雷州半島不同林齡尾巨桉人工林凋落物產量、養(yǎng)分歸還及分解動態(tài)研究

雍強，陳彪，林波，鄧殷，蘇寒，雷福年，覃重喜，陸玉鋒，許宇星

雷州半島不同林齡尾巨桉人工林凋落物產量、養(yǎng)分歸還及分解動態(tài)研究

雍強1，陳彪1，林波1，鄧殷1，蘇寒1，雷福年1，覃重喜1，陸玉鋒1，許宇星2＊

(1.廣西壯族自治區(qū)國有七坡林場，廣西 南寧 530225；2. 國家林業(yè)和草原局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

為了解雷州半島地區(qū)桉樹人工林凋落物產量，養(yǎng)分歸還及分解動態(tài)變化特征，本研究對不同林齡尾巨桉人工林進行為期12個月的跟蹤監(jiān)測。結果表明：枝葉年總凋落物量表現(xiàn)為5 a>9 a>7 a>1 a，不同人工林葉片凋落物量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)雙峰型曲線，但枝條凋落物量隨季節(jié)變化無明顯規(guī)律可循。4個林齡葉片、枝條的氮、磷、鉀總歸還量表現(xiàn)為9 a>5 a>7 a>1 a。葉片失重率變化趨勢在各林齡間差異不大，出現(xiàn)較明顯的兩個分解階段，但枝條失重率并未出現(xiàn)明顯階段差異。同時，枝條的分解系數(shù)表現(xiàn)為1 a>7 a>9 a>5 a，葉片的分解系數(shù)則表現(xiàn)為7 a>9 a>1 a>5 a，說明在5 a林分內，凋落物葉片及枝條的分解速率均小于其他各林分，在該林分中分解半衰期和周轉期均長于其他林分。

尾巨桉；凋落物；養(yǎng)分歸還；分解

森林凋落物是森林土壤主要的養(yǎng)分來源和潛在養(yǎng)分庫[1]。凋落物的分解過程是系統(tǒng)能量循環(huán)與養(yǎng)分轉移的主要途徑，通過微生物分解過程將養(yǎng)分歸還林地，進而被植物吸收利用。因此，凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)樹木與土壤的重要聯(lián)接點，其所包含的有機物及養(yǎng)分循環(huán)能力，是評價森林生態(tài)系統(tǒng)功能不可或缺的指標[2]。

桉樹()作為我國華南地區(qū)最重要的速生人工林樹種之一，在我國林業(yè)建設和生態(tài)安全中發(fā)揮舉足輕重的作用。截至2015年，我國桉樹人工林面積已超過450萬公頃[3]。然而，我國人工林輪伐期多集中在6 a以下，缺乏對大徑材桉樹人工林的培育[4]。短輪伐期掠奪式經營模式造成人工林地力退化，土壤肥力下降等問題已經引起廣泛關注。有研究表明，桉樹人工林由于生長速度快，其林下具有相當可觀的凋落物產量[5-7]。但以往研究多集中在幼齡桉樹人工林，對近熟及成熟桉樹人工林凋落物產量及分解過程研究相對缺乏。因此，本研究選址我國桉樹傳統(tǒng)種植區(qū)雷州半島，通過對種植區(qū)內1 a生、5 a生、7 a生及9 a生桉樹人工林凋落物產量、養(yǎng)分含量及分解速率進行為期1 a的持續(xù)監(jiān)測，旨在探討不同發(fā)育階段桉樹人工林凋落物養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律，研究結果擬為桉樹人工林地高效可持續(xù)經營提供參考。

1 材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站內(21°30′N，111°38′E)，為海洋性季風氣候，該地區(qū)臺地及低丘陵緩坡地形，最高海拔220.8 m，山體呈扇狀向東、南、西三面傾斜。年平均氣溫23.1℃，極端最低溫1.4℃ ~ 3.6℃，極端最高溫度為38.1℃，年相對濕度達80.4%，年降雨量超過1 500 mm。

研究所選試驗林分布于海拔為80 ~ 100 m的低丘陵緩坡，每片桉樹人工林地面積大約2 hm2且相隔距離不超過500 m。造林前均為經營多代的尾葉桉()無性系U6，人工林皆伐后，煉山并機械挖種植穴，每穴添加專用基肥(N:P2O5:K2O=7:12:6)0.25 kg，選取長勢均一的桉樹品種幼苗(15 cm ± 2 cm)完成造林，初植密度均為2 m × 3 m，每公頃1 665株。林分種植后第二年在種植穴旁追肥0.25 kg (N:P2O5:K2O = 15:5:8)。苗木生長前半年進行雜草管理，之后均未產生人為干擾。

1.2　試驗設計與樣品采集

在試驗點選擇1 a生、5 a生、7 a生和9 a生尾巨桉()作為研究對象代表不同林齡桉樹人工林林分(分別縮寫為1 a、5 a、7 a、9 a)，在3片桉樹人工林中分別設置9個20 m × 20 m標準地，并在每個樣地四角及中心位置放置一個1 m × 1 m × 1 m的凋落物收集器，為防止凋落物分解，研究期間每月對凋落物進行收集并分類，從2017年5月至2018年4月，共計12個月。每次將回收的凋落物挑揀分類后放入烘箱，烘至恒重后稱其干重并對樣品粉碎，用于養(yǎng)分含量測定。同時，于2017年4月，在不同林齡尾巨桉林地取上層新鮮凋落葉及凋落枝，風干后分別稱取各林齡落葉和落枝約30 g，分別裝入上述尼龍分解袋中，每個林分隨機放至凋落葉與凋落枝各18袋，共計124袋。2017年6月至2018年4月，每隔2個月從各林齡尾巨桉林分中隨機收集6袋(枝條、葉片各3袋)，除去樣品中泥土等雜質，烘干至恒質量，分別測定凋落葉和凋落枝的殘留量及養(yǎng)分含量。

1.3 土壤化學性質測定

凋落物全氮含量采用硫酸-雙氧水消煮-蒸餾滴定法，全磷含量采用硫酸-雙氧水消煮-釩鉬黃比色法，全鉀含量采用硫酸-雙氧水-消煮-火焰原子吸收分光光度計法測定[8]。

1.4　數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS 17.0對凋落物養(yǎng)分歸還量進行單因素方差分析和LSD檢驗，并對各林齡凋落物枝葉分解過程的回歸方程進行擬合，采用Excel軟件繪圖。

2　結果與分析

2.1　枝葉年凋落物總量

由表1可知，不同林齡間葉片凋落物年產量均產生顯著差異。其中，不同林齡葉片凋落物為4 809 ~ 5 206.4 kg·hm-2，除7 a顯著低于5 a、9 a林分外，其余均未產生顯著差異。不同林齡間枝條凋落物年產量差異顯著，5 a林分枝條凋落物年產量顯著高于1 a、7 a、9 a林分，達到3 511.7 kg·hm-2。枝葉年總凋落物量規(guī)律同枝條相似，各林齡間均產生顯著差異，表現(xiàn)為5 a>9 a>7 a>1 a。

表1　不同林齡桉樹人工林葉片及枝條凋落物量 　kg·hm-2

注：同列數(shù)字后小寫字母表示<0.05

2.2　枝葉年凋落物量季節(jié)動態(tài)變化

由圖1可知，桉樹人工林不同組分凋落物產量隨季節(jié)變化出現(xiàn)不同變化規(guī)律。人工林葉片凋落物量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)雙峰型曲線，兩個峰值分別出現(xiàn)在南方雨季前期(4－5月)和末期(9－10月)，各林齡人工林變化規(guī)律趨于一致，可能原因在于雨季初期樹木換葉頻繁，大量新葉萌發(fā)，老葉脫落，而雨季末期即將進入旱季，林木自身為適應干旱少雨季節(jié)，而形成另一個凋落物高峰期。枝條凋落物量隨季節(jié)變化并無明顯規(guī)律可循，1 a林分前期并無枝條凋落物的產生，從9月份開始(此時林齡1.4 a)產生枝條凋落物。

圖1　不同林齡凋落物隨時間變化特征

2.3　枝葉凋落物養(yǎng)分年歸還量

根據(jù)各林齡每月凋落物產量及其養(yǎng)分濃度(圖2)，計算不同養(yǎng)分元素年歸還量可知，4個林齡葉片、枝條的氮、磷、鉀總歸還量表現(xiàn)為9 a>5 a>7 a>1 a，且差異顯著。不同元素在各林齡間顯著也差異。其中，5 a和9 a人工林氮、磷元素歸還量顯著高于其他兩個林齡。鉀元素有所不同，隨林齡增加枝葉鉀元素的歸還量呈現(xiàn)遞增趨勢且達到顯著差異。

2.4　枝葉凋落物分解的季節(jié)動態(tài)

從圖3可知，4個林齡下葉片和枝條失重率變化趨勢有所差異，但總體表現(xiàn)為隨時間延長，凋落物失重率增加。凋落物的分解可分為兩個階段，葉片在0 ~ 125 d分解非?？?，失重率在這4個月內達到65.66% ~ 72.91%，第二階段呈緩慢上升趨勢，這與以往結論相似，可能原因在于前期主要是對碳水化合物的分解和可溶性有機物的淋洗，分解速率相對較快，但后期主要是難分解的纖維素和單寧等物質的累積[9-10]。枝條失重率并未出現(xiàn)明顯階段差異。但不同林齡間差異較明顯，5 a林分下葉片與枝條凋落物始終率在各個時間節(jié)點均低于其他各林齡。

2.5　枝葉凋落物的分解速率

本研究凋落物枝葉的動態(tài)分解過程采用OLSON[11]提出的指數(shù)衰減模型描述。根據(jù)這一模型，本研究得到不同林齡桉樹人工林枝葉分解殘留率隨時間變化的指數(shù)回歸方程，進而計算出不同林齡枝葉分解的半衰期和周轉期。從表2可知，葉片的分解系數(shù)表現(xiàn)為1 a>7 a>9 a>5 a，枝條的分解系數(shù)則表現(xiàn)為7 a>9 a>1 a>5 a，說明在5 a林分內，凋落物葉片及枝條的分解速率均小于其他各林分，在該林分中分解半衰期和周轉期均長于其他林分。這可能與桉樹生長特性及經營措施有關，5 a桉樹人工林正處于生長旺季，對土壤大量元素需求量大[12]，從而形成了與微生物的競爭關系，同時，桉樹種植多采用純林經營，且6 a生桉樹人工林郁閉度較大，導致林下植被稀疏，凋落物種類單一，加之郁閉的林下環(huán)境，降低了凋落物分解速度[13]。

圖2　桉樹人工林枝葉凋落物養(yǎng)分年歸還量/(kg·hm-2)

圖3　葉片及枝條凋落物失重率變化

2.6 枝葉凋落物分解過程中養(yǎng)分濃度變化

凋落物分解過程中，不同養(yǎng)分的遷移模式表現(xiàn)出不同特征，主要分為3種：(1)直接釋放；(2)淋溶-富集-釋放；(3)富集-釋放。本研究中，葉片和枝條氮元素的遷移模式經歷了富集和釋放兩個過程，葉片富集時間較短只在前68 d富集，而枝條的富集時間持續(xù)到第299 d，出現(xiàn)富集的可能原因在于養(yǎng)分釋放速率小于干質量損失率。其次，可能與土壤動物、微生物或降雨的養(yǎng)分輸入相關[7]；葉片磷元素的遷移模式表現(xiàn)為直接釋放，從開始分解到125 d釋放速度較快，后逐漸平穩(wěn)，而枝條在0 ~ 187 d出現(xiàn)富集現(xiàn)象，之后開始釋放，但速度較為緩慢；葉片鉀元素遷移模式和磷元素變化規(guī)律一致，可能原因在于鉀元素相對容易被淋溶，使其濃度在整個分解過程中持續(xù)下降，這與以往研究結果一致[14]。但枝條遷移模式較為復雜，過程中伴有多次富集釋放過程相互交替，分解1 a前后其濃度變化不大；葉片鈣鎂元素均在0 ~ 68 d出現(xiàn)短暫富集后開始釋放，但枝條在整個觀察期均處于富集過程，由于試驗時間有限，釋放階段還未觀測到。

表2　枝葉凋落物分解指數(shù)回歸方程

圖4 葉片及枝條凋落物分解過程養(yǎng)

3　結論

(1) 不同林齡間葉片與枝條凋落物年產量均差異顯著，枝葉年總凋落物量表現(xiàn)為5 a>9 a>7 a>1 a。

(2) 人工林葉片凋落物量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)雙峰型曲線，兩個峰值分別出現(xiàn)在南方雨季前期(4－5月)和末期(9－10月)，各林齡人工林變化規(guī)律趨于一致，枝條凋落物量隨季節(jié)變化無明顯規(guī)律可循。

(3)4個林齡葉片枝條的氮、磷、鉀總歸還量表現(xiàn)為9 a>5 a>7 a>1 a，且產生顯著差異。與此同時，不同元素在各林齡間也存在顯著性差異。

(4) 葉片失重率變化趨勢在各林齡間差異不大，第一階段0 ~ 125 d分解非?？?，失重率在這4個月內達到65.66% ~ 72.91%，第二階段呈緩慢上升趨勢；枝條失重率并未出現(xiàn)明顯階段差異，但不同林齡間差異較明顯，5 a林分下葉片與枝條凋落物始終率在各個時間節(jié)點均低于其他各林齡。

(5) 根據(jù)所構建的指數(shù)回歸方程得知，枝條的分解系數(shù)表現(xiàn)為1 a>7 a>9 a>5 a，葉片的分解系數(shù)則表現(xiàn)為7 a>9 a>1 a>5 a，說明在5 a林分內，凋落物葉片及枝條的分解速率均小于其他各林分，在該林分中分解半衰期和周轉期均長于其他林分。

(6) 本研究葉片和枝條氮元素的遷移模式經歷了富集和釋放兩個過程，葉片磷元素的遷移模式表現(xiàn)為直接釋放，而枝條在0 ~ 187 d出現(xiàn)富集現(xiàn)象之后開始釋放，但速度較為緩慢；葉片鉀元素遷移模式和磷元素變化規(guī)律一致；葉片鈣鎂元素均在0 ~ 68 d出現(xiàn)短暫富集后開始釋放，但枝條在整個觀察期均處于富集過程。

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Litter Production, Nutrient Return and Decomposition inPlantations of Different Ages in Leizhou Peninsula

YONG Qiang1, CHEN Biao1, LIN Bo1,DENG Yin, SU Han1, LEI Funian1, QIN Chongxi1, LU Yufeng1, XU Yuxing2

)

In order to understand the yield, nutrient return and decomposition dynamics of litter inplantations in Leizhou Peninsula, this study carried out monitoring of litter over a 12-month period inplantations of different ages. The results showed that the total amount of branch and leaf litter combined from the different age plantations was ranked by order of magnitude as: 5 a > 9 a > 7 a > 1 a. The amount of leaf litter in plantations of different ages showed a bimodal curve with seasonal changes, but there was no obvious rule for the amount of branch litter. The total return of nitrogen, phosphorus and potassium in leaf and branch litter of 4 plantation ages, ranked by order of magnitude, was 9 a > 5 a > 7 a > 1 a. There were two obvious stages in leaf decomposition (judged by weight), but no obvious stage differences in decomposition of branches. At the same time, the decomposition coefficients of branches and leaves in the different age plantations, ranked by order of magnitude, were 1 a > 7 a > 9 a > 5 a and 7 a > 9 a > 1 a > 5 a respectively, indicating that the rate of litter decomposition in 5 a plantations was lower than that in all other plantations. Thus, the decomposition half-life and turnover period of litter were longest in the 5 a plantation.

; litterfall; nutrients return; decomposition

S718.55+4

A

10.13987/j.cnki.askj.2019.03.003

廣西科技重大專項(桂科AA17204087-9);國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFD0600505, 2016YFD0600504); 廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站運行項目(2019132141)

雍強(1978—)，男，工程師，主要從事森林培育研究，E-mail: 149031983@qq.com

許宇星(1987—)，男，助理研究員，主要從事桉樹可持續(xù)經營研究，E-mail: wsxyx1987@163.com