平朔露天煤礦復(fù)墾區(qū)刺槐油松混交林凋落物分解特性

盧 寧，李晉川，岳建英，郭春燕，王 翔，董 娟

（山西省生物研究所，山西 太原 030006）

平朔露天煤礦復(fù)墾區(qū)刺槐油松混交林凋落物分解特性

盧 寧，李晉川，岳建英，郭春燕，王 翔，董 娟

（山西省生物研究所，山西 太原 030006）

采用凋落物分解袋野外埋置法，對平朔露天煤礦復(fù)墾區(qū)刺槐油松混交林凋落物分解過程及其養(yǎng)分動態(tài)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，凋落葉年分解速率表現(xiàn)為刺槐（51.27%）＞混合（39.48%）＞油松（29.05%）；由Olson模型擬合的年分解系數(shù)表現(xiàn)為刺槐（0.71）＞混合（0.46）＞油松（0.33）；分解50%和95%所需時間均表現(xiàn)為油松＞混合＞刺槐；各類型凋落葉分解95%所需時間約為分解50%所需時間的4倍；在1 a的分解過程中，各類型凋落葉的C，K均表現(xiàn)為直接釋放模式，刺槐的N和P表現(xiàn)為富集模式，油松的N和P表現(xiàn)為淋溶—富集—釋放模式，混合葉的N表現(xiàn)為富集模式，P表現(xiàn)為淋溶—富集模式。刺槐和油松凋落葉的混合分解較油松凋落葉單獨分解表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)作用。

平朔露天煤礦；復(fù)墾區(qū)；刺槐油松混交林；凋落物；分解速率；養(yǎng)分動態(tài)

森林凋落物是森林植被在其生長發(fā)育過程中，通過新陳代謝產(chǎn)生并歸還到林地表面的產(chǎn)物[1]，包括森林內(nèi)喬木和灌木的枯枝、落葉、落皮和繁殖器官，野生動物的殘骸及其代謝產(chǎn)物，以及林下枯死的草本植物及枯死植物的根。凋落物作為養(yǎng)分的基本載體，是連接植物與土壤的重要“紐帶”，在維持土壤肥力、促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡等方面發(fā)揮了重要作用[2]。作為森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，在森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲存和碳轉(zhuǎn)移中發(fā)揮著重要作用，凋落物產(chǎn)量、動態(tài)及其分解過程的研究已成為全球變化相關(guān)研究的重要內(nèi)容之一[3]。

我國學(xué)者自20世紀(jì)60年代初開展森林凋落物研究，目前已對全國多種類型森林凋落物的分解特征進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的研究成果[4-9]。但對露天煤礦復(fù)墾區(qū)人工林凋落物分解過程還缺乏研究。

本試驗選擇平朔露天煤礦南排土場刺槐油松混交林為研究對象，通過凋落葉野外埋置試驗及實驗室分析，掌握凋落葉分解速率及分解過程中的養(yǎng)分動態(tài)，為平朔礦刺槐油松混交林養(yǎng)分循環(huán)、林地培肥、生態(tài)恢復(fù)效果評價提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于平朔礦區(qū)南排土場內(nèi)，地處山西省朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，東經(jīng) 112°11′～113°30′，北緯39°23′～39°37′。平朔礦區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，降雨集中在夏、秋兩季，冬春干旱少雨。礦區(qū)年平均氣溫4.8～7.8℃，夏季最高溫度37.9℃，冬季最低溫度-32.4℃。年平均降雨量428.2～449.0 mm，年蒸發(fā)量1 786.6～2 598.0 mm。無霜期為115～130d。礦區(qū)年平均風(fēng)速為2.5～4.2m/s，最大風(fēng)速為20 m/s。礦區(qū)地帶性植被屬于干草原類型，覆蓋率低。礦區(qū)土壤為栗鈣土與栗褐土的過渡類型，風(fēng)化強(qiáng)烈且土質(zhì)偏砂。

平朔礦區(qū)是我國最大的露天煤礦，經(jīng)過20多年的生態(tài)修復(fù)，目前已形成約2 000 hm2的生態(tài)恢復(fù)區(qū)。山西省生物研究所土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)課題組在對平朔礦區(qū)排土場復(fù)墾地20余年跟蹤調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)復(fù)墾植被類型、立地條件、海拔、地貌、坡向、林齡等因素，于2010年利用全站儀建設(shè)了固定監(jiān)測樣地，面積1 hm2。將樣地劃分為100個10 m×10 m的樣方，對每個樣方內(nèi)胸徑＞1 cm的喬木進(jìn)行定位并掛牌，同時測定其胸徑、高度、冠幅、枝下高，并對灌木、草本進(jìn)行高度、多度、蓋度、生活力調(diào)查。

所選刺槐油松混交林樣地，植被類型為刺槐、油松混交，零星分布有榆樹，立地條件為土石混排，海拔 1 360 m，地形為陽坡，坡度為 20°～22°，樹齡為21 a，平均樹高6.84 m，平均胸徑8.75 cm，凋落物層厚度5 cm，林下優(yōu)勢草本植物有披堿草、阿爾泰狗娃花、大籽蒿、無芒雀麥。

1.2 研究方法

1.2.1 凋落葉分解野外埋置試驗 2013年10月底在樣地內(nèi)收集當(dāng)年凋落葉，在80℃下烘干至恒質(zhì)量，用精度為0.001 g的電子天平，分別稱取待分解的刺槐、油松和混合凋落葉試驗樣品18份，每份15 g（混合凋落葉樣品中，刺槐、油松各7.5 g），分別裝入尼龍網(wǎng)分解袋內(nèi)，分解袋孔徑為0.5 mm，規(guī)格為20 cm×20 cm，裝入樣品后的厚度不超過1 cm。按隨機(jī)布設(shè)法，在樣地內(nèi)埋置分解袋，分解袋位于土層下5 cm。2014年5—10月按月分6次進(jìn)行取樣，每次取出3個刺槐、油松和混合樣品分解袋。將取出的凋落葉分解袋放在裝有冰袋的臨時保溫箱內(nèi)帶回實驗室，去除表面雜物后在80℃下烘干至恒質(zhì)量并稱質(zhì)量，計算分解速率。然后將凋落物粉碎，制成待分析樣品。

1.2.2 分解速率和模型

式中，DWT為某一時間內(nèi)實測的分解速率，ΔW為每月所取樣品的失質(zhì)量（g），W0為埋置時分解袋內(nèi)樣品的初始質(zhì)量（g）。

用Olson模型[10]，凋落物分解指數(shù)模型為如下。

式中，y為凋落物的殘留率（%），a為擬合參數(shù)，t為分解時間，k為凋落物的分解系數(shù)。

由分解模型可以計算，凋落物分解50%時間為t0.5＝ln0.5/-k；分解 95%的時間為 t0.95＝ln0.05/-k。

1.2.3 養(yǎng)分元素測定 有機(jī)碳測定采用硫酸-重鉻酸鉀外稀釋法，全氮測定采用凱氏定氮蒸餾法，全磷測定采用釩鉬黃比色法，全鉀測定采用原子吸收分光光度計法。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落葉分解速率

由表1可知，2014年5月（分解209 d）第1次取樣，林地內(nèi)氣候干燥，降水量小，土壤微生物活動弱，凋落葉僅有少量分解；其后（分解209～303 d）由于氣溫逐漸升高，降水增加，微生物活動加劇，凋落葉分解過程逐漸加快；分解303～367 d，氣溫降低，降水減少，環(huán)境條件不利于微生物活動，凋落葉分解速率放緩。在整個埋置期，各類型凋落葉分解均呈逐步加速趨勢，經(jīng)過367 d的分解，分解速率表現(xiàn)為刺槐（51.27%）＞混合（39.48%）＞油松（29.05%）。

表1 刺槐油松混交林凋落葉分解速率 %

2.2 凋落葉分解過程模型

由表2可知，各類型凋落葉分解模型的相關(guān)系數(shù)均很高，與試驗數(shù)據(jù)擬合效果很好（R2＞0.8），凋落葉年分解系數(shù)表現(xiàn)為刺槐（0.71）＞混合（0.46）＞油松（0.33）。分解50%和95%所需時間均表現(xiàn)為油松＞混合＞刺槐。各類型凋落葉分解95%所需時間約為分解50%所需時間的4倍，這充分體現(xiàn)了凋落葉前期的分解速率快而后期慢的特點。

表2 刺槐油松混交林凋落葉分解模型

2.3 凋落葉分解過程中養(yǎng)分元素動態(tài)

由表3可知，在1 a的分解過程中，各類型凋落葉的C含量持續(xù)降低，表現(xiàn)為直接釋放模式。各類型凋落葉N含量動態(tài)，刺槐、混合整體表現(xiàn)為富集模式；油松表現(xiàn)為淋溶—富集—釋放模式。P含量動態(tài)，刺槐整體表現(xiàn)為富集模式；油松表現(xiàn)為淋溶—富集—釋放模式；混合葉表現(xiàn)為淋溶—富集模式。各類型凋落葉的K含量持續(xù)降低，表現(xiàn)為直接釋放模式。刺槐、混合葉的C/N波動變化，整體表現(xiàn)為降低；油松的C/N沒有較明顯的變化規(guī)律。

表3 刺槐油松混交林凋落葉分解過程中養(yǎng)分含量動態(tài)變化

3 結(jié)論與討論

3.1 凋落葉分解速率

森林凋落物的分解過程是一個包含物理、化學(xué)和生物過程的復(fù)雜的復(fù)合過程，影響因素主要包括氣候條件、凋落物性質(zhì)、土壤狀況、土壤動物和微生物活動等。凋落物年分解速率實際就是凋落物的年失重率，是描述凋落物分解過程的重要指標(biāo)之一[5]。

本研究中刺槐、油松和混合凋落葉的年分解速率分別為51.27%，29.05%，39.48%。而胡肄慧等[6]研究發(fā)現(xiàn)，北京西郊刺槐凋落葉年分解速率為54%。趙勇等[11]研究表明，太行山刺槐年分解率超過20%。劉勇等[7]研究發(fā)現(xiàn)，北京延慶縣21，29，36年生油松林年分解率分別為26.97%，26.10%，23.96%。郭芳琴等[12]研究表明，沈陽城市和城郊油松凋落葉年分解速率分別為18.4%，35%。何帆等[13]研究表明，秦嶺火地塘林區(qū)油松年分解率為25.2%。孟玉珂等[14]研究表明，小隴山林區(qū)油松年分解率為18.4%。以上研究結(jié)果說明，同一樹種的凋落葉分解速率受氣候條件、立地條件、林齡、林分結(jié)構(gòu)、生長狀況、土壤類型等因素的影響而不同。

本研究表明，刺槐、油松凋落葉混合分解較油松凋落葉單獨分解表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)作用。這與我國報道的針闊葉樹種混合分解的研究結(jié)果較為一致，即針闊葉樹種混合分解有明顯的促進(jìn)作用[4，9，15-16]。

3.2 凋落葉分解過程模型

在一個完整的凋落物分解過程中，分解速率隨分解過程的進(jìn)行而不斷變化，而基于Olson模型的分解速率指標(biāo)是穩(wěn)定的，較其他模型有更強(qiáng)的可比性[5]。本研究采用Olson模型來擬合凋落物分解過程并獲得其分解系數(shù)（k），k值的大小可以反映凋落物分解過程的基本特征。華北地區(qū)k值的經(jīng)驗值一般在 0.209～0.990[6，8]，本研究的刺槐、油松和混合凋落葉的k值分別為0.71，0.33，0.46，總體上符合凋落物分解速率的氣候地帶性規(guī)律。

3.3 凋落葉分解過程中養(yǎng)分動態(tài)變化

森林凋落物在分解過程中的養(yǎng)分釋放模式主要有淋溶—富集—釋放模式、富集—釋放模式、直接釋放模式[17]等3種。

本研究中，各類型凋落葉在1 a的分解過程中，C，K均表現(xiàn)為直接釋放模式。刺槐的N和P表現(xiàn)為富集模式。油松的N和P表現(xiàn)為淋溶—富集—釋放模式?；旌先~的N表現(xiàn)為富集模式，P表現(xiàn)為淋溶—富集模式。趙勇等[11]研究發(fā)現(xiàn)，太行山刺槐在1 a分解過程中，N，P元素均呈現(xiàn)富集—釋放模式。賈黎明等[18]研究發(fā)現(xiàn)，北京大興刺槐純林凋落葉在1 a分解過程中，N，P元素呈現(xiàn)富集—釋放模式，K呈現(xiàn)釋放模式。郭芳琴等[12]研究發(fā)現(xiàn)，沈陽城郊油松凋落葉在分解過程中，N，P含量保持總體上升的富集趨勢。何帆等[13]研究發(fā)現(xiàn)，秦嶺火地塘林區(qū)油松凋落葉C元素在分解2 a中呈逐步下降趨勢，N，P元素在分解第1年均表現(xiàn)出富集現(xiàn)象。邵玉琴等[19]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古皇甫川流域油松針葉在441 d的分解過程中，N，P元素呈小幅度的緩慢釋放。以上研究表明，相同樹種的凋落葉在不同樣地分解過程中，養(yǎng)分含量動態(tài)變化不一致，除受氣候條件影響外，還與該樹種的林齡、生長狀況、林地的立地條件、土壤肥力狀況等因素密切相關(guān)。

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Decomposition Characteristics of Litter Fall inRobinia pseudoacacia×Pinus taebelaefolius Mixed Forest in Reclamation Region of Pingshuo Opencast Coal Mine

LUNing，LI Jinchuan，YUE Jianying，GUOChunyan，WANGXiang，DONGJuan
（BiologyInstitute ofShanxi，Taiyuan 030006，China）

Byburyingthe field little fall decomposition bags,the paper analyzed the decomposition process and nutrient dynamic of litter fall in Robinia pseudoacacia×Pinus taebelaefolius mixed forest in reclamation region in Pingshuo opencast coal mine.The results showed that the annual decomposition rate was in the order:Robinia pseudoacacia（51.27%）＞mixed（39.48%）＞Pinus taebelaefolius（29.05%）.The decomposition coefficient fitting by Olson's model,was in the order:Robinia pseudoacacia（0.71）＞mixed（0.46）＞Pinus taebelaefolius（0.33）,the time of decomposition 50%（t0.5）and 95%（t0.95）were in the order:Pinus taebelaefolius＞mixed＞Robinia pseudoacacia,t0.5was about four times the size of t0.95.In one year decomposition period,C and K appeared to release immediateness.N and P appeared to enrichment in Robinia pseudoacacia,leaching-enrichment-release in Pinus taebelaefolius.In the mixed,N appeared to enrichment,P appeared to leaching-enrichment.The mixed decomposition of Robinia pseudoacacia and Pinus taebelaefolius showed obvious promotion compared with the individuallydecomposition ofPinus taebelaefolius.

Pingshuo opencast coal mine;reclamation region;Robinia pseudoacacia×Pinus taebelaefolius mixed forest;litter;decomposition rate；nutrient dynamic

S714

A

1002-2481（2017）11-1810-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.11.19

2017-09-20

國家“十二五”科技支撐計劃課題（2012BAC10B04）；山西省科技重大專項（20121101007）；山西省青年科技研究基金項目（2013021030-4）

盧 寧（1984-），男，山西陽城人，助理研究員，主要從事礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)研究工作。李晉川為通信作者。