專利名稱：針葉分解過程的直接觀測法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)過程一一凋落物分解過程的直接觀測 法，具體地說是一種針葉分解過程的針葉分解速率、分解過程中元素變化動態(tài) 和釋放規(guī)律的直接觀測法。
背景技術：
凋落物分解是森林生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的關鍵環(huán)節(jié)，其在維持土 壤養(yǎng)分的有效性和養(yǎng)分平衡方面起著重要作用。據估算，植物凋落物分解過程
中每年釋放的營養(yǎng)元素可滿足69%~87%的森林生長所需量，全球凋落物分解釋 放的C02量約占全年碳總流通量的70%。隨著全球氣候變化的加劇，森林凋落 物分解日益受到關注。
野外測定凋落物分解速率最常用的方法是凋落物分解袋法，將裝有一定量 凋落物的尼龍網袋放在地表或埋入土中，定期取回凋落物袋測定袋內凋落物重 量和養(yǎng)分濃度的變化。分解袋法存在嚴重的局限性(l)實驗周期長，特別是 一些難于分解的凋落物；(2)由于凋落物被裝于網袋內，不管網眼多大，網袋 的隔離作用都限制了一些動物對凋落物的破碎或其它作用；(3)凋落物袋改變 了土壤的小環(huán)境和微生物活動。另外，估算凋落物分解速率較快的一個方法是 通過調查地面上未分解的枯落物積累現(xiàn)存量和放置凋落物收集框獲得的年凋落 物的現(xiàn)量，以年凋落物量除以枯落物積累量所得的比值作為分解速率的估算值。 但由于該方法所用的年凋落量為當年的值，而枯落物積累量為多年累計的結果， 所以估算的結果與實際情況往往會有較大的誤差。
找到一個能實驗周期短、真實、準確地反映自然條件下凋落物分解過程的 觀測方法， 一直是凋落物分解研究的重要方面。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種觀測自然條件下針葉分解過程的快 捷、準確的方法，本發(fā)明適用于任何穩(wěn)定狀態(tài)針葉林凋落物分解過程的觀測。 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術方案是 針葉分解過程的直接觀測法，按如下步驟搡作
1) 收集針葉采用凋落物收集容器收集針葉，統(tǒng)計針葉年凋落量F。；同時 收集10cm x 10cm ~ 50cm x 50cm面積地面所有針葉；
2) 分類針葉根據針葉的破碎度和顏色，按照針葉的分解程度對收集的針 葉進行分類，測定處于分解階段/的針葉單位長度重量L,，并稱量每一類別針葉 的干重，測得處于分解階段/的針葉重量S, (tha—1);
3) 計算流通速率參數(shù)通過迭代方法計算出處于不同分解階段的針葉之間 的流通速率參數(shù),包括從分解階段/-7轉移到分解階段/的流通量F,， J t ha—1 y")、 從分解階段/-7轉移到分解階段/的針葉相對失重率ML,、處于分解階段/的針
4葉存留時間k;
4)計算針葉分解速率采用凋落物分解模型模擬計算方法，利用計算出的 流通速率參數(shù)，包括流通量F,;w、針葉相對失重率ML,、存留時間k,計算針葉 分解速率t
所述從分解階段"7轉移到分解階段/的流通量F,，卜,的計算式為 F, w (t ha" y" ) = ( L,. / L,—7) F,—2, z' =2,……，11;
其中，1^為處于分解階段/-7針葉的單位長度重量，F(xiàn),-;,—2為處于分解階段
W到分解階段z'-7的流通量。
所述處于分解階段/的針葉已存留時間的計算式為 "「S〃F,，,-" i=2,……，11;
所述從分解階段/-/轉移到分解階段z'的針葉相對失重率的計算式為
其中，L。代表初始單位長度針葉重量，即分解階段為零的剛凋落的針葉的 單位長度重量。
所述針葉分解速率的計算采用公式 RM=Ae—" + B
其中A和B分別為組成針葉的兩個組分所占的百分比；RM為干重剩余率， RM=1-ML,.; /t為組分A的分解速率；t為分解時間，t = t 。
對于針葉早期分解過程，所有針葉均為易分解的組分A,即所述公式中 A=100, B=0。
對于較長時間的針葉分解過程，針葉劃分為易分解的組分A和較難分解的 組分B兩部分；組分A以恒定速率A分解，組分B的分解速率接近或等于零。 與現(xiàn)有的凋落物分解過程觀測的方法相比，該方法的優(yōu)點在于
1. 采用本發(fā)明實驗周期短，只需要獲得年凋落量數(shù)據，同時在某一時刻收集 一次地表針葉，就能得出整個分解進程的信息；
2. 采用本發(fā)明比尼龍網袋等方法能更真實、準確地反映自然條件下針葉的分 解過程，包含了過去的氣候等歷史條件對分解進程的影響，而不受人為實驗控 制的千擾；
3. 采用本發(fā)明能夠獲得針葉長期(可長至10年)分解的數(shù)據，這通過分解 袋法及別的野外方法很難獲得，因此，能提供氣候對針葉分解的長期效應的信 息，對成熟穩(wěn)定的針葉林凋落物的分解過程觀測有很強的適用性；
4. 采用本發(fā)明可同時得到的分解過程中針葉的分解速率和養(yǎng)分濃度動態(tài)變 化的多組實驗數(shù)據，避免了分次實驗，減少了實驗搡作，降低了實驗誤差，對 于針葉的研究具有實踐意義。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
實施例1
1、收集針葉
觀測樣地選定后， 一方面，用凋落物收集容器收集針葉，統(tǒng)計針葉的年凋落物量Fo;另一方面，收集20cmx20cm內地面上所有針葉，挑出除針葉外的 樹枝、樹皮、球果等其它凋落物，烘干至恒重，為了取得更精確的實驗，針葉 收集可進行多次重復取樣。
2、 分類針葉
根據針葉的形態(tài)，如破碎度和顏色，按照分解程度對收集的地表針葉進行 分類。例如，對于歐洲赤松(乃'm^^/ves加:0,隨著分解程度的增強，針葉可分 為Nl:完整的淺棕色針葉；N2:完整的深棕色針葉；N3:黑色的針葉；N4: 破碎的黑色針葉；N5:細碎的黑色針葉。對于不同的針葉樹種，可根據針葉的 具體特性和實地情況來判別不同的分解階段和確定分為幾類針葉。針葉分類完 后，對每一類針葉稱重，測得處于分解階段/的針葉的重量S, (tha")。
3、 計算流通速率參數(shù)
(1) 針葉的相對失重率ML,的計算 針葉失重量利用單位長度針葉重量的變化來計算。分在同一類中的地表針
葉烘干后，將單根針葉首尾相連成直線，lm長的針葉重量即為單位長度針葉重 量(L,， mgm-1)。 L,的測定必須做若干個重復，其中/代表分解階段。針葉的相 對失重率(ML》計算如下
ML (1)Z。
式中L。代表初始的單位長度針葉重量，即剛凋落的針葉的單位長度重量， L,為處于分解階段/的針葉的單位長度重量。
(2) 從分解階段W轉移到分解階段/的流通量F"; (tha"y")的計算 處于不同分解階段的地表針葉形成一個級聯(lián)系統(tǒng)，每年從分解階段W轉移
到分解階段/的流通量F, w可以通過年凋落量F。和單位長度針葉重量L,計算獲 得，具體推導步驟如下
處于分解階段/的針葉的重量S,的隨時間變化率可由下式表示
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(xiàn),。為處于第一個分解階段的針葉的輸入量，k".為從S,輸出的動力 學參數(shù)，k,, w為從Si—,轉移到Si的動力學參數(shù)；由于凋落物分解過程中有C02 的釋放，因此k,》一k,—,,—,,從分解階段/-7轉移到分解階段z'的分配系數(shù)則P,,
可由下式求得
P,.,-產、,,-,/k,—L,.—!， / = 2,……，10,且0^,,^1 (5) 在較長的時間尺度上，林分的年凋落量和地面凋落物層趨于穩(wěn)定，導數(shù)S,〈t)
/dt為零，即處于分解階段f的針葉的重量S, (t ha—"為常數(shù)，不再隨著時間而
變化，因此
S, -Fw/k,,, /=1,……10 (6)
F,.,:尸k,.,:,S,-, (7)
從式(5)和式(7)可得出F,.,= p,,F " ,—2 ( 8 )
在一個穩(wěn)定的系統(tǒng)中，分配系數(shù)P,,—,與觀測到的針葉單位長度重量L,直接 相關，因此
p"-廣Li/Lw, /=2,……，11 (9) 從式(8)和式(9)可得出，所有分解階段/"轉移到分解階段z'的流通量 F,，,w可通過Fu)和Li求得
F,，,:尸(Li/L") F,w,,-2, /=2,……，11 ( 10)
式中W/為處于分解階段W針葉的單位長度重量，F(xiàn) ,w, w為處于分解階段 W到分解階段zW的流通量。
(3)針葉存留時間U的計算 .針葉存留時間指針葉從凋落到取樣時的時間(以年為單位)，處于分解階段
/的針葉的存留時間U十算如下
由F,," = (Li / L" ) F ,—7, m, / =2，...…，11 ( 10 )
而處于第一個分解階段的針葉的輸入量Fu)與葉片凋落量Fo相關， Ff(WLo)F。 (11) 在這一穩(wěn)定的級聯(lián)系統(tǒng)中，處于分解階段/的針葉量的唯一輸入途徑是F,^,
因此，相應的處于分解階段/的針葉的存留時間tri計算如下
"=S,/F,.,.—7 (12) 4、計算針葉分解速率一一針葉分解速率的模型模擬
建立模型是反映自然現(xiàn)象本質的最好辦法，凋落物分解是一個非常復雜的 物理化學過程，而且一些難于分解的凋落物完全分解需要很長時間，因此通過 模型的建立能夠更全面地了解凋落物分解進程，預測凋落物分解需要的時間。
在凋落物分解的觀測中，由Olson ( 1963 )提出的負指數(shù)衰減模型被廣泛應
用。該模型公式為
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 率常數(shù)(年分解系數(shù))，t為分解時間(年)。該模型的建立是基于凋落物的分解 速率在整個分解過程中為一常數(shù)的假設。在本發(fā)明中，RM為l-MLp t為tn, 通過這兩個指標可求出分解速率A:。
按照本發(fā)明的實驗方法和推導計算，只需要獲得年凋落量數(shù)據，并對地表 針葉進行分類，并測定各類的干重和單位長度針葉重量，就可以計算出相對成 熟穩(wěn)定的針葉林中針葉分解速率。采用本發(fā)明可以更深入了解森林生態(tài)系統(tǒng)物 質循環(huán)和能量流動的關鍵環(huán)節(jié)一一凋落物的分解過程，對于觀測凋落物的分解 過程在維持土壤養(yǎng)分有效性和養(yǎng)分平衡方面的作用有很好的實踐意義。本發(fā)明 的方法簡單易行，數(shù)學推理和分析邏輯嚴密，與傳統(tǒng)方法相比，大大縮短了實 驗周期，且得出的實驗結果更為真實準確。
實施例2
實施例2與實施例1的不同之處在于對于較長時間的針葉分解過程，針 葉分解速率的模型模擬釆用漸近線模型。
7負指數(shù)衰減模型在凋落物分解早期能與實驗數(shù)據很好地擬合，但由于有機 質的組成非常復雜，而且凋落物的組成隨著分解過程不斷變化，對于較長時間 的分解過程，漸近線模型的擬合效果更好。漸近線模型的公式為
RM = Ae—" + B (14)
該模型基于如下假設凋落物由組分A和較難分解的組分B兩部分組成， 組分A以恒定速率r分解，而難于分解的組分B的分解速率接近或等于零，通 過相同的模擬計算，可求出分解速率A:。
另外，本發(fā)明在計算流通速率參數(shù)的同時可測定各分解階段的養(yǎng)分濃度參 數(shù)，通過相同的推導和凋落物分解模型擬合，可測定出針葉分解過程中養(yǎng)分濃 度的動態(tài)變化過程。因此，通過本發(fā)明可同時得到處于不同分解階段的針葉的 分解速率和針葉分解過程中養(yǎng)分濃度的動態(tài)變化的多組實驗數(shù)據，本發(fā)明避免
了分次實驗，減少了實驗操作，可降低實驗誤差，對于針葉的研究具有實踐意 義。
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權利要求
1、一種針葉分解過程的直接觀測法，其特征在于按如下步驟操作1)收集針葉采用凋落物收集容器收集針葉，統(tǒng)計針葉年凋落量F0；同時收集10cm×10cm～50cm×50cm面積地面所有針葉；2)分類針葉根據針葉的破碎度和顏色，按照針葉的分解程度對收集的針葉進行分類，測定處于分解階段i的針葉單位長度重量Li，并稱量每一類別針葉的干重，測得處于分解階段i的針葉重量Si(t ha-1)；3)計算流通速率參數(shù)通過迭代方法計算出處于不同分解階段的針葉之間的流通速率參數(shù)，包括從分解階段i-1轉移到分解階段i的流通量Fi，i-1(t ha-1y-1)、從分解階段i-1轉移到分解階段i的針葉相對失重率MLi、處于分解階段i的針葉存留時間tri；4)計算針葉分解速率采用凋落物分解模型模擬計算方法，利用計算出的流通速率參數(shù)，包括流通量Fi，i-1、針葉相對失重率MLi、存留時間tri，計算針葉分解速率k。
2、 按權利要求l所述針葉分解過程的直接觀測法，其特征在于從分解階 段轉移到分解階段/的流通量F,,;w的計算式為F, iW (t hi1 y" ) = (L,. / L,:;) F,.—2, i =2,…...，11; 其中，L,—7為處于分解階段/-7針葉的單位長度重量，F(xiàn)卜;"為處于分解階段 "2到分解階段^的流通量。
3、 按權利要求l所述針葉分解過程的直接觀測法，其特征在于處于分解 階段/的針葉已存留時間U,的計算式為t = / ， i =2, ......, 110
4、 按權利要求l所述針葉分解過程的直接觀測法，其特征在于從分解階 段轉移到分解階段/的針葉相對失重率的計算式為其中，L。代表初始單位長度針葉重量，即分解階段為零的剛凋落的針葉的 單位長度重量。
5、 按權利要求l所述針葉分解過程的直接觀測法，其特征在于所述針葉 分解速率的計算釆用公式RM = Ae " + B其中A和B分別為組成針葉的兩個組分所占的百分比；RM為干重剩余率， RM=1-ML,; A為組分A的分解速率；t為分解時間，t = t,.,。
6、 按權利要求5所述針葉分解過程的直接觀測法，其特征在于對于針葉 早期分解過程，針葉均為易分解的組分A,即所述公式中A400， B=0。
7、 按權利要求5所述針葉分解過程的直接觀測法，其特征在于對于較長 時間的針葉分解過程，針葉劃分為易分解的組分A和較難分解的組分B兩部分;其中，組分A以恒定速率A:分解，組分B的分解速率接近或等于零。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種針葉分解進程的直接觀測法。本發(fā)明按分解階段對地表針葉進行分類并測定各類針葉的干重及單位長度重量，通過實驗獲得的年針葉凋落量數(shù)據，采用迭代方法計算出處于不同分解階段的針葉之間的流通速率，再通過模型計算出針葉分解速率。本發(fā)明還可同時測定針葉分解過程中元素的動態(tài)變化過程，與當前野外測定針葉分解速率的方法相比，本發(fā)明操作簡單、實驗周期短，實驗操作少，能真實、準確地反映自然條件下針葉分解進程。
文檔編號G06F19/00GK101424607SQ20071015790
公開日2009年5月6日 申請日期2007年11月2日 優(yōu)先權日2007年11月2日
發(fā)明者曾德慧, 范志平, 瓊 趙 申請人:中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所