速生阶段灰木莲人工林营养元素积累及其分配格局1)

2012-06-28韦善华

东北林业大学学报 2012年12期

关键词：木莲营养元素人工林

韦善华

(广西高峰林场，南宁，530001)

何斌

(广西大学)

魏国余

(广西高峰林场)

罗柳娟覃祚玉刘莉刘红英

(广西大学)

林木营养元素的含量、积累与分配特征是森林营养元素生物循环最重要的研究内容之一，对指导林业生产、调节和改善林木生长环境、提高森林的养分利用效率和生产力都有重要的意义［1－2］。灰木莲(Manglietia glauca)属木兰科常绿阔叶树种，原产于越南、印度尼西亚等东南亚国家，适生于南亚热带地区，是国家一级保护、濒危植物。具有适应性较强，生长快，干形通直等特点，木材可作纤维纸浆、建筑装饰和家具制作用材等，而且灰木莲树形优美花大而芳香花期长，对大气污染有较强的抗性和滞尘作用［3－4］，是优良的城乡园林绿化树种。我国自20世纪60代以来，先后在广东、海南、广西、福建等省区进行引种，均表现出生长良好，能够正常开花结果［4－6］，成为我国引种成功的外来珍贵优良树种之一，具有广阔的发展前景［7］。近几年来，国内有关灰木莲的研究也日益增多，但主要集中在灰木莲的引种、苗木培育及生长表现等方面［5－10］，至今未见有关灰木莲人工林的营养元素方面研究的报道。为此，本文通过对广西南宁市速生阶段(10年生)灰木莲人工林营养元素质量分数、积累量及其分配特征进行研究，以揭示灰木莲人工林营养元素累积特点，为灰木莲人工林的经营管理特别是林地营养管理提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于广西南宁市北郊，属南亚热带季风气候带，年平均气温21.8℃，极端最高气温40℃，≥10℃年积温约7 200℃，年平均降水量约1 350 mm，降水多集中在5—9月，相对湿度大约79%，年日照时数1 450～1 650 h。调查样地均位于山坡中部，海拔高度约200 m，坡向为南坡，坡度25°～28°，土壤类型为砂页岩发育形成的赤红壤，土层厚度在70 cm以上。

试验地前茬林分均为杉木(Cunninghamia lanceolata)纯林，于2001年12月采伐，经炼山整地后，于2002年4月份用1年生灰木莲实生苗定植。调查时灰木莲人工林林相整齐，保留密度为1 416株/hm2，郁闭度 0.8，平均树高 12.9 m，平均胸径 14.5 cm。由于林分郁闭度较大，加上人为干扰较强等原因，林下灌木和草本很少，零星分布有杜茎山(Maesa japonica)、糙叶榕(Ficus irwasana)、毛桐(Mallotus barbatus)、盐肤木(Rhus chinenswas)、鸭脚木(Schefflera octophylla)等灌木以及华南毛蕨(Cyclosorus parasiticus)、半边旗(Pterwas semipinnata)、山菅兰(Dianella ensifolia)、黄茅草(Nwerenga falla)、五节芒(Miscanthus floridulu)等草本植物，平均高度不足20 cm，覆盖度不足1%，凋落物层较厚，以灰木莲落叶为主，厚度可达3～5 cm。

2 研究方法

2.1 标准地的设置与样木生物量测定

在林分中选择代表性地段，设置400 m2(20 m×20 m)的标准地3块，然后对标准地内的林木进行每木检尺，分别测量树高和胸径，根据林木的径级分布，按2 cm为一径级，选取5株平均木，采用收获法测定样木的生物量，即将样木伐倒后，地上部分采用Monsic分层切割法，每2 m为一区分段，分树干、树皮、活枝、枯枝、树叶，地下部分(根系)采用全根挖掘法，按细根(根径＜0.5 cm)、中根(根径 0.5 ～2.0 cm)、粗根(根径≥2.0 cm)和根蔸分别称鲜质量［2］，并分别抽取样品约200 g左右作室内分析。将各组分样品置于烘箱内以80℃恒温烘干到恒质量，求算出各组分的生物量及样木的生物量。

2.2 凋落物测定

由于灰木莲人工林的郁闭度较高，加上人为干扰大(主要是抚育除灌草)，林下草本层及灌木层的生物量极少，对整个林分的生物量影响甚微，故本研究不做探讨。凋落物生物量测定的方法如下:在每个标准地内各设置5个面积为1 m×1 m小样方。然后采用样方收获法，测定样方内凋落物层生物量，同时取样测定含水率和干质量，计算凋落物现存量。

2.3 植物样品营养元素分析

在测定生物量的同时按不同组分采集林分平均木样品，粉碎过筛后作为化学分析样品。N、P、K质量分数采用浓H2SO4－HClO4消化法消煮后，N用氨气敏电极法测定［11］，P用钼锑抗比色法测定，K用火焰光度计法测定;Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 质量分数采用HClO4－HNO3消化法消煮，然后用原子吸收光谱法测定［12］。

3 结果与分析

3.1 营养元素质量分数

从表1可见，灰木莲不同器官的营养元素质量分数相差较大。作为同化器官的树叶，其生长周期较短，是合成有机物质的主要场所，也是代谢最活跃的器官，需要大量的营养元素向其输送来满足其生长和代谢的需要，所以树叶的营养元素质量分数最高。而树干主要以木质为主，是地上部分与地下部分水分运输的重要场所，生理功能较弱，大多数养分已被消耗或转移，所以元素质量分数最低。按各器官营养元素质量分数排序大致是:树叶＞树皮＞树枝＞树根＞树干。而在根系各组分中，呈现出随根系直径的增加营养元素质量分数下降的趋势，表明灰木莲根系越小，其对各种营养元素的富集能力也最强。

表1 灰木莲人工林营养元素质量分数 g·kg－1

灰木莲不同器官的大量元素质量分数均以N为最高，其次是Ca或K，最低是P或Mg。微量元素质量分数则以Mn或Fe最高，其次是Zn，Cu最低。就不同营养元素在各器官中的分布而言，作为细胞壁主要构成元素之一的钙，主要集中于树叶、树皮等器官和组织中，因此其在树叶中的质量分数最高，其次是树皮;Mg是叶绿素的主要构成元素，因而其树叶中的质量分数最高;Fe对叶绿体的构造和叶绿素的合成有着极其重要的作用，而由于林地土壤为强酸性富铝化土壤，土壤中游离态的Fe离子多，根系尤其是细根对其有很强的富集作用，因此，Fe元素在树叶和根系中的质量分数均较高，而在除根蔸外的其它根系中含量甚至高于树叶。

灰木莲人工林凋落物营养元素质量分数与乔木层元素含量的排列次序基本一致，即:N＞Ca＞K＞Mg＞P＞Mn＞Fe＞Zn＞Cu。但与灰木莲各器官相比，凋落物层各元素质量分数除低于树叶、树皮外，多数高于其他组分营养元素含量。表明灰木莲人工林凋落物的营养元素比较丰富，在养分循环与利用中起着重要的作用，是灰木莲人工林生态系统不可缺少的组成部分。

3.2 营养元素积累量及其分配

从表2可知，10年生灰木莲人工林营养元素积累量为999.32 kg/hm2，其中乔木层营养元素积累量为858.55 kg/hm2，所积累的营养元素占整个林分的85.91%。由于林木各组分的生物量不同，各器官营养元素含量也存在一定的差异，因此，不同器官生物量的分配与营养元素积累的分配并不完全相互对应。按营养元素积累量排列顺序为树干＞树叶＞树皮＞树根＞树枝。从乔木层各种营养元素积累量看，大量元素以 N的积累量最多，为404.763 kg/hm2，占乔木层元素积累量的47.14%;K的积累量为180.71 kg/hm2，占乔木层元素积累量 21.05%，而Ca 的积累量为 163.26 kg/hm2，占 19.02%;Mg 积累量(44.59 kg/hm2)，P 的积累量(36.35 kg/hm2)分别仅为乔木层积累量的5.19%、4.23%。微量元素以Mn积累量(22.22 kg/hm2)最高，占乔木层元素积累量2.59%。

表2 灰木莲人工林营养元素积累和分配 kg·hm－2

3.3 营养元素年净积累量

营养元素年净积累量是植物体内营养元素积累的速率，它取决于林分净生产力的增长量及营养元素的含量。本文以林分年平均净生产力作为净生产力的估算指标，计算出灰木莲林养分元素的年净积累量。从表3可以看出，10年生灰木莲人工林营养元素年净积累量为85.83 kg/(hm2·a)，其中以树干的年净积累量最高，为27.73 kg/(hm2·a)，占林分年净积累量的32.31%，树叶、树皮、树根和树枝的年净积累量分别占乔木层年净积累量的21.30%、17.37%、14.66% 和 14.36%。不同器官大量元素积累速率均以N最大，为40.47 kg/(hm2·a)，占大量元素年净积累量的48.79%，P最小，为3.64 kg/(hm2·a)，仅占 4.39%;微量元素积累速率以Mn最达，为2.22 kg/(hm2·a)，占微量元素年净积累量的 76.82%，Cu最小，为 0.04 kg/(hm2·a)，仅占1.36%。

表3 灰木莲人工林营养元素年积累量 kg·hm－2·a－1

3.4 营养元素利用效率

营养元素利用效率反映了树木(植物)对养分环境的适应和利用状况，目前在森林养分研究中应用较多的是Chapin指数，即以植物生物量与植物养分贮量之比值作为养分利用效率［13］。考虑到目前国内未见有对林木微量元素利用效率的报道，故本文仅对灰木莲进行N、P、K、Ca和Mg 5种大量元素利用效率的分析，同时与相近年龄的马尾松［14］、杉木［15］和秃杉［16］相比较。从表 4可以看出，灰木莲每生产1 t干物质所需5种大量元素为8.94 kg，而就不同元素的利用效率而言，以P、Mg最高，其次Ca和K，N最低，与马尾松、杉木和秃杉林的研究结果基本一致。

表4 不同林分的营养元素利用效率比较

4 结论与讨论

灰木莲人工林各营养元素含量因器官不同而存在差异，树叶的营养元素含量最高，树干则最低。不同器官营养元素含量大致为树叶＞树皮＞细根＞中根＞粗根＞活枝＞枯枝＞根蔸＞树干。灰木莲各器官大量元素的含量均以N元素最高，其次是 Ca、K、Mg，P最低;微量元素含量则以Mn或Fe最高，其次是Zn，Cu最低，其中树叶、树枝中不同元素质量分数与黑木相思［2］、秃杉［16］和红松人工林［14］基本一致，表现出不同树种对营养元素的吸收和积累具有相似性。

10年生灰木莲人工林营养元素积累量为999.32 kg/hm2，其中乔木层营养元素积累量为858.55 kg/hm2，不同器官按营养元素积累量大小排序为树干＞树叶＞树皮＞树根＞树枝。从乔木层不同营养元素积累量看，以N的积累量最多，为404.763 kg/hm2，占乔木层元素积累量的47.14%，表明灰木莲具有较强的N吸收能力，所以在林木生长的早期，适时合理地补充N肥，可能对促进林木的生长会有良好的效果;其他营养元素积累量次序为K＞Ca＞Mg＞P＞Mn＞Fe＞Zn＞Cu。

灰木莲人工林凋落物层营养元素积累量为140.48 kg/hm2，其占林分营养元素积累量的比例(14.06%)不很高，但却是改善林地土壤肥力性状的基础，由于灰木莲人工凋落物主要是比较容易分解的灰木莲落叶，难分解的树枝等所占比例较小，因而有利于加快了林地土壤的养分循环，缩短营养元素的周转时间。

10年生灰木莲人工林乔木层营养元素年净积累量为85.83 kg/(hm2·a)，每生产1 t干物质所需N、P、K、Ca和 Mg 5 种大量元素为 8.94 kg，明显低于相近区域广西武宣县禄峰山林场8年生马尾松人工林［14］和湖南会同 10 年生杉木人工林［15］，与相近区域的9年生秃杉人工林［16］基本一致，表明灰木莲对这5种大量元素的利用效率较高。不同营养元素利用效率以P、Mg最高，其次Ca和K，N最低，这也进一步表明在灰木莲营林过程中适当增施N肥，可能会对提高N的利用效率，促进林木生长起到积极作用。而从调查中发现，受林分密度较大、郁闭度高以及人为干扰(如抚育铲草等)的影响，灰木莲人工林林下植被发育程度较差，虽然林地现存凋落物量较大，养分回归量也较大，但不利于维持和提高林下植物的多样性，也不利于加快林地土壤的养分循环。因此，在灰木莲人工林速生阶段通过间伐适当降低林分密度，不但有利于增加林分的透光强度和营养空间，促进林木的生长发育，而且对提高林下植物的多样性，加快林地土壤的养分循环，从而提高灰木莲人工林的经济效益和生态效益，实现珍稀名贵树种的永续保存和高效利用都具有重要的作用。

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