全 文 ：论 文
, 挪威云杉落叶的空间模式 : 与酸性沉降 、
临界负荷值以及自然生长条件之间的关系
C h r i s t ia n N e ll e m a n n
,
T o r e F r o g n e r
本 文在对所研 究地 区 的森林状况作 了总体考虑的基袖上 ,按
照树龄 、 海拔和落叶的相对程度等因素的不 同 , 对娜威南部的娜威
云衫进行 了分层取样调查 , 以研究其落叶的 空问模式 。 我们发现其
中有一 片占样方数 75 % 的区域具有较高的落叶量 。 这一区域的落
叶现象不能用立地生产 力 、 树龄 、 地形 、 植被类型分布 、 土壤类型分
布和土攘厚度 、 离海岸的距离及海拔高度等传统模式来解释 。 该区
域的森林长势差 , 是娜威南部酸沉降最高的区域 ,这与其它方面如
户 渔场退化 、 土壤和湖水的酸化等的调查结论相一致 。 该区域的土峨
呈明显 的酸性 , 缓 冲性 差 , 与所研究 的其它区域比 ,其可 交换性阳
离子低 50 % 。 该 区域内硫酸盐 的沉降量超过 了用 M A G CI 方法计
算 出的临界负荷值 。 污染的超标量与落叶童之间有很好的相 关性 。
据我们所知 ,这是第一次发现 以落叶量所表示 的森林损害程度与
模拟的临界负荷的超 出值之问的相关关 系。 在实地观察中发现 , 当
超 出临界 负荷位 一 定 数量 时 , 落叶 童 与临 界 负荷时 相 比净增
30 %
。 我们从而提出了与由 长距离运输的空气污染所造成的潜在
污染 的军积 影响相一致的落叶模式 。 如果此模式成立 的话 , 那 么尽
管北方森林生态系统 只具有中等程度的污染负荷 , 但远比原来所
预并的要更为脆弱 。
图 1 娜威南部的酸性沉降 ,
非海洋性硫酸盐湿性沉降单
位为 : gS / m Z · 年 (资料来 自
娜威空气研究所 ) 。 方框内为
研究区域
引 言
森林的损害和退化是过去 15 年中争论的主要话题 。 许多研究
都致力于寻找造成损害的机理 , 目前至少已有五种解释其起因的
假说 l[, 2〕 。在中欧 ,从某种程度上讲 ,危害主要是由于长距离运输的
空气污染 s[] 、 气候不良 ,尤其是由于一些介于空气污染和非生物因
子之间的附加因子所致 。 在北欧森林地区 ,污染物的浓度很少会达
到造成严重危害的程度 ,但却存在长期的积累效应 , 尤其在土壤中
更明显 z[] 。 已经有几篇关于斯堪的那维亚地区土壤酸化加剧的报
道 5[, 6〕 。 最近的研究也表明 ,挪威南部的大部分地区由于酸性沉降
而导致了土壤酸化图 。 同时 , 由于对北欧国家森林临界负荷值的计
算 ,从而发现该地区化学风化速度很慢 。 因为风化速度影响临界负
荷值的大小 ,所以该地区的酸性沉降已超过了土壤对酸的长期中
和能力8j[ 。 关于湖水酸化导致蛙蹲鱼等的数量锐减的报道 已经很
多图 。 但关于落叶量与长距离运输的空气污染的潜在累积量之间
的空间相关性研究 ,在欧洲像挪威这样如此靠北的地方还没有进
行过 。
本文旨在辨明在北方森林中 ,长距离运输的空气污染物的效
应与落叶量之间的空间联系 。
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方 法
用落叶程度表示的针叶损失量是森林遭到破坏的最常用的判
断 标准 l0[ 〕。 做为 u N E P 一 E c E 森林监测项 目的一部分 , 采用
A
a m ild 等 l[ 〕的方法 ,本研究对落叶量连同植被类型的分布情况 、
地形 、 海拔和森林生产力等立地指数进行了估算l0[ ,川 。 本研究中
A m b i o V o l
.
2 3 N o
.
4一 5 , J u ly 1 9 9 4 A M BI 以D版权为瑞典皇家科学院所有 2 5 5
的落叶量 、 土壤和 ·其它数据仅来自挪威云杉林 , 数据的收集在
1 9 8 5一 1 9 9 0 年之间进行 ,研究样地为 3 x 3k m 的方格状地块 ,每一
个交叉处设一个平均为 4 棵树的样方 。 土壤的详细研究在 g x gk m
的方格状地块上进行 l3[ 〕 ,重要的土壤参数包括交换性阳离子总
量 ,氮 、 磷 、 碳含量等 。 沉降的数据来自于 50 X 50 k m 的方格状地
块 (l[ 4)j 。 水化学和径流数据由挪威水研究所提供 ,森林数据由挪威
土地现状研究所提供 。研究区域在经度 0 . 50 和纬度 1o 的范围内 ,再
进一步分 16 个 12 x 12 k m 的小区 。 由于挪威云杉 自然分布线的限
制 ,该研究区只能设在北纬 60 03 以以南和东经 7 03 01 以东的地区 。
该区内气候条件相同 , 空气污染负荷梯度明显 (图 1 ) 。
由于落叶不仅可由空气污染的累积效应引起 ,而且也受到 自
然因素的影响 ,所以当前的研究十分注意这两方面的问题 。为了减
少由于不同林龄之间的污染潜力不同所造成的结果偏差 ,本研究
只选用了成熟林 (> 70 年 ) ,这样就可以在一定程度上避免由于不
同林龄之间因所采用的森林经营的措施不同所导致的污染效应的
差异 。 在近林木边界线 (海拔 7 0 一 80 m )附近 ,为了避免气候剧变
所直接造成落叶量的偏差 ,在整个区域内对海拔高度与落叶量之
间的关系进行了分析 ,发现海拔 4 0 m 以下 ,落叶量与海拔高度无
关 ,而海拔 40 m 以上 ,落叶量与海拔高度呈相关 (r 一 0 . 75 , p < .0
。5 ) , 因此 ,海拔 40 m 以上的森林就不再作为研究对象 ,这就使研
究区西端的高山林被排除掉 ,但这对于主要研究区样地的密度没
有多大影响 。按照树龄和海拔对数据进行分层处理 ,最后的分析包
括 1 5 0 个小区 ( 一2只 z Zk m ) , 6 0 0 个云杉样方和 2 4 0 0 棵树 。
为了找出森林破坏潜在的集中区 ,对相对长势较差的样方进
行了空间分布调查 。 在森林条件下 ,为了允许一定的统计学 自然变
异 , 我们采用了“ 内四分位区域法 ” ( In t e r 一 q u a f t i le R a n g e )来衡量
不同落叶等级样方的中心分布趋势15[ l 。 上四分位数就成为较差森
林条件的度量 ,也就可以做为落叶量的相对度量 。 由于采用了四分
位数法 ,每个落叶等级包含有相同的样方数 ,从而避免了图 2 所示
的群体数的非对称效应 。 落叶量在 2 % 一 10 。%之间的样方位于
上四分位 ,落叶量小于 6%的样方位于下四分位 , 内四分位区间为
赢爵一 ’ 一 ’
6 %一 2 1% 。 如果某一区域具有较高落叶量的样方很多 (即在上四
分位聚积了较多样方 ) ,这一区域就可以划出来 , 以进一步探寻其
起因和影响 。
为了把这一 区域与其它的森林区分开来 ,我们规定位于上四
分位样方之间的距离不得超过 10k m ,样方之间拥有共同的外围边
界 。 为了避免对样方分组的偶然性 ,我们进一步规定集聚区域最小
面积为 l o 00k m Z 。 这样 ,我们就可以保证在该区域内包含的位于上
四分位的样方数达到 75 % 。
将研究区域分为两部分以后 ,就试图了解两区之间自然因素
的差异能够导致落叶模式的差异 。 调查的自然变量包括以云杉为
优势木的植被类型分布 、 地形类别 (样方位于裸山脊的频率 ) 、 海拔
和历史上的森林生产力 (立地指数 )等 。 在高落叶区和生长正常的
区域同时进行此项调查 。 在各个区域中 ,分别在植被类型相同的样
方组内和生产力相同的样方组内进行落叶量的比较分析 , 以找出
总的落叶模式 。 因此 ,我们首先进行的是 自然因子的分析 。
与分割研究区不同的另一方法是将不同高落叶量小区的土壤
厚度 、 酸性沉降和土壤化学性质与低落叶量小区的相同因子进行
比较 。
第三种方法是对沉降 、 水分和土壤化学等数据进行分析建模 。
M A G IC 是一个典型的集水区模型 ,它可以把地表水 、 林地土壤的
酸性沉降和缓冲容量进行综合和分析 。 M A G IC 己被广泛地接受 ,
它通过重组土壤与水分酸化的历史趋势来预测由于酸性沉降与土
地利用形式的变化对未来将造成的影响17[ 】。 我们采用 M A G CI 模
式 , 用对应的湖水和土壤化学来计算每个 12 X 12 k m 小 区的临界
负荷值 18[ 」。 临界负荷值从理论上讲是森林土壤的内在特征 ,它的
计算是采用 50 c m 厚上层土壤 (相当于根际土壤 ) , 以土壤水分中
C a/ A I摩尔比等于 1作为标准 。 此比率在试验中可做为判断根系
生长是否正常的标准 l0[ 〕 , 也可做为判断林分是否健康生长的依
据 20[ , 1jz 。 通过将同一方格中森林的酸性沉降与临界负荷值叠加 ,
二者之差就表示森林土壤中酸性沉降的过量值 。 采用多元回归分
析可以得出落叶模式与临界负荷的过量值之间的潜在相关关系 。
为了避免样本分布的非对称性所造成的偏差 ,我们将落叶数据按
总样本的 10 %分为一组 。
结 果
相对较高落叶量 (在上四分位 )的云杉分布如图 3 。 在研究区
的最南端为高落叶量云杉林样方的聚积区 ,也被认为森林危害的
中心区 , 而其余的被划归边缘区 。 中心区的平均落叶量为 21 . 5士
1
,
o
,边缘区的平均落叶量为 n . o 士 。 . 7 (P < 0 . 0 0 1 ) 。 在中心区 中
发现有落叶量超过 30 %的特高落叶区 (P < 0 . 0 3) 。
与边缘区相 比较发现 ,中心 区落叶量显著增高 (P < 0 . 0 5) 的现
象与植被类型 、立地的历史上的生产力和土壤类型等因素无关 (表
1 )
。 样方的分布情况与土壤类型 、 植被类型 、 山脊 、 立地历史上的生
产力等没有多大关系 (表 1 ) 。 在中心区的范围内 ,落叶量与距海岸
的远近无关 , 中心区与边缘区的平均海拔和最低木材线也没多大
差异 (表 1 ) 。 具有较高落叶量的小区位于距海岸 15 一 50 km ,海拔 2
一 3 0 0m 之间的地方 。
表 2 列出了高落叶区和低落叶区内粗腐殖质的必需营养元素
(C
a 、
M g
、
N
、
P
、
K )的含量和盐基饱和度 ,当地云杉林的沉降等。 高
落叶区具有较高的空气污染沉降值 ,粗腐殖质中的交换性阳离子
和盐基饱和度都较低 ,其 C a 和 P 的含量也比低落叶区低 50 % ,土
壤厚度在二者之间无差异 。 计算得到的临界负荷值与落叶量之间
有相关关系 (r “一 0 . 46 , p < 0 . 0 5 ) 。 研究区的落叶量与硫酸盐的污
ǎ次à刨蜀长耸
图 2 按落叶等级分类的样方分布直方图 。 有明显的不对称样本数 ,为
避免由此引起的统计偏差 , 将上四分位数作为相对于剩余云杉 ( P ic ea
。 b i e s )林具有较离落叶t 的样方的度 t 单位 ,这些样方占具有最大落叶
t 的样方数的 25 %
2 5 6 A M B I以己版权为瑞典皇家科学院所有 A m b i o V o l . 2 3 N o . 4一 5 , Ju ly 1 9 9 4
图 3 娜威南部娜成云杉林受揭容的空间棋式 。
东南部森林损容样方最密的 区域表示为中心
区 。 森林损害是由按落叶等级划分的样方在上
四分位的分布 (落叶 t > 2 2 %的样方 )来定义的
(见正文 )。 这样 ,样方频率大 , 自然说明该区域
的落叶 t 大 ,在此将这样的样方的频率作为 “森
林损害 ”程度的一种度 t
. 落叶量> 2 %
1
》之 的样方密度
圈口
染超标值之间存在正相关性 (rz 一 0 . 94 , p < 0 . 0 1 ) (图 4) 。 当沉降超
过临界负荷值一定数目时 ,该区的落叶量超过 30 % 。
讨 论
所包括的所有 自然因子与落叶的空间摸式之间都没有多大的
联系 。 对主要的四种植被类型的出现频率进行分析 (表 l) 发现 , 以
云杉为优势木的植被在中心区和边缘 区的分布基本一致 ,中心区
稍微倾向于拥有较多的湿润性植被 。 这里指的湿润性类型同时也
是最需养分的 ,但并不表示中心 区植被对水分的敏感性 。 植被类型
的无关性也体现在中心区的严重落叶与植被没有多大关系 。 如果
落叶是水分胁迫造成的话 ,那么在有些特定的植被类型上应有较
高的落叶量 ,而在 c h a , ae
~
禅心己以。 m 植被区落叶较低 ,但实际
上并不存在这种现象 。 然而我们并不排除任何一种非生物因子对
落叶模式的潜在影响 。 历史上的森林生产力在高落叶量的中心区
与生长正常的边缘区之间没有多少差异 (表 1 ) 。 本研究发现落叶
量与半径增加量有显著负相关田〕 。 如果历史性生产力较低的样方
. 的频度与落叶量有相关性的话 ,那么落叶量将对当地森林的生长
条件产生长期的影响 ,但实际上并不存在这种影响 ,所以可能是 由
于最近几十年生长条件的改变才导致现在所见的落叶模式 。 云杉
林土壤厚度在高落叶与低落叶小区之间基本相同 ,故不能作为影
响因子 。
A m b i。 v o l . 2 3 N o . 4一 5 , Ju ly 1 9 9 4 AM B I。 ⑥版权为瑞典皇家科学院所有 2 5 7
图 3 娜威南部娜成云杉林受揭容的空间棋式 。
东南部森林损容样方最密的 区域表示为中心
区 。 森林损害是由按落叶等级划分的样方在上
四分位的分布 (落叶 t >2 2 %的样方 ) 来定义的
(见正文 ) 。 这样 ,样方频率大 , 自然说明该区域
的落叶 t 大 ,在此将这样的样方的频率作为 “森
林损害 ”程度的一种度 t
. 落叶量> 2 %
1
》之 的样方密度
圈口
染超标值之间存在正相关性 (rz 一 0 . 94 , p < 0 . 0 1 ) (图 4) 。 当沉降超
过临界负荷值一定数目时 ,该区的落叶量超过 30 % 。
讨 论
所包括的所有 自然因子与落叶的空间摸式之间都没有多大的
联系 。 对主要的四种植被类型的出现频率进行分析 (表 l) 发现 , 以
云杉为优势木的植被在中心区和边缘 区的分布基本一致 ,中心区
稍微倾向于拥有较多的湿润性植被 。 这里指的湿润性类型同时也
是最需养分的 ,但并不表示中心 区植被对水分的敏感性 。 植被类型
的无关性也体现在中心区的严重落叶与植被没有多大关系 。 如果
落叶是水分胁迫造成的话 ,那么在有些特定的植被类型上应有较
高的落叶量 ,而在 c h a , ae
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禅心己以。 m 植被区落叶较低 ,但实际
上并不存在这种现象 。 然而我们并不排除任何一种非生物因子对
落叶模式的潜在影响 。 历史上的森林生产力在高落叶量的中心区
与生长正常的边缘区之间没有多少差异 (表 1 ) 。 本研究发现落叶
量与半径增加量有显著负相关田〕 。 如果历史性生产力较低的样方
. 的频度与落叶量有相关性的话 ,那么落叶量将对当地森林的生长
条件产生长期的影响 ,但实际上并不存在这种影响 ,所以可能是 由
于最近几十年生长条件的改变才导致现在所见的落叶模式 。 云杉
林土壤厚度在高落叶与低落叶小区之间基本相同 ,故不能作为影
响因子 。
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今考文献与注释
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Pr o t ec t ion A g e n e y an d t h e G e rm
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C址峨祖 n N ej l细 a n ,理学硕士 ,丹麦人 。 他所学专业为野生动物与
森林生态学方面 。 他曾是娜威林业研究所的科学家 , 一直从事森林
监测 ,现正在攻读北极生态的博士学位 。 他的地址是 : D e pa r t~
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o二劝笼 ` 0 1 4 , N 一 14 3 2 A s ,
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F r鳍 ne r 博士 , 是娜威林业研究所的土镶学家 。他主要从事
土坡阳离子交换和化学风化过程 ,现正从事娜威森林损容的监测项
目的 工 作 。 他 的地 址 是 : N or w 魂 i a n F o r es t R
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n o g s k o l e v e触n 12 , N 一 14 3 2 , sA , N o r wa y o
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4 一 5 , Ju ly 1 9 94 A M BI q D版权为瑞典皇家科学院所有 2 5 9