落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)

摘要：本文根據(jù)植物和土壤養(yǎng)分元素的分布、積累及其循環(huán)特性對(duì)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)元素含量隨植物器官、年齡和分布層的變化而變化。落葉松生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)元素的累積總量為27098kg/hm2，其中土壤累積量和植物積累量分別為268946kg/hm2和2040.602kg/hm2;年吸收銨態(tài)氮元素含量為197.394kg/hm2，其中銨態(tài)氮的保留和銨態(tài)氮的返回分別為76.183kg/hm2和121.211kg/hm2。與其它森林群落相比，落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)各營養(yǎng)元素的循環(huán)速率相對(duì)較高。本研究基于N、P、K、Ca、Mg等營養(yǎng)元素的測定，對(duì)中國北方東部落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：落葉松;植物營養(yǎng)元素;生物循環(huán)

中圖分類號(hào)：S718.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215025

前言

落葉松人工林在我國的森林面積中占有很大的比重，然而在經(jīng)營落葉松人工林的過程中我國卻面臨著很多問題，這必將影響到落葉松人工林綜合效益的開發(fā)和利用[1]。生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)元素的生物附著是指生態(tài)系統(tǒng)中植物群落與土壤之間的生物附著，它是生物地球化學(xué)CVC的1個(gè)分支，具有高的SPCCD和INTCNSITV特性。營養(yǎng)型的生物與森林生產(chǎn)力相關(guān)，植物對(duì)THC營養(yǎng)元素的吸收和利用直接或間接地受到各種環(huán)境因素的影響，并對(duì)其生長發(fā)育和物質(zhì)生產(chǎn)過程進(jìn)行了調(diào)控。因此，通過研究生態(tài)系統(tǒng)中元素的積累、分布和轉(zhuǎn)化過程，并揭示其過程、機(jī)制及其相互關(guān)系，可知，落葉松是很有潛力的森林更新和荒山造林樹種[2]。

1實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)基地場地海拔350m，位于山體南部，坡度70°，試驗(yàn)林為人工栽植的大興安嶺落葉松人工林，土壤是一種深褐色的土壤。通過生物自肥過程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)，從而維持長期穩(wěn)定的土壤肥力和生物生產(chǎn)力[3]。在生產(chǎn)力測定過程中采集的分析樣地植物樣地：選擇樣地具有代表性的樣地，用土鉆分層采集，深度分別為0.20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm。在實(shí)驗(yàn)室重新自然干燥。通過測量降雨量、林分內(nèi)降雨量和樹干流量，在標(biāo)準(zhǔn)土地（20m×50m）內(nèi)進(jìn)行水樣采集。方法：對(duì)植物和土壤樣品進(jìn)行粉碎、篩選、水樣濃縮后，對(duì)其營養(yǎng)元素（N、P、K、Ca、Mg）進(jìn)行分析。

2植物體內(nèi)元素積累

落葉松人工林土壤N、P、K、Ca、Mg的累積量為268946kg/hm2，幾乎占總累積量的98%以上。土壤中積累的營養(yǎng)元素具有很大的潛力為植物提供營養(yǎng)，而土壤中營養(yǎng)元素的豐富度是在植物生長中發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。土壤中養(yǎng)分的儲(chǔ)存不受植物吸收和木材輸出的影響，因此，森林土壤在森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中起著重要作用。土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律：N、P主要分布在土壤上部，當(dāng)其總儲(chǔ)量較大時(shí)，隨土壤深度的增加而減小。K、Ca、Mg在不同土壤深度條件下的貯藏是由土壤中的元素和土壤性質(zhì)造成的。

3土壤中元素的積累

落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量累積量為1134.43kg/hm2，含量順序?yàn)镹>Ca>K>Mg>P，落葉松人工林蒸騰過程中元素積累的順序?yàn)镹>Ca>K>Mg>P，樹蒸騰過程中元素積累的順序?yàn)镹>Ca>K>P>Pg，蒸騰過程中元素積累的順序?yàn)镃a>K>Mg。根際土壤中的積累低于表層;樹干中的積累高于葉片。樹干中的養(yǎng)分密度使樹干具有巨大的生物量;相反，由于生物量少，葉片積累量低。K含量以枝條最高，達(dá)34.47%。生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)元素的生物循環(huán)營養(yǎng)元素的年貯量取決于植物群落的年凈生物量的增加及其生產(chǎn)器官中的元素含量和問題。落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)年蓄積量為76.183kg/hm2。其中N、Ca含量最高，分別占31.07%和30%。K為22.97%，Mg和P含量很低。落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分年貯量以喬木層最高，達(dá)86%，元素順序?yàn)镃a>N>Mg>P;灌木層為17.36%，元素順序?yàn)镵>N>Ca>Mg>P;草本層為2.78%，草本層元素順序與灌木層相同。不同層次器官間的存儲(chǔ)是不同的，以喬木層為例，養(yǎng)分貯存順序?yàn)闃涓?枝條>根系>樹皮。生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分年歸還量無明顯變化，包括凋落物和樹冠淋失養(yǎng)分。凋落物中的養(yǎng)分在不分解凋落物的情況下被返回;淋溶后的養(yǎng)分可以直接輸送到土壤中。凋落物的養(yǎng)分返回包括所有植物（樹木和草本植物）養(yǎng)分返回土壤。落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)凋落物總歸還量為14.877kg/hm2，林草對(duì)土壤的歸還率分別為61.39%和33.98%;樹木根系養(yǎng)分含量極低，僅占4.63%;凋落物歸還中元素的順序?yàn)镹>Ca>K>Mg>P?？梢钥闯?，返回量是儲(chǔ)存量的18倍。降雨淋溶過程中的養(yǎng)分回流是降雨通過樹冠時(shí)會(huì)發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，包括降雨和樹干流的養(yǎng)分密度變化。根據(jù)降雨分布的質(zhì)量和數(shù)量，計(jì)算降雨淋溶過程中的養(yǎng)分。冠層淋溶的元素順序?yàn)镵>Ca>Mg>P，元素N直接被葉片吸收。K很容易在植物中移動(dòng)，這反映了它的溶解性。淋溶后林內(nèi)降水中K含量明顯高于林外。為5.852kg/hm2·a，占總量的85.24%。降雨通過淋溶作用加速了K的生物循環(huán)。Ca的浸出率較高，但其濃度（浸出量占總養(yǎng)分的比例）很低，僅為5%，低于Mg（10%）和P（15%）。Ca的浸出率高于紅松（0.34kg/hm2）、油松（0.39kg/hm2），低于馬尾松（1.54kg/hm2）。對(duì)N的吸收高于油松人工林（0.19kg/hm2），低于杉木人工林和馬尾松人工林（22.33kg/hm2）。

4結(jié)果與分析

植物各器官營養(yǎng)元素含量差異顯著。針葉樹葉片營養(yǎng)含量高，枝條營養(yǎng)含量低，樹干和根系營養(yǎng)含量最低。其中細(xì)根中最高，其次是根頸，厚根最低。不同器官營養(yǎng)成分的差異取決于其功能和結(jié)構(gòu)。葉片是同化器官，是新陳代謝最活躍的部位，營養(yǎng)含量最高;枝條是運(yùn)輸或貯存營養(yǎng)的通道，細(xì)根是吸收營養(yǎng)的主要器官，因此，其塊莖含量較高;根粗、根頸和莖主要由木質(zhì)素組成，主要功能是支撐，營養(yǎng)成分含量較低。營養(yǎng)成分隨樹齡和分布而變化。高層中元素N、P、K、Mg含量均高于低層，Ca含量則相反;樹枝中的N、P、K含量隨樹齡的增加而減少，Mg含量變化不大，Ca含量隨樹齡的增加而增加，并導(dǎo)致積累。營養(yǎng)成分順序?yàn)椋喝~>根>枝>干>皮。對(duì)草本植物而言，N、P、Mg元素含量為：莖>莖>根;K、Ca元素含量為：莖>葉>根。灌叢或草本器官的營養(yǎng)含量高于樹木器官。土壤中的多種營養(yǎng)元素的分布和含量的變化直接受自然因素（水、熱條件、母質(zhì)和形成過程）、生物活動(dòng)（動(dòng)植物生活過程）和人類活動(dòng)的影響。落葉松人工林土壤養(yǎng)分元素含量隨土層的變化而變化。土壤深度越大，P含量越低，但變化緩慢，它們在c'層（20～30cm）中幾乎穩(wěn)定;元素K則相反，隨著土壤深度的增加而增加。這是深棕壤母巖中含有大量K元素的母質(zhì)，也是淋溶作用的結(jié)果。K通過浸出帶下10個(gè)累積量。土壤養(yǎng)分元素的含量和分布是元素遷移和生物循環(huán)的結(jié)果。對(duì)植物生長至關(guān)重要。生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)生物循環(huán)規(guī)律給出了5種主要元素的微生物循環(huán)及其指標(biāo)。年吸收量為197094kg/hm2·a，元素順序?yàn)镃a>N>K>Mg>P，年歸還量121.211kg/hm2，占吸收量的61.41%。其中k元素含量最高，占總返回量的30.33%，其余元素含量依次為Ca>N>Mg>P。與其它森林類型相比，K.Ca年循環(huán)低于櫟樹。塞爾瓦和紅樹林，但高于山毛櫸。云杉，蘇格蘭松和杉木。氮與樺樹、云杉和杉木中的氮幾乎沒有區(qū)別。鎂的循環(huán)與柞木和杉木接近，高于山毛櫸、云杉和油松，但低于杉木和紅松?？梢钥吹剑磕甑奈?、儲(chǔ)存和回收都是相對(duì)的，只有P元素的年貯量和年歸還量略有差異，其它元素的年歸還量均遠(yuǎn)高于歐洲橡木。究其原因，主要是干、根養(yǎng)分含量低，葉、小枝、覆蓋植物養(yǎng)分含量高。植物營養(yǎng)元素含量的變化與其品種、器官、年齡分布層有關(guān)。一般而言，地下層和地表布層有機(jī)養(yǎng)分含量高于地上。樹葉和樹枝中的含量高于樹枝和樹枝中的含量。土壤養(yǎng)分的變化與土壤層深度有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李亞洲.落葉松人工林天然化改造模式初探[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2015（11）：83，85.

[2]王彬， 魏天興， 劉釗. 黃土丘陵區(qū)華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量與養(yǎng)分循環(huán)特征[J].水土保持研究，2017，24（6）：45-51.

[3]劉世榮，李春陽. 落葉松人工林養(yǎng)分循環(huán)過程與潛在地力衰退趨勢的研究[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993（2）：19-24.

作者簡介：

馬秀剛（1975-），男，本科，高級(jí)工程師。研究方向：林學(xué)。