林分密度對(duì)杉木人工林根系養(yǎng)分積累與分配的影響

楊淑寶

(福建省洋口國(guó)有林場(chǎng)，福建 順昌 353211)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)亞熱帶地區(qū)主要的優(yōu)良速生造林樹(shù)種和針葉用材樹(shù)種之一[1]。杉木純林連栽導(dǎo)致地力下降及生態(tài)環(huán)境惡化，而林分密度管理是改善杉木人工林林地質(zhì)量和提高林分生產(chǎn)力的重要措施之一[2-4]。林分密度是林木培植過(guò)程中可直接調(diào)控的因子，也是優(yōu)質(zhì)林木結(jié)構(gòu)形成的必要基礎(chǔ)[5]。適宜的林分密度可以改進(jìn)林木質(zhì)量、提高林分產(chǎn)量和豐富植被多樣性并增強(qiáng)環(huán)境調(diào)控能力[6-7]。林分密度的改變還會(huì)引起林內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，從而影響林木養(yǎng)分積累與分配[8-9]。

植物通過(guò)根系獲取土壤中的養(yǎng)分，影響植物生長(zhǎng)、發(fā)育及其生理活動(dòng)。對(duì)林木根系養(yǎng)分的研究有助于理解林分的養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程以及林木對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)能力[10-11]。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)杉木人工林養(yǎng)分的研究主要集中于不同林齡、不同連栽代數(shù)杉木林養(yǎng)分循環(huán)以及杉木林土壤養(yǎng)分與微生物機(jī)制的關(guān)系[12-14]，而有關(guān)不同林分密度杉木人工林各徑級(jí)根系養(yǎng)分積累的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本研究在測(cè)定不同林分密度杉木人工林各徑級(jí)根系生物量的基礎(chǔ)上，探討了其養(yǎng)分積累量與分配，以期為杉木人工林高效培育提供參考。

1 試驗(yàn)林概況

試驗(yàn)地位于福建省洋口國(guó)有林場(chǎng)南元管護(hù)站037-31-010小班(117°56′28″E，26°51′22″N)，系武夷山支脈的低山丘陵，屬溫和濕潤(rùn)的中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛。該區(qū)年均氣溫19.8 ℃，極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-6.8 ℃；年均降水量為1 996.3 mm；無(wú)霜期達(dá)312 d。試驗(yàn)地海拔340 m左右，土壤為山地紅壤，土層深厚肥沃。

試驗(yàn)林種苗為福建省洋口國(guó)有林場(chǎng)第2代杉木種子園良種。2008年2月分別營(yíng)建林分密度為1 800、3 000及4 500株·hm-2的試驗(yàn)林，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)區(qū)組，各小區(qū)面積為400 m2。造林當(dāng)年6月中旬進(jìn)行塊狀除草和培土扶正，9月中旬進(jìn)行全面除草并補(bǔ)植；第2年6月及9月各劈草1次；第3年9月劈草1次。2020年5月，在對(duì)不同林分密度杉木林踏查的基礎(chǔ)上，對(duì)樣地內(nèi)杉木進(jìn)行每木調(diào)查，各樣地杉木生長(zhǎng)情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic information of the sample plots

2 研究方法

2.1 生物量調(diào)查

依據(jù)林分生長(zhǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，在每塊樣地四周分別選取1株與平均木生長(zhǎng)最接近的杉木，共取9株。挖取所選取杉木與四周相鄰杉木一半距離內(nèi)的所有根系，并根據(jù)六級(jí)根系分類(lèi)法分級(jí)[15]，細(xì)根：直徑≤0.2 cm；小根：0.2 cm<直徑≤0.5 cm；中根：0.5 cm<直徑≤2 cm；大根：2 cm<直徑≤5 cm；粗根：直徑>5 cm；根頭為去掉其他徑級(jí)根系后的剩余部分。將各徑級(jí)根系樣品稱(chēng)重后帶回實(shí)驗(yàn)室，于105 ℃的烘箱殺青1 h后，在75 ℃恒溫條件下烘至恒重，用精度為0.01 g的電子天平稱(chēng)絕干質(zhì)量，求出各徑級(jí)根系的絕干生物量。

2.2 養(yǎng)分含量與養(yǎng)分積累量的測(cè)定

將烘干后的樣品用研磨機(jī)粉碎后，過(guò)0.149 mm篩。用Elementar元素分析儀(Vario Max CN，德國(guó))測(cè)定樣品全氮含量，用電感耦合離子發(fā)射光譜儀(PE optima 8000)測(cè)定全磷、全鉀、全鈣、全鎂等營(yíng)養(yǎng)元素含量。3次重復(fù)。

根系養(yǎng)分積累量/(kg·hm-2)=根系生物量×根系養(yǎng)分含量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖；采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)、差異性顯著分析(T檢驗(yàn)和Duncan檢驗(yàn))。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分密度對(duì)杉木人工林各徑級(jí)根系生物量的影響

由圖1可以看出，杉木人工林根系生物量隨林分密度增大而升高，1 800、3 000和4 500株·hm-2林分根系生物量分別為14.02、17.01、25.30 t·hm-2。1 800株·hm-2林分各徑級(jí)根系生物量表現(xiàn)為：根頭>中根>大根>粗根>小根>細(xì)根；3 000株·hm-2林分表現(xiàn)為：根頭>粗根>大根>中根>小根>細(xì)根；4 500株·hm-2林分則表現(xiàn)為：根頭>粗根>中根>大根>小根>細(xì)根。中根、大根、粗根生物量在3種林分密度中排序不同，1 800、3 000株·hm-2林分中根生物量差異不顯著；4 500株·hm-2林分細(xì)根、中根、大根、粗根、根頭生物量顯著高于1 800、3 000株·hm-2，其中粗根生物量提升量最大。細(xì)根、大根、粗根、根頭生物量隨林分密度的增大而升高，且差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖1 不同林分密度杉木人工林各徑級(jí)根系生物量Figure 1 Biomass of different diameter classes of roots in C.lanceolata plantations under different planting densities

3.2 林分密度對(duì)杉木人工林各徑級(jí)根系養(yǎng)分含量的影響

由表2可以看出，相同林分密度下，細(xì)根、小根、中根的養(yǎng)分含量高于粗根、大根和根頭，其中氮、磷、鉀、鎂含量總體上表現(xiàn)為：細(xì)根>小根、中根>大根>粗根；相同徑級(jí)根系養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為：氮、鉀>鈣>鎂>磷。對(duì)細(xì)根來(lái)說(shuō)，3 000、4 500株·hm-2林分氮含量顯著高于1 800株·hm-2林分；3 000株·hm-2林分磷含量顯著高于1 800和4 500株·hm-2，1 800株·hm-2林分磷含量高于4 500株·hm-2，但差異不顯著。對(duì)小根來(lái)說(shuō)，3 000、4 500株·hm-2林分氮含量顯著高于1 800株·hm-2林分；3 000株·hm-2林分鎂、鉀含量顯著高于1 800、4 500株·hm-2。對(duì)中根來(lái)說(shuō)，3 000株·hm-2林分氮含量顯著高于1 800、4 500株·hm-2林分；鈣含量表現(xiàn)為4 500株·hm-2>3 000株·hm-2>1 800株·hm-2，且具有顯著差異。對(duì)大根來(lái)說(shuō)，3 000株·hm-2林分氮、鉀、鈣、鎂含量高于1 800、4 500株·hm-2，但各養(yǎng)分間差異水平不同。對(duì)粗根來(lái)說(shuō)，3 000株·hm-2林分氮、鈣、鎂含量高于1 800、4 500株·hm-2；1 800、3 000株·hm-2林分磷、鉀含量顯著高于4 500株·hm-2。對(duì)根頭來(lái)說(shuō)，1 800、3 000株·hm-2林分磷、鉀、鎂含量顯著高于4 500株·hm-2。

表2 不同林分密度杉木人工林各徑級(jí)根系養(yǎng)分含量1)Table 2 Nutrient contents of C.lanceolata plantations with different root diameter classes under different planting densities

3.3 林分密度對(duì)杉木人工林各徑級(jí)根系養(yǎng)分積累與分配的影響

由表3可以看出，杉木人工林根系養(yǎng)分總積累量隨林分密度增大而升高，1 800、3 000和4 500株·hm-2林分根系養(yǎng)分總積累量依次為162.44、273.76、274.82 kg·hm-2。其中，細(xì)根、中根和粗根養(yǎng)分總積累量隨林分密度增大而升高；小根和大根養(yǎng)分總積累量隨林分密度增大呈先升高后下降趨勢(shì)，且具有顯著差異(P<0.05)；根頭則隨林分密度增大呈先下降后升高趨勢(shì)。1 800株·hm-2林分根系養(yǎng)分總積累量表現(xiàn)為：鉀>氮>鈣>鎂>磷；3 000和4 500株·hm-2林分則表現(xiàn)為：氮>鉀>鈣>鎂>磷。3 000和4 500株·hm-2林分氮積累量顯著高于1 800株·hm-2。總體來(lái)看，相同林分密度下，大根、中根各營(yíng)養(yǎng)元素積累量高于小根、細(xì)根。

表3 不同林分密度杉木人工林各徑級(jí)根系養(yǎng)分積累量1)Table 3 Nutrient accumulations of C.lanceolata plantations with different root diameter classes under different planting densities

杉木人工林根系氮、磷、鎂總積累量均隨林分密度增大呈先升高后降低趨勢(shì)，鉀、鈣總積累量則隨林分密度增大而升高。對(duì)細(xì)根來(lái)說(shuō)，氮、鈣積累量隨林分密度增大而升高，磷、鉀、鎂積累量隨林分密度增大先升高后降低。對(duì)小根、大根來(lái)說(shuō)，5種養(yǎng)分元素積累量均隨林分密度增大先升高后降低。對(duì)中根來(lái)說(shuō)，氮積累量隨林分密度增大先升高后降低，鉀、鈣、鎂積累量則隨林分密度增大而升高，且4 500株·hm-2林分中根養(yǎng)分積累量顯著高于1 800、3 000株·hm-2。對(duì)粗根來(lái)說(shuō)，氮、磷、鉀、鎂積累量均隨林分密度增大而升高，鈣積累量則隨林分密度增大先升高后降低。對(duì)根頭來(lái)說(shuō)，鉀、鈣積累量隨林分密度增大而升高，氮、鎂積累量則均隨林分密度增大先降低后升高，磷積累量隨林分密度增大而降低。3 000株·hm-2細(xì)根、小根、大根各養(yǎng)分積累量顯著高于1 800株·hm-2。

3.4 林分密度與杉木人工林各徑級(jí)根系養(yǎng)分積累量的相關(guān)性

由表4可以看出，中根、粗根養(yǎng)分積累量與林分密度呈極顯著正相關(guān)，細(xì)根養(yǎng)分積累量與林分密度呈顯著正相關(guān)，其余徑級(jí)根系養(yǎng)分積累量與林分密度沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系。

表4 林分密度與杉木人工林各徑級(jí)根系養(yǎng)分積累量相關(guān)性分析1)Table 4 Correlation between stand density and nutrient accumulation of C.lanceolata plantations with different root diameter classes

4 討論與結(jié)論

4.1 不同林分密度杉木人工林根系生物量

林木根系能夠支撐和固定地上部分，且對(duì)森林固碳具有重要作用。林木根系生物量在林分總生物量中的占比較大[16]。本研究表明，隨林分密度增大，杉木人工林各徑級(jí)根系生物量均呈上升趨勢(shì)。根頭生物量在各徑級(jí)根系中占比最大，小根和細(xì)根生物量占比最小。雖然細(xì)根生物量在根系生物量中占比最小，但其能夠吸收水分和養(yǎng)分，有較快的周轉(zhuǎn)率。4 500株·hm-2林分中根生物量提升最大，可能是由于隨著林分密度增大，林分地上部分生物量和具有吸收養(yǎng)分作用的細(xì)根、小根生物量升高，需要更多粗根來(lái)支撐地上部分和連接細(xì)根、小根。

4.2 不同林分密度杉木人工林根系養(yǎng)分含量與養(yǎng)分積累量

林木根系是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要組成部分，也是地上部分與土壤養(yǎng)分流動(dòng)的樞紐，影響林木對(duì)養(yǎng)分的吸收與利用[17-18]。研究不同徑級(jí)根系中養(yǎng)分元素的動(dòng)態(tài)，有利于更加全面地理解林分地下物質(zhì)循環(huán)過(guò)程[19-21]。本研究表明，同一林分密度下，杉木人工林各徑級(jí)根系養(yǎng)分含量表現(xiàn)為：氮、鉀>鈣>鎂>磷，說(shuō)明杉木對(duì)氮、鉀需求量大，這與陳日升等[22]的研究結(jié)果相似。隨著杉木根系徑級(jí)的增大，氮、磷、鉀、鎂含量逐漸降低，這與不同徑級(jí)根系的生理功能不同有關(guān)[23]。細(xì)根氮、磷、鉀、鎂含量高于其他徑級(jí)根系，這是由于細(xì)根是從土壤中吸收礦質(zhì)養(yǎng)分的主要器官，是林木生長(zhǎng)最活躍的器官，生理活動(dòng)旺盛[24-25]。

林分密度是影響林木根系養(yǎng)分積累量的因素之一。相同林分密度下，大根養(yǎng)分積累量高于小根、細(xì)根，這是由于大根生物量高。隨著林分密度增大，氮積累量在根系中的占比大于鉀積累量。杉木林根系養(yǎng)分積累量隨著林分密度的增大而升高，3 000、4 500株·hm-2林分根系養(yǎng)分積累量較1 800株·hm-2分別提高68.53%、69.18%；3 000、4 500株·hm-2林分養(yǎng)分積累量顯著高于1 800株·hm-2；4 500株·hm-2林分的小根和大根養(yǎng)分積累量低于3 000株·hm-2，其余徑級(jí)根系積累量均高于3 000株·hm-2。細(xì)根養(yǎng)分積累量與林分密度呈顯著正相關(guān)，中根、粗根養(yǎng)分積累量與林分密度呈極顯著正相關(guān)。

綜上所述，4 500株·hm-2杉木人工林根系生長(zhǎng)量、養(yǎng)分積累量最高，有助于喬木層的生長(zhǎng)。但隨著根系養(yǎng)分積累量的升高，對(duì)土壤養(yǎng)分消耗也越大，不利于土壤地力的維持。由于本文主要研究了不同林分密度杉木人工林各徑級(jí)根系生物量和養(yǎng)分積累，未對(duì)根系形態(tài)特征、根際土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化等養(yǎng)分利用重要因子進(jìn)行研究，因此林分密度對(duì)杉木根系養(yǎng)分利用與分配尚有待于進(jìn)一步研究。