大葉櫟人工林速生階段的營養(yǎng)元素積累與分配

付 軍, 李學團, 項栽芳, 葉家義, 何 斌

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

林木營養(yǎng)元素積累和分配規(guī)律是森林生態(tài)系統(tǒng)的基本特征[1]。N、P、K、Ca和Mg是林木生長所必需的大量礦質元素,研究其積累規(guī)律及分配特征對進一步揭示其生物循環(huán)特點,指導林業(yè)生產(chǎn)與管理、提高林木營養(yǎng)元素利用效率和森林生產(chǎn)力都具有重要意義[1],已成為國內外生態(tài)學家、土壤學家和林學家關注的研究熱點[2]。近些年來,對杉木(Cunninghamialanceolata)[3]、馬尾松(Pinusmassoniana)[4]、華北落葉松(Larixpricipis-rupprechtii)[5]、桉樹(Eucalyptussp.)[6]和楊樹(PopulusL.)[7]等主要用材林樹種生態(tài)系統(tǒng)的N、P、K、Ca和Mg積累規(guī)律及其分配格局的研究表明,由于受樹種組成和環(huán)境條件的共同影響,不同類型森林的營養(yǎng)元素特征存在差異,為進一步研究森林生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素地球生物循環(huán)特征和林木培育過程中的施肥和土壤改良奠定了基礎。

大葉櫟(Quercusgriffithii)是殼斗科櫟屬落葉喬木,主要分布于我國西南地區(qū)以及緬甸、印度和斯里蘭卡等地,具有適應性較強、生長速度快、用途較廣和培肥土壤等優(yōu)點,生態(tài)效益和經(jīng)濟效益均較顯著,發(fā)展?jié)摿V闊[8]。我國有關大葉櫟的研究開展較晚,多數(shù)研究工作集中在2000年以后,研究內容涉及優(yōu)樹和家系選擇、苗木培育、遺傳改良、生長特性、木材材性、土壤肥力和經(jīng)濟效益評價等方面[8-12],有關林木營養(yǎng)元素特征方面的研究少見報道。蒙奕奕等[13]研究表明,造林之后的前6年大葉櫟人工林生長緩慢,6年生后材積生長進入速生期,此后一直維持到23年生。為此,本文研究了廣西寧明縣速生階段(13年生)大葉櫟人工林的營養(yǎng)元素含量、積累量及其分布格局,以揭示其對營養(yǎng)元素的吸收和積累能力,以期為大葉櫟人工林的經(jīng)營管理尤其是林地養(yǎng)分管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)寧明縣的廣西國有派陽山林場(106°30′～107°15′E,21°15′～22°30′N)。寧明縣處于北回歸線以南,屬南亞熱帶季風氣候區(qū),年均氣溫22.1 ℃,年均降雨量1 200 mm[14]。試驗地設置在公武分場,屬丘陵地貌,海拔320～350 m,坡度20°～25°,坡向西南,土壤為砂頁巖發(fā)育而成的山地紅壤,土層平均深度約100 cm。0～40 cm土層土壤有機質、全氮和全鉀平均含量分別為12.08、0.820和2.37 g·kg-1,土壤水解氮、速效磷和速效鉀平均含量分別為81.2、1.13和35.8 mg·kg-1。

試驗林前茬為馬尾松純林,2005年底采伐后進行煉山和挖穴整地。2006年5月,用1年生大葉櫟實生容器苗定植,造林密度為1 250株·hm-2(株行距2 m×4 m),定植前每穴施0.50 kg基肥。2006年10月進行鏟草撫育,此后2年的春季和秋季各進行1次鏟草撫育。2019年5月調查時,大葉櫟林分郁閉度為0.85,保留密度1 060株·hm-2,平均樹高14.7 m、平均胸徑15.6 cm。林下植被覆蓋度約25%,其中灌木層主要有杜莖山(Maesajaponica)、毛桐(Mallotusbarbatus)等,草本層主要有竹葉草(Oplismenuscompositus)、地桃花(Urenalobata)等,凋落物層厚度約3.2 cm,以凋落葉為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置和林分生物量的測定 2019年5月分別在大葉櫟人工林上、中、下坡各設置1塊400 m2(20 m×20 m)標準樣地,測定樹高和胸徑,計算林木平均樹高和胸徑。在每塊標準地內選擇1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量,采用“全根挖掘法”測定根系即地下部分鮮質量[15]。同時在各樣地內按對角線分別設置3 個2 m×2 m的小樣方,調查樣方內灌木、草本的種類、個體數(shù)、高度和覆蓋度等,然后采用“樣方收獲法”測定灌木層、草本層和凋落物層鮮質量[15]。分別采集500～1 000 g喬木層各器官、灌木層、草本層和凋落物層樣品,帶回實驗室后放入烘箱內于80 ℃烘至恒質量,測定各樣品的含水率和干質量,估算各組分生物量。

1.2.2 樣品采集和營養(yǎng)元素含量測定 選取部分經(jīng)過烘干測定干質量的植物各組分樣品,粉碎過0.5 mm尼龍篩,裝入自封袋內密封保存。參照文獻[16-17]分別測定N、P、K、Ca和Mg含量。

1.2.3 營養(yǎng)元素積累量和年凈積累量的計算 參照文獻[3]計算大葉櫟人工林營養(yǎng)元素的相關參數(shù)。其中,林分營養(yǎng)元素積累量為各植物層次營養(yǎng)元素積累量之和;喬木層營養(yǎng)元素年凈積累量為各器官年平均營養(yǎng)元素積累量(年凈積累量)之和;營養(yǎng)元素利用效率以喬木層營養(yǎng)元素積累量與其生物量之比即Chapin指數(shù)作為衡量指標。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2013和SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)的處理和分析。

2 結果與分析

2.1 大葉櫟人工林營養(yǎng)元素含量分析

從表1可知,大葉櫟人工林喬木層不同器官的營養(yǎng)元素含量均以樹葉最高,其次是干皮或樹枝、樹根,干材最低。樹葉的營養(yǎng)元素含量依次為:N>K>Ca>Mg>P,樹枝:K>N>Ca>Mg>P,干皮:K>Ca>N>P>Mg,干材:K>N>Ca>P>Mg,樹根:N>K>Ca>P>Mg,總體上以N或K含量最高,分別為1.71～12.28 g·kg-1和2.05～10.90 g·kg-1;其次是Ca,為0.44～7.38 g·kg-1;P或Mg最低,分別為0.33～1.03 g·kg-1和0.29～1.87 g·kg-1。與大葉櫟各器官相比,灌木層、草本層和凋落物層營養(yǎng)元素中N、Ca和Mg含量均較高,均高于大葉櫟中除樹葉和干皮外的其他器官,不同營養(yǎng)元素含量均為:N>Ca或K>Mg>P。

表1 大葉櫟人工林不同器官的營養(yǎng)元素含量Table 1 Nutrient contents in different organs of Q.griffithii plantation g·kg-1

2.2 大葉櫟人工林的營養(yǎng)元素積累量及其分配

從表2可知,13年生大葉櫟人工林營養(yǎng)元素積累量為1 370.80 kg·hm-2。喬木層作為林分營養(yǎng)元素積累量的主體,營養(yǎng)元素積累量(1 205.47 kg·hm-2)占87.94%,灌木層(15.58 kg·hm-2)、草本層(13.62 kg·hm-2)和凋落物層(136.13 kg·hm-2)分別占1.14%、0.99% 和9.93%。喬木層各器官營養(yǎng)元素積累量大小排列為:樹枝(379.91 kg·hm-2)>干材(267.75 kg·hm-2)>樹葉(258.98 kg·hm-2)>干皮(163.14 kg·hm-2)>樹根(135.69 kg·hm-2)。樹冠(樹葉+樹枝)營養(yǎng)元素積累量(638.89 kg·hm-2)占53.00%,樹干(干材+干皮)占35.74%、樹根(135.69 kg·hm-2)占11.26%。在喬木層不同營養(yǎng)元素積累量中,以K積累量最大(510.53 kg·hm-2),占比42.35%;其次是N(378.71 kg·hm-2)、Ca(219.20 kg·hm-2)、P(50.79 kg·hm-2),分別占31.42%、18.18%和4.21%,Mg最小(46.24 kg·hm-2),僅占3.84%。

表2 大葉櫟人工林營養(yǎng)元素的積累量及其分配Table 2 Nutrient accumulation and distribution of Q.griffithii plantation

2.3 大葉櫟人工林喬木層營養(yǎng)元素年凈積累量分析

從表3可見,13年生大葉櫟人工林喬木層營養(yǎng)元素年凈積累量為92.71 kg·hm-2·a-1。不同器官營養(yǎng)元素年凈積累量以樹枝(29.23 kg·hm-2·a-1)最高,占31.53%;之后是干材(20.59 kg·hm-2·a-1)、樹葉(19.91 kg·hm-2·a-1)和干皮(12.55 kg·hm-2·a-1),分別占22.21%、21.47%和13.54%,最小為樹根(10.43 kg·hm-2·a-1),僅占11.25%。不同營養(yǎng)元素在喬木層的年凈積累量以K最大(39.27 kg·hm-2·a-1),占喬木層年凈積累量的42.36%;其次為N(29.12 kg·hm-2·a-1)、Ca(16.86 kg·hm-2·a-1)和P(3.90 kg·hm-2·a-1),依次占喬木層營養(yǎng)元素積累量的31.41%、18.18%和4.21%;Mg最小(3.56 kg·hm-2·a-1),僅占3.84%。

表3 大葉櫟人工林營養(yǎng)元素的年凈積累量Table 3 Annual net accumulation of nutrients of Q.griffithii plantation

2.4 大葉櫟人工林營養(yǎng)元素的利用效率

營養(yǎng)元素利用效率是植物對養(yǎng)分環(huán)境的適應及其利用狀況的反映,可利用Chapin指數(shù)即植物體營養(yǎng)元素平均含量作為衡量指標。從表4可知,13年生大葉櫟人工林每積累1 t干物質需要5種營養(yǎng)元素(N、P、K、Ca和Mg)10.92 kg,遠高于相同氣候帶相近林齡的馬尾松[18]、禿杉(Taiwaniaflousiana)[19]、西南樺(Betulaalnoides)[20]和米老排人工林(Mytilarialaosensis)[21],但低于京北山區(qū)13年生刺槐林[22]。不同營養(yǎng)元素利用效率依次為:Mg>P>Ca>N>K,與上述其他樹種人工林的排列次序存在一定差異。

表4 不同人工林的養(yǎng)分元素利用效率比較Table 4 Comparison of nutrient utilization efficiency among different plantations

3 討論與結論

大葉櫟不同器官營養(yǎng)元素含量存在差異,同時不同營養(yǎng)元素在植物體內的生理機能也有差別[3]。本研究表明,不同營養(yǎng)元素在各器官中的含量均以生理機能最強的同化器官樹葉最高,其次是樹枝或干皮、樹根,以木質為主且生理機能最弱的干材則最低。不同營養(yǎng)元素在各器官中的含量總體表現(xiàn)為N或K最高,其次是Ca,P 或Mg最低。其中,樹枝、干皮和干材中K含量均明顯高于其他營養(yǎng)元素,與相同氣候帶且林齡相近的馬尾松[18]、禿杉[19]、西南樺[20]和米老排[21]等存在差異,表明大葉櫟的K元素營養(yǎng)富集能力較強。

13年生大葉櫟人工林營養(yǎng)元素積累總量為1 370.80 kg·hm-2,其中喬木層營養(yǎng)元素積累量為1 205.71 kg·hm-2,占87.91%,明顯高于相同或相近林齡馬尾松[18]、禿杉[19]、西南樺[20]和米老排[21]等人工林,表明大葉櫟人工林具有較強的營養(yǎng)元素吸收和積累能力;喬木層不同營養(yǎng)元素積累量為:K>N>Ca>P>Mg,與上述4種人工林(N>K或Ca>P>Mg)排列次序不同,表明大葉櫟對K的吸收和積累能力最強。與相近林齡的杉木[15]、馬尾松[18]和禿杉[19]等針葉林相比,由于大葉櫟人工林林分郁閉度較高,林下植被發(fā)育較差,灌草層生物量(1.83 t·hm-2)和營養(yǎng)元素積累量(29.20 kg·hm-2)均較小,僅占林分營養(yǎng)元素積累量的2.13%,不利于生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素生物循環(huán),但其現(xiàn)存凋落物層生物量和營養(yǎng)元素積累量(136.13 kg·hm-2)均較高,且以容易分解的凋落葉為主,因而有利于林地地力的恢復和維持。從林木各器官營養(yǎng)元素積累量在林分和喬木層營養(yǎng)元素貯存量占比看,樹干占比僅分別為31.43%和35.74%,林木其余器官占比分別為68.57%和64.26%。因此,如果該時期采伐大葉櫟人工林僅取走干材,其余器官均作為采伐剩余物留在林地中自行分解,則損失的林木養(yǎng)分較少,將有利于維持林地土壤養(yǎng)分水平和持久生產(chǎn)力。

13年生大葉櫟人工林喬木層營養(yǎng)元素年凈積累量為92.71 kg·hm-2·a-1,不同營養(yǎng)元素年凈積累量以K積累量最大,占42.36%;然后為N、Ca、P,Mg最小,依次占喬木層營養(yǎng)元素年凈積累量的31.41%、18.18%、4.21%和3.84%。每積累1 t干物質需要5種營養(yǎng)元素(N、P、K、Ca和Mg)12.59 kg,明顯高于相同氣候帶相近林齡的馬尾松[18]、禿杉[19]、西南樺[20]和米老排人工林[21],表明大葉櫟人工林的營養(yǎng)元素利用效率總體不高。由于研究區(qū)土壤肥力條件一般,土壤有效磷含量小于臨界值(<3 mg·kg-1),土壤有效鉀也較貧乏,而大葉櫟人工林營養(yǎng)元素利用效率尤其是K營養(yǎng)元素的利用效率不高。因此,在大葉櫟人工林經(jīng)營過程中,應根據(jù)林木生長對營養(yǎng)元素的需求,結合林地土壤養(yǎng)分供應水平,合理施加肥料尤其是磷、鉀肥料,以滿足林木生長發(fā)育需求,加快營養(yǎng)元素生物循環(huán),提高林分生產(chǎn)力和木材產(chǎn)量。