桂西北杉木人工林養(yǎng)分積累及年凈積累量變化

楊正文, 莫少壯, 柳國海, 黃光友, 何 斌

(1.廣西南丹縣山口林場,廣西 南丹 547200；2.廣西大學(xué)林學(xué)院,廣西 南寧 530004)

養(yǎng)分元素的吸收與積累過程是維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和生產(chǎn)力的功能過程之一，直接影響森林生產(chǎn)力的高低和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與持續(xù)[1-2]。N、P、K、Ca和Mg是林木生長所必需的大量養(yǎng)分元素，研究森林尤其是人工林形成和生長過程中養(yǎng)分積累、分布及其變化規(guī)律，對于進(jìn)一步研究其生物循環(huán)特征，探討其與林木生長的相互關(guān)系，指導(dǎo)林業(yè)生產(chǎn)和促進(jìn)森林生產(chǎn)力的提高都具有重要的指導(dǎo)意義[3]。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對多種森林生態(tài)系統(tǒng)N、P、K、Ca和Mg的積累和分布開展了大量研究。其中，代林利等[4]研究了福建省三明市不同林分密度12年生杉木人工林(Cunninghamialanceolata)養(yǎng)分積累與空間分配的差異；韋明寶等[5]對廣西西北部26年生馬尾松(Pinusmassoniana)人工林的養(yǎng)分積累與分配進(jìn)行了研究；Laclau et al[6]、朱宇林等[7]和Santos et al[8]分析了不同樹齡或不同品種桉樹(Eucalyptusrobusta)人工林養(yǎng)分積累及其分布格局；此外，有關(guān)西南樺(Betulaalnoides)[9]、華北落葉松(Larixpricipis-rupprechtii)[10]、云南松(P.yunnanensis)[11]等人工林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分積累方面的研究也有較多的報道。這些研究為相關(guān)森林類型林地養(yǎng)分管理提供了科學(xué)依據(jù)。

杉木是我國南方重要的商品用材林樹種之一，具有適應(yīng)性強、生長迅速、木材單產(chǎn)高和材質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點[12]。目前，有關(guān)不同林齡杉木人工林養(yǎng)分積累方面的研究已有較多報道[13]，但多數(shù)研究中不同林分的林齡間隔時間較長且不一致，其研究結(jié)果在準(zhǔn)確反映林木養(yǎng)分積累變化尤其是年凈積累量變化和林地養(yǎng)分精準(zhǔn)管理方面存在一定缺陷。桂西北是我國杉木人工林的重要產(chǎn)區(qū)，有關(guān)該區(qū)域杉木人工林的相關(guān)研究已有較多報道[14-18]，但涉及到養(yǎng)分積累方面的研究很少。為此，本研究以地處桂西北的廣西南丹縣杉木人工林為研究對象，對不同林齡(5、10、15和20年生)杉木人工林的養(yǎng)分含量、積累量和年凈積累量及其分配特征進(jìn)行研究，探索當(dāng)?shù)厣寄救斯ち纸?jīng)營過程中養(yǎng)分積累量和年凈積累量的分布特征及其變化規(guī)律，以期為該區(qū)域杉木人工林的經(jīng)營管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于廣西西北部的南丹縣山口林場(107°31′E，24°59″N)，屬中亞熱帶山地氣候類型。試驗地海拔750～850 m，土壤類型為砂頁巖發(fā)育形成的山地黃紅壤，平均厚度在70 cm以上。試驗地其他概況見文獻(xiàn)[18]。研究林分包括5、10、15、20年生杉木人工林，造林密度均為2 500株·hm-2，株行距為2 m×2 m。各林齡杉木人工林林分經(jīng)營管理措施見文獻(xiàn)[18]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與林分生物量的測定 于2019年5月在地理位置毗鄰、立地條件相似的5、10、15、20年生杉木人工林林分中各設(shè)置3塊600 m2(20 m×30 m)標(biāo)準(zhǔn)樣地。調(diào)查樣地內(nèi)林木的胸徑、樹高、冠幅和枝下高，根據(jù)調(diào)查結(jié)果計算林分平均胸徑和平均樹高。分別在每個林齡樣地內(nèi)選擇3株平均木并伐倒，采用“Monsic分層切割法”和“全根挖掘法”分別測定地上部分(樹葉、樹枝、干皮和干材)和地下部分(樹根)鮮質(zhì)量。采用樣方收獲法測定各樣地內(nèi)按對角線設(shè)置的3個4 m2(2 m×2 m)小樣方內(nèi)灌草層(灌木和草本)和凋落物層鮮質(zhì)量。采集上述各組分樣品約500 g，按文獻(xiàn)[18]測定其干質(zhì)量并計算其生物量。不同林齡杉木人工林樣地概況及土壤理化性質(zhì)分別見表1和表2。

表1 不同林齡杉木人工林樣地概況Table 1 Site condition of C.lanceolata plantation at different stand ages

表2 不同林齡杉木人工林土壤理化性質(zhì)(0～40 cm)Table 2 Soil physio-chemical properties of C.lanceolata plantation at different stand ages (0-40 cm)

1.2.2 樣品采集和養(yǎng)分元素含量的測定 選取經(jīng)過測定生物量后的喬木層各器官、灌草層和凋落物層樣品，放入烘箱中于80 ℃烘干，經(jīng)粉碎過0.25 mm篩后裝入自封袋內(nèi)。同時按“S”型在每塊樣地內(nèi)設(shè)置5個采樣點,采集0～40 cm深度土壤樣品。先將相同樣地同一土層樣品混合后，再按照四分法取混合樣品裝入自封袋帶回實驗室，并把相同標(biāo)準(zhǔn)地同一層次土壤按重量比例混合[19]，同時用環(huán)刀采集原狀土。

植物樣品用H2SO4—HClO4消煮后,分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法、火焰光度計法測定N、P、K含量；植物樣品用HClO4—HNO3消煮后，采用原子吸收光譜法測定Ca和Mg含量[20]。土壤容重采用環(huán)刀法測定，土壤pH值采用電位法測定，土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定，土壤水解氮、速效磷、速效鉀分別采用堿解擴(kuò)散法、雙酸浸提—鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提火焰光度計法測定[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2013和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。各林齡杉木人工林養(yǎng)分含量等數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用單因素方差分析(ANOVA)，同時進(jìn)行Duncan多重比較。

杉木人工林養(yǎng)分積累量/(kg·hm-2)=喬木層養(yǎng)分積累量+灌草層養(yǎng)分積累量+凋落物層養(yǎng)分積累量；杉木人工林養(yǎng)分年凈積累量/(kg·hm-2·a-1)=喬木層養(yǎng)分積累量÷林齡。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡杉木人工林養(yǎng)分元素含量分析

從表3可見，杉木不同器官的養(yǎng)分元素含量相差較大，并且在不同林齡間也存在差異。不同林齡各器官養(yǎng)分元素含量均表現(xiàn)為樹葉最高、干材最低，且相互間的差異多數(shù)達(dá)到顯著水平(P<0.05)。不同養(yǎng)分元素在林木各器官變化范圍分別為N：1.15～11.20 g·kg-1，P：0.07～1.50 g·kg-1，K：0.30～6.78 g·kg-1，Ca：0.24～4.92 g·kg-1，Mg：0.08～1.48 g·kg-1；在同一器官中，不同養(yǎng)分元素含量大致表現(xiàn)為：N>Ca>K>Mg>P，且相互間的差異多數(shù)達(dá)到顯著水平(P<0.05)。林木各器官養(yǎng)分元素含量均隨林齡的變化而變化，其中樹葉N含量呈現(xiàn)緩慢的先下降(5～15年生)后升高(15～20年生)的變化趨勢，P含量呈現(xiàn)反復(fù)的下降變化趨勢，K含量呈現(xiàn)先下降(5～10年生)后逐漸升高(10～20年生)的變化趨勢，Ca含量呈現(xiàn)先升高(5～10年生)后逐漸下降(10～20年生)的變化趨勢。

表3 不同林齡杉木人工林各組分的養(yǎng)分元素含量比較1)Table 3 Comparison of nutrients content in different components of C.lanceolata plantation at different stand ages

杉木人工林灌草和凋落物的養(yǎng)分元素含量均豐富，同時也因林齡的不同而存在差異。與杉木各器官相比，灌草中各養(yǎng)分元素含量多數(shù)高于除樹葉外的其他器官；凋落物各養(yǎng)分元素含量變化與灌草相似，除K含量由于雨水淋溶作用導(dǎo)致較低外，其他養(yǎng)分元素含量多數(shù)也高于杉木中除樹葉外的其他器官。

2.2 不同林齡杉木人工林養(yǎng)分積累量及其分布

從表4可以看出，5、10、15、20年生杉木人工林養(yǎng)分積累量分別為275.33、469.12、654.64、782.56 kg·hm-2，其中喬木層分別為210.19、409.27、588.75、687.11 kg·hm-2，呈現(xiàn)隨林齡增長而顯著增加的變化趨勢(P<0.05)，分別占林分養(yǎng)分積累量的76.34%、87.24%、89.93%、87.80%；林下植被(灌草層)養(yǎng)分積累量分別為42.51、29.03、18.81和32.38 kg·hm-2，分別占林分養(yǎng)分積累量的15.44%、6.19%、2.87%、4.14%；凋落物層養(yǎng)分積累量分別為22.63、30.82、47.07和63.07 kg·hm-2，分別占林分養(yǎng)分積累量的8.22%、6.57%、7.20%、8.06%。在喬木層不同林齡間養(yǎng)分積累量的增長量中，以5～10年生(199.08 kg·hm-2)最大，其次是10～15年生增長量(179.48 kg·hm-2)，15～20年生增長量(98.36 kg·hm-2)最小。喬木層不同器官養(yǎng)分積累量的分配比例因林齡不同而存在差異，5年生林分為：樹葉>樹枝>干材>樹根>干皮；10年生林分為：樹葉>樹枝>干材>干皮>樹根；15年生林分為：樹葉>干材>樹枝>樹根>干皮；20年生林分為：干材>樹葉>樹根>干皮>樹枝。各林齡喬木層不同養(yǎng)分積累量中，以N積累量最大，占比為38.00%～44.92%；其次為K或Ca，占比分別為23.50%～29.35%、18.18%～27.87%；最小為Mg或 P，占比分別為3.75%～6.01%、4.72%～5.43%。

表4 不同林齡杉木人工林的養(yǎng)分積累量與分配 Table 4 Nutrient accumulation and distribution of C.lanceolata plantation at different stand ages

2.3 不同林齡杉木人工林養(yǎng)分年凈積累量分析

5、10、15、20年生杉木人工林養(yǎng)分年凈積累量分別為42.03、40.93、39.65、34.35 kg·hm-2·a-1(表5)，呈現(xiàn)隨林齡增加而逐漸下降的變化趨勢。從表5還可見，林木中不同器官養(yǎng)分年凈積累量因林齡不同而存在差異。隨林齡的增加，樹葉養(yǎng)分年凈積累量逐漸減少，干皮和樹根養(yǎng)分年凈積累量表現(xiàn)為先增加(5～15年生)后下降(15～20年生)，樹枝養(yǎng)分年凈積累量為先增加(5～10年生)后下降(10～20年生)，干材養(yǎng)分年凈積累量呈現(xiàn)先顯著增加(5～15年生)后基本穩(wěn)定(15～20年生)的變化規(guī)律。各林齡養(yǎng)分年凈積累量與喬木層養(yǎng)分積累量的排列次序相一致，均以N最大，其次是Ca或K，Mg和P最少。

表5 不同林齡杉木人工林的養(yǎng)分年凈積累量比較Table 5 Comparison of annual net nutrient accumulation of C.lanceolata plantation at different stand ages

2.4 不同林齡杉木人工林的養(yǎng)分元素利用效率比較

養(yǎng)分利用效率反映了林木對養(yǎng)分環(huán)境的適應(yīng)和利用狀況。目前多數(shù)以林木養(yǎng)分元素積累量與林木生物量之比即Chapin指數(shù)，作為衡量其養(yǎng)分利用效率的指標(biāo)[14]。從表6可見，5、10、15、20年生杉木人工林每積累1 t干物質(zhì)所需5種養(yǎng)分總量依次為10.99、6.64、5.19和4.51 kg，表現(xiàn)出隨林齡增加而下降的趨勢，且下降幅度也隨林齡增加而降低，分別下降了39.58%、21.84%、13.10%，表明杉木人工林的養(yǎng)分利用效率隨著林齡增加而提高。各養(yǎng)分元素利用效率以Mg或P最高，K或Ca其次，N最低。

表6 不同林齡杉木人工林養(yǎng)分元素利用效率Table 6 Nutrient utilization efficiency of C.lanceolata plantation at different stand ages

3 討論與結(jié)論

桂西北杉木人工林養(yǎng)分含量因林齡不同和器官不同而存在一定差異，大致以N最高、P或Mg最低，與相同區(qū)域的馬尾松[5]、西南樺[9]和禿杉[14]以及其他區(qū)域杉木人工林[4,19]基本一致。林木中各器官養(yǎng)分含量均以樹葉最高，其次是樹枝、干皮和樹根，干材最低，均表現(xiàn)出與上述樹種基本一致，但各器官中不同養(yǎng)分元素含量多數(shù)低于相同或相近林齡的福建省三明市杉木人工林[4]和湖南省會同縣杉木人工林[13]，表明杉木人工林對養(yǎng)分元素的吸收和積累特性與上述樹種具有相似性，同時也因立地環(huán)境等不同而存在一定的差異。

桂西北不同林齡杉木人工林養(yǎng)分積累量依次為275.33、469.12、654.74和782.56 kg·hm-2，其中喬木層養(yǎng)分積累量分別占76.34%、87.24%、89.93%和87.80%，不同林齡間養(yǎng)分積累增長量以5～10年生(199.08 kg·hm-2)最大，15～20年生(98.36 kg·hm-2)最小，與其生物量的增長量排列次序(10～15年生>5～10年生>15～20年生)[17]存在差異，表明5～10年生雖然不是生物量增長速率最快階段，卻是養(yǎng)分積累速率增長最快階段。林下植物(灌草層)和凋落物層都是杉木林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在促進(jìn)其養(yǎng)分生物循環(huán)、恢復(fù)和維持林地地力中起著重要作用[17]。不同林齡杉木人工林林下植物和凋落物層養(yǎng)分積累量分別為18.81～42.51 kg·hm-2和22.63～63.07 kg·hm-2，分別占林分養(yǎng)分積累量的2.87%～15.44%和6.57%～8.22%，表明不同林齡杉木人工林生長過程中歸還土壤的養(yǎng)分總體上不高，不利于其生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分元素的生物循環(huán)與恢復(fù)和維持林地地力。

5、10、15和20年生杉木人工林喬木層養(yǎng)分年凈積累量隨林齡增加呈現(xiàn)緩慢下降的變化趨勢，依次為42.03、40.93、39.65和34.35 kg·hm-2·a-1,表明其不同林齡間養(yǎng)分積累速率以5～10年生最高，其原因主要是杉木林生長早期(5～10年生)，林木中對養(yǎng)分富集能力較強的樹葉和樹枝生物量積累速率較快[18]，其在林木各器官生物量中占比較高，使其養(yǎng)分積累速率也較高；隨著林齡的增加，林木逐漸趨向成熟，林木中對養(yǎng)分富集能力較弱的干材和樹根生物量積累速率逐漸提高，對養(yǎng)分富集能力較強的樹葉和樹枝生物量積累速率則逐漸下降，從而造成林木養(yǎng)分積累速率也隨之逐漸下降。不同林齡杉木人工林每積累1 t干物質(zhì)需N、P、K、Ca和Mg等5種養(yǎng)分依次為10.99、6.64、5.20和4.51 kg，均明顯少于栽植代數(shù)相同或相近林齡的福建省尤溪縣[21]和湖南省會同縣杉木人工林[22]，也少于相近區(qū)域相近林齡的廣西武宣縣[23]和柳州市馬尾松人工林[24]，表現(xiàn)出該區(qū)域杉木人工林具有較高的養(yǎng)分利用效率, 其采伐時單位干物質(zhì)所帶走的養(yǎng)分較少, 從而減少對林地養(yǎng)分的消耗，因而在一定程度上有利于林地生產(chǎn)力恢復(fù)?？偟膩砜?，在杉木人工林生長過程尤其是造林后至15年生期間，隨著林木生長速度和生物量積累速度逐漸加快[18]，林木積累的養(yǎng)分快速增加；但由于杉木林凋落物發(fā)生較晚，又存在凋落物縮存現(xiàn)象，林地凋落物養(yǎng)分積累量較少，養(yǎng)分歸還速率緩慢，林木生長過程中會較多地消耗林地土壤養(yǎng)分，而且林地土壤養(yǎng)分尤其是有效磷、鉀養(yǎng)分供應(yīng)水平較低，難以滿足林木生長的需要。因此，在經(jīng)營管理中應(yīng)根據(jù)杉木人工林不同生長階段對各種養(yǎng)分的不同需求，結(jié)合林地土壤養(yǎng)分供給狀況進(jìn)行林地土壤養(yǎng)分管理，通過配方施肥，實現(xiàn)對林木生長過程的精準(zhǔn)施肥管理，以滿足林木不同生長階段對各種養(yǎng)分的需求，促進(jìn)林木生長發(fā)育，進(jìn)一步提高木材產(chǎn)量和經(jīng)營效益。而在20年生后應(yīng)根據(jù)林地的立地狀況合理進(jìn)行大徑級用材林培育，可以充分發(fā)揮杉木干材生長階段的速生特性，提高木材產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，同時也有利于促進(jìn)林木養(yǎng)分生物循環(huán)，恢復(fù)、維持和提高林地土壤肥力。