大葉櫟人工林速生階段的營養元素積累與分配

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)

林木營養元素積累和分配規律是森林生態系統的基本特征[1]。N、P、K、Ca和Mg是林木生長所必需的大量礦質元素,研究其積累規律及分配特征對進一步揭示其生物循環特點,指導林業生產與管理、提高林木營養元素利用效率和森林生產力都具有重要意義[1],已成為國內外生態學家、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系統的N、P、K、Ca和Mg積累規律及其分配格局的研究表明,由于受樹種組成和環境條件的共同影響,不同類型森林的營養元素特征存在差異,為進一步研究森林生態系統營養元素地球生物循環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點,生態效益和經濟效益均較顯著,發展潛力廣闊[8]。我國有關大葉櫟的研究開展較晚,多數研究工作集中在2000年以后,研究內容涉及優樹和家系選擇、苗木培育、遺傳改良、生長特性、木材材性、土壤肥力和經濟效益評價等方面[8-12],有關林木營養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元素含量、積累量及其分布格局,以揭示其對營養元素的吸收和積累能力,以期為大葉櫟人工林的經營管理尤其是林地養分管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區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,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、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 樣品采集和營養元素含量測定 選取部分經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元素的相關參數。其中,林分營養元素積累量為各植物層次營養元素積累量之和;喬木層營養元素年凈積累量為各器官年平均營養元素積累量(年凈積累量)之和;營養元素利用效率以喬木層營養元素積累量與其生物量之比即Chapin指數作為衡量指標。

1.3 數據處理

利用Excel 2013和SPSS 22.0軟件進行數據的處理和分析。

2 結果與分析

2.1 大葉櫟人工林營養元素含量分析

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元素積累量為1 370.80 kg·hm-2。喬木層作為林分營養元素積累量的主體,營養元素積累量(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元素年凈積累量為92.71 kg·hm-2·a-1。不同器官營養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 大葉櫟人工林營養元素的利用效率

營養元素利用效率是植物對養分環境的適應及其利用狀況的反映,可利用Chapin指數即植物體營養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13年生刺槐林[22]。不同營養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元素含量存在差異,同時不同營養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。不同營養元素在各器官中的含量總體表現為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元素營養富集能力較強。

13年生大葉櫟人工林營養元素積累總量為1 370.80 kg·hm-2,其中喬木層營養元素積累量為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元素吸收和積累能力;喬木層不同營養元素積累量為: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,林下植被發育較差,灌草層生物量(1.83 t·hm-2)和營養元素積累量(29.20 kg·hm-2)均較小,僅占林分營養元素積累量的2.13%,不利于生態系統營養元素生物循環,但其現存凋落物層生物量和營養元素積累量(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。從林木各器官營養元素積累量在林分和喬木層營養元素貯存量占比看,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,則損失的林木養分較少,將有利于維持林地土壤養分水平和持久生產力。

13年生大葉櫟人工林喬木層營養元素年凈積累量為92.71 kg·hm-2·a-1,不同營養元素年凈積累量以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元素利用效率總體不高。由于研究區土壤肥力條件一般,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元素利用效率尤其是K營養元素的利用效率不高。因此,在大葉櫟人工林經營過程中,應根據林木生長對營養元素的需求,結合林地土壤養分供應水平,合理施加肥料尤其是磷、鉀肥料,以滿足林木生長發育需求,加快營養元素生物循環,提高林分生產力和木材產量。