長沙市郊楓香人工林養分歸還研究

文仕知，張希，楊麗麗

(中南林業科技大學林學院，410004，長沙)

養分歸還是森林生態系統內生物地球化學循環的一個重要環節，對提高土壤養分具有十分積極的作用［1］。養分歸還量是指森林通過凋落物以及雨水淋洗歸還到林地中的養分量［2］。歸還量還包括森林地下部分的根系凋落物以及根系分泌物歸還的養分，這一部分在實際研究工作中測定很困難。目前國內對凋落物養分歸還的研究很重視，而對降雨淋溶養分歸還的研究則較少涉及［3-6］;國外的早期研究［7-9］表明通過降雨淋溶歸還養分的途徑是確實存在的，對于多以離子態存在的K、Ca、Mg元素，這個途徑具有相當重要的地位:因此，綜合考慮凋落物歸還和降雨淋溶歸還對養分歸還的研究有很重要的意義。

楓香(Liquidambar formosana)為金縷梅科楓香屬落葉大喬木，是亞熱帶地區優良速生落葉闊葉樹種，也是我國南方重要的綠化和景觀樹種［10］。目前關于楓香人工林的研究已有相關報道，但對楓香養分歸還的研究報道比較缺乏。為此，筆者通過研究楓香凋落物養分歸還量和林冠淋溶量，以探討楓香的養分歸還特性，從而進一步為楓香人工林生態系統經營管理和物質循環研究提供科學依據。

1 試驗地概況

試驗地位于湖南省林業科學院天際嶺林場內，地理位置為 E113°01'30″，N 28°06'40″，林場總面積266.7 hm2，屬長沙市南郊低山丘陵地貌，海拔50～108 m，地勢較為平緩，坡度在20°以下。該區屬亞熱帶季風濕潤氣候區，年平均氣溫17.2℃，極端最高氣溫40.6℃，極端最低氣溫－9.5℃，年無霜期272 d，年平均降水量1 411.4 mm，年平均相對濕度80%，年日照時間1 717.34 h，試驗地主要土壤類型為第四紀網紋層母質發育的酸性紅壤，pH值在4.5～5.5之間，礫石含量中等。

試驗林場森林資源豐富，覆蓋率達76%，共有100多個物種，以楓香、杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、樟樹(Cinnamomum camphora)、濕地松(Pinus elliottii)、榿木(Alnus cremastogyne)等10多個樹種為主的純林和混交林，林分質量較好。本試驗林地是1986年營造的楓香人工林，郁閉度為0.80。試驗地林下植被有木荷(Schima superba)、苦櫧(Castanopsis sclerophylla)、山礬(Symplocos sumuntia)、五節芒(Miscanthus floridulus)、林冠下層有少量樟樹。試驗地概況如表1所示。

表1 試驗地林分基本狀況Tab.1 Basic status of forest stands in experimental plots

2 研究方法

2.1 凋落物采集和測定

2009年12月，在對天際嶺林場內楓香林進行全面調查的基礎上，依據典型性和代表性原則，選取楓香林固定樣地2塊，樣地面積均為30 m×20 m，每樣地內按隨機布局的原則分別布設5個正方形凋落物收集器，收集器四角用1m高木棍支起，收集器用網眼約為1 mm×l mm尼龍網做成，底面積為1 m2，深度為30 cm，離地面1 m水平放置。于2010年的1—12月，每月1次，分12次收集凋落物，將凋落物分為落葉、落枝、花果和碎屑，在80℃恒溫條件下烘干至恒定質量，將烘干后的凋落物樣品放入植物粉碎機中進行磨碎處理。然后全部通過2 mm孔徑的樣品篩，用四分法得到適量分析樣品，用精度0.001 g的電子天平分別稱量。對所采凋落物樣品進行實驗室分析，分別用凱氏定氮蒸餾法、釩鉬黃比色法和火焰光度計法測定 N、P和 K的質量濃度，用HP3510原子吸收分光光度計測定Ca和Mg的質量濃度。每份樣品均重復測定3次，取平均值［11］。

2.2 水樣采集和測定

在天際嶺林場內選取2塊20 m×30 m楓香人工林樣地進行每木調查。樹干莖流采用按徑級法選定測株，按每個徑級(每隔2 cm為1徑級)選擇2～3顆樹形和樹冠中等標準樹進行測定。根據樣地林木調查結果，在2塊樣地各選擇10株不同徑級的樣木，在這些樣木樹干上用剖開的聚乙烯管環繞，與水平面呈30°角，為防止漏水，管與樹干空隙用瀝青密封，再用膠管引出至密封口的容器，雨后測量采樣。在2塊樣地內按不同坡向坡位各設置10個開口面積為400 cm2的塑料桶作為穿透雨承接裝置，放置3個同樣的承接裝置于林外收集大氣降雨，雨后進行及時測量及水樣采集。從2010年1—12月，進行了為期1年的降水觀測及水樣收集。對收集的水樣進行化學元素含量的測定，水樣中 N、P、K、Ca、Mg的測定方法同凋落物［11］。

2.3 養分歸還量的計算

養分歸還的數值是從凋落物和林內外降水的不同化學成分來推算［11］。

養分歸還量的推算與表達如下:

式中:Rl、Rb、Rf、Rd、分別為凋落葉、枝、花果、碎屑中各元素歸還量，kg/hm2;cl、cb、cf、cd分別為凋落葉、枝、花果、碎屑中各元素質量濃度，g/kg;Ml、Mb、Mf、Md分別為葉、枝、花果、碎屑的凋落量，kg/hm2;lt、ls分別為穿透雨、樹干莖流凈淋溶質量濃度，mg/L;T、S 分別為穿透雨量、樹干莖流量，mm;cp、ct、cs分別為大氣降雨、穿透雨、樹干莖流中各元素質量濃度，mg/L;L、R分別為林冠淋溶量、林分各元素歸還量，kg/hm2;lct、lcs分別為穿透雨、樹干莖流淋溶系數。

3 結果與分析

3.1 凋落物的數量、組成和月動態

楓香人工林的年凋落量為4 935.6 kg/hm2，主要包括葉、枝、花果和碎屑，其中以葉為主，占凋落物總量的55.83%，其次是枝條(占34.07%)，花果和碎屑所占比例較小(僅為10.1%)，凋落量大小依次為葉＞枝＞花果＞碎屑。楓香為落葉樹種，其葉的年凋落量即為葉生物量，達到2 755.7 kg/hm2。

楓香人工林凋落物的月動態變化如圖1所示，可看出，楓香人工林在全年內都有凋落物，但凋落物的數量和組分在每個月的分布是不均勻的。凋落量的峰值出現在12月，達1 055 kg/hm2，這個月的凋落物量占全年凋落量的21.38%。

圖1 楓香人工林凋落物各組分凋落量月動態Fig.1 Monthly dynamics of different components of litter in Liquidambar formosana plantation

楓香凋落物在2—5月相對較少，平均為184.8 kg/hm2，從6月開始凋落物量有了明顯增高，6—8月為夏季，多暴雨，這一時期的凋落物主要是風吹雨打等機械原因造成的，9—10月凋落量逐漸增多，由于楓香為落葉喬木，11月進入深秋，生長停止了，隨后開始大量產生凋落物，12月楓香月凋落物達到了了年度的最高峰。這與華北落葉松林凋落高峰出現在9月［12］不同，具有明顯的地帶性特征。凋落物的種類和數量的月變化會因樹種和地域而異，受氣候影響，楓香落葉主要集中在每年的11月、12月和翌年1月，但仍有極少量的殘葉在2—3月凋落。

3.2 凋落物的養分歸還量及月動態

凋落物中的養分歸還是土壤肥力的重要來源。楓香人工林全年通過凋落物歸還土壤的 N、P、K、Ca、Mg總量見表2。楓香人工林凋落物養分年歸還量為111.849 kg/hm2。楓香人工林凋落物各組分養分質量濃度除了枝以外都是以N質量濃度最高，而各組分養分質量濃度最低的都是P。各元素歸還量大小依次為N＞Ca＞K＞Mg＞P，其中N的歸還量最高，占總歸還量的42.5%，P的歸還量最低，占總歸還量的1.6% ，Ca的歸還量占39.9%，K、Mg的歸還量比較接近，分別占8.9%和7.1%，與劉洋等［5］對巨桉人工林研究結果N＞K＞Ca＞Mg＞P相似，僅在Ca和K的排序上有不同。

表2 楓香人工林凋落物養分年歸還量Tab.2 Annual return amount of nutrients of litter in Liquidambar formosana plantation

楓香凋落物各組分的歸還總量大小為葉＞枝＞花果＞碎屑，這與凋落量的組分大小順序一致，其中落葉的養分年歸還量占總歸還量的63.6%。

葉是植物光合作用的主要器官，與植物的生命代謝過程密切相關。盡管在凋落前葉中的元素會大量發生生理轉移，但養分質量濃度仍然比枝、皮等木質化組分高，加上落葉是凋落物的主要組分，在量上占了總凋落物的一半以上，因而落葉是凋落物養分歸還的主體。

從圖2 可以看出:N、P、K、Ca、Mg元素的月歸還量最高峰均出現在12月，分別達到9.221、0.379、1.966、10.286和 1.98 kg/hm2，與凋落物量的最高峰出現的月份相同，最低值出現在3月，分別為0.825、0.02、0.13、1.23 和 0.151 kg/hm2。N 和 Ca歸還量的變化范圍是0.825～9.221和1.23～10.286 kg/hm2，P、K和 Mg的變化范圍是0.02～0.379、0.13～1.966 和 0.151 ～1.98 kg/hm2，N 和Ca歸還量的年變化范圍明顯大于P、K和Mg，對養分歸還量的貢獻也更大。

圖2 楓香人工林凋落物養分歸還量的月動態Fig.2 Monthly dynamics of nutrients return amount of litter in Liquidambar formosana plantation

3.3 大氣降雨、穿透雨和樹干莖流的養分特征

大氣降雨通過楓香林冠后，其性質和濃度發生了明顯變化。從表3可以看出，穿透雨和樹干莖流養分質量濃度增加，且樹干莖流增加得最多，這與樊后保［13］對杉木林研究的結論一致。降水經林冠層后，pH值降低，而樹干莖流的pH值又低于穿透雨，這可能于樹體表面酸性物質的淋洗和溶脫所致。樹干莖流經過樹體的時間較穿透雨長，因此酸的淋溶較多，酸性也較強。穿透雨和樹干莖流中養分質量濃度增加的原因，一方面是由于大氣降雨從植物組織中淋溶出一些物質，另一方面則是由于大氣降雨洗脫附著在樹葉、樹枝和樹干表面的顆粒物質。樹干莖流淋洗的面積比穿透雨大，淋溶時間比穿透雨長，因而樹干莖流養分質量濃度比穿透雨大。大氣降雨、穿透雨和樹干莖流中，質量濃度最高的均為Ca，分別為4.783、12.888 和12.924 mg/L，質量濃度最低的均為 P，分別為0.1、0.162和0.192 mg/L。大氣降雨中養分元素質量濃度排列順序為Ca＞N＞K＞Mg＞P，而穿透雨和樹干莖流中的排列順序為Ca＞K＞N＞Mg＞P。P是植物合成核酸的必要元素，但其質量濃度卻很低，這與亞熱帶杉木幼林［14］、樟樹人工林［15］、馬尾松林、針闊葉混交林和季風常綠闊葉林［16］的研究結果相似。樹干莖流中N和K的變異系數較小，分別為0.214和0.240，這說明樹干對N和K的分泌及吸收、淋溶有一個相對穩定的過程。

表4為穿透雨和樹干莖流凈淋溶的養分質量濃度和淋溶系數，可以看出，穿透雨和樹干莖流中各元素質量濃度均比大氣降雨的高，樹干莖流凈淋溶均比穿透雨高。穿透雨和樹干莖流中凈淋溶質量濃度最高的元素都是Ca，分別為8.106和8.141 mg/L，最低的都是P，分別為0.062和0.092 mg/L。根據淋溶系數的大小排列，穿透雨的淋溶序列為Mg＞K＞Ca＞P＞N，樹干莖流的淋溶序列為K＞Mg＞Ca＞N＞P，樹干莖流中養分元素的富集作用比穿透雨強。

表3 大氣降雨、穿透雨和樹干莖流中養分質量濃度Tab.3 Nutrient elements concentration of rainfall，throughfall and stemflow

表4 穿透雨和樹干莖流凈淋溶的養分質量濃度和淋溶系數Tab.4 Net leaching amount and leaching coefficient of throughfall and stemflow

3.4 林冠淋溶量

由表5可知，N、P、K、Ca和Mg年淋溶量分別為0.151、0.249、30.308、63.232 和 11.883 kg/hm2，總淋溶量為105.823 kg/hm2。其中Ca的年淋溶量最大，占總淋溶量的59.8%。吳飛華等［17］認為酸雨促進了Ca的淋溶，使穿透雨和樹干莖流中Ca濃度升高。

3.5 養分的總歸還

從表6可以看到，整個楓香人工林林分全年養分歸還量 N、P、K、Ca和 Mg分別為 47.645、2.009、40.269、107.855 和 19.894 kg/hm2，按大小順序排列為Ca＞N＞K＞Mg＞P。其中，凋落物歸還量較大的是N和Ca，其凋落物歸還量占總歸還量的比例分別為42.5%和39.9%，而Ca和K在降雨淋溶歸還量中占的比例很大，分別為59.8%和28.6%。楓香人工林總的年養分歸還量為217.672 kg/hm2，通過凋落物歸還的養分總量和降雨淋溶歸還的養分總量相差不大，分別為111.849和105.823 kg/hm2。

表6 林分的年養分歸還量Tab.6 Annual nutrients return in the forest kg/hm2

4 結論與討論

1)楓香人工林凋落物養分歸還量和凋落量在組分排序和月變化表現出相似的變化規律。楓香人工林凋落物各組分養分歸還量排序與凋落量排序一致，均為葉＞枝＞花果＞碎屑。養分歸還量月變化與凋落量月變化相似，均呈單峰型，峰值出現在12月;因此，楓香人工林凋落物養分歸還量的變化主要受凋落量變化的影響。

2)大氣降雨通過楓香林冠后，穿透雨和樹干莖流的養分元素質量濃度增加，且樹干莖流增加最多。降雨的化學性質受諸多因素的影響，包括降水強度、與前次降水的間隔時間、風向、大氣環流、大氣污染狀況等等;因此，為保證分析數據的準確性，應盡量使取樣的背景條件基本一致或相似，增加取樣次數，以降雨量加權平均值來反映降水的化學性質。穿透雨和樹干莖流中各元素質量濃度均比大氣降雨的高，樹干莖流中養分元素的富集作用比穿透雨強。

3)楓香人工林總的年養分歸還量為217.672 kg/hm2，通過凋落物歸還的養分總量和降雨淋溶歸還的養分總量相差不大，分別為111.849和105.823 kg/hm2，可見降水淋溶的養分歸還作用不可忽視;但由于缺乏足夠的重視，目前國內的大多數養分歸還研究均只涉及到凋落物而未測定雨水淋洗歸還的養分，這就使這些研究結果中的養分歸還量偏低。

本研究僅僅是一個開始，由于一年中歸還到地表凋落物的養分總量要大于從這一部分凋落物中釋放出來的養分量，而剩余的養分要在后續更長的時間里才能釋放出來實現真正的養分歸還。對于楓香人工林凋落物分解對養分歸還的影響還需要進一步研究探討。

［1］金明仕.森林生態學［M］.曹福亮，譯.北京:中國林業出版社，2005:86-105

［2］薛建輝.森林生態學［M］.北京:中國林業出版社，2006:209-210

［3］楊玉盛，林鵬，郭劍芬，等.格氏栲天然林與人工林凋落物數量、養分歸還及凋落葉分解［J］.生態學報，2003，23(7):1278-1289

［4］邱爾發，陳卓梅，鄭郁善，等.麻竹山地筍用林凋落物發生、分解及養分歸還動態［J］.林業科學，2005，16(5):811-814

［5］劉洋，張健，馮茂松.巨桉人工林凋落物數量、養分歸還量及分解動態［J］.林業科學，2006，42(7):1-10

［6］肖洋，陳麗華，余新曉.北京密云麻櫟人工混交林凋落物養分歸還特征［J］.東北林業大學學報，2010，38(7):13-15

［7］Attiwill P M.The chemical composition of rainwater in relation to cycling of nutrients in mature Eucalyptus forests［J］.Plant and Science，1966，24:390-406

［8］Parker G G.Throughfall and stemflow in the forest nutrient cycle［J］.Advances in Ecological Research，1983，13:57-133

［9］Fahey T J，Yavitt J B，Joyce G.Precipitation and throughfall chemistry in pinus contorta ssp.Latifolia ecosystems，southeastern Wyoming［J］.Canadian Journal of Forest Research，1988，18:337-345

［10］王珍珍，文仕知，楊麗麗.長沙市郊楓香人工林降水再分配及養分動態［J］.中南林業科技大學學報，2008，28(2):54-56

［11］田大倫.杉木林生態系統定位研究方法［M］.北京:科學出版社，2004:188-251

［12］郭晉平，丁穎秀，張蕓香.關帝山華北落葉松林凋落物分解過程及其養分動態［J］.生態學報，2009，29(10):5684-5695

［13］樊后保.杉木林截留對降水化學的影響［J］.林業科學，2000，36(4):2-8

［14］田大倫，項文化，楊晚華.第二代杉木幼林生態系統水化學特征［J］.生態學報，2002，22(6):859-865

［15］閆文德，田大倫，陳書軍，等.4個樹種莖流養分特征研究［J］.林業科學，2005，41(6):50-56

［16］張娜，劉興詔，李坤.南亞熱帶三種主要森林降雨及其再分配過程中的養分差異規律［J］.生態學雜志，2011，30(2):193-200

［17］吳飛華，劉廷武，裴真明.酸雨引起森林生態系統鈣流失研究進展［J］.生態學報，2010，30(4):1081-1088