濱海沙地主要造林樹種的熱值和營(yíng)養(yǎng)元素及其相關(guān)性

朱美琴，葉功富，游水生，尤龍輝，白永會(huì)，高 偉

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350001；2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州350012）

沿海防護(hù)林在抵御自然災(zāi)害，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面起著重要作用。木麻黃Casuarina equisetifolia是沿海防護(hù)林的當(dāng)家樹種，但由于長(zhǎng)期單一樹種經(jīng)營(yíng)，木麻黃防護(hù)林出現(xiàn)了地力衰退、病蟲害加劇、生產(chǎn)力下降、穩(wěn)定性差等一系列問題。由于木麻黃是引入樹種，因此在更新方面存在困難［1］。為保證沿海防護(hù)林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)，引入耐干旱貧瘠的濕地松Pinus elliottii和具有固氮作用的厚莢相思Acacia crassicarpa作為木麻黃防護(hù)林更新改造的替代樹種［2］。能量循環(huán)和物質(zhì)流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)的兩大基本功能。能量為物質(zhì)循環(huán)提供動(dòng)力，物質(zhì)為能量流動(dòng)提供載體，兩者相輔相成，不可分割［3］。熱值是能量的尺度，植物光合作用過程中對(duì)太陽(yáng)能的固定能力和轉(zhuǎn)化效率可通過熱值高低表現(xiàn)出來［4－5］。張清海等［6］對(duì)濱海沙地主要造林樹種的生物量和能量進(jìn)行了研究，但關(guān)于造林樹種熱值與營(yíng)養(yǎng)元素之間的相關(guān)性研究尚未見報(bào)道。本研究分析了3種造林樹種各器官的熱值和營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),并探討了兩者之間的相關(guān)性，以便為深入了解造林樹種的生長(zhǎng)特性及營(yíng)養(yǎng)元素的分布特點(diǎn)以及沿海防護(hù)林的更新改造和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省東山島赤山國(guó)有防護(hù)林場(chǎng)附近，地理坐標(biāo)為23°40′N，117°18′E。氣候?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，雨水充沛，年平均降水量為956 mm，全年干濕季節(jié)明顯，11月至翌年2月為旱季，雨季集中在5－9月，全年無積雪，無霜期330 d以上，年平均氣溫為20.9℃，極端最高氣溫為36.6℃，最低為1.5℃。主要自然災(zāi)害為干旱和臺(tái)風(fēng)，年均干旱3.2次，年均臺(tái)風(fēng)5.2次。母質(zhì)類型以風(fēng)積物和海積物為主，土壤以濱海沙土為主，主要是均一性風(fēng)積沙土、紅壤性風(fēng)積沙土、泥炭性風(fēng)積沙土等，土壤 pH 4～5，全氮 0.34 g·kg－1，全鉀 11.42 g·kg－1，全磷 0.13 g·kg－1，速效鉀 19.58 mg·kg－1，有效磷 0.26 mg·kg－1，有機(jī)質(zhì)10.00 g·kg－1。試驗(yàn)林位于基干林帶后沿，林下沒有灌木，僅有少量草本稀疏分布。樣地基本概況見表1。

表1 供試樣地的基本情況Table 1 Basic status of sampled plots used in the experiment

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 各個(gè)林區(qū)分別設(shè)置20 m×20 m樣地3塊，并對(duì)樣地內(nèi)的林木進(jìn)行每木測(cè)量。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，每個(gè)樹種各選取樣木3株。樣品采集于2010年7月初，樹葉和樹枝按不同層次和方位采集并混合，樹干和樹皮在距地面1.3 m處從東、南、西、北4個(gè)方向取樣，其中樹干用生長(zhǎng)錐取至心材，樹皮用砍刀取主干的皮，根部按粗細(xì)比例取樣。所有樣品經(jīng)105℃殺青15 min，后置于80℃的烘箱中烘干至恒量，粉碎過篩后儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 熱值測(cè)定 采用XRY-1A數(shù)顯氧彈式熱量計(jì)儀器測(cè)定干質(zhì)量熱值（gross caloric value，GCV），各個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定多次，保證樣品充分燃燒后的誤差在±0.20 kJ，空調(diào)控制室溫在20℃左右?；曳仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)（ash content，AC）采用干灰化法測(cè)定，即將樣品置于馬福爐中550℃下灰化5 h后測(cè)定。去灰分熱值（ash free caloric value,AFCV）=干質(zhì)量熱值 ／（1－灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

1.2.3 營(yíng)養(yǎng)元素的測(cè)定 采用硝酸-高氯酸混合消煮制取待測(cè)液，供磷、鉀、鈣和鎂的測(cè)定，其中磷采用鉬藍(lán)比色法（UV2802PC紫外分光光度計(jì)）測(cè)定，鉀采用FP-640火焰光度計(jì)測(cè)定，鈣和鎂采用日本Z-2000原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。全碳和全氮采用德國(guó)Elementar Vario Max CNS自動(dòng)分析儀測(cè)定。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行方差分析，Duncan法多重比較及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 3樹種各器官的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

植物在充分燃燒后，余下的殘燼稱為灰分，其主要成分為礦質(zhì)元素氧化物，因此，灰分的高低，體現(xiàn)了植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和富集能力［7］。由表2可知，厚莢相思和濕地松的器官中除枝的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于木麻黃外，其他器官的灰分均低于木麻黃。3樹種各器官的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變動(dòng)范圍及排序分別為：厚莢相思 7.5～35.4 g·kg－1，葉＞根＞枝＞皮＞干；濕地松 7.7～22.6 g·kg－1，葉＞根＞皮＞枝＞干；木麻黃6.1～40.6 g·kg－1，葉＞皮＞根＞枝＞干。結(jié)果表明：灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各器官分布規(guī)律為葉最大，皮、枝、根居中，干最小。葉片的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可能因其生理活動(dòng)旺盛，在代謝過程中富集了較多的礦質(zhì)元素。由方差分析可知：木麻黃的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于厚莢相思和濕地松（P＜0.05）。同一樹種不同器官間灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在一定差異，但差異不顯著（P＞0.05）。

2.2 3樹種各器官的熱值

由表2可知：3樹種不同器官干質(zhì)量熱值分布存在差異。厚莢相思、濕地松、木麻黃葉的干質(zhì)量熱值均高于其他器官，其中厚莢相思枝的干質(zhì)量熱值最低，濕地松干最低，木麻黃根最低。厚莢相思和濕地松的干質(zhì)量熱值總體高于木麻黃，且在葉片上表現(xiàn)最明顯。3樹種去灰分熱值在不同器官的分配與干質(zhì)量熱值總體上相似，僅在少數(shù)器官中不同，厚莢相思的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值由大到小的排序分別為葉＞干＞根＞皮＞枝和葉＞根＞干＞皮＞枝，濕地松的干質(zhì)量熱值為葉＞枝＞根＞皮＞干，去灰分熱值為葉＞根＞枝＞皮＞干，木麻黃的干質(zhì)量熱值為葉＞皮＞干＞枝＞根，去灰分熱值為葉＞干＞皮＞枝＞根。3樹種的平均干質(zhì)量熱值和去灰分熱值大小排序?yàn)闈竦厮伞趾袂v相思＞木麻黃。由方差分析可知：厚莢相思葉的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值顯著高于其他器官（P＜0.05），濕地松器官間的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值差異不明顯，沒有達(dá)到顯著水平（P＞0.05），木麻黃器官間的干質(zhì)量熱值差異不顯著（P＞0.05），去灰分熱值葉片顯著高于其他器官（P＜0.05）。

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，葉片熱值的高低直接反映了植物對(duì)太陽(yáng)能的利用率。3樹種中，厚莢相思葉片的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值明顯高于濕地松和木麻黃，并達(dá)顯著差異水平（P＜0.05），表明厚莢相思具有最高的太陽(yáng)能利用率。

表2 3樹種各器官的灰分、干質(zhì)量熱值及去灰分熱值Table 2 Ash contents，gross caloric values，and ash free caloric values in different organs of three tree species

2.3 3樹種各器官的營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表3可以看出：3樹種的營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分布規(guī)律。其中碳元素是各種有機(jī)物的構(gòu)成骨架［8］，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。碳在同一樹種不同器官中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序?yàn)楹袂v相思：葉＞根＞皮＞干＞枝，濕地松：枝＞葉＞皮＞根＞干，木麻黃：根＞干＞枝＞葉＞皮。總體上，濕地松各器官的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于厚莢相思和木麻黃，且樹種的平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為濕地松最高，厚莢相思次之，木麻黃最低。由方差分析可知：3樹種的葉、枝、皮、根的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈極顯著差異水平（P＜0.01），同一樹種各器官間呈顯著差異水平（P＜0.05）。

對(duì)于氮、磷、鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)元素而言，3樹種各器官間礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有明顯的差異性，基本符合葉最高（厚莢相思和木麻黃皮的鈣高于葉），干最低，皮、根、枝以不同排序介于兩者之間的規(guī)律。同一器官中，厚莢相思的礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于木麻黃和濕地松，呈極顯著水平（P＜0.01），其中，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異表現(xiàn)最為明顯，厚莢相思的平均氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是濕地松的3.64倍，木麻黃的2.81倍。濕地松的各器官的礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體低于木麻黃。厚莢相思和濕地松的礦質(zhì)元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序?yàn)榈锯洠锯}＞鎂＞磷，木麻黃的順序?yàn)榈锯}＞鉀＞鎂＞磷。

表3 3樹種各器官的營(yíng)養(yǎng)元素Table 3 Nutrient element contents in different organs of three tree species

2.4 熱值與營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性分析

由表4可知：干質(zhì)量熱值與氮、磷和鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與鎂呈顯著正相關(guān)關(guān)系；與碳和灰分相關(guān)性較高，但不顯著；與鈣無相關(guān)性。去灰分熱值不僅與氮、磷、鉀及鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和干質(zhì)量熱值也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。說明熱值不僅與有機(jī)物的組成元素碳、氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，還與金屬元素的種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)。

灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與鉀、鈣和鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。劉燦等［9］研究指出，灰分由植物體各種礦質(zhì)元素氧化物組成。本研究灰分與礦質(zhì)元素的相關(guān)性支持這一結(jié)論。

營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間也存在相關(guān)性，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。氮、磷、鉀、鈣及鎂之間，除鈣與氮、磷、鉀的正相關(guān)關(guān)系不顯著外，其他兩兩元素之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，有的呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。這既說明營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)植物生長(zhǎng)的重要性，又說明植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素吸收和積累的均衡性［10］。

表4 熱值與營(yíng)養(yǎng)元素之間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between caloric values and elemental contents

3 討論

濕地松和厚莢相思的平均灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于木麻黃，與亞熱帶其他樹種的灰分相比，低于廣州鼎湖山常綠闊葉林11種優(yōu)勢(shì)樹種的平均灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（22.1～65.4 g·kg－1）［11］和廣東樟木頭5種桉樹Eucalyptus spp.的平均灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（17.5～39.6 g·kg－1）［12］。林益明等［7］研究指出，灰分的高低反映出植物對(duì)元素的富集量，而植物對(duì)元素的富集量實(shí)際上與植物對(duì)元素的需求量及土壤中元素的含量及存在形態(tài)有關(guān)。厚莢相思和濕地松的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不僅低于同緯度的其他樹種，而且低于木麻黃，表明其對(duì)土壤的養(yǎng)分需求不高，表現(xiàn)出耐貧瘠的特性。

3樹種平均去灰分熱值由高到低的排序?yàn)闈竦厮桑竞袂v相思＞木麻黃，其中厚莢相思葉的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值明顯高于木麻黃和濕地松，呈顯著差異水平。與亞熱帶其他喬木樹種相比，3樹種的平均去灰分熱值均高于浙江天童栲樹 Castanopsis fargesii（19.19 kJ·g－1）和米櫧 Castanopsis carlesii（19.41 kJ·g－1）［13］，廣東巨尾桉 Eucalyptus grandis × Eucalyptus urophylla（19.50 kJ·g－1）［14］及廣東鶴山人工林的平均值（19.55 kJ·g－1）［15］，說明厚莢相思、濕地松和木麻黃具有較高的太陽(yáng)能利用率及固定和轉(zhuǎn)化能力，且濕地松和厚莢相思對(duì)太陽(yáng)能的利用率高于木麻黃。

濕地松的平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，厚莢相思次之，木麻黃最低，表明濕地松具有較強(qiáng)的固碳能力，是很好的生物能源樹種。此外，濕地松還具有較高的松脂和木材收益率，又是很好的經(jīng)濟(jì)樹種。厚莢相思的礦質(zhì)元素明顯高于木麻黃和濕地松，且氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)最為明顯，這與厚莢相思根部含有固氮作用的根瘤菌，能固定空氣中的游離氮，增加土壤肥力有關(guān)。濕地松的礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于木麻黃，表明其在生長(zhǎng)過程中對(duì)養(yǎng)分的需求低于木麻黃。碳、氮、磷均是有機(jī)物的組成元素，但碳與干質(zhì)量熱值和去灰分熱值呈不顯著的正相關(guān)關(guān)系，而氮、磷與干質(zhì)量熱值和去灰分熱值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，可能因?yàn)榈?、磷是合成高能有機(jī)物的必須元素，而高能有機(jī)物的含量對(duì)熱值的影響較大，這也可能是厚莢相思葉片干質(zhì)量熱值和去灰分熱值明顯高于濕地松和木麻黃的原因所在。

濕地松具有最高的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最低的營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表現(xiàn)出更耐貧瘠的特性；厚莢相思可通過根瘤菌固定空氣中的氮，自己制造肥料，從而改良土壤；此外，厚莢相思和濕地松的干質(zhì)量熱值和去灰分熱值高于木麻黃，表現(xiàn)出更高的太陽(yáng)能利用率，能很好的固定和儲(chǔ)存能量。以上表明，厚莢相思和濕地松在熱值和營(yíng)養(yǎng)元素方面具有各自的優(yōu)勢(shì)，證實(shí)了其作為沿海防護(hù)林替代樹種的可行性。

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