濱海沙地主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物熱值與養(yǎng)分特征1)

葉功富 高 偉

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福州，350012)

陳增鴻

(福建農(nóng)林大學(xué))

尤龍輝 羅美娟

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院)

游水生

(福建農(nóng)林大學(xué))

濱海沙地主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物熱值與養(yǎng)分特征1)

葉功富 高 偉

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福州，350012)

陳增鴻

(福建農(nóng)林大學(xué))

尤龍輝 羅美娟

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院)

游水生

(福建農(nóng)林大學(xué))

以東山島濱海沙地主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的凋落物為對(duì)象，研究了其干質(zhì)量熱值與養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明：不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物干質(zhì)量熱值以潺槁木姜子、木麻黃、濕地松最高，均在20.0 kJ/g以上，樸樹(shù)、箣竹的凋落物干質(zhì)量熱值較低，為17.3～19.1 kJ/g；木麻黃、鱔藤、濕地松、箣竹凋落物的干質(zhì)量熱值在春季最高，潺槁木姜子、黃連木、樸樹(shù)、雀梅藤、榕樹(shù)凋落物的干質(zhì)量熱值在夏季最高。C質(zhì)量分?jǐn)?shù)以濕地松最高，為50.25%，其次是木麻黃和潺槁木姜子，分別為49.87%和48.77%，木麻黃和濕地松凋落物中N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于其他樹(shù)種；不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物熱值與其C質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與其他養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)均不顯著。

熱值；養(yǎng)分；優(yōu)勢(shì)樹(shù)種；凋落物

植物熱值是指單位質(zhì)量干物質(zhì)完全燃燒所釋放的熱量值，反映了綠色植物在光合作用中轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的能力，是衡量植物第一生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[1-3]。植物不同組分熱值的差異不僅與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)功能和年齡等自身因素有關(guān)，還受光強(qiáng)、日照長(zhǎng)短及土壤理化性質(zhì)等外界因素的影響。因此，有研究指出，在衡量不同植物類群或種類間的熱值高低時(shí)不能僅比較某一重要組分[4]。近年來(lái)，大量研究對(duì)植物熱值與營(yíng)養(yǎng)元素的關(guān)系進(jìn)行了報(bào)道，林恬等[5]研究了福建萬(wàn)木林12種優(yōu)勢(shì)植物葉熱值及其與C、N之間的相關(guān)性；楊國(guó)平等[6]研究了哀牢山常綠闊葉林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種熱值與養(yǎng)分特征；陳美玲等[4]研究了4種園林植物的熱值與養(yǎng)分特征；但大多研究是按照植物地上部分的莖干、皮、枝、葉和根等組分進(jìn)行分類，涉及凋落物熱值與養(yǎng)分特征的研究相對(duì)較少[7-8]。凋落物分解是生態(tài)系統(tǒng)向環(huán)境歸還物質(zhì)、能量和信息的重要過(guò)程，是生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量交換的重要環(huán)節(jié)。因此，進(jìn)行凋落物能量特征的研究對(duì)于揭示生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)等具有重要意義。

東山島濱海沙地的主要造林樹(shù)種為木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、濕地松(Pinuselliottii)等，地帶性季風(fēng)常綠闊葉林的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為潺槁木姜子(Litseaglutinosa)、樸樹(shù)(Celtistetrandrasubsp.sinensis)等。葉功富、張清海研究了木麻黃各組分的能量特征[8-9]，朱美琴[10]研究了季風(fēng)常綠闊葉林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種地上組分的能量和養(yǎng)分特征。濱海沙地主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物熱值與養(yǎng)分的關(guān)系，對(duì)不同樹(shù)種生理生態(tài)特征及適應(yīng)性差異的揭示具有重要意義，但已有研究中對(duì)此報(bào)道較少。因此，筆者以東山島濱海沙地主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的凋落物為對(duì)象，研究其干質(zhì)量熱值(GCV)與養(yǎng)分的關(guān)系，探討不同樹(shù)種凋落物的能量和養(yǎng)分特征，以期為沿海防護(hù)林的林分結(jié)構(gòu)改造和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地位于福建省東山縣赤山國(guó)有防護(hù)林場(chǎng)附近(23°40′N、117°18′E)，屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為20.8 ℃，極端最高氣溫為36.6 ℃，極端最低氣溫為3.8 ℃，全年無(wú)霜凍，年平均降水量1 103.8 mm，年平均蒸發(fā)量為1 156 mm，干濕季節(jié)較為明顯，11月份至翌年2月份為旱季，大部分降雨集中于臺(tái)風(fēng)多發(fā)的5—9月份，主要自然災(zāi)害為臺(tái)風(fēng)和干旱，臺(tái)風(fēng)多發(fā)生在7—8月份，多年平均5.1次。土壤屬于風(fēng)積沙土，底土層常有粗粒黃沙夾有礫石，持水保肥性能差。

2 材料與方法

凋落物的收集：采用凋落物收集器法估測(cè)森林凋落量。分別在基干林帶后沿地帶性次生常綠闊葉林、濕地松林、木麻黃林設(shè)置10個(gè)1 m×1 m的凋落物收集器(1 mm孔徑)，于2010年1—12月份，每2個(gè)月于月底收集1次凋落物。

在所有凋落物收集器中，共收集到9種主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的凋落物，分別為喬木種：潺槁木姜子、黃連木(Pistaciachinensis)、木麻黃、樸樹(shù)、榕樹(shù)(Ficusmicrocarpa)、濕地松、箣竹(Bambusablumeana)及灌木種：雀梅藤(Sageretiathea)、鱔藤(Anodendronaffine)，將每次收集到的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物(不同組分混合物，除木麻黃凋落物以小枝為主外，其他樹(shù)種均以凋落葉為主)風(fēng)干后于60 ℃下烘干至恒質(zhì)量，粉碎處理后進(jìn)行熱值及養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定。

熱值及養(yǎng)分測(cè)定：在環(huán)境溫度為(20±1)℃條件下，用氧彈熱量計(jì)測(cè)定熱值，樣品熱值以干質(zhì)量熱值(每克干物質(zhì)在完全燃燒條件下所釋放的總熱量，簡(jiǎn)稱GCV)來(lái)表示，每次實(shí)驗(yàn)前用苯甲酸標(biāo)定，重復(fù)3次。

凋落物養(yǎng)分元素C、N、S用元素分析儀(Elementar Vario EL III)測(cè)定，P采用分光光度法測(cè)定，K、Na采用火焰光度法測(cè)定，Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn采用原子吸收分光光度法測(cè)定。

數(shù)據(jù)處理：試驗(yàn)數(shù)據(jù)在SPSS 13.0中進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析，在方差分析的基礎(chǔ)上采用DUNCAN法檢驗(yàn)不同樹(shù)種之間、不同時(shí)期之間熱值和養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異性，在Microsoft Excel 2003中進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹(shù)種凋落物的熱值及其季節(jié)變化

由不同樹(shù)種凋落物的干質(zhì)量熱值可見(jiàn)(表1)，潺槁木姜子、木麻黃、濕地松的凋落物干質(zhì)量熱值較高，干質(zhì)量熱值均在20.0 kJ/g以上；而樸樹(shù)、箣竹的凋落物干質(zhì)量熱值相對(duì)較低，在17.3～19.1 kJ/g，黃連木、雀梅藤、榕樹(shù)、鱔藤等凋落物干質(zhì)量熱值在19～20 kJ/g。不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物干質(zhì)量熱值的均值從大到小依次為：潺槁木姜子、濕地松、木麻黃、黃連木、鱔藤、雀梅藤、榕樹(shù)、箣竹、樸樹(shù)。

表1 優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物熱值的季節(jié)變化 kJ·g-1

注：同列不同小寫(xiě)字母表示在P=0.05水平差異顯著。

由不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物干質(zhì)量熱值的季節(jié)變化可見(jiàn)，潺槁木姜子凋落物的干質(zhì)量熱值最高出現(xiàn)在5、6月份，最低在1、2月份，夏秋季高于春季；黃連木凋落物的干質(zhì)量熱值最高出現(xiàn)在7、8月份，最低在1、2月份，夏秋季高于春季；木麻黃凋落物的干質(zhì)量熱值最高出現(xiàn)在3、4月份，最低在7、8月份，春季高于夏季；樸樹(shù)凋落物的干質(zhì)量熱值最高出現(xiàn)在5、6月份，最低在3、4月份，夏季高于春季；雀梅藤凋落物的干質(zhì)量熱值最高出現(xiàn)在5、6月，最低在7、8月份，夏季熱值較低，其他季節(jié)變化不明顯；榕樹(shù)凋落物的干質(zhì)量熱值最高出現(xiàn)在5、6月，最低在7、8月，夏季熱值較低，其他季節(jié)變化不明顯；鱔藤凋落物的干量質(zhì)量熱值最高出現(xiàn)在1、2月份，最低熱值在5、6月份，春季高于夏季；濕地松凋落物的干質(zhì)量熱值最高出現(xiàn)在1、2月份，最低在9、10月份，春季高于夏季；箣竹凋落物的干質(zhì)量熱值最高出現(xiàn)在1、2月份，最低在7、8月份，春季高于夏季。

3.2 主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表2可見(jiàn)，不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物的養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在明顯差異，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)以濕地松最高，為50.25%；其次是木麻黃和潺槁木姜子，分別為49.87%和48.77%；最低的是樸樹(shù)，為39.95%。木麻黃和濕地松凋落物中N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于其他樹(shù)種，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%～2.38%，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%～0.089%，K質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.227%～1.092%。Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)以濕地松最低，為1.293%；其次是箣竹，為1.304%；樸樹(shù)和榕樹(shù)凋落物中Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為4.038%和3.967%。Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)以濕地松最低，為0.03%；鱔藤最高，為0.158%。不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物中微量元素Fe、Mn、Cu、Zn、Na、S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也存在不同程度的差異。

表2 優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物的養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：同列不同小寫(xiě)字母表示在P=0.05水平差異顯著。

3.3 凋落物熱值與養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由表3可見(jiàn)，凋落物熱值與C質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)，與Na、S、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈不顯著的正相關(guān)(P>0.05)；與N、P、K、Ca、Fe、Cu、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈不顯著的負(fù)相關(guān)(P>0.05)；與Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)系數(shù)最低(r=0.001，P>0.05)?？梢?jiàn)，凋落物熱值與其有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高熱值越大。

表3 凋落物養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及熱值的相關(guān)性

注：*表示P<0.05；** 表示P<0.01。

此外，不同元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間也存在不同程度的相關(guān)性，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)與所有元素均呈不顯著的負(fù)相關(guān)(P>0.05)；N質(zhì)量分?jǐn)?shù)與S質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)與P質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其他元素均呈正相關(guān)，其中與K質(zhì)量分?jǐn)?shù)和Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性分別達(dá)極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)水平。

4 結(jié)論與討論

大量研究表明，富含脂肪、揮發(fā)油、特殊乳汁及芳香成分的植物熱值較高。Howard-Williams等[11]研究亞馬遜地區(qū)的熱帶雨林時(shí)發(fā)現(xiàn)有些植物存在葉的高熱值現(xiàn)象，認(rèn)為這是在亞馬遜地區(qū)非常貧瘠的土壤條件下，植物適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果，即在植物葉子中進(jìn)行高能化合物的積累。在貧瘠的土壤條件下，養(yǎng)分的有效性較低限制了植物葉的生長(zhǎng)，導(dǎo)致光合作用進(jìn)入另一渠道生產(chǎn)高能的化合物如蠟、樹(shù)脂和脂肪等。這些化合物可保護(hù)葉子免受昆蟲(chóng)的啃食，以避免植物體的能量損失。這種植物對(duì)環(huán)境的特殊適應(yīng)也反映植物葉主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的能力，是植物自身的高能量對(duì)物質(zhì)的一種補(bǔ)償作用。林益明等[12]研究深圳福田紅樹(shù)林區(qū)7種紅樹(shù)植物葉熱值的季節(jié)變化時(shí)發(fā)現(xiàn)銀葉樹(shù)也存在與此相類似的結(jié)果。本研究中，在濱海沙地瘠薄的土壤條件下，潺槁木姜子作為地帶性植被的喬木優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，其主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的能力可能與葉片中較高的高能化合物含量有關(guān)，因而具有較高的熱值。

Hughes[13]研究認(rèn)為葉在生長(zhǎng)季節(jié)的春季熱值最高，粗蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在綠葉中降低，粗纖維和無(wú)氮浸出液增加，而醚類(部分為脂肪)在生長(zhǎng)季節(jié)保持恒定，因而葉子的熱值在春季比秋季高。尹毅和林鵬[14]對(duì)廣西山口英羅灣紅海欖葉片的研究認(rèn)為干質(zhì)量熱值在夏季最高。Wielgolaski等[15]認(rèn)為干質(zhì)量熱值隨季節(jié)變化與植物的物候節(jié)律及對(duì)環(huán)境因子變化的反應(yīng)有關(guān)，春、夏季干質(zhì)量熱值較高是因?yàn)橹参镌诨謴?fù)生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)旺期，光合作用強(qiáng)，有機(jī)物的不斷累積使干質(zhì)量熱值較高；秋季由于溫度逐漸降低，累積有機(jī)物質(zhì)促使其提高干質(zhì)量熱值增強(qiáng)抗寒力，因此干質(zhì)量熱值最高；冬季低溫季節(jié)，有機(jī)物質(zhì)合成受阻，干質(zhì)量熱值降到最低。本研究中，速生樹(shù)種木麻黃、濕地松、箣竹和鱔藤干質(zhì)量熱值在春季最高，地帶性植被潺槁木姜子、黃連木、樸樹(shù)、雀梅藤、榕樹(shù)干質(zhì)量熱值在夏季最高，支持已有研究結(jié)果。

森林凋落物年釋放的營(yíng)養(yǎng)元素可滿足69%～87%的森林生長(zhǎng)需求量[16]，了解林分凋落物養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)于深入了解森林的養(yǎng)分循環(huán)及利用機(jī)制具有重要意義。本研究中，潺槁木姜子等闊葉樹(shù)凋落物中N和P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，凋落物以葉為主，養(yǎng)分歸還較快，對(duì)林下土壤具有較強(qiáng)的自肥作用，而濕地松和木麻黃的凋落物中N、P、K、Ca和Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，且凋落物以小枝和針葉的形式為主，養(yǎng)分歸還較慢，自肥能力相對(duì)較差，這可能是造成海岸純林林下土壤養(yǎng)分積累慢的重要原因。

有研究表明，植物體的化學(xué)組成及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物熱值產(chǎn)生較大影響。孫國(guó)夫等[17]測(cè)定水稻葉片各生育期的氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱值表明，總體上二者缺乏相關(guān)性，葉片氮素對(duì)熱值的影響決定于葉片所處的生育期，氮素在組織中的存在狀況以及氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化導(dǎo)致的其他物質(zhì)組分的變化，而葉片碳素與熱值之間存在極顯著的正相關(guān)(r=0.988 3**)，由于任何一類有機(jī)質(zhì)均由碳素構(gòu)成骨架，在一般植物中，碳和氮元素占干質(zhì)量的大部分，所以碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其熱值可能較高。Neitzke[18]等認(rèn)為，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)物的化學(xué)組成是植物能量含量的決定因素。本研究中，主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落物熱值與其C質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與其他養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)均不顯著，可見(jiàn)，凋落物熱值與其有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高熱值越大。

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Litter Calorific Value and Nutrient Characteristics of Major Dominant Tree Species in Coastal Sandy Areas/

Ye Gongfu, Gao Wei

(Fujian Academy of Forestry Sciences, Fuzhou 350012, P. R. China);

Chen Zenghong

(Fujian Agriculture and Forestry University);

You Longhui, Luo Meijuan

(Fujian Academy of Forestry Sciences);

You Shuisheng

(Fujian Agriculture and Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-57～60

With the litter of major dominant tree species in coastal sandy areas, we studied the calorific value and nutrient content. The litter calorific values ofLitseaglutinosa,CasuarinaequisetifoliaandPinuselliottiiwere higher than that of other tree species, which were all above 20.0 kJ/g, and the litter calorific values ofCeltistetrandrasubsp. sinensis andBambusablumeanawere lower, in 17.3-19.1 kJ/g. The seasonal peak litter calorific values ofCasuarinaequisetifolia,Anodendronaffine,PinuselliottiiandBambusablumeanaappeared in spring, and that ofLitseaglutinosa,Pistaciachinensis,Celtistetrandrasubsp.sinensis,SageretiatheaandFicusmicrocarpaappeared in summer. The C content of 50.25% in litter ofPinuselliottiiwas higher than that of other tree species, followed byCasuarinaequisetifolia(49.87%) andLitseaglutinosa(48.77%). N, P and K contents in litter ofCasuarinaequisetifoliaandPinuselliottiiwere lower than those of other tree species. The litter calorific value had a highly significant positive correlation with C content (P<0.01), but did not significantly correlated with other nutrient contents.

Calorific value；Nutrient；Dominant tree species；Litter

1) 國(guó)家自然科學(xué)基金(41176092)、福建省林業(yè)科學(xué)研究項(xiàng)目(閩林科〔2010〕4號(hào))、國(guó)家林業(yè)局南方山地用材林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助。

葉功富，男，1966年10月生，福建省林業(yè)科學(xué)研究院，教授級(jí)高工。

高偉，福建省林業(yè)科學(xué)研究院，工程師。E-mail:gao01271@163.com。

2013年10月23日。

S718.4

責(zé)任編輯：戴芳天。