黑木相思人工林營養(yǎng)元素生物循環(huán)特征1)

何 斌 韋善華 張 偉 唐 天

(廣西大學(xué)，南寧，530004) (廣西高峰林場) (廣西林業(yè)勘測設(shè)計(jì)院) (廣西高峰林場)

羅柳娟 劉紅英 劉 莉 覃祚玉

(廣西大學(xué))

林木營養(yǎng)元素的積累與分布是研究森林生態(tài)系統(tǒng)物流和能流的基礎(chǔ)，而系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)是系統(tǒng)功能的主要表現(xiàn)之一，直接影響著森林的生產(chǎn)力，很大程度上制約著森林地力變化的方向和強(qiáng)度，對林地養(yǎng)分平衡的維持有重要作用［1－2］。黑木相思(Acacia melanoxylon)原產(chǎn)于澳大利亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和印度尼西亞等地，為相思類最高大喬木種之一，具有速生、干形較直、耐干瘠和抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，是多功能的速生用材樹種。因其干形良好、速生、材質(zhì)優(yōu)良而又具有一定的耐寒能力，已成為近年來廣東、廣西、福建、海南等省區(qū)推廣種植的重要相思類樹種之一。目前國內(nèi)有關(guān)黑木相思人工林的研究已有不少報(bào)道［3－7］，但主要集中在引種、苗木選育、生長特性以及木材材性等方面，至今未見有關(guān)黑木相思人工林養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、積累以及生物循環(huán)等方面的報(bào)道。為此，文中擬通過對8年生黑木相思人工林9種營養(yǎng)元素(N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn 和 Cu)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、積累、分布和生物循環(huán)的研究，揭示黑木相思人工林的養(yǎng)分積累及其循環(huán)規(guī)律，為黑木相思人工林經(jīng)營管理，尤其是林地養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西南寧市北郊(108°21＇E，22°58＇N)，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫21.8℃，極端最高氣溫40℃，≥10℃年積溫約7 200℃，年平均降水量約1 350 mm，降雨多集中在5—9月，相對濕度約79%，年日照時(shí)數(shù)1 450～1 650 h。調(diào)查樣地均位于山坡中下部，海拔180～200 m，坡向?yàn)槟掀拢露?6°～28°，土壤類型為砂頁巖發(fā)育形成的赤紅壤，土層厚度在80 cm以上，土壤腐殖質(zhì)層厚度15～20 cm。

試驗(yàn)地前茬林分為馬尾松(Pinus massoniana)人工林，2000年12月采伐并經(jīng)煉山整地后，于2001年4月用黑木相思實(shí)生苗定植，初植密度1 140株/hm2。造林當(dāng)年和第二年除草撫育管理各1次。2009年3月調(diào)查時(shí)，經(jīng)自然稀疏和間伐后林分保留密度為850株/hm2，郁閉度0.75，林分平均胸徑15.2 cm，平均樹高14.8 m。林下植物灌木層主要有毛桐(Mallotus barbatus)、鹽膚木(Rhus chinenesis)、杜莖山(Maesa japonica)、潺槁樹(Litsea glutinosa)、越南懸鉤子(Rubus cochinchinensis)等，草本植物主要有蔓生莠竹(Microstegium vaans)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)和淡竹葉(Lophatherum gracile)等，凋落物層厚度2～3 cm。

2 研究方法

喬木層生物量的測定:于鄰近分布、立地條件相似、長勢良好的8年生黑木相思人工林中設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的調(diào)查樣地，測定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)樹木的樹高和胸徑。根據(jù)林分生長調(diào)查結(jié)果，按林木的徑級(jí)分布，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取各徑級(jí)5株標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，地上部分采用2 m區(qū)分段“分層切割法”測定干材、干皮、活枝、枯枝、樹葉鮮質(zhì)量，地下部分(根系)采用全根挖掘法［8］，分別測定根蔸、粗根(根徑(d)≥2.0 cm)、中根(0.5 cm≤d＜2.0 cm)、細(xì)根(d＜0.5 cm)鮮質(zhì)量。各組分分別取樣，在80℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算出各組分的干濕比例和干物質(zhì)質(zhì)量，估算林分生物量。

林下植被生物量及現(xiàn)存凋落物量調(diào)查:分別在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m小樣方，調(diào)查樣方內(nèi)植物種類、個(gè)體數(shù)、高度和覆蓋度等。灌木和草本層用樣方法收割和稱量地上部鮮質(zhì)量，再挖掘和稱量樣方地下20 cm范圍內(nèi)的根，凋落物層則收集和稱量樣方內(nèi)所有凋落物，同時(shí)取樣測定含水率和干質(zhì)量。

年凋落物的測定:采用直接收集法測定年凋落物量，即在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的木框架尼龍網(wǎng)收集器，收集網(wǎng)的孔徑為1.0 mm，每月月底收集凋落物一次，帶回室內(nèi)，按葉、枝、花果和雜物等組分烘干測定生物量。

植物樣品的采集及營養(yǎng)元素分析:在測定各組分生物量的同時(shí)，按不同組分采集分析樣品;凋落物樣品為按各月凋落物質(zhì)量比例各選取一定量的凋落物混合后作為化學(xué)分析樣品。N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用濃H2SO4－HClO4消化法消煮后，N用氨氣敏電極法測定［9］，P用鉬銻抗比色法測定，K用火焰光度計(jì)法測定;Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用 HClO4－HNO3消化法消煮，然后用原子吸收光譜法測定［10］317－336;B 質(zhì)量分?jǐn)?shù)用干灰化法灰化，然后用姜黃素法測定［10］316。

養(yǎng)分循環(huán)參數(shù)的計(jì)算:采用養(yǎng)分利用系數(shù)、循環(huán)系數(shù)和周轉(zhuǎn)時(shí)間等生物循環(huán)參數(shù)來分析養(yǎng)分循環(huán)的特征，按照生物循環(huán)公式:吸收量=存留量+歸還量。上述養(yǎng)分利用系數(shù)為吸收量與貯存量的比值，表示林木維持其生長所需的營養(yǎng)元素量;循環(huán)系數(shù)為歸還量與吸收量的比值，表征營養(yǎng)元素的循環(huán)強(qiáng)度;周轉(zhuǎn)時(shí)間為營養(yǎng)元素經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)周期所需的時(shí)間，即為營養(yǎng)元素的總儲(chǔ)存量除以歸還量［2］。

3 結(jié)果與分析

3.1 營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表1可以看出，黑木相思不同組分的營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差較大，以同化器官樹葉營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，非同化器官干材的營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為樹葉、干皮、樹枝、樹根、干材。各器官中的大量元素均以N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其中樹葉中N質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于馬尾松、杉木和桉樹等速生樹種［11－13］，顯示出黑木相思具有與其他相思樹種相似的固氮特性;其次是K和Ca，然后是Mg，P最低。微量元素以Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次是Fe和Zn，Cu最低。

黑木相思人工林林下植被(草本層和灌木層)和凋落物層的營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較豐富，除略低于黑木相思樹葉外，基本上都高于黑木相思的其他組分。而就黑木相思群落垂直結(jié)構(gòu)中各組分的營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)而言，呈現(xiàn)出自上而下遞增的趨勢，即草本植物＞灌木植物＞喬木植物，表明黑木相思人工林不同垂直結(jié)構(gòu)層次植物對土壤養(yǎng)分富集能力存在一定的差異［14］。

3.2 營養(yǎng)元素儲(chǔ)存量

從表2可以看出，黑木相思人工林現(xiàn)存生物量的營養(yǎng)元素儲(chǔ)存量為987.17 kg/hm2，其中喬木層所積累的營養(yǎng)元素達(dá)到749.23 kg/hm2，占總儲(chǔ)存量的75.89%，不同器官營養(yǎng)元素儲(chǔ)存量大小呈現(xiàn)出樹葉＞樹皮＞樹枝＞樹干＞樹根。喬木層中不同營養(yǎng)元素儲(chǔ)存量以N最多，為403.14 kg/hm2，占喬木層儲(chǔ)存量的53.80%，分別為 P(24.65 kg/hm2)的16.35 倍、K(193.07 kg/hm2)的 2.09 倍、Ca(82.92 kg/hm2)的4.86 倍和 Mg(33.69 kg/hm2)的11.97 倍，可見黑木相思對N具有很強(qiáng)的吸收與富集能力，同時(shí)也是其具有較強(qiáng)的固氮改土能力的重要原因。若將林木器官分為樹冠(樹枝和樹葉)、樹干(干材和干皮)和樹根3部分，則黑木相思人工林上述3部分營養(yǎng)元素儲(chǔ)存量依次占喬木層儲(chǔ)存量的49.23%、40.06%和10.71%。黑木相思人工林灌木層和草本層營養(yǎng)元素儲(chǔ)存量分別為119.26和51.60 kg/hm2，分別占林分儲(chǔ)存總量的12.08%和5.23%;凋落物層營養(yǎng)元素儲(chǔ)存量為67.06 kg/hm2，占林分儲(chǔ)存總量的6.79%，由于凋落物中大部分是比較容易分解的凋落葉，難分解的樹枝等所占比例較小，而且凋落物中N的儲(chǔ)存量所占比例較大(59.14%)，因此在維持和提高林地土壤肥力，尤其是提高土壤N素供應(yīng)水平方面起著極其重要的作用。

表1 黑木相思人工林各組分營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 黑木相思人工林各組分生物量及營養(yǎng)元素儲(chǔ)存量 kg·hm－2

3.3 營養(yǎng)元素年凈積累量

從表3可以看出，8年生黑木相思人工林9種元素的年凈積累量為93.65 kg/(hm2·a)，其中N、P、K、Ca、Mg 5 種營養(yǎng)元素的年凈積累量為 92.18 kg/(hm2·a)，高于相近氣候帶的廣西武宣8、14和23年生馬尾松人工林和福建尤溪8、14和24年生杉木人工林的年凈積累量［11－12］，表明黑木相思人工林有較強(qiáng)的養(yǎng)分積累能力。不同營養(yǎng)元素的年凈積累量以N為最多，占年凈總積累量的53.81%，其它元素年凈積累量依次為 K＞Ca＞Mg＞P＞Fe＞Mn＞Zn＞Cu。

表3 8年生黑木相思人工林各組分營養(yǎng)元素年凈積累量 kg·hm－2·a－1

3.4 營養(yǎng)元素的生物循環(huán)

生物循環(huán)是指養(yǎng)分在植物—凋落物—土壤—植物的循環(huán)流動(dòng)過程，包括吸收、存留和歸還3個(gè)環(huán)節(jié)，且遵循吸收量=存留量+歸還量的平衡關(guān)系。表4給出了黑木相思人工林9種營養(yǎng)元素的生物循環(huán)參數(shù)。

表4 8年生黑木相思人工林營養(yǎng)元素的生物循環(huán)

黑木相思人工林9種營養(yǎng)元素吸收量為199.30 kg/(hm2·a)，其中 53.02%(105.66 kg/(hm2·a))的吸收量以凋落物的形式歸還于土壤，高于存留于立木中的 134.64 kg/(hm2·a)(占 67.56%)，并且凋落物中N素(62.78 kg/(hm2·a)占59.42%。因此，黑木相思人工林通過較多的富含N素的凋落物將N素歸還土壤，從而對土壤，尤其是貧瘠缺N土壤起到良好的固氮改土作用。

8年生黑木相思人工林9種元素的利用系數(shù)為0.14，循環(huán)系數(shù)為 0.53，周轉(zhuǎn)時(shí)間為 7.11 a，其中以Mn周轉(zhuǎn)期最短，P和K最長，這與林地土壤磷、鉀養(yǎng)分比較缺乏密切相關(guān)，同時(shí)也表明，磷、鉀素的缺乏可能是影響黑木相思人工林正常發(fā)育的重要原因之一。

4 結(jié)論與討論

黑木相思不同器官營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異，其排序大致為:樹葉＞干皮＞樹枝＞樹根＞干材，與馬占相思和厚莢相思不同器官營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)排列次序基本一致［2，15－16］。各器官中大量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)以N最高，其次為K、Ca、Mg，最低是 P，微量元素以Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次是Fe，最低是Zn。

8年生黑木相思人工林營養(yǎng)元素的儲(chǔ)存量為987.17 kg/hm2，其中喬木層所積累的養(yǎng)分達(dá)到749.20 kg/hm2，占總儲(chǔ)存量的75.89%，不同器官養(yǎng)分儲(chǔ)存量呈現(xiàn)出樹葉＞樹皮＞樹枝＞樹干＞樹根，其中干皮營養(yǎng)元素儲(chǔ)存量均高于除樹葉外的其他器官，表現(xiàn)出與馬占相思［2，15］、厚莢相思［16］等相思類樹種，以及巨尾桉［13］、馬尾松［11］等其他速生樹種存在明顯的差異，這與黑木相思干皮具有較高的營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)并具有較高的生物量比例密切相關(guān)，同時(shí)也反映了黑木相思人工林營養(yǎng)元素積累的特點(diǎn)。喬木層中不同養(yǎng)分元素貯存量以N(403.14 kg/hm2)為最多，占喬木層養(yǎng)分儲(chǔ)存量的53.80%，分別為P(24.65 kg/hm2)的 16.35 倍、K(193.07 kg/hm2)的 2.09倍、Ca(82.92 kg/hm2)的 4.86 倍和 Mg(33.69 kg/hm2)的11.97倍，表明黑木相思對N具有很強(qiáng)的吸收與富集能力，同時(shí)體現(xiàn)了N在建造植物體中的重要作用，是森林生長的主要限制因子。

8年生黑木相思人工林營養(yǎng)元素的儲(chǔ)存量為987.17 kg/hm2，喬木層儲(chǔ)存量最多，占 75.89%，其中干材儲(chǔ)存量最少，僅占9.73%。因此，如采伐(主伐或間伐)時(shí)僅利用樹干(而把其他采伐剩余物留在林地)所造成養(yǎng)分輸出不很大，因而對林地生產(chǎn)力的影響也較小。而灌木、草本和凋落物層養(yǎng)分儲(chǔ)存量(237.92 kg/hm2)占24.10%，這對維持這一人工林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡起著重要的作用。

8年生黑木相思人工林養(yǎng)分年吸收量為199.30 kg/(hm2·a)，其中年歸還量為 105.66 kg/(hm2·a)，高于其相應(yīng)的年積累量(93.64 kg/(hm2·a))。養(yǎng)分循環(huán)系數(shù)為0.53不同元素呈現(xiàn)出Mn＞Zn＞Mg＞Cu＞Ca＞N＞Fe＞K＞P;周轉(zhuǎn)期為7.11 a，不同元素呈現(xiàn)出 P＞K＞Fe＞N＞Ca＞Cu＞Mg＞Zn＞Mn，其中，除 P 和 K外，其他元素周轉(zhuǎn)期均小于林分實(shí)際年齡。由于黑木相思人工林中林冠層生物量和養(yǎng)分儲(chǔ)存量均較大，而本研究未將降水淋洗以及樹干莖流和死根歸還量等估算進(jìn)去，所以養(yǎng)分歸還量和循環(huán)速率計(jì)算結(jié)果較林分實(shí)際歸還量偏低(其中以移動(dòng)性強(qiáng)的鉀元素更為明顯)，而周轉(zhuǎn)期則與此恰好相反。總的來看，黑木相思人工林具有較快的養(yǎng)分循環(huán)、較強(qiáng)的養(yǎng)分自我調(diào)節(jié)能力。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中合理經(jīng)營和管理黑木相思人工林，對維持和改善林地土壤肥力，提高林地生產(chǎn)力具有重要作用。但由于黑木相思人工林的磷素循環(huán)周期較長，而植物生長的限制性的黑木相思樹葉N/P比值(16.5)大于14，也表明該樹種的生長可能受磷素限制［17－18］，由于熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤磷素嚴(yán)重缺乏，有效性低，同時(shí)因雨量充沛，地表沖刷強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致磷素流失;因此，應(yīng)加強(qiáng)磷素營養(yǎng)管理，如采取施用磷肥等措施，改善林地生態(tài)條件，加快林地養(yǎng)分循環(huán)，從而進(jìn)一步提高林地生產(chǎn)力。

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