速生階段灰木蓮人工林營(yíng)養(yǎng)元素積累及其分配格局1)

韋善華

(廣西高峰林場(chǎng)，南寧，530001)

何 斌

(廣西大學(xué))

魏國(guó)余

(廣西高峰林場(chǎng))

羅柳娟 覃祚玉 劉 莉 劉紅英

(廣西大學(xué))

林木營(yíng)養(yǎng)元素的含量、積累與分配特征是森林營(yíng)養(yǎng)元素生物循環(huán)最重要的研究?jī)?nèi)容之一，對(duì)指導(dǎo)林業(yè)生產(chǎn)、調(diào)節(jié)和改善林木生長(zhǎng)環(huán)境、提高森林的養(yǎng)分利用效率和生產(chǎn)力都有重要的意義［1－2］?；夷旧?Manglietia glauca)屬木蘭科常綠闊葉樹(shù)種，原產(chǎn)于越南、印度尼西亞等東南亞國(guó)家，適生于南亞熱帶地區(qū)，是國(guó)家一級(jí)保護(hù)、瀕危植物。具有適應(yīng)性較強(qiáng)，生長(zhǎng)快，干形通直等特點(diǎn)，木材可作纖維紙漿、建筑裝飾和家具制作用材等，而且灰木蓮樹(shù)形優(yōu)美花大而芳香花期長(zhǎng)，對(duì)大氣污染有較強(qiáng)的抗性和滯塵作用［3－4］，是優(yōu)良的城鄉(xiāng)園林綠化樹(shù)種。我國(guó)自20世紀(jì)60代以來(lái)，先后在廣東、海南、廣西、福建等省區(qū)進(jìn)行引種，均表現(xiàn)出生長(zhǎng)良好，能夠正常開(kāi)花結(jié)果［4－6］，成為我國(guó)引種成功的外來(lái)珍貴優(yōu)良樹(shù)種之一，具有廣闊的發(fā)展前景［7］。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)灰木蓮的研究也日益增多，但主要集中在灰木蓮的引種、苗木培育及生長(zhǎng)表現(xiàn)等方面［5－10］，至今未見(jiàn)有關(guān)灰木蓮人工林的營(yíng)養(yǎng)元素方面研究的報(bào)道。為此，本文通過(guò)對(duì)廣西南寧市速生階段(10年生)灰木蓮人工林營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、積累量及其分配特征進(jìn)行研究，以揭示灰木蓮人工林營(yíng)養(yǎng)元素累積特點(diǎn)，為灰木蓮人工林的經(jīng)營(yíng)管理特別是林地營(yíng)養(yǎng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西南寧市北郊，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候帶，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，降水多集中在5—9月，相對(duì)濕度大約79%，年日照時(shí)數(shù)1 450～1 650 h。調(diào)查樣地均位于山坡中部，海拔高度約200 m，坡向?yàn)槟掀?，坡?5°～28°，土壤類型為砂頁(yè)巖發(fā)育形成的赤紅壤，土層厚度在70 cm以上。

試驗(yàn)地前茬林分均為杉木(Cunninghamia lanceolata)純林，于2001年12月采伐，經(jīng)煉山整地后，于2002年4月份用1年生灰木蓮實(shí)生苗定植。調(diào)查時(shí)灰木蓮人工林林相整齊，保留密度為1 416株/hm2，郁閉度 0.8，平均樹(shù)高 12.9 m，平均胸徑 14.5 cm。由于林分郁閉度較大，加上人為干擾較強(qiáng)等原因，林下灌木和草本很少，零星分布有杜莖山(Maesa japonica)、糙葉榕(Ficus irwasana)、毛桐(Mallotus barbatus)、鹽膚木(Rhus chinenswas)、鴨腳木(Schefflera octophylla)等灌木以及華南毛蕨(Cyclosorus parasiticus)、半邊旗(Pterwas semipinnata)、山菅蘭(Dianella ensifolia)、黃茅草(Nwerenga falla)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulu)等草本植物，平均高度不足20 cm，覆蓋度不足1%，凋落物層較厚，以灰木蓮落葉為主，厚度可達(dá)3～5 cm。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置與樣木生物量測(cè)定

在林分中選擇代表性地段，設(shè)置400 m2(20 m×20 m)的標(biāo)準(zhǔn)地3塊，然后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的林木進(jìn)行每木檢尺，分別測(cè)量樹(shù)高和胸徑，根據(jù)林木的徑級(jí)分布，按2 cm為一徑級(jí)，選取5株平均木，采用收獲法測(cè)定樣木的生物量，即將樣木伐倒后，地上部分采用Monsic分層切割法，每2 m為一區(qū)分段，分樹(shù)干、樹(shù)皮、活枝、枯枝、樹(shù)葉，地下部分(根系)采用全根挖掘法，按細(xì)根(根徑＜0.5 cm)、中根(根徑 0.5 ～2.0 cm)、粗根(根徑≥2.0 cm)和根蔸分別稱鮮質(zhì)量［2］，并分別抽取樣品約200 g左右作室內(nèi)分析。將各組分樣品置于烘箱內(nèi)以80℃恒溫烘干到恒質(zhì)量，求算出各組分的生物量及樣木的生物量。

2.2 凋落物測(cè)定

由于灰木蓮人工林的郁閉度較高，加上人為干擾大(主要是撫育除灌草)，林下草本層及灌木層的生物量極少，對(duì)整個(gè)林分的生物量影響甚微，故本研究不做探討。凋落物生物量測(cè)定的方法如下:在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各設(shè)置5個(gè)面積為1 m×1 m小樣方。然后采用樣方收獲法，測(cè)定樣方內(nèi)凋落物層生物量，同時(shí)取樣測(cè)定含水率和干質(zhì)量，計(jì)算凋落物現(xiàn)存量。

2.3 植物樣品營(yíng)養(yǎng)元素分析

在測(cè)定生物量的同時(shí)按不同組分采集林分平均木樣品，粉碎過(guò)篩后作為化學(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(cè)定［11］，P用鉬銻抗比色法測(cè)定，K用火焰光度計(jì)法測(cè)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(cè)定［12］。

3 結(jié)果與分析

3.1 營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表1可見(jiàn)，灰木蓮不同器官的營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差較大。作為同化器官的樹(shù)葉，其生長(zhǎng)周期較短，是合成有機(jī)物質(zhì)的主要場(chǎng)所，也是代謝最活躍的器官，需要大量的營(yíng)養(yǎng)元素向其輸送來(lái)滿足其生長(zhǎng)和代謝的需要，所以樹(shù)葉的營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。而樹(shù)干主要以木質(zhì)為主，是地上部分與地下部分水分運(yùn)輸?shù)闹匾獔?chǎng)所，生理功能較弱，大多數(shù)養(yǎng)分已被消耗或轉(zhuǎn)移，所以元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。按各器官營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)排序大致是:樹(shù)葉＞樹(shù)皮＞樹(shù)枝＞樹(shù)根＞樹(shù)干。而在根系各組分中，呈現(xiàn)出隨根系直徑的增加營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降的趨勢(shì)，表明灰木蓮根系越小，其對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)元素的富集能力也最強(qiáng)。

表1 灰木蓮人工林營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg－1

灰木蓮不同器官的大量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均以N為最高，其次是Ca或K，最低是P或Mg。微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)則以Mn或Fe最高，其次是Zn，Cu最低。就不同營(yíng)養(yǎng)元素在各器官中的分布而言，作為細(xì)胞壁主要構(gòu)成元素之一的鈣，主要集中于樹(shù)葉、樹(shù)皮等器官和組織中，因此其在樹(shù)葉中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次是樹(shù)皮;Mg是葉綠素的主要構(gòu)成元素，因而其樹(shù)葉中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高;Fe對(duì)葉綠體的構(gòu)造和葉綠素的合成有著極其重要的作用，而由于林地土壤為強(qiáng)酸性富鋁化土壤，土壤中游離態(tài)的Fe離子多，根系尤其是細(xì)根對(duì)其有很強(qiáng)的富集作用，因此，F(xiàn)e元素在樹(shù)葉和根系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，而在除根蔸外的其它根系中含量甚至高于樹(shù)葉。

灰木蓮人工林凋落物營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與喬木層元素含量的排列次序基本一致，即:N＞Ca＞K＞Mg＞P＞Mn＞Fe＞Zn＞Cu。但與灰木蓮各器官相比，凋落物層各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)除低于樹(shù)葉、樹(shù)皮外，多數(shù)高于其他組分營(yíng)養(yǎng)元素含量。表明灰木蓮人工林凋落物的營(yíng)養(yǎng)元素比較豐富，在養(yǎng)分循環(huán)與利用中起著重要的作用，是灰木蓮人工林生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的組成部分。

3.2 營(yíng)養(yǎng)元素積累量及其分配

從表2可知，10年生灰木蓮人工林營(yíng)養(yǎng)元素積累量為999.32 kg/hm2，其中喬木層營(yíng)養(yǎng)元素積累量為858.55 kg/hm2，所積累的營(yíng)養(yǎng)元素占整個(gè)林分的85.91%。由于林木各組分的生物量不同，各器官營(yíng)養(yǎng)元素含量也存在一定的差異，因此，不同器官生物量的分配與營(yíng)養(yǎng)元素積累的分配并不完全相互對(duì)應(yīng)。按營(yíng)養(yǎng)元素積累量排列順序?yàn)闃?shù)干＞樹(shù)葉＞樹(shù)皮＞樹(shù)根＞樹(shù)枝。從喬木層各種營(yíng)養(yǎng)元素積累量看，大量元素以 N的積累量最多，為404.763 kg/hm2，占喬木層元素積累量的47.14%;K的積累量為180.71 kg/hm2，占喬木層元素積累量 21.05%，而Ca 的積累量為 163.26 kg/hm2，占 19.02%;Mg 積累量(44.59 kg/hm2)，P 的積累量(36.35 kg/hm2)分別僅為喬木層積累量的5.19%、4.23%。微量元素以Mn積累量(22.22 kg/hm2)最高，占喬木層元素積累量2.59%。

表2 灰木蓮人工林營(yíng)養(yǎng)元素積累和分配 kg·hm－2

3.3 營(yíng)養(yǎng)元素年凈積累量

營(yíng)養(yǎng)元素年凈積累量是植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素積累的速率，它取決于林分凈生產(chǎn)力的增長(zhǎng)量及營(yíng)養(yǎng)元素的含量。本文以林分年平均凈生產(chǎn)力作為凈生產(chǎn)力的估算指標(biāo)，計(jì)算出灰木蓮林養(yǎng)分元素的年凈積累量。從表3可以看出，10年生灰木蓮人工林營(yíng)養(yǎng)元素年凈積累量為85.83 kg/(hm2·a)，其中以樹(shù)干的年凈積累量最高，為27.73 kg/(hm2·a)，占林分年凈積累量的32.31%，樹(shù)葉、樹(shù)皮、樹(shù)根和樹(shù)枝的年凈積累量分別占喬木層年凈積累量的21.30%、17.37%、14.66% 和 14.36%。不同器官大量元素積累速率均以N最大，為40.47 kg/(hm2·a)，占大量元素年凈積累量的48.79%，P最小，為3.64 kg/(hm2·a)，僅占 4.39%;微量元素積累速率以Mn最達(dá)，為2.22 kg/(hm2·a)，占微量元素年凈積累量的 76.82%，Cu最小，為 0.04 kg/(hm2·a)，僅占1.36%。

表3 灰木蓮人工林營(yíng)養(yǎng)元素年積累量 kg·hm－2·a－1

3.4 營(yíng)養(yǎng)元素利用效率

營(yíng)養(yǎng)元素利用效率反映了樹(shù)木(植物)對(duì)養(yǎng)分環(huán)境的適應(yīng)和利用狀況，目前在森林養(yǎng)分研究中應(yīng)用較多的是Chapin指數(shù)，即以植物生物量與植物養(yǎng)分貯量之比值作為養(yǎng)分利用效率［13］?？紤]到目前國(guó)內(nèi)未見(jiàn)有對(duì)林木微量元素利用效率的報(bào)道，故本文僅對(duì)灰木蓮進(jìn)行N、P、K、Ca和Mg 5種大量元素利用效率的分析，同時(shí)與相近年齡的馬尾松［14］、杉木［15］和禿杉［16］相比較。從表 4可以看出，灰木蓮每生產(chǎn)1 t干物質(zhì)所需5種大量元素為8.94 kg，而就不同元素的利用效率而言，以P、Mg最高，其次Ca和K，N最低，與馬尾松、杉木和禿杉林的研究結(jié)果基本一致。

表4 不同林分的營(yíng)養(yǎng)元素利用效率比較

4 結(jié)論與討論

灰木蓮人工林各營(yíng)養(yǎng)元素含量因器官不同而存在差異，樹(shù)葉的營(yíng)養(yǎng)元素含量最高，樹(shù)干則最低。不同器官營(yíng)養(yǎng)元素含量大致為樹(shù)葉＞樹(shù)皮＞細(xì)根＞中根＞粗根＞活枝＞枯枝＞根蔸＞樹(shù)干?；夷旧徃髌鞴俅罅吭氐暮烤訬元素最高，其次是 Ca、K、Mg，P最低;微量元素含量則以Mn或Fe最高，其次是Zn，Cu最低，其中樹(shù)葉、樹(shù)枝中不同元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黑木相思［2］、禿杉［16］和紅松人工林［14］基本一致，表現(xiàn)出不同樹(shù)種對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和積累具有相似性。

10年生灰木蓮人工林營(yíng)養(yǎng)元素積累量為999.32 kg/hm2，其中喬木層營(yíng)養(yǎng)元素積累量為858.55 kg/hm2，不同器官按營(yíng)養(yǎng)元素積累量大小排序?yàn)闃?shù)干＞樹(shù)葉＞樹(shù)皮＞樹(shù)根＞樹(shù)枝。從喬木層不同營(yíng)養(yǎng)元素積累量看，以N的積累量最多，為404.763 kg/hm2，占喬木層元素積累量的47.14%，表明灰木蓮具有較強(qiáng)的N吸收能力，所以在林木生長(zhǎng)的早期，適時(shí)合理地補(bǔ)充N肥，可能對(duì)促進(jìn)林木的生長(zhǎng)會(huì)有良好的效果;其他營(yíng)養(yǎng)元素積累量次序?yàn)镵＞Ca＞Mg＞P＞Mn＞Fe＞Zn＞Cu。

灰木蓮人工林凋落物層營(yíng)養(yǎng)元素積累量為140.48 kg/hm2，其占林分營(yíng)養(yǎng)元素積累量的比例(14.06%)不很高，但卻是改善林地土壤肥力性狀的基礎(chǔ)，由于灰木蓮人工凋落物主要是比較容易分解的灰木蓮落葉，難分解的樹(shù)枝等所占比例較小，因而有利于加快了林地土壤的養(yǎng)分循環(huán)，縮短營(yíng)養(yǎng)元素的周轉(zhuǎn)時(shí)間。

10年生灰木蓮人工林喬木層營(yíng)養(yǎng)元素年凈積累量為85.83 kg/(hm2·a)，每生產(chǎn)1 t干物質(zhì)所需N、P、K、Ca和 Mg 5 種大量元素為 8.94 kg，明顯低于相近區(qū)域廣西武宣縣祿峰山林場(chǎng)8年生馬尾松人工林［14］和湖南會(huì)同 10 年生杉木人工林［15］，與相近區(qū)域的9年生禿杉人工林［16］基本一致，表明灰木蓮對(duì)這5種大量元素的利用效率較高。不同營(yíng)養(yǎng)元素利用效率以P、Mg最高，其次Ca和K，N最低，這也進(jìn)一步表明在灰木蓮營(yíng)林過(guò)程中適當(dāng)增施N肥，可能會(huì)對(duì)提高N的利用效率，促進(jìn)林木生長(zhǎng)起到積極作用。而從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，受林分密度較大、郁閉度高以及人為干擾(如撫育鏟草等)的影響，灰木蓮人工林林下植被發(fā)育程度較差，雖然林地現(xiàn)存凋落物量較大，養(yǎng)分回歸量也較大，但不利于維持和提高林下植物的多樣性，也不利于加快林地土壤的養(yǎng)分循環(huán)。因此，在灰木蓮人工林速生階段通過(guò)間伐適當(dāng)降低林分密度，不但有利于增加林分的透光強(qiáng)度和營(yíng)養(yǎng)空間，促進(jìn)林木的生長(zhǎng)發(fā)育，而且對(duì)提高林下植物的多樣性，加快林地土壤的養(yǎng)分循環(huán)，從而提高灰木蓮人工林的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)珍稀名貴樹(shù)種的永續(xù)保存和高效利用都具有重要的作用。

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