速生階段西南樺人工林養(yǎng)分積累及其分配特征1)

何斌 何紓敏 黃弼昌 周燕萍 盧萬鵬 廖倩苑 李遠(yuǎn)航 舒凡

(廣西大學(xué)，南寧，530004) (廣西天峨縣林朵林場) (廣西大學(xué))

林木養(yǎng)分的積累與分配格局是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分生物循環(huán)最重要的內(nèi)容之一，對指導(dǎo)森林尤其是人工林的養(yǎng)分管理，提高森林養(yǎng)分元素利用效率和生物生產(chǎn)力都有重要的意義［1-2］。西南樺(Betula alnoides)為樺木科樺木屬落葉喬木，主要分布于云南、廣西、貴州和四川等地，樹體高大、干形通直，材質(zhì)細(xì)致優(yōu)良，并具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長迅速、用途廣泛、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益好等特性，有著廣闊的應(yīng)用前景［3-4］。目前，我國西南樺栽培面積已超過16．0 萬hm2，且繼續(xù)呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭，成為我國熱帶、南亞熱帶地區(qū)重點(diǎn)發(fā)展的速生豐產(chǎn)林樹種及鄉(xiāng)土樹種之一，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。國內(nèi)外關(guān)于西南樺人工林的研究始于20 世紀(jì)70 年代末，隨著西南樺人工林的逐步發(fā)展，有關(guān)西南樺的相關(guān)研究逐漸增多，從早期的資源調(diào)查、引種馴化、播種育苗和造林技術(shù)等方面研究逐步發(fā)展到近年來的良種選育、高效栽培以及木材利用技術(shù)等方面［5-7］，但有關(guān)西南樺人工林養(yǎng)分積累的研究尚未見報道。廣西西北部即桂西北是西南樺重要分布區(qū)之一，本研究對廣西西北部天峨縣速生階段(12 年生)西南樺人工林養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、積累量及其分配特征進(jìn)行研究，以揭示西南樺人工林養(yǎng)分元素的吸收與積累特點(diǎn)，為西南樺人工林的經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于廣西天峨縣林朵林場立興分場，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫20．9 ℃，年平均積溫7 475．2 ℃，年平均日照時間1 232．2 h，年平均降水量1 253．6 mm，年平均無霜期336 d。地貌類型以低山為主，海拔620～650 m，土壤為砂頁巖發(fā)育而成的黃紅壤，土層深厚，林地大部分土壤厚度70 ～100 cm，其中腐殖質(zhì)層15 ～20 cm，土壤質(zhì)地為壤土或輕壤土，結(jié)構(gòu)較疏松，0 ～40 cm 土層pH 值4．52，有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24．71、0．92、0．24 g·kg-1，水解氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為85．2、0．8、48．9 mg·kg-1。

試驗(yàn)地以前為杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林，于1999 年秋季砍伐后進(jìn)行人工整地，定點(diǎn)挖坎，規(guī)格為40 cm×40 cm×30 cm，2000 年4 月份用西南樺裸根實(shí)生苗造林，造林密度1 250 株·hm-2(株行距2 m×4 m)。栽植后前3 年即2000—2002年分別在5—6 月份和9—10 月份進(jìn)行2 次鏟草撫育，第4 年即2003 年6 月進(jìn)行1 次衛(wèi)生清理(鏟草撫育)。2012 年12 月調(diào)查時，12 年生西南樺人工林林相整齊，林分保留密度為1 060 株·hm-2，平均樹高16．2 m，平均胸徑(帶皮)15．6 cm。林下灌木主要有鹽膚木(Rhus chinensis)、華南毛柃(Eurya ciliate)和鴨腳木(Alstonia constricta)等，草本植物主要有五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)、粗葉懸鉤子(Rubus alceaefolius)和龍須草(Eulaliosis binata)等，凋落物層厚度約2 cm。

2 研究方法

2．1 試驗(yàn)地設(shè)置和林分生物量測定

在12 年生西南樺人工林內(nèi)設(shè)置3 個代表性標(biāo)準(zhǔn)樣地，面積為20 m×20 m，對標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)林木進(jìn)行每木檢尺，分別測定樹高、胸徑和冠幅等測樹因子。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取1 株代表林分生長狀況的平均木，伐倒樹木后地上部分采用Monsic 分層切割法，分別測定樹干、樹皮、樹枝和樹葉鮮質(zhì)量，同時分別取樣。地下部分(根系)采用全根挖掘法，分根樁、粗根(根系直徑≥2．0 cm)、中根(0．5 ～2．0 cm)、細(xì)根(＜0．5 cm)分別實(shí)測鮮質(zhì)量，采集混合樣品200～300 g 作室內(nèi)分析。同時分別在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置5個1 m×1 m 樣方，采用樣方收獲法測定灌木層、草本層的地上和地下生物量以及凋落物層(包括未分解和半分解凋落物)的現(xiàn)存量，計(jì)算各層次植物樣品的生物量，并分別取樣測定含水率和干質(zhì)量，計(jì)算各組分的生物量。

2．2 植物樣品養(yǎng)分元素分析

在測定林分生物量的同時，將林木各器官及林下灌木層、草本層和凋落物層樣品在90 ℃短時間殺青后，再在80 ℃下烘干、粉碎、裝瓶備用。樣品中的N、P、K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)先采用濃H2SO4-HClO4消化法消煮后，N 采用凱氏定氮法測定，P 采用鉬銻抗比色法測定，K 采用火焰光度計(jì)法測定［8］;Ca、Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)先采用HClO4-HNO3消化法消煮，然后分別用原子吸收光譜法測定［9］。

3 結(jié)果與分析

3．1 養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表1 可以看出，西南樺不同器官的養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)因其生理機(jī)能不同而存在差異，同化器官樹葉的養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，非同化器官干材的養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。各器官養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低依次為樹葉、樹枝、干皮、樹根、干材。不同養(yǎng)分元素在林木各器官中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的排列次序存在一定的差異，樹葉和干材各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低為N、K、Ca、Mg、P，樹枝、干皮和樹根則為K(Ca)、N、Mg(P)。

表1 西南樺人工林養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg-1

3．2 養(yǎng)分儲量及其分配

從表2 可以看出，12 年生西南樺人工林養(yǎng)分總儲量為1 172．87 kg·hm-2，喬木層作為林分的主體部分，其養(yǎng)分儲量為1 027．67 kg·hm-2，占整個林分養(yǎng)分總儲量的87．62%，灌草層和凋落物層分別為69．33、75．87 kg·hm-2，分別占5．91%和6．47%。喬木層不同器官養(yǎng)分儲量由高到低為樹枝、干材、樹皮、樹根、樹葉。如果將喬木層劃分為樹冠(樹葉+樹枝)、樹干(干材+干皮)和樹根，則樹冠養(yǎng)分儲量(425．67 kg·hm-2)占41．42%，樹干(433．60 kg·hm-2)占42．19%，樹根(168．40 kg·hm-2)占16．39%。而在喬木層的5 種養(yǎng)分元素儲量中，以N 素的最多，為339．98 kg/hm2，占喬木層養(yǎng)分儲量的33．08%;P 素最小，僅為44．26 kg·hm-2，占4．31%。

表2 西南樺人工林養(yǎng)分儲量及其分配 kg·hm-2

3．3 喬木層養(yǎng)分年凈積累量

養(yǎng)分年凈積累量是植物體內(nèi)各種養(yǎng)分積累的速率，它取決于林分凈生產(chǎn)力的增長量及養(yǎng)分元素含量。以年平均凈生產(chǎn)量作為喬木層凈生產(chǎn)力的估算指標(biāo)，計(jì)算西南樺人工林養(yǎng)分的年凈積累量(表3)。從表3 可見，12 年生西南樺人工林養(yǎng)分年凈積累量為85．62 kg·(hm2·a)-1，不同器官養(yǎng)分年凈積累量以樹枝最高，為21．59 kg·(hm2·a)-1，其次是干材，為21．11 kg·(hm2·a)-1，樹葉最小，為13．88 kg·(hm2·a)-1。就不同養(yǎng)分元素在林木中年凈積累量而言，以N 最大，為28．34 kg·(hm2·a)-1，K、Ca、Mg和P 依次為27．51、21．85、4．24、3．68 kg·(hm2·a)-1。

表3 西南樺人工林養(yǎng)分年凈積累量 kg·(hm2·a)-1

3．4 林木養(yǎng)分元素利用效率

林木養(yǎng)分元素利用效率反映了林木對養(yǎng)分環(huán)境的適應(yīng)及其利用狀況，一般多采用Chapin 指數(shù)作為反映森林養(yǎng)分元素利用效率的指標(biāo)，其值用植物生物量與植物養(yǎng)分貯量之比來表征［10-11］。從表4 可以看出，12 年生西南樺人工林每積累1 t 干物質(zhì)需要N、P、K、Ca、Mg 5 種養(yǎng)分元素8．40 kg，高于相近區(qū)域廣西南丹縣11 年生的杉木和禿杉(Taiwania flousiana)人工林［12］，以及湖南會同縣14 年生馬尾松(Pinus massoniana)人工林［13］，低于廣西南寧市10 年生灰木蓮(Manglietia glauca)人工林［14］和北京北部山區(qū)13 年生刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林［15］。從西南樺人工林對5 種養(yǎng)分元素的利用效率看，以P、Mg 較高，其次為Ca 和K，N 最低。

表4 不同人工林的養(yǎng)分元素利用效率

4 結(jié)論與討論

西南樺養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)因器官不同而存在差異，其值由大到小依次為樹葉、樹枝、干皮或樹根、干材。各器官中不同養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小的排列次序也因器官不同而存在一定的差異，樹葉和干材中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為N、K、Ca、Mg、P，樹枝、干皮和樹根則為K(或Ca)、N、Mg(或P)，與相同或相近氣候帶的杉木［12］、馬尾松［13］、禿杉［12］、灰木蓮［14］和馬占相思(Acacia mangium)［16］等樹種的排列次序基本一致。

12 年生西南樺人工林5 種養(yǎng)分元素總儲量為1 172．87 kg·hm2，其中喬木層養(yǎng)分儲量為1 027．67 kg·hm2，占總儲量的87．62%，不同器官養(yǎng)分元素儲量由大到小依次為樹枝、干材、干皮、樹根、樹葉，與速生階段的杉木［12］、禿杉［12］、馬尾松［13］、灰木蓮［14］和馬占相思［16］等樹種的排列次序存在一定差異，反映了西南樺人工林養(yǎng)分元素積累的分配特點(diǎn)。

林下植被是西南樺人工林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。12 年生西南樺林下植被(包括灌木、草本和凋落物層)養(yǎng)分儲量為145．20 kg·hm2，占林分養(yǎng)分總儲量的12．38%，其中凋落物層養(yǎng)分儲量為75．87 kg·hm2，占6．47%。由于速生階段西南樺人工林養(yǎng)分積累速率快，因此，在西南樺人工林的經(jīng)營管理中，保護(hù)和恢復(fù)林下植被對促進(jìn)西南樺人工林養(yǎng)分循環(huán)，促進(jìn)西南樺人工林的持續(xù)快速生長以及林地持久生產(chǎn)力的維持都具有重要的作用。

西南樺人工林喬木層養(yǎng)分年凈積累量為85．62 kg·(hm2·a)-1，不同養(yǎng)分元素年凈積累量由大到小為Ca、N、K、Mg、P;每積累1 t 干物質(zhì)需要5 種養(yǎng)分元素8．40 kg，高于相近區(qū)域廣西南丹縣山口林場11 年生的杉木和禿杉人工林，但低于廣西南寧市10年生灰木蓮人工林以及北京北部山區(qū)13 年生刺槐人工林，表明西南樺人工林具有較高的養(yǎng)分元素利用效率。不同養(yǎng)分元素利用效率以P、Mg 較高，其次是K 和Ca，N 最低，這也與相近區(qū)域、相近林齡的杉木、馬尾松、禿杉和灰木蓮的研究結(jié)果［11-13］基本一致。由于該區(qū)域土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降較低(小于臨界值3．0 mg·kg-1)，因此，在西南樺人工林的經(jīng)營管理中，適當(dāng)施加磷肥，可能對加快土壤磷素的快速循環(huán)，促進(jìn)林木生長發(fā)育起到積極地作用。

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