桂西南馬尾松人工林微量元素積累及其分布特征

李春寧, 張 智, 陳振華, 何 斌, 滿德強, 王 聰

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西國有派陽山林場，廣西 寧明 532500)

林木生長中的養(yǎng)分吸收與積累過程是森林生態(tài)系統(tǒng)地球生物循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，直接影響著森林生產(chǎn)力的高低和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與持續(xù)[1-2]。與大量元素一樣，微量元素對林木生物生產(chǎn)力的形成和提高同樣起著不可或缺的作用[3]。開展森林微量元素的積累與分配格局研究，不僅可以揭示其對微量元素的吸收和累積特點，而且對指導(dǎo)經(jīng)營管理尤其是林地養(yǎng)分管理，提高林地生產(chǎn)力都具有重要意義[3]。由于林木中的微量元素含量較低，并受到實驗條件的限制，國內(nèi)外有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)元素積累與分布特征的研究主要集中在大量元素[4-8]，涉及微量元素的研究很少。近年來，有關(guān)森林尤其是人工林微量元素積累及其分布研究報道逐漸增多，主要包括馬尾松(Pinusmassoniana)[4]、杉木(Cunninghamialanceolata)[5]、楊樹(Populus)[6]、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)[7]、尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)[8]和閩楠(Phoebebournei)[9]等主要人工林。

馬尾松具有適應(yīng)性強、速生豐產(chǎn)、干形通直圓滿和材質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點，是我國重要的速生用材造林樹種，主要分布于我國南方各省區(qū)。桂西南是馬尾松的重要栽培區(qū)之一，桐棉松是生長在廣西寧明縣桐棉鎮(zhèn)的馬尾松優(yōu)良地理種源[10]。目前，有關(guān)馬尾松(桐棉松)人工林的相關(guān)研究已有較多報道[10-13]，但主要集中在引種造林、組培快繁、間伐強度和生物生產(chǎn)力方面，關(guān)于其林木營養(yǎng)特征尤其是微量元素特征方面的研究尚未見報道。為此，本研究通過對5、10和15 年生馬尾松人工林5種微量元素(Fe、Mn、Cu、Zn和B)含量、積累量和年凈積累量及其分布特征的研究，揭示其生長過程對微量元素吸收與積累及其變化規(guī)律，以期為合理制定馬尾松人工林的林地土壤管理措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于廣西國有派陽山林場鴻鴣分場，地處廣西寧明縣(106°38′～107°36′E，21°51′～22°58′N)，屬南亞熱帶半濕潤—濕潤氣候區(qū)，年均氣溫21.9 ℃，年均降水量1 500 mm[14]。研究林分包括5、10和15年生馬尾松人工林，其種源來源于廣西寧明縣桐棉鎮(zhèn)的桐棉種源(桐棉松)，各林分立地條件和主要經(jīng)營管理措施見文獻[10]。2020年5月調(diào)查時，試驗地土壤(0～40 cm)有效Fe、有效Mn、有效Zn、有效B和有效Cu含量分別為33.60～42.74、18.50～21.06、0.52～0.73、0.30～0.45和0.65～1.25 mg·kg-1，其他主要養(yǎng)分含量見文獻[10]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與林分生物量的測定 根據(jù)廣西國有派陽山林場不同林齡馬尾松人工林林分分布狀況，于2020年5月在5、10和15年生馬尾松人工林中選擇生長良好的地塊，各設(shè)置3塊20 m×20 m(400 m2)標(biāo)準(zhǔn)樣地。調(diào)查測定樣地內(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[3]。不同林齡馬尾松人工林林分生長狀況見表1[10]。

表1 不同林齡馬尾松人工林林分生長狀況

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”測定樹葉、樹枝、干皮、干材即地上部分鮮質(zhì)量，采用“全根挖掘法”測定根系即地下部分鮮質(zhì)量[15]。同時在各樣地內(nèi)按對角線分別設(shè)置3個2 m×2 m小樣方，對樣方內(nèi)灌木與草本的種類、個體數(shù)、高度和覆蓋度等進行調(diào)查，然后采用“樣方收獲法”測定灌木層、草本層和凋落物層鮮質(zhì)量[15]。分別將約500 g喬木層各器官、灌草層(灌木層—草本層)和凋落物層樣品,帶回實驗室后放入烘箱內(nèi)，于80 ℃烘至恒質(zhì)量，測定各樣品的含水率和干質(zhì)量，計算各組分生物量。

1.2.2 樣品采集和養(yǎng)分元素含量的測定 選取各組分植物樣品，在85 ℃下烘干并粉碎過0.25 mm尼龍篩后裝入自封袋內(nèi)。同時在每塊樣地內(nèi)按“S”型設(shè)置5個采樣點，采集0～40 cm土層土壤樣品約1 kg。相同樣地土壤樣品先混合均勻，再采用四分法取1 kg混合樣品裝入自封袋[16]，同時用環(huán)刀采集原狀土。

植物樣品中微量元素Fe、Mn、Cu和Zn含量采用HClO4—HNO3消化法消煮后，用原子吸收分光光度法[17]測定；B含量用干灰—姜黃素法[17]測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

利用Excel 2013處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析對不同林齡馬尾松人工林微量元素數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡馬尾松人工林微量元素含量比較

從表2可見，馬尾松微量元素含量因器官不同而存在差異，除Fe元素外，各器官微量元素含量均以樹葉最高、干材最低；同一器官不同微量元素含量以Mn或Fe最高、Cu最低。隨林齡增加，不同器官同一元素含量也隨之發(fā)生變化。樹葉Mn和Cu含量隨林齡增加均逐漸升高，其中15年生與5年生間的差異均達顯著水平(P<0.05)；Fe和Zn含量為先下降(5～10年生)后升高(10～15年生)，其中15年生與10年生Fe含量間以及10年生與5年生Zn含量間的差異也均達顯著水平；B含量則逐漸下降，且不同林齡間的差異均顯著。除樹葉外，其他器官中各微量元素含量也因林齡不同而存在不同程度的差異。

表2 不同林齡馬尾松不同器官的微量元素含量比較1)

2.2 不同林齡馬尾松人工林微量元素積累量及其分布

從表3可見，5、10和15年生馬尾松人工林5種微量元素積累量分別為10.165、25.343和41.128 kg·hm-2，其中喬木層積累量分別為8.023、21.669和36.561 kg·hm-2，均隨林齡增加而顯著增大(P<0.05)。5、10和15年生林分不同結(jié)構(gòu)層次微量元素積累量在整個林分微量元素總積累量的占比中，喬木層占比分別為78.93%、85.50%和88.90%，灌草層占比分別為10.85%、5.72%和3.43%，凋落物層占比分別為10.24%、8.78%和7.67%。在喬木層不同結(jié)構(gòu)層次養(yǎng)分積累量的變化趨勢中，樹冠(樹葉+樹枝)微量元素積累量分別占喬木層積累量的52.39%、37.15%和29.93%，樹干(干材+干皮)分別占21.02%、30.13%和40.17 %，樹根分別占25.02 %、32.72%和27.91%?？梢?，樹干微量元素積累量占比隨林齡增加而明顯增大，樹冠占比則呈現(xiàn)相反的變化趨勢。各林齡林分不同微量元素積累量以Fe最大，占林分微量元素積累量的45.04%～47.81%， Cu最少，僅占1.55%～1.87%。

表3 不同林齡馬尾松人工林微量元素的積累量與分配1)

2.3 不同林齡馬尾松人工林微量元素年凈積累量比較

從表4可見，5、10和15年生馬尾松人工林Fe、Mn、Cu、Zn和B微量元素年凈積累量分別為1.605、2.167和2.397 kg·hm-2·a-1，呈現(xiàn)隨林齡增大而增加的變化趨勢，其中10和15年生微量元素年凈積累量均顯著高于5年生(P<0.05)。隨林齡增加，不同器官微量元素年凈積累量的變化過程不盡相同，樹葉微量元素年凈積累量逐漸下降，干皮和干材逐漸升高，樹枝和樹根則先升高后緩慢下降。在同一器官中，除B外，其他4種微量元素年凈積累量均呈現(xiàn)隨林齡增加而增大的變化趨勢。各林齡不同微量元素年凈積累量排序與其積累量相一致，表現(xiàn)為：Fe>Mn>Zn>B>Cu。

表4 不同林齡馬尾松人工林微量元素的年凈積累量1)

3 討論與結(jié)論

樹木的營養(yǎng)元素含量與分布特征主要取決于其生物學(xué)特性，同時也受到其生境條件的影響[8]。由于不同器官的結(jié)構(gòu)和生理機能不同，不同微量元素在林木生長過程中的作用也不同，因此樹木中各器官的微量元素含量因元素不同、器官不同而存在差異[18]。本研究中，不同林齡馬尾松各器官5種微量元素除Fe元素外，其他微量元素含量均以新陳代謝活躍、生理活動最強的樹葉為最高，其次是干皮、樹枝和樹根，主要起到運輸水分和無機鹽的作用，生理活動較弱的干材最低。在同一器官中不同微量元素含量均以Mn或Fe最高、Cu最低，與尾巨桉[8]、馬占相思[18]和灰木蓮[19]基本一致，但其中的Mn、Fe、Zn和Cu含量由大到小的排列次序與杉木[5]、楊樹[6]、華北落葉松[7]、閩楠[9]等樹種(Fe>Mn>Zn>Cu)存在一定差異，這既反映了馬尾松人工林對微量元素的吸收和積累特性，同時也與本研究區(qū)域的亞熱帶紅壤地區(qū)土壤中Fe和Mn的高含量和高活性，以及Zn、B和Cu的低含量和低有效性有著密切的關(guān)系[18]。隨著林齡增加, 馬尾松不同器官各微量元素含量均發(fā)生不同程度的變化，且其變化過程也因為元素不同或器官不同而存在差異，其中樹葉B含量呈現(xiàn)下降的趨勢，10年生和15年生Zn含量均低于5年生，表現(xiàn)出與廣西中部馬尾松人工林相反的變化趨勢[4]，其原因可能是因為隨著馬尾松人工林的生長，林木中Zn、B快速積累，但從土壤中吸收的Zn、B含量較低，供應(yīng)不足，從而導(dǎo)致樹葉中Zn、B含量降低而出現(xiàn)的“養(yǎng)分稀釋效應(yīng)”現(xiàn)象。

桂西南5、10和15年生馬尾松人工林微量元素總積累量分別為10.165、25.343和40.453 kg·hm-2，其中喬木層積累量分別為8.023、21.69和36.561 kg·hm-2，均隨林齡增加而顯著增大。據(jù)報道，4、7和11年生馬占相思人工林喬木層微量元素積累量分別為6.609、12.248和16.899 kg·hm-2[18]，5年生尾巨桉人工林[8]和10年生灰木蓮人工林[19]喬木層微量元素積累量分別為20.516和12.380 kg·hm-2?？梢?，本研究區(qū)馬尾松人工林對微量元素具有較強的吸收和積累能力。喬木層不同林齡間微量元素積累增長量為5～10年生(15.178 kg·hm-2)略高于10～15年生(14.890 kg·hm-2)，與其生物量增長量的排列次序即10～15年生(68.62 t·hm-2)>5～10年生(59.37 t·hm-2)恰好相反，說明喬木層中微量元素積累與其生物量積累并不同步，其原因是5～10年生間喬木層生物量的增長主要為微量元素含量較高的樹枝和樹葉生物量的增長，而10～15年生喬木層生物量增長則主要為微量元素含量較低的干材生物量的增長[10]。林下植被和凋落物層均是林木微量元素歸還的重要途徑。不同林齡馬尾松人工林林下植被層和凋落物層微量元素積累量分別在1.103～2.449和1.041～3.155 kg·hm-2之間，占林分微量元素積累量的3.49%～10.85%和7.80%～10.24%，其中微量元素積累量隨林齡的增加而增大，表明馬尾松人工林生長過程有利于促進生態(tài)系統(tǒng)的微量元素生物循環(huán)。

5、10和15年生馬尾松人工林5種微量元素年凈積累量分別為1.605、2.167和2.392 kg·hm-2·a-1，隨林齡增加而增大，且均明顯高于相似林齡的馬占相思人工林[18]和禿杉人工林[15]，說明該林分對微量元素的積累速率較高[19]。由于不同林齡馬尾松人工林林下植被和凋落物層微量元素積累量均不高，且其凋落物的主要成分針葉多為厚革質(zhì)，含有較多的木質(zhì)素、纖維素、單寧等物質(zhì)，分解緩慢[20]，不利于其生態(tài)系統(tǒng)微量元素地球生物循環(huán)。因此，在馬尾松人工林經(jīng)營管理中，如果能夠根據(jù)不同生長階段林木微量元素的豐缺狀況，結(jié)合林地土壤養(yǎng)分供給狀況，確定施加微量元素肥料的種類及其用量，進行林地土壤精準(zhǔn)施肥管理，合理補充馬尾松人工林生長需要而林地土壤較缺乏的微量元素肥料，可能對加快微量元素的生物循環(huán)與促進林木生長發(fā)育，進一步提高林分生產(chǎn)力具有重要的促進作用。