专利名称：针叶分解过程的直接观测法的制作方法
技术领域：
本发明涉及生态系统中重要的生态过程一一凋落物分解过程的直接观测 法，具体地说是一种针叶分解过程的针叶分解速率、分解过程中元素变化动态 和释放规律的直接观测法。
背景技术：
凋落物分解是森林生态系统物质循环和能量流动的关键环节，其在维持土 壤养分的有效性和养分平衡方面起着重要作用。据估算，植物凋落物分解过程
中每年释放的营养元素可满足69%~87%的森林生长所需量，全球凋落物分解释 放的C02量约占全年碳总流通量的70%。随着全球气候变化的加剧，森林凋落 物分解日益受到关注。
野外测定凋落物分解速率最常用的方法是凋落物分解袋法，将装有一定量 凋落物的尼龙网袋放在地表或埋入土中，定期取回凋落物袋测定袋内凋落物重 量和养分浓度的变化。分解袋法存在严重的局限性(l)实验周期长，特别是 一些难于分解的凋落物；(2)由于凋落物被装于网袋内，不管网眼多大，网袋 的隔离作用都限制了一些动物对凋落物的破碎或其它作用；(3)凋落物袋改变 了土壤的小环境和微生物活动。另外，估算凋落物分解速率较快的一个方法是 通过调查地面上未分解的枯落物积累现存量和放置凋落物收集框获得的年凋落 物的现量，以年凋落物量除以枯落物积累量所得的比值作为分解速率的估算值。 但由于该方法所用的年凋落量为当年的值，而枯落物积累量为多年累计的结果， 所以估算的结果与实际情况往往会有较大的误差。
找到一个能实验周期短、真实、准确地反映自然条件下凋落物分解过程的 观测方法， 一直是凋落物分解研究的重要方面。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种观测自然条件下针叶分解过程的快 捷、准确的方法，本发明适用于任何稳定状态针叶林凋落物分解过程的观测。 为了实现上述目的，本发明技术方案是 针叶分解过程的直接观测法，按如下步骤搡作
1) 收集针叶采用凋落物收集容器收集针叶，统计针叶年凋落量F。；同时 收集10cm x 10cm ~ 50cm x 50cm面积地面所有针叶；
2) 分类针叶根据针叶的破碎度和颜色，按照针叶的分解程度对收集的针 叶进行分类，测定处于分解阶段/的针叶单位长度重量L,，并称量每一类别针叶 的干重，测得处于分解阶段/的针叶重量S, (tha—1);
3) 计算流通速率参数通过迭代方法计算出处于不同分解阶段的针叶之间 的流通速率参数,包括从分解阶段/-7转移到分解阶段/的流通量F,， J t ha—1 y")、 从分解阶段/-7转移到分解阶段/的针叶相对失重率ML,、处于分解阶段/的针
4叶存留时间k;
4)计算针叶分解速率采用凋落物分解模型模拟计算方法，利用计算出的 流通速率参数，包括流通量F,;w、针叶相对失重率ML,、存留时间k,计算针叶 分解速率t
所述从分解阶段"7转移到分解阶段/的流通量F,，卜,的计算式为 F, w (t ha" y" ) = ( L,. / L,—7) F,—2, z' =2,……，11;
其中，1^为处于分解阶段/-7针叶的单位长度重量，F,-;,—2为处于分解阶段
W到分解阶段z'-7的流通量。
所述处于分解阶段/的针叶已存留时间的计算式为 "「S〃F,，,-" i=2,……，11;
所述从分解阶段/-/转移到分解阶段z'的针叶相对失重率的计算式为
其中，L。代表初始单位长度针叶重量，即分解阶段为零的刚凋落的针叶的 单位长度重量。
所述针叶分解速率的计算采用公式 RM=Ae—" + B
其中A和B分别为组成针叶的两个组分所占的百分比；RM为干重剩余率， RM=1-ML,.; /t为组分A的分解速率；t为分解时间，t = t 。
对于针叶早期分解过程，所有针叶均为易分解的组分A,即所述公式中 A=100, B=0。
对于较长时间的针叶分解过程，针叶划分为易分解的组分A和较难分解的 组分B两部分；组分A以恒定速率A分解，组分B的分解速率接近或等于零。 与现有的凋落物分解过程观测的方法相比，该方法的优点在于
1. 采用本发明实验周期短，只需要获得年凋落量数据，同时在某一时刻收集 一次地表针叶，就能得出整个分解进程的信息；
2. 采用本发明比尼龙网袋等方法能更真实、准确地反映自然条件下针叶的分 解过程，包含了过去的气候等历史条件对分解进程的影响，而不受人为实验控 制的千扰；
3. 采用本发明能够获得针叶长期(可长至10年)分解的数据，这通过分解 袋法及别的野外方法很难获得，因此，能提供气候对针叶分解的长期效应的信 息，对成熟稳定的针叶林凋落物的分解过程观测有很强的适用性；
4. 采用本发明可同时得到的分解过程中针叶的分解速率和养分浓度动态变 化的多组实验数据，避免了分次实验，减少了实验搡作，降低了实验误差，对 于针叶的研究具有实践意义。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例1
1、收集针叶
观测样地选定后， 一方面，用凋落物收集容器收集针叶，统计针叶的年凋落物量Fo;另一方面，收集20cmx20cm内地面上所有针叶，挑出除针叶外的 树枝、树皮、球果等其它凋落物，烘干至恒重，为了取得更精确的实验，针叶 收集可进行多次重复取样。
2、 分类针叶
根据针叶的形态，如破碎度和颜色，按照分解程度对收集的地表针叶进行 分类。例如，对于欧洲赤松(乃'm^^/ves加:0,随着分解程度的增强，针叶可分 为Nl:完整的浅棕色针叶；N2:完整的深棕色针叶；N3:黑色的针叶；N4: 破碎的黑色针叶；N5:细碎的黑色针叶。对于不同的针叶树种，可根据针叶的 具体特性和实地情况来判别不同的分解阶段和确定分为几类针叶。针叶分类完 后，对每一类针叶称重，测得处于分解阶段/的针叶的重量S, (tha")。
3、 计算流通速率参数
(1) 针叶的相对失重率ML,的计算 针叶失重量利用单位长度针叶重量的变化来计算。分在同一类中的地表针
叶烘干后，将单根针叶首尾相连成直线，lm长的针叶重量即为单位长度针叶重 量(L,， mgm-1)。 L,的测定必须做若干个重复，其中/代表分解阶段。针叶的相 对失重率(ML》计算如下
ML (1)Z。
式中L。代表初始的单位长度针叶重量，即刚凋落的针叶的单位长度重量， L,为处于分解阶段/的针叶的单位长度重量。
(2) 从分解阶段W转移到分解阶段/的流通量F"; (tha"y")的计算 处于不同分解阶段的地表针叶形成一个级联系统，每年从分解阶段W转移
到分解阶段/的流通量F, w可以通过年凋落量F。和单位长度针叶重量L,计算获 得，具体推导步骤如下
处于分解阶段/的针叶的重量S,的随时间变化率可由下式表示
dS"t)/dt二F『kuS,(t) (2)
dS2(t)/dt = 1^,1^2(0 (3)
dS賴/dt = k,., MS卜! (t)- k S賴 (4 ) /=2,……，11
上式中，F,。为处于第一个分解阶段的针叶的输入量，k".为从S,输出的动力 学参数，k,, w为从Si—,转移到Si的动力学参数；由于凋落物分解过程中有C02 的释放，因此k,》一k,—,,—,,从分解阶段/-7转移到分解阶段z'的分配系数则P,,
可由下式求得
P,.,-产、,,-,/k,—L,.—!， / = 2,……，10,且0^,,^1 (5) 在较长的时间尺度上，林分的年凋落量和地面凋落物层趋于稳定，导数S,〈t)
/dt为零，即处于分解阶段f的针叶的重量S, (t ha—"为常数，不再随着时间而
变化，因此
S, -Fw/k,,, /=1,……10 (6)
F,.,:尸k,.,:,S,-, (7)
从式(5)和式(7)可得出F,.,= p,,F " ,—2 ( 8 )
在一个稳定的系统中，分配系数P,,—,与观测到的针叶单位长度重量L,直接 相关，因此
p"-广Li/Lw, /=2,……，11 (9) 从式(8)和式(9)可得出，所有分解阶段/"转移到分解阶段z'的流通量 F,，,w可通过Fu)和Li求得
F,，,:尸(Li/L") F,w,,-2, /=2,……，11 ( 10)
式中W/为处于分解阶段W针叶的单位长度重量，F ,w, w为处于分解阶段 W到分解阶段zW的流通量。
(3)针叶存留时间U的计算 .针叶存留时间指针叶从凋落到取样时的时间(以年为单位)，处于分解阶段
/的针叶的存留时间U十算如下
由F,," = (Li / L" ) F ,—7, m, / =2，...…，11 ( 10 )
而处于第一个分解阶段的针叶的输入量Fu)与叶片凋落量Fo相关， Ff(WLo)F。 (11) 在这一稳定的级联系统中，处于分解阶段/的针叶量的唯一输入途径是F,^,
因此，相应的处于分解阶段/的针叶的存留时间tri计算如下
"=S,/F,.,.—7 (12) 4、计算针叶分解速率一一针叶分解速率的模型模拟
建立模型是反映自然现象本质的最好办法，凋落物分解是一个非常复杂的 物理化学过程，而且一些难于分解的凋落物完全分解需要很长时间，因此通过 模型的建立能够更全面地了解凋落物分解进程，预测凋落物分解需要的时间。
在凋落物分解的观测中，由Olson ( 1963 )提出的负指数衰减模型被广泛应
用。该模型公式为
RM=100e-fa (13)
式中RM表示干重剩余率(剩余干重占初始干重的百分比)，A表示分解速 率常数(年分解系数)，t为分解时间(年)。该模型的建立是基于凋落物的分解 速率在整个分解过程中为一常数的假设。在本发明中，RM为l-MLp t为tn, 通过这两个指标可求出分解速率A:。
按照本发明的实验方法和推导计算，只需要获得年凋落量数据，并对地表 针叶进行分类，并测定各类的干重和单位长度针叶重量，就可以计算出相对成 熟稳定的针叶林中针叶分解速率。采用本发明可以更深入了解森林生态系统物 质循环和能量流动的关键环节一一凋落物的分解过程，对于观测凋落物的分解 过程在维持土壤养分有效性和养分平衡方面的作用有很好的实践意义。本发明 的方法简单易行，数学推理和分析逻辑严密，与传统方法相比，大大缩短了实 验周期，且得出的实验结果更为真实准确。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于对于较长时间的针叶分解过程，针 叶分解速率的模型模拟釆用渐近线模型。
7负指数衰减模型在凋落物分解早期能与实验数据很好地拟合，但由于有机 质的组成非常复杂，而且凋落物的组成随着分解过程不断变化，对于较长时间 的分解过程，渐近线模型的拟合效果更好。渐近线模型的公式为
RM = Ae—" + B (14)
该模型基于如下假设凋落物由组分A和较难分解的组分B两部分组成， 组分A以恒定速率r分解，而难于分解的组分B的分解速率接近或等于零，通 过相同的模拟计算，可求出分解速率A:。
另外，本发明在计算流通速率参数的同时可测定各分解阶段的养分浓度参 数，通过相同的推导和凋落物分解模型拟合，可测定出针叶分解过程中养分浓 度的动态变化过程。因此，通过本发明可同时得到处于不同分解阶段的针叶的 分解速率和针叶分解过程中养分浓度的动态变化的多组实验数据，本发明避免
了分次实验，减少了实验操作，可降低实验误差，对于针叶的研究具有实践意 义。
8
权利要求
1、一种针叶分解过程的直接观测法，其特征在于按如下步骤操作1)收集针叶采用凋落物收集容器收集针叶，统计针叶年凋落量F0；同时收集10cm×10cm～50cm×50cm面积地面所有针叶；2)分类针叶根据针叶的破碎度和颜色，按照针叶的分解程度对收集的针叶进行分类，测定处于分解阶段i的针叶单位长度重量Li，并称量每一类别针叶的干重，测得处于分解阶段i的针叶重量Si(t ha-1)；3)计算流通速率参数通过迭代方法计算出处于不同分解阶段的针叶之间的流通速率参数，包括从分解阶段i-1转移到分解阶段i的流通量Fi，i-1(t ha-1y-1)、从分解阶段i-1转移到分解阶段i的针叶相对失重率MLi、处于分解阶段i的针叶存留时间tri；4)计算针叶分解速率采用凋落物分解模型模拟计算方法，利用计算出的流通速率参数，包括流通量Fi，i-1、针叶相对失重率MLi、存留时间tri，计算针叶分解速率k。
2、 按权利要求l所述针叶分解过程的直接观测法，其特征在于从分解阶 段转移到分解阶段/的流通量F,,;w的计算式为F, iW (t hi1 y" ) = (L,. / L,:;) F,.—2, i =2,…...，11; 其中，L,—7为处于分解阶段/-7针叶的单位长度重量，F卜;"为处于分解阶段 "2到分解阶段^的流通量。
3、 按权利要求l所述针叶分解过程的直接观测法，其特征在于处于分解 阶段/的针叶已存留时间U,的计算式为t = / ， i =2, ......, 110
4、 按权利要求l所述针叶分解过程的直接观测法，其特征在于从分解阶 段转移到分解阶段/的针叶相对失重率的计算式为其中，L。代表初始单位长度针叶重量，即分解阶段为零的刚凋落的针叶的 单位长度重量。
5、 按权利要求l所述针叶分解过程的直接观测法，其特征在于所述针叶 分解速率的计算釆用公式RM = Ae " + B其中A和B分别为组成针叶的两个组分所占的百分比；RM为干重剩余率， RM=1-ML,; A为组分A的分解速率；t为分解时间，t = t,.,。
6、 按权利要求5所述针叶分解过程的直接观测法，其特征在于对于针叶 早期分解过程，针叶均为易分解的组分A,即所述公式中A400， B=0。
7、 按权利要求5所述针叶分解过程的直接观测法，其特征在于对于较长 时间的针叶分解过程，针叶划分为易分解的组分A和较难分解的组分B两部分;其中，组分A以恒定速率A:分解，组分B的分解速率接近或等于零。
全文摘要
本发明公开了一种针叶分解进程的直接观测法。本发明按分解阶段对地表针叶进行分类并测定各类针叶的干重及单位长度重量，通过实验获得的年针叶凋落量数据，采用迭代方法计算出处于不同分解阶段的针叶之间的流通速率，再通过模型计算出针叶分解速率。本发明还可同时测定针叶分解过程中元素的动态变化过程，与当前野外测定针叶分解速率的方法相比，本发明操作简单、实验周期短，实验操作少，能真实、准确地反映自然条件下针叶分解进程。
文档编号G06F19/00GK101424607SQ20071015790
公开日2009年5月6日 申请日期2007年11月2日 优先权日2007年11月2日
发明者曾德慧, 范志平, 琼 赵 申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所