雷州半島桉樹人工林凋落物量和養(yǎng)分循環(huán)研究

許宇星,王志超,竹萬寬,杜阿朋*

(1.國家林業(yè)和草原局桉樹研究開發(fā)中心，廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣東 湛江 524022；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙 410004)

森林凋落物被認(rèn)為是樹木生長的養(yǎng)分來源和潛在養(yǎng)分庫，其有機(jī)物和養(yǎng)分循環(huán)能力，是評價森林生態(tài)系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)[1]。林分凋落物分解供給土壤的養(yǎng)分占林分生長所需的絕大部分[2]，同時林分凋落物是土壤微生物區(qū)系能量供應(yīng)和土壤有機(jī)質(zhì)的重要輸入來源[3]，并且凋落物減緩了林地土壤受到降雨的直接沖擊，有效防止土壤侵蝕[4]。不同林分的凋落物量和養(yǎng)分歸還量主要取決與樹種、林齡、物候及氣候等因素，不同地區(qū)不同林分往往會產(chǎn)生很大差異[5]。

桉樹是中國華南地區(qū)重要的用材樹種之一,為緩解國家木材供需矛盾和協(xié)調(diào)森林經(jīng)濟(jì)利用與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾做出重大貢獻(xiàn)，根據(jù)第八次全國森林資源清查結(jié)果顯示中國桉樹人工林面積超過4.45×106hm2頃，但與其他速生人工林樹種相同[6-7]，桉樹人工林地土壤肥力下降問題同樣存在，傳統(tǒng)的掠奪式經(jīng)營模式和近乎全樹利用的采伐措施是地力退化的癥結(jié)所在[8-9]。目前，我國桉樹人工林采伐年齡多集中在5年以下，因此國內(nèi)桉樹研究多集中于此類短輪伐期林分[10-11]，對于超過5 a生的桉樹林分研究較少，且對桉樹大徑材林下凋落物養(yǎng)分歸還狀況的研究缺乏，忽略了增加培育年限并減少土壤人為干擾對土壤修復(fù)所產(chǎn)生的作用。本研究在中國桉樹傳統(tǒng)種植區(qū)雷州半島選擇目前種植面積較廣的桉樹人工林無性系尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)32-29為對象，通過對5、7、9 a生林分凋落物產(chǎn)量和養(yǎng)分濃度持續(xù)監(jiān)測，探討凋落物產(chǎn)量和養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律，同時結(jié)合氣象數(shù)據(jù)及林分結(jié)構(gòu)，分析影響不同林齡林分凋落物產(chǎn)量的因素，為我國桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營和桉樹大徑材培育提供理論指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)林地位于廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站(21°30′N，111°38′E)內(nèi)，最高海拔220.8 m，最低海拔80 m，為海洋性季風(fēng)氣候，年均溫23.1℃，極端最低溫為1.4℃，極端最高溫為38.1℃，年降雨量超過1 500 mm，土壤類型多為淺海沉積物磚紅壤和玄武巖磚紅壤，其次為砂頁巖紅壤、花崗巖磚紅壤，有機(jī)質(zhì)含量超過1%，pH 4.5～5.3。土壤肥力屬于中等，符合桉樹的生長條件[12-13]。試驗(yàn)林分選擇觀測站內(nèi)立地條件基本相同的3個林齡尾巨桉林分，根據(jù)第八次中國森林資源清查結(jié)果，3個林齡分屬幼齡林、中齡林、成熟林和成熟林，初植密度相同(2 m×3 m)，造林措施均為煉山+機(jī)械挖穴，煉山后每穴添加0.25 kg專用基肥(N∶P2O5∶K2O=7∶12∶6)，林分種植后2年在穴旁追施桉樹專業(yè)肥0.5 kg，具體林分現(xiàn)狀見表1。

表1 不同林齡人工林樣地基本特征Table1 Basic situation of forest plantations with different ages

1.2 樣品采集、測定和計(jì)算

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)3個林齡桉樹人工林林分中，分別設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地3個，每個樣地4角及中心位置各設(shè)置1個1 m×1 m×0.15 m的凋落物收集器，收集器底部固定尼龍網(wǎng)兜，為防止凋落物分解，每月中旬收集1次，凋落物收集從2017年5月17日至2018年5月17日，共計(jì)13個月。將收回的凋落物按照樹葉、樹枝、皮果雜物進(jìn)行分類,稱鮮質(zhì)量，放入烘箱65℃烘至恒重后稱干質(zhì)量，并計(jì)算林分總凋落物量。對每月收集的樣品用植物粉碎機(jī)研磨成粉，進(jìn)行養(yǎng)分含量的測定。植物全氮采用硫酸-雙氧水消煮-蒸餾滴定法[14]，全磷采用硫酸-雙氧水消煮-釩鉬黃比色法[15]，全鉀采用硫酸-雙氧水消煮-火焰原子吸收分光光度法測定[15]。凋落物養(yǎng)分歸還量用凋落物量乘以凋落物中養(yǎng)分含量計(jì)算得出。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，并以林分年齡作為因子，進(jìn)行單因素方差分析，同時分析了凋落物各組分產(chǎn)量同氣象因子及林分結(jié)構(gòu)因子的相關(guān)性。所有數(shù)據(jù)分析采用SPSS 18.0軟件包處理，采用LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)，并采用Excel軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 年凋落物總量和組成

由表2可知，不同林齡人工林凋落物量有顯著差異,桉樹人工林凋落物總量為8 745.84～10 877.55 kg hm-2,5 a生桉樹林凋落物總量顯著高于其余兩個林齡,而7和9 a生林分的凋落物總量未達(dá)顯著差異。各林分凋落物不同組分產(chǎn)量也存在一定差異，其中,葉凋落物年產(chǎn)量為4 253.5～5 206.4 kg hm-2，7 a生林分顯著低于5、9 a生，5、9 a生林分間未達(dá)顯著差異；5 a生枝凋落物的年產(chǎn)量為3 511.7 kg hm-2,顯著高于7、9 a生的(2 312.66、2 397.06 kg hm-2),且后兩者沒有顯著差異；皮果雜物凋落物的年產(chǎn)量為1 949.45～2 179.7 kg hm-2，3個林齡間均未達(dá)顯著差異。

5、7、9 a生林凋落物中葉和枝分別占凋落物總量的47.86%、48.63%、53.76%和32.28%、26.44%、25.5%?？梢姡?個林齡凋落物均以落葉為主，3個林分中，隨林齡增加凋落物葉的比例逐漸增加，而凋落物枝的比例逐漸減少，皮果雜物沒有顯著差異，所占比例未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

表2 不同林齡桉樹人工林的凋落物量Table2 Litterfall in Eucalyptus plantation with different ages

2.2 凋落物量的季節(jié)動態(tài)及其影響因素

從圖1可見，3個林齡桉樹人工林凋落物總量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。各林齡林分的凋落物總量均為雙峰型，第1個峰值出現(xiàn)在4或5月(雨季初期)，此時各林齡凋落物量分別占總量的12.82%、12.92%和12.98%；第2個峰值出現(xiàn)在9或10月(雨季末期)，此時各林齡凋落物量分別占總凋落物量的22.25%、23.98%和23.04%。

不同組分中，各林齡葉凋落物產(chǎn)量呈現(xiàn)雙峰型曲線，且兩個峰值時間與凋落物總量的基本一致,證明凋落葉產(chǎn)量主導(dǎo)各林齡桉樹人工林凋落物總量。枝凋落物產(chǎn)量沒有明顯季節(jié)變化，皮果雜物凋落物主要集中在雨季的生長季節(jié)及8-9月的桉樹結(jié)實(shí)期，生長季節(jié)出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象，因此4-10月皮果雜物凋落物量占全年總凋落物量的88.73%～92.82%。

對3個林分的結(jié)構(gòu)因子、氣象因子與凋落物量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明(表3)，林分結(jié)構(gòu)因子中的林齡、樹高和胸徑與凋落物量呈負(fù)相關(guān)，僅落枝量同平均胸徑有顯著相關(guān)，葉面積指數(shù)同凋落物量無顯著相關(guān)性；月均溫同凋落物總量、落葉、皮果雜物量均呈極顯著正相關(guān)，而與落枝量無顯著相關(guān)性，可能是落枝多為前期死亡的枯枝，其凋落與物候沒有直接關(guān)系。月降雨量同落葉、落枝及總量均沒有顯著相關(guān)性，而與皮果雜物呈極顯著正相關(guān),可能與雨水增加對樹皮的沖刷，增大脫落機(jī)會，同時桉樹結(jié)實(shí)期(8-9月)也處于雨季有關(guān)。

2.3 凋落物養(yǎng)分歸還量

圖1 不同林齡凋落物量隨月份變化特征Fig.1 Monthly changes in litterfall with different ages

從表4可以看出，不同林齡各組分養(yǎng)分元素的平均含量表現(xiàn)出不同變化規(guī)律。5 a生林分落葉、落枝和皮果雜物的氮含量均顯著低于7、9 a生林分，7和9 a生林分間沒有顯著差異；5 a生林分的落葉和落枝磷含量顯著高于7、9 a生林分，而皮果雜物則相反，且7和9 a生各組分磷含量均沒有顯著差異；不同林齡凋落物的鉀含量同氮元素相似,均為5 a生的顯著低于7、9 a生林分，且7和9 a生林分的落葉及落枝存在顯著差異。各林齡不同組分凋落物的養(yǎng)分元素含量均為N＞K＞P，其含量分別為2.67～8.15、1.18～2.71和 0.2～0.41 g kg-1。

表3 林分結(jié)構(gòu)因子和氣象因子與凋落物量的相關(guān)性Table3 Correlation between forest structure factors,climate factors and litterfall

表4 不同林齡凋落物的養(yǎng)分含量(g kg-1)Table4 Nutrient concent(g kg-1)of litterfall at different ages

根據(jù)不同林齡月凋落物量及養(yǎng)分含量計(jì)算養(yǎng)分元素的年歸還量,從表5可知，氮元素的年歸還量為55.48～58.23 kg hm-2，磷元素為2.61～3.66 kg hm-2,鉀元素為16.48～20.37kghm-2，氮、磷、鉀總歸還量為9a(81.35kghm-2)＞7 a(77.81kghm-2)＞5 a(75.63kghm-2),且均達(dá)顯著差異。9 a生林分的氮、鉀元素的年歸還量高于或顯著高于7、5 a生林分，為9 a＞7 a＞5 a。磷元素的年歸還量變化規(guī)律與氮、鉀元素不同，表現(xiàn)為5 a＞9 a＞7 a，5 a生林分顯著高于7和9 a生，且彼此間差異顯著，說明不同養(yǎng)分元素年累積量由凋落物量及凋落物養(yǎng)分含量共同決定。

表5 桉樹人工林凋落物的養(yǎng)分年歸還量(kg hm-2a-1)Table5 Annual nutrition return(kg hm-2a-1)of litterfall of Eucalyptus plantations

由于落葉量占凋落物總量的47.86%～53.76%(表2)，且葉片中各元素養(yǎng)分歸還總量占養(yǎng)分歸還總量的絕大部分(表5)，因此葉片凋落物養(yǎng)分歸還動態(tài)在一定程度上反映了凋落物總量的養(yǎng)分變化。由圖2可知，不同林齡葉片氮、磷元素歸還量呈現(xiàn)較明顯的雙峰型，養(yǎng)分歸還峰值出現(xiàn)在10月和4月，與葉凋落物產(chǎn)量保持一致，而葉片鉀元素歸還量的波動較大，在4月有1個較明顯峰值。各元素養(yǎng)分返還量在冬季(12月至次年3月)均維持較低水平。

3 討論和結(jié)論

3.1 凋落物量及其影響因素

本研究結(jié)果表明，5、7和9a生桉樹人工林的年凋落物量分別為10877.55、8745.84和9399.14kghm-2,5 a生林分的顯著高于7、9 a生,且7和9 a生林分間沒有顯著差異，3個林分總凋落物量均處于亞熱帶濕潤區(qū)森林年均凋落物量范圍內(nèi)(2390～13000 kghm-2)[16],與剛果的8a生尾巨桉林凋落物年產(chǎn)量(10004kghm-2)[3]相似，但明顯高于國內(nèi)其他研究區(qū)尾巨桉人工林的凋落物總量(4 700～6 900 kg hm-2)[10-11,17]，可能與氣候因素有關(guān)，雷州半島多暴雨大風(fēng)天氣，幾乎每年受臺風(fēng)影響數(shù)次，對凋落物的累積產(chǎn)生巨大影響。5、7和9 a生林葉凋落物分別占總凋落物的47.86%、48.63%和53.76%，而枝與皮果雜物等凋落物分別占25.5%～32.28%和19.85%～24.92%，與前人的研究結(jié)果[4,10,16]基本一致，說明葉凋落物量對林分總凋落物量起主導(dǎo)作用。

圖2 不同林齡桉樹人工林葉片的養(yǎng)分歸還量月動態(tài)Fig.2 Monthly changes in leaf nutrient restitution of Eucalyptus plantations with different ages

本研究區(qū)不同林齡桉樹人工林凋落物總量隨季節(jié)變化呈雙峰型，與其他桉屬林分[10,17-19]相似,高峰期分別出現(xiàn)在雨季初期和末期，可能是雨季初期處于換葉階段，大量新葉萌發(fā)，老葉脫落，而雨季末期臺風(fēng)影響頻繁，且即將進(jìn)入旱季，林木自身為適應(yīng)干旱少雨季節(jié)，而形成凋落物高峰期[11,18]。但劉文飛[11]對3、4、6 a生尾巨桉和劉洋[18]對7 a生巨桉的研究表明，凋落物量隨季節(jié)變化呈單峰型，這可能是凋落物的季節(jié)動態(tài)不僅依賴于樹種生物和生態(tài)學(xué)特性，還同地理位置差異、氣候條件及撫育措施密切相關(guān)[20-21]。相關(guān)分析表明，月均溫同葉凋落量、皮果雜物量及凋落物總量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，除皮果雜物量外，其余凋落物均同月降雨量無顯著相關(guān)性，這與Erkan[22]和張新平[23]等的結(jié)果相同，說明溫度是林分凋落物量的主導(dǎo)氣象因子，凋落物量隨著溫度升高呈增加趨勢；而枝凋落物量全年較為均勻，無明顯變化，同月均溫和月降水量均無顯著相關(guān)性，可能是枝條在枯死后不會馬上脫落，一般在暴風(fēng)驟雨或樹干摩擦作用下折斷[24],受天氣影響較大[25]，而與物候沒有直接關(guān)系。

3.2 凋落物的養(yǎng)分含量和年歸還量

本研究結(jié)果表明，5 a生林分的凋落物氮、鉀平均含量顯著均低于7、9 a生林分，即隨林齡增加，這兩種元素含量有增加趨勢；而葉和枝凋落物的磷含量表現(xiàn)為5 a生林分顯著高于7、9 a生林分，皮果雜物凋落物則表現(xiàn)為相反，說明隨林齡增加落葉與落枝的磷元素有增加趨勢，而皮果凋落物中的磷元素有下降趨勢，與趙貴等[26]認(rèn)為桉樹幼齡期磷元素主要分布在葉和枝，隨著林齡增加，干、皮的磷元素有增加趨勢的結(jié)論相吻合。本研究中，不同林齡尾巨桉的年氮、磷元素總養(yǎng)分含量分別為55.48～58.13和2.61～3.66 kg hm-2，與福建漳州地區(qū)的桉樹人工林相近(41.04～77.18、1.12～2.58 kg hm-2)[11],而高于廣西南寧地區(qū)的桉樹人工林(13.996～34.003、0.874～1.389 kg hm-2)[10]，鉀元素的年養(yǎng)分含量為16.48～20.37 kg hm-2，高于漳州(4.6～12.44 kg hm-2)和南寧(4.722～9.675 kg hm-2)。本研究中，桉樹人工林的氮、磷、鉀元素養(yǎng)分歸還總量表現(xiàn)為9 a＞7 a＞5 a,而凋落物總量表現(xiàn)為5 a＞9 a＞7 a，說明桉樹生長5年后，雖凋落物量有所下降，但年養(yǎng)分元素總量仍表現(xiàn)為高林齡顯著高于低林齡。

林分在經(jīng)歷快速生長期后，雖生長速度趨于平緩，但對生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分歸還卻在逐漸增加。然而，超短輪伐期的經(jīng)營措施以及全樹利用的采伐模式,造成了大量養(yǎng)分元素的流失，致使人工林地力日漸下降，因此采用合理的人工林采伐方式和凋落物管理模式并適當(dāng)增加人工林種植年限，是提高桉樹人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵。同時，為增加桉樹人工林產(chǎn)量且利于人工林地力恢復(fù)，采伐季節(jié)選擇在冬季。