟草公司楚雄州分公司烟草科学研究所,云南楚雄675000)

金沙江干热河谷区凋落物的形成是草地生态系统的重要组成部分。凋落物不仅对草地土壤发育和改良有着重要的意义[1],而且其结构疏松可大量吸收和保持天然降水,具有重要的水土保持作用[2-4]。凋落物一方面可减缓雨滴对地面的直接溅击力和地表径流[5],另一方面可截留天然降水,使土壤得到缓慢入渗,提高土壤水分含量[6],改变生态环境[7-8]。同时,还可增加土壤肥力,促进植物群落的正常演替[9-10]。干热区是生态环境比较脆弱的地区,而草被是恢复和改善生态环境基础的先决条件。草被植物的新陈代谢及繁衍速度能加快生态环境建设的步伐,草被凋落物在其中也起着一定的重要作用。主要针对金沙江干热河谷封禁草地和人工草地常见的几种草被凋落物的分解率和持水性能进行了定期测定,以自然草被生态系统物质循环规律,为提高封禁和人工草地的生产力,改进生态环境建设提供理论依据。

试验区位于云南干热区的元谋县,是云南省农业科学院热区生态农业研究所后山试验研究基地,位于北纬 25°50′46″-25°51′41″,东经 101°41′18″-101°49′42″,是典型的南亚热带季风河谷干热区气候。该区光热充沛,旱湿季分明,干热少雨,年均气温21.9℃,有天然温室之称[11]。从1990-2002年13 a间平均降雨量和蒸发量分别为702.65 mm和2 589.48 mm,降雨主要分布在4-10月,其中6-8月为主汛期。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

2003年1月在草地封禁区和牧草引种试验区收集当年凋落物,包括完整茎叶的新诺顿豆(Neonotoniaw ightii cv.spp)、铺地木蓝(Indigo fera endecaphy lla Jacq)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)及乡土草扭黄茅(Heteropogon contortus(L.)Beauv.)、孔颖草(Bothrioch loa pertusa(L.)A.Camus)、双花草(Dichanthium annulatum(Forsk.)Stapf)的凋落物各100 g和标记牌。

1.2 试验方法

1.2.1 凋落物分解率测定 把标记牌和事先称重好的100 g凋落物装入规格为30 cm×60 cm孔径为1mm的尼龙网袋中,用尼龙线封口。每种草被凋落物3个样袋,放入原取样地内,放置时贴近表土,尽量与周围凋落物处于同一自然状况。每月定期测定全部样袋凋落物的重量。取样袋时,抖落泥土和杂质后,称重后再于烘箱65℃下烘干至恒重,测定凋落物的含水量和剩余干物质的重量,之后放回原地。

表1 金沙江干热河谷2003—2004年草被凋落物地面气象因子变化情况

1.2.2 凋落物的持水性能测定 取风干凋落物各100 g,保持植株完整性(包括茎叶),放入称量好的网袋内。然后在实验室将样品放置水中完全浸泡48 h后,取出自然漏出明水3min后称重,测定凋落物的饱和含水量;凋落物在烘箱中75℃下烘至22～24 h测定自然含水量。

2 试验结果

2.1 草被凋落物的分解动态

草被植物新诺顿豆、铺地木蓝、百喜草、扭黄茅、双花草、孔颖草凋落物的分解率测定结果表明,凋落物的剩余量随着时间的延长越来越少,从3-6月,随气温的升高和降雨的增加,凋落物干物质残余量呈明显下降趋势。从图1看出,草被凋落物的分解量随时间变化而减少,从第3个月开始新诺顿豆、铺地木蓝的凋落物分解速度明显加快,第6个月后凋落物分解率分别为61.38%和53.9%,其余草被凋落物剩余量缓慢减少。3月气温上升,降雨量和蒸发量加大,此时是凋落物分解最快的时节。7月后新诺顿豆和铺地木蓝已分解过半,凋落物剩余量开始缓慢减少,其余草被凋落物的剩余量才开始大幅度减少。随着气温和降雨量的锐减,从10月至翌年3月,分解率逐渐下降。温湿度对草被凋落物也有直接影响,试验期间(2003-2004年)统计了影响凋落物分解的气象因子(表1),包括温度、湿度、降雨量、蒸发量。两年中,3月气温开始回升,8月达到最高值,分别为27.1℃和25.4℃,相对湿度和降雨量也在6-7月达最大,分别为73%和76%及168.8 mm和163.7mm;而蒸发量最大时却在3-4月,能锐化凋落物的柔软性,使硬质凋落物的茎叶脆化,充分体现了元谋干热区的气候特征;根据凋落物的分解程度图表和气象因子,可以看出在3-9月是高温高湿季节,也是凋落物分解较快的阶段,新诺顿豆凋落物前期(3-7个月)分解最快,随时间的延长,到第24个月时分解率达到最高,分解了83.8%,其次是铺地木蓝,分解了73.6%。凋落物分解初期新诺顿豆和铺地木蓝分解率快,后期缓慢,其原因是这两种植物为茎秆及叶片都比较柔软的豆科植物,且此两种凋落物的叶片含量多,叶表面的微毛及茎秆都能吸附周围环境中的水分,有利于凋落物的分解。而扭黄茅、双花草和孔颖草,皆属于禾本科,茎秆坚硬,粗糙,粗纤维含量多,茎叶不易脱落,分解缓慢,最终这3种草被凋落物分解率分别为60.3%、67.8%和67.2%。

图1 草被凋落物分解动态

2.2 凋落物分解与持水性能的关系

凋落物的水分是影响凋落物分解的一个重要因素。水分充足、温度高能促使凋落物的分解,凋落物自然含水量与草被密度、土壤类型、温湿度等环境有关,同时还与自身性状相关。需较长时间分解的乡土草,如扭黄茅、双花草的凋落物,自然含水量都较高,分别率为4.36%和3.95%,分解慢的原因是其植株有较大比例的硬质茎叶和茎干有较高纤维。凋落物全部为叶片的百喜草凋落物自然含水量达4.25%,主要原因是叶片更易吸附空气和土壤中的水分。通过凋落物饱和含水量的试验,结果(见表2)表明:饱和含水量较高的是新诺顿豆和百喜草的凋落物,分别为336%和248%;饱和含水量较低的是双花草的凋落物,仅为168%。凋落物的持水性能(包括自然含水量和饱和含水量)跟分解程度有着直接的关系,在特定时期内,其值越大,分解率越高。草地凋落物不但具有较高自然含水量和饱和含水量,在水土保持、土壤水分入渗和草地土壤水分平衡等方面起着重要的作用。同时,凋落物的持水性能也是反映凋落物截留降水的能力[12-13]。

表2 草被凋落物自然含水量与饱和含水量

3 结论与讨论

通过金沙江干热河谷的几种草被凋落物分解率和持水性能测定,得出各种草被的分解率及持水性能有所不同。凋落物分解是个复杂的过程,采用Olson的衰减模型[14],得知草被凋落物半分解时间分别为1.67 a(扭黄茅),1.33 a(双花草),1.17 a(孔颖草),1 a(百喜草),0.58 a(铺地木蓝)和0.5 a(新诺顿豆)。而饱和含水量为依次为336%(新诺顿豆),248%(百喜草),209%(扭黄茅),206%(孔颖草),174%(铺地木蓝)和168%(双花草)。饱和含水量越大,对雨水的截持率和利用率越高,这样更有利于地面水分、温湿度等环境的良性循环,同时也能加快凋落物的分解。

分解率主要受其草被本身特性的影响外,还受于凋落物分解过程中的温度、降雨、湿度和微生物等共同作用,这与一些学者[10,15-16]研究结果一致。其中新诺顿豆、铺地木蓝的凋落物分解较快,特别是前期较迅速,后期逐渐减慢,主要原因是前期分解的凋落物有可溶性有机质的淋洗和易分解的碳水化合物;后期速率减慢是因为难分解的纤维素和单宁等物质的积累。温湿度、降雨量与蒸发量等环境因子对凋落物的分解有着明显的直接作用,且凋落物的自然含水率和饱和含水量与分解率也存在正比关系。凋落物在分解过程中,网袋与地面结合部分出现大量白色菌丝和白蚁带来的泥土,一方面促进了凋落物的分解,另一方面在称量时出现少许误差。每年凋落物的自然厚度达8～10 cm,能产生较多的凋落物,从凋落物实际产量及试验结果得知,新诺顿豆的分解率和饱和含水量都最高,对促进草地土壤发育和改良有着重要的意义,具有重要的水土保持作用。

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