全 文 ：林业科学研究 2005 ,18 (4) :455～459
Forest Research
文章编号 :100121498 (2005) 0420455205
滨海沙地木麻黄凋落物分解过程中热值的动态变化
张清海1 , 叶功富2 , 林益明3
(11 中国林业科学研究院热带林业研究所 ,广东 广州 510520 ;21 福建省林业科学研究院 ,福建 福州 350012 ;
31 厦门大学生命科学学院 ,福建 厦门 360005)
摘要 :采用氧弹式热值仪测定福建惠安滨海沙地木麻黄凋落物分解过程中的热值 ,揭示凋落物分解过程中干物质热值、去灰分
热值、灰分含量的变化规律 ,结果表明 :凋落物起始干物质热值为 21167 kJ·g - 1 ,经过 3 个月平缓下降后其值为 21140 kJ·g - 1 ,到
第 10 个月干物质热值为 20148 kJ·g - 1 ,达到最低点 ,与起始值相差 1119 kJ·g - 1 ,随后干物质热值开始回升 ,第 12 个月的干物质
热值为 20183 kJ·g - 1 ,年平均每月降低 0107 kJ·g - 1 ;去灰分热值与干物质热值有相同的变化趋势 ,从开始的 22178 kJ·g - 1 ,到第 9
个月的最小值 21189 kJ·g - 1 ,与起始值相差 0189 kJ·g - 1 ,随后的回升速度较干物质热值快 ,到第 12 个月时达 22141 kJ·g - 1 ,但是
12 个月总体平均每月降低 0103 kJ·g - 1 ;凋落物灰分含量的变化与热值呈相反的变化趋势 ,随着时间的延长灰分含量增加 ,但和
热值一样反映了凋落物分解的规律 ,开始的灰分含量为 4188 % ,到 3 个月时为 4190 % ,随后进入线性增长的趋势 ,到第 12 个月
时达 7109 % ,平均每月增加 01184 个百分点。不论热值还是灰分含量与气温和不同层次土壤温度都显著相关 ,温度 ,特别是气
温是影响凋落物分解的重要因素。
关键词 :木麻黄 ;热值 ;凋落物 ;分解
中图分类号 : S792193 文献标识码 :A
收稿日期 : 2005203210
基金项目 : 国家“十五”科技攻关项目 :“海岸带防护林优化配置模式和可持续经营技术研究”(2002BA516A16215)
作者简介 : 张清海 (1975 —) ,男 ,福建宁化人 ,研究实习员 ,硕士 , zqhseasongz @yahoo. com. cn
Dynamic Caloric Value of Casuarina equisetifolia Litter Fall
During Decomposition on Coast Sandy Land
ZHANG Qing2hai1 , YE Gong2f u2 , LIN Yi2ming3
(11 Research Institute of Tropical Forestry , CAF , Guangzhou 510520 , Guangdong , China ; 21 Fujian Academy of Forestry , Fuzhou 350012 , Fujian , China ;
31 School of Life Sciences , Xiamen University , Xiamen 360005 , Fujian , China)
Abstract :The Casuarina equisetifolia litter decomposition experiment site locates at Huian county in Fujian province , south of
China. Caloric value were tested by oxygenic bomb caloric2meter. The aim was to expose the law of gross caloric value , ash free
caloric value and ash content of litter during decomposition. The result showed the dynamic of the gross caloric value , ash free ca2
loric value and ash content of Casuarina equisetifolia litter during decomposing. The decomposation lasted for three months with
the caloric 21140 kJ·g - 1 , to which decreased from the beginning gross caloric 21167 kJ·g- 1 . At the tenth month , the gross ca2
loric value was decreased to rock bottom , 20148 kJ·g - 1 , with the range 1119 kJ·g - 1 to the begin value. After ten months of de2
composation , the gross caloric value began to increase , then gross caloric value increased to 20183 kJ·g- 1 at the twelfth month ,
while with average decreasing ratio 0107 kJ·g - 1 per month ; As to ash free caloric value , which the beginning ash free caloric
22178 kJ·g - 1 , decreased to nadir , 21189 kJ·g - 1 at the ninth month , with the range 0189 kJ·g - 1 to the begin value. Then it
increased faster than gross caloric did , up to 22141 kJ·g - 1 at the twelfth month. While it had average decreasing ratio 0103 kJ
·g - 1 per month ; The ash content , which had the contrary tendency to caloric , increased with time go by. But as the gross calor2
ic , they all reflected the law of litter decomposition. It increased slowly from 4188 % to 4190 % in the beginning three months ,
then increased sharply. At the twelfth month , the ash content was up to 7109 % ,and with average increasing ratio 01184 point of
percentage per month , in twelve months. While both caloric and ash content related obviously with temperature and soil tempera2
ture , especial the air temperature , so temperature was an important factor effecting the litter decomposition.
Key word : Casurania equisetifolia ;caloric value ; litter ; decomposition
凋落物是植被生态系统向环境归还物质的主
体 ,也是归还的主要方式。凋落物分解是生态系统
中有机物降解 ———从有机物变成无机物的主要过
程 ,是生态系统与环境进行物质、能量和信息交换 F
的重要环节 ,它可反映一个生态系统与环境之间相
互作用的强度。凋落物分解过程中热值的动态变化
可反映其有机物降解速度和能量释放速度。能量是
生态系统实现生态功能的动力 ,凋落物分解过程中
的热值可反映凋落物分解能流特征 ,同时也反映凋
落物降解过程生态功能特征。Ebermayer[1 ] 论述了森
林凋落物的重要作用后 ,国外学者对不同森林生态
系统的凋落物从不同生态作用进行了研究[2～5 ] 。20
世纪 90 年代我国许多学者对凋落物的不同作用进
行了研究[6～8 ] ,对植物热值的研究较多[9～13 ] ,而对林
木凋落物分解过程中热值动态的研究较少 ;有学者
对木麻黄 ( Casuarina equisetifolia L. ) 凋落物分解过程
进行了研究[14 ,15 ] ,但对木麻黄凋落物分解过程中热
值动态的研究未见报道。滨海木麻黄防护林 ,其立
地条件差 ,土壤瘠薄 ,保持水肥能力差。木麻黄凋落
物是木麻黄防护林主要的养分来源 ,是土壤微生物
生态系统物质和能量源基础。凋落物是改善和提高
海岸沙地土壤持水肥能力的主要物质 ,是实现木麻
黄防护林在海岸沙地可持续经营的重要物质。凋落
物在滨海沙地木麻黄人工林生态系统中具有比其它
生态系统更重要的作用。本文通过对福建惠安滨海
沙地木麻黄人工林凋落物分解过程中热值的测定 ,
研究木麻黄人工林生态系统能量流动规律 ,为木麻
黄防护林可持续经营提供科学依据。
1 试验地概况
实验地设在福建省沿海中部惠安县崇武赤湖国
有防护林场 ,位于 118°55′E ,23°45′N ,属南亚热带海
洋性季风气候 ;年平均气温 1918 ℃,绝对最高气温
37 ℃,绝对最低气温 212 ℃;7 —9 月多台风和暴雨
天 ,秋冬东北风强盛 ,8 级以上的大风年达 105 d ,年
平均风速 710 m·s - 1 ,全年无霜期 320 d ;年均降水
1 029 mm ,年均蒸发 2 000 mm ,蒸发量大于降水量 ;
干湿季明显 ,夏季最大风速 3216 m·s - 1 ,干旱频率
高[16 ] ;土壤以滨海沙土为主 ,本试验地土壤为均一
性风积沙土 ,沙土层厚度 80～100 cm。
木麻黄人工林生态系统凋落物分解试验林分
1989 年造 ,造林密度 2 m ×2 m ,初始密度 2 500 株·
hm - 2 ,现有密度 1 648 株·hm - 2 ,平均胸径 10177 cm ,
平均树高 12197 m ,郁闭度大于 0190 ,林下灌木、草本
稀少。林地内的凋落物厚度 3～5 cm ,分解良好。
1998 年建立了固定的生态定位观察点 ,试验地不受
人为干扰和破坏。
2 材料与方法
211 试验材料
2002 年 1 月开始在同一试验地内利用收集筐进
行凋落物收集 ,每半个月收集 1 次 ,及时风干 ,为期 6
个月 ,不足部分收集林内现有新鲜凋落物 (手捡) ,带
回试验室风干。将风干后的凋落物混合均匀 ,称 50
g 装入玻璃丝网袋 (规格 20 cm ×20 cm ,孔径 015 mm
×015 mm) ,共 40 袋。另取样 5 袋 (50 g·袋 - 1 ) ,洗去
样品表面泥沙 ,80 ℃烘 48～72 h 至恒质量 ,测定含
水率 ,推算生物量。2002 年 10 月 31 号把 40 袋样品
随机布置于试验样地 ,样品底面与地表面相接触 (样
品周围现有凋落物不动) ,每月底随机取 3 袋带回实
验室[14 ,17 ,18 ] ,用清水洗去泥沙和微生物 ,过蒸馏水 ,
在 80 ℃下烘至恒质量 ,磨粉处理后过 6 号筛贮存备
用 ,进行室内热值测定。
212 热值测定
处理后的待测样品 ,用热量计法测定其热值 ,仪
器采用长沙仪器厂生产的 GR23500 型微电脑氧弹式
热量计。样品热值以干物质热值 (每克干物质在完
全燃烧条件下所释放的总热量 ,简称 GCV)和去灰分
热值 (AFCV) 表示。测定环境为空调控制 20 ℃左
右 ,每样品重复多次 ( > 2 次) ,误差控制在 ±0120 kJ
·g - 1 ,每次实验对仪器用苯甲酸标定[9 ,19 ] 。
灰分含量测定采用干灰化法 :样品在马福炉中 550
℃下灰化 5 h 后测定其灰分含量。去灰分热值 = 干物
质热值Π(12灰分含量) 。去灰分热值除去灰分含量不同
的干扰 ,更能反映植物体各组分热值情况[19] 。
213 气象数据的采集
依据《地面气象观测规范》,在林内 115 m 高处
654 林 业 科 学 研 究 第 18 卷
设置百叶箱 ,安装有干湿气温表、最高温度表、最低
温度表 ,每天 8 :00、14 :00、20 :00 观测记录数据 ;林地
内还设置一系列土壤温度计 ,距离地表 0、5、10、15、
20 cm 的曲管温度表 ,每天同时观测[20 ,21 ] ,观测结果
见表 1 (湿度对凋落物分解的影响在其它论文中另
做讨论 ,故表 1 未列湿度数据) 。
表 1 惠安样地气象数据(平均温度) ℃
观测
时间
气温
最高
气温
最低
气温
地表
温度
地下温度
5 cm 10 cm 15 cm 20 cm
2002211 19102 20176 15118 19168 19126 19136 19140 19157
2002212 15158 17175 12115 16130 16121 16128 16137 16152
2003201 12144 14194 7146 13106 12176 12197 13111 13125
2003202 13186 15163 9197 14114 13179 13187 13184 13185
2003203 15125 17170 10165 15162 14179 14177 14174 14173
2003204 20117 22169 15190 20124 18161 18104 18122 18106
2003205 23192 25128 19178 23185 22174 22117 21185 21159
2003206 26128 27181 22100 26133 25109 24163 24149 24128
2003207 30121 31198 25194 30157 28154 27191 27166 27129
2003208 29119 31116 25100 29165 28121 27151 27135 27112
2003209 28142 30162 23178 28148 26196 26147 26132 26129
2003210 24165 26177 20160 25115 23191 23161 23157 23190
平均 21158 23159 17137 21192 20191 20163 20159 20154
3 结果与分析
311 热值的动态
采用 SPSS1010 对试验数据进行分析与作图 ,12
个月内 ,凋落物分解过程中干物质热值和去灰分热
值的变化趋势见图 1。由图 1 知 :凋落物的起始干物
质热值为 21167 kJ·g - 1 ,第 3 个月时为 21140 kJ·g - 1 ,
与起始值相差 0127 kJ·g - 1 ;到第 10 个月时为 20148
kJ·g - 1 ,与起始值相差 1119 kJ·g - 1 ;其后干物质热值
开始回升 ,第 12 个月时为 20183 kJ·g - 1 ,与起始值相
差 0184 kJ·g - 1 ;凋落物从植株体脱落后 3～8 个月干
物质热值降低速率较高 ,到 9～10 个月达最低值。
木麻黄凋落物分解过程中前 3 个月干物质热值变化
不大 ,主要由于刚凋落的植物器官表面存在一层蜡
质表皮 ,这层蜡质表皮较好地阻止了凋落物内可溶
性有机物质的流失 ;其后 ,由于气温升高及微生物活
性增强 ,保护层遭到破坏 ,凋落物进入快速分解期 ,
其体内的可燃性物质快速减少 ,造成干物质热值呈
直线下降趋势。经过 4 个月的快速分解后 ,凋落物
中易分解的有机物质减少 ,其分解速率降低 ,所以从
7～10 个月凋落物的分解速度减慢 ,故干物质热值降
低的速度减慢 ;10 个月后 ,凋落物单位质量难分解
的物质如脂肪等高热量物质含量增高 ,所以干物质
热值开始上升。一年内 ,凋落物分解过程中干物质
热值平均每月降低 0107kJ·g - 1 。
图 1 凋落物分解过程中干物质热值与去灰分热值的变化规律
凋落物分解过程中去灰分热值与干物质热值有
相似的变化趋势 :起始去灰分热值为 22178 kJ·g- 1 ,
第 9 个月为 21189 kJ ·g - 1 ,与起始值相差 0189 kJ ·
g - 1 ,随后开始回升 ,到第 12 个月时达 22141 kJ·g - 1 ,
与第 9 月相比升高了 0152 kJ·g - 1 。在前 9 个月 ,凋
落物的去灰分热值呈下降趋势 ,其中 ,前 7 个月下降
较快 ,其后平缓下降 ,8～9 个月后达最低值 ,但达最
低值的时间比干物质热值早 ,随后快速回升 ,上升的
速率较下降的快。在 12 个月内 ,去灰分热值总体平
均每月降低 0103 kJ·g - 1 ,主要是在后期灰分含量增
长速率快于热值的降低速度 ,使得去灰分热值的增
长速率增大。
3. 2 灰分含量变化规律
从图 2 可知 ,凋落物在 12 个月的分解过程中灰
分含量变化为 :起始灰分含量为 4188 % ,3 个月时为
4190 % ,随后呈线性增长 ,到第 12 个月时为 7109 % ,
比灰分含量最低 ( 4158 %) 的第 1 个月增加了
2151 %。凋落物在 12 个月内灰分含量增加了 2121
个百分点 ,年平均每月增加 01184 个百分点。在前 3
个月中 ,凋落物表层的保护组织完整性较好 ,对其体
内的碳水化合物起到很好的保护作用 ,不利于有机
物质的流失 ,所以在此期间凋落物的分解速度较慢 ,
灰分含量变化不大 ;第 4 个月开始凋落物保护层基
本失去 ,此时可溶性物质开始大量减少 ,而难溶性物
质相对增加 ,单位质量内金属元素或硅元素含量相
754第 4 期 张清海等 :滨海沙地木麻黄凋落物分解过程中热值的动态变化
对增加 ,所以其灰分含量呈直线上升。
图 2 凋落物分解过程中灰分含量的变化规律
3. 3 干物质热值、去灰分热值、灰分含量之间及其
与各层气温的相关性和它们的预测模型
干物质热值、去灰分热值、灰分含量之间及其与
各气温 (表 1)进行相关分析 ,结果 (表 2) 表明 :干物
质热值与灰分含量呈负相关 ,相关系数为 - 0175 (p
= 01001 < 0101) ;干物质热值与最高气温的相关系
数为 - 0171 (p = 0104 < 0105) ,与最低气温的相关系
数为 - 0171 ,而与平均气温的相关系数为 - 0172 (p
= 01003 < 0101) 。表 2 还表明 :气温对凋落物分解的
影响极显著 ,这与刘强等[22 ] 的研究一致 ,但极端气
温对凋落物分解的影响不如平均气温 ,主要是由于
福建惠安地处沿海 ,年均气温较高 ,昼夜温差小。从
地表到地下 20 cm 的地温对凋落物分解的影响是 :
地表温度与干物质热值的相关系数为 - 0170 (p =
0103 < 0105) , 地下 20 cm 处地温的相关系数为
- 0167 (p = 0103 < 0105) ,从上往下呈降低趋势。地
表温度其实就是凋落物的温度 ,而凋落物是大气生
态系统与土壤生态系统的交界层 ,因而凋落物层有
着非常活跃的生态现象。凋落物温度 (地表温) 对其
分解的影响没有气温显著 ,主要因为地表温度由气
温调节 ,但高于土壤各层温度对其分解的影响。不
论是大气生态系统的温度 ,还是土壤生态系统的温
度 ,对凋落物的分解都显著相关 ,具体表现于各层温
度与凋落物干物质热值呈显著负相关 ,与灰分含量
极显著相关。温度是生态系统能量归还的重要影响
因素 ,气温越高凋落物的分解速率越大 ,其干物质热
值降低速度越快 ,表明生态系统向环境释放能量的
速率也就越大 ,也就意味着高的物质流。
表 2 凋落物分解过程中干物质热值、灰分含量和
去灰分热值之间及其与各气象因子之间的相关系数
项目 干物质热值 灰分含量 去灰分热值
干物质热值 1100
- 0175 3 3 0175 3 3
灰分含量 - 0175 3 3 1100 - 0112
去灰分热值 0175 3 3 - 0112 1100
气温
- 0172 3 3 0181 3 3 - 0113
最高气温
- 0171 3 0183 3 3 - 0111
最低气温
- 0171 3 0180 3 3 - 0113
地表温
- 0170 3 0181 3 3 - 0110
地下 5 cm 温度
- 0169 3 0181 3 3 - 0109
地下 10 cm 温度
- 0168 3 0181 3 3 - 0108
地下 15 cm 温度
- 0168 3 0181 3 3 - 0107
地下 20 cm 温度
- 0167 3 0182 3 3 - 0105
注 : 3 3 表示极显著相关 ; 3 表示显著相关 (下同) 。
灰分含量与各层温度之间达到极显著相关 ,其
中与最高气温相关性最大 ,相关系数为 0183 (p =
01001 < 0101) ,与最低气温相关性最小 ,相关系数为
0180 (p = 01004 < 0101) ,可见木麻黄凋落物分解的灰
分含量与各气象因子极显著相关。灰分含量与各温
度间的相关系数大多数在 0181 ,全体达到极显著相
关的水平。总体上温度对灰分含量的影响度要大于
对干物质热值的影响。
在 1 a 内 ,不论热值呈下降规律 ,还是灰分含量出
现增加规律都反映出木麻黄凋落物在滨海沙地上的分
解特征。它们的变化与气温和土壤温度之间呈显著相
关 ,因而表明温度是影响凋落分解的重要因素。
根据凋落物分解过程的特点 ,建立干物质热值、
去灰分热值、灰分含量的预测模型 ,采用 SPSS1010
进行曲线拟合 ,结果见表 3。从表 3 可知 ,灰分含量
与时间变量成多项式变化 ,灰分含量与时间变量和
气温变量成线性变化 ,都呈极显著相关 ,这与国外
Edwards[23 ]的研究结果相似 ,与国内莫江明等[24 ] 研究
结果相同 ;干物质热值和去灰分热值也表现出相似
的趋势 ,反映了时间和气温对凋落物分解的影响程
度。各拟合方程都具有很好的可靠性 ,可用于计算
相关项目的干物质热值、灰分含量和去灰分热值。
4 小结
木麻黄凋落物在滨海沙地上分解过程中热值和
灰分含量的变化情况 :
(1)木麻黄凋落物在分解过程中热值呈现 3 个
阶段 :1～3 个月的平缓下降过程 ,4～10 个月的快速
分解过程 ,11～12 个月的回升过程。凋落物的起
854 林 业 科 学 研 究 第 18 卷
表 3 凋落物分解过程中干物质热值、灰分含量和去灰分热值的计算模型
项目 变量 模型 R
灰分含量 时间 ( x) Y = 01025 x2 - 01047 x + 41752 0194 3 3
时间 ( x1) ;气温 ( x2) Y = 01234 x1 + 01037 x2 + 31493 0192 3 3
时间 Y = 01007 x2 - 01167 x + 21163 0185 3
干物质热值 灰分含量 Y = - 01231 x + 221232 0177 3
时间 ( x1) ;气温 ( x2) Y = - 01038 x1 - 01029 x2 + 211763 01 90 3
时间 ( x1) ;气温 ( x2) ;灰分含量 ( x3) Y = - 01050 x1 - 01031 x2 + 01051 x3 + 211584 0190 3 3
去灰分热值 时间 ( x) Y = 01014 x2 - 01193 x + 22172 0178 3
始干物质热值为 21167 kJ·g - 1 ,3 个月的慢速分解后
为 21140 kJ·g - 1 ,快速分解后为 20148 kJ·g - 1 ,随后开
始回升 ,到第 12 个月时为 20183 kJ·g - 1 。1 a 内 ,平
均每月降低 0107 kJ·g - 1 。 (2)去灰分热值与干物质热值有着相似的变化趋势 ,从起始的 22178 kJ·g - 1 ,到 9 个月时的 21189kJ·g - 1 ,再到 12 个月后的 22141 kJ·g - 1 。1 a 内 ,平均每月降低 0103 kJ·g - 1 。
(3)灰分含量的变化规律与热值相反 ,这与前人
研究的热值与灰分含量负相关一致。木麻黄凋落物
分解过程中灰分含量的变化情况为 :起始灰分含量
为 4188 % ,3 个月时为 4190 % ,12 个月时为 7109 % ,
平均每月灰分含量增加 01184 %。灰分含量的时间
变化节律与干物质热值对时间变化相一致。
不论是干物质热值还是灰分含量的变化规律都
反映出木麻黄在滨海沙地上分解过程的特征 ,根据
前人的研究 ,温度是影响凋落物分解的重要因素之
一。本研究中木麻黄凋落物在滨海沙地上的分解规
律表明 :干物质热值和灰分含量与气温和土壤温度
显著相关 ,也表明气温和土壤温度对木麻黄凋落物
分解的影响显著 ,同样证明了温度是影响凋落物分
解速度的重要因素。
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954第 4 期 张清海等 :滨海沙地木麻黄凋落物分解过程中热值的动态变化