黑木相思人工林營養元素生物循環特征1)

何 斌 韋善華 張 偉 唐 天

(廣西大學，南寧，530004) (廣西高峰林場) (廣西林業勘測設計院) (廣西高峰林場)

羅柳娟 劉紅英 劉 莉 覃祚玉

(廣西大學)

林木營養元素的積累與分布是研究森林生態系統物流和能流的基礎，而系統中的養分循環是系統功能的主要表現之一，直接影響著森林的生產力，很大程度上制約著森林地力變化的方向和強度，對林地養分平衡的維持有重要作用［1－2］。黑木相思(Acacia melanoxylon)原產于澳大利亞、巴布亞新幾內亞和印度尼西亞等地，為相思類最高大喬木種之一，具有速生、干形較直、耐干瘠和抗逆性強等特點，是多功能的速生用材樹種。因其干形良好、速生、材質優良而又具有一定的耐寒能力，已成為近年來廣東、廣西、福建、海南等省區推廣種植的重要相思類樹種之一。目前國內有關黑木相思人工林的研究已有不少報道［3－7］，但主要集中在引種、苗木選育、生長特性以及木材材性等方面，至今未見有關黑木相思人工林養分質量分數、積累以及生物循環等方面的報道。為此，文中擬通過對8年生黑木相思人工林9種營養元素(N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn 和 Cu)的質量分數、積累、分布和生物循環的研究，揭示黑木相思人工林的養分積累及其循環規律，為黑木相思人工林經營管理，尤其是林地養分管理提供科學依據。

1 試驗地概況

試驗地位于廣西南寧市北郊(108°21＇E，22°58＇N)，屬南亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫21.8℃，極端最高氣溫40℃，≥10℃年積溫約7 200℃，年平均降水量約1 350 mm，降雨多集中在5—9月，相對濕度約79%，年日照時數1 450～1 650 h。調查樣地均位于山坡中下部，海拔180～200 m，坡向為南坡，坡度26°～28°，土壤類型為砂頁巖發育形成的赤紅壤，土層厚度在80 cm以上，土壤腐殖質層厚度15～20 cm。

試驗地前茬林分為馬尾松(Pinus massoniana)人工林，2000年12月采伐并經煉山整地后，于2001年4月用黑木相思實生苗定植，初植密度1 140株/hm2。造林當年和第二年除草撫育管理各1次。2009年3月調查時，經自然稀疏和間伐后林分保留密度為850株/hm2，郁閉度0.75，林分平均胸徑15.2 cm，平均樹高14.8 m。林下植物灌木層主要有毛桐(Mallotus barbatus)、鹽膚木(Rhus chinenesis)、杜莖山(Maesa japonica)、潺槁樹(Litsea glutinosa)、越南懸鉤子(Rubus cochinchinensis)等，草本植物主要有蔓生莠竹(Microstegium vaans)、五節芒(Miscanthus floridulus)和淡竹葉(Lophatherum gracile)等，凋落物層厚度2～3 cm。

2 研究方法

喬木層生物量的測定:于鄰近分布、立地條件相似、長勢良好的8年生黑木相思人工林中設置3個20 m×20 m的調查樣地，測定標準地內樹木的樹高和胸徑。根據林分生長調查結果，按林木的徑級分布，在標準地內選取各徑級5株標準木伐倒，地上部分采用2 m區分段“分層切割法”測定干材、干皮、活枝、枯枝、樹葉鮮質量，地下部分(根系)采用全根挖掘法［8］，分別測定根蔸、粗根(根徑(d)≥2.0 cm)、中根(0.5 cm≤d＜2.0 cm)、細根(d＜0.5 cm)鮮質量。各組分分別取樣，在80℃恒溫下烘干至恒質量，計算出各組分的干濕比例和干物質質量，估算林分生物量。

林下植被生物量及現存凋落物量調查:分別在每個標準地內隨機設置5個1 m×1 m小樣方，調查樣方內植物種類、個體數、高度和覆蓋度等。灌木和草本層用樣方法收割和稱量地上部鮮質量，再挖掘和稱量樣方地下20 cm范圍內的根，凋落物層則收集和稱量樣方內所有凋落物，同時取樣測定含水率和干質量。

年凋落物的測定:采用直接收集法測定年凋落物量，即在每個標準地內隨機設置5個1 m×1 m的木框架尼龍網收集器，收集網的孔徑為1.0 mm，每月月底收集凋落物一次，帶回室內，按葉、枝、花果和雜物等組分烘干測定生物量。

植物樣品的采集及營養元素分析:在測定各組分生物量的同時，按不同組分采集分析樣品;凋落物樣品為按各月凋落物質量比例各選取一定量的凋落物混合后作為化學分析樣品。N、P、K質量分數采用濃H2SO4－HClO4消化法消煮后，N用氨氣敏電極法測定［9］，P用鉬銻抗比色法測定，K用火焰光度計法測定;Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 質量分數采用 HClO4－HNO3消化法消煮，然后用原子吸收光譜法測定［10］317－336;B 質量分數用干灰化法灰化，然后用姜黃素法測定［10］316。

養分循環參數的計算:采用養分利用系數、循環系數和周轉時間等生物循環參數來分析養分循環的特征，按照生物循環公式:吸收量=存留量+歸還量。上述養分利用系數為吸收量與貯存量的比值，表示林木維持其生長所需的營養元素量;循環系數為歸還量與吸收量的比值，表征營養元素的循環強度;周轉時間為營養元素經歷一個循環周期所需的時間，即為營養元素的總儲存量除以歸還量［2］。

3 結果與分析

3.1 營養元素質量分數

從表1可以看出，黑木相思不同組分的營養元素質量分數相差較大，以同化器官樹葉營養元素質量分數最高，非同化器官干材的營養元素質量分數最低。營養元素質量分數由大到小依次為樹葉、干皮、樹枝、樹根、干材。各器官中的大量元素均以N的質量分數最高，其中樹葉中N質量分數明顯高于馬尾松、杉木和桉樹等速生樹種［11－13］，顯示出黑木相思具有與其他相思樹種相似的固氮特性;其次是K和Ca，然后是Mg，P最低。微量元素以Mn的質量分數最高，其次是Fe和Zn，Cu最低。

黑木相思人工林林下植被(草本層和灌木層)和凋落物層的營養元素質量分數較豐富，除略低于黑木相思樹葉外，基本上都高于黑木相思的其他組分。而就黑木相思群落垂直結構中各組分的營養元素質量分數而言，呈現出自上而下遞增的趨勢，即草本植物＞灌木植物＞喬木植物，表明黑木相思人工林不同垂直結構層次植物對土壤養分富集能力存在一定的差異［14］。

3.2 營養元素儲存量

從表2可以看出，黑木相思人工林現存生物量的營養元素儲存量為987.17 kg/hm2，其中喬木層所積累的營養元素達到749.23 kg/hm2，占總儲存量的75.89%，不同器官營養元素儲存量大小呈現出樹葉＞樹皮＞樹枝＞樹干＞樹根。喬木層中不同營養元素儲存量以N最多，為403.14 kg/hm2，占喬木層儲存量的53.80%，分別為 P(24.65 kg/hm2)的16.35 倍、K(193.07 kg/hm2)的 2.09 倍、Ca(82.92 kg/hm2)的4.86 倍和 Mg(33.69 kg/hm2)的11.97 倍，可見黑木相思對N具有很強的吸收與富集能力，同時也是其具有較強的固氮改土能力的重要原因。若將林木器官分為樹冠(樹枝和樹葉)、樹干(干材和干皮)和樹根3部分，則黑木相思人工林上述3部分營養元素儲存量依次占喬木層儲存量的49.23%、40.06%和10.71%。黑木相思人工林灌木層和草本層營養元素儲存量分別為119.26和51.60 kg/hm2，分別占林分儲存總量的12.08%和5.23%;凋落物層營養元素儲存量為67.06 kg/hm2，占林分儲存總量的6.79%，由于凋落物中大部分是比較容易分解的凋落葉，難分解的樹枝等所占比例較小，而且凋落物中N的儲存量所占比例較大(59.14%)，因此在維持和提高林地土壤肥力，尤其是提高土壤N素供應水平方面起著極其重要的作用。

表1 黑木相思人工林各組分營養元素質量分數

表2 黑木相思人工林各組分生物量及營養元素儲存量 kg·hm－2

3.3 營養元素年凈積累量

從表3可以看出，8年生黑木相思人工林9種元素的年凈積累量為93.65 kg/(hm2·a)，其中N、P、K、Ca、Mg 5 種營養元素的年凈積累量為 92.18 kg/(hm2·a)，高于相近氣候帶的廣西武宣8、14和23年生馬尾松人工林和福建尤溪8、14和24年生杉木人工林的年凈積累量［11－12］，表明黑木相思人工林有較強的養分積累能力。不同營養元素的年凈積累量以N為最多，占年凈總積累量的53.81%，其它元素年凈積累量依次為 K＞Ca＞Mg＞P＞Fe＞Mn＞Zn＞Cu。

表3 8年生黑木相思人工林各組分營養元素年凈積累量 kg·hm－2·a－1

3.4 營養元素的生物循環

生物循環是指養分在植物—凋落物—土壤—植物的循環流動過程，包括吸收、存留和歸還3個環節，且遵循吸收量=存留量+歸還量的平衡關系。表4給出了黑木相思人工林9種營養元素的生物循環參數。

表4 8年生黑木相思人工林營養元素的生物循環

黑木相思人工林9種營養元素吸收量為199.30 kg/(hm2·a)，其中 53.02%(105.66 kg/(hm2·a))的吸收量以凋落物的形式歸還于土壤，高于存留于立木中的 134.64 kg/(hm2·a)(占 67.56%)，并且凋落物中N素(62.78 kg/(hm2·a)占59.42%。因此，黑木相思人工林通過較多的富含N素的凋落物將N素歸還土壤，從而對土壤，尤其是貧瘠缺N土壤起到良好的固氮改土作用。

8年生黑木相思人工林9種元素的利用系數為0.14，循環系數為 0.53，周轉時間為 7.11 a，其中以Mn周轉期最短，P和K最長，這與林地土壤磷、鉀養分比較缺乏密切相關，同時也表明，磷、鉀素的缺乏可能是影響黑木相思人工林正常發育的重要原因之一。

4 結論與討論

黑木相思不同器官營養元素質量分數存在差異，其排序大致為:樹葉＞干皮＞樹枝＞樹根＞干材，與馬占相思和厚莢相思不同器官營養元素質量分數排列次序基本一致［2，15－16］。各器官中大量元素質量分數以N最高，其次為K、Ca、Mg，最低是 P，微量元素以Mn質量分數最高，其次是Fe，最低是Zn。

8年生黑木相思人工林營養元素的儲存量為987.17 kg/hm2，其中喬木層所積累的養分達到749.20 kg/hm2，占總儲存量的75.89%，不同器官養分儲存量呈現出樹葉＞樹皮＞樹枝＞樹干＞樹根，其中干皮營養元素儲存量均高于除樹葉外的其他器官，表現出與馬占相思［2，15］、厚莢相思［16］等相思類樹種，以及巨尾桉［13］、馬尾松［11］等其他速生樹種存在明顯的差異，這與黑木相思干皮具有較高的營養元素質量分數并具有較高的生物量比例密切相關，同時也反映了黑木相思人工林營養元素積累的特點。喬木層中不同養分元素貯存量以N(403.14 kg/hm2)為最多，占喬木層養分儲存量的53.80%，分別為P(24.65 kg/hm2)的 16.35 倍、K(193.07 kg/hm2)的 2.09倍、Ca(82.92 kg/hm2)的 4.86 倍和 Mg(33.69 kg/hm2)的11.97倍，表明黑木相思對N具有很強的吸收與富集能力，同時體現了N在建造植物體中的重要作用，是森林生長的主要限制因子。

8年生黑木相思人工林營養元素的儲存量為987.17 kg/hm2，喬木層儲存量最多，占 75.89%，其中干材儲存量最少，僅占9.73%。因此，如采伐(主伐或間伐)時僅利用樹干(而把其他采伐剩余物留在林地)所造成養分輸出不很大，因而對林地生產力的影響也較小。而灌木、草本和凋落物層養分儲存量(237.92 kg/hm2)占24.10%，這對維持這一人工林生態系統的穩定和平衡起著重要的作用。

8年生黑木相思人工林養分年吸收量為199.30 kg/(hm2·a)，其中年歸還量為 105.66 kg/(hm2·a)，高于其相應的年積累量(93.64 kg/(hm2·a))。養分循環系數為0.53不同元素呈現出Mn＞Zn＞Mg＞Cu＞Ca＞N＞Fe＞K＞P;周轉期為7.11 a，不同元素呈現出 P＞K＞Fe＞N＞Ca＞Cu＞Mg＞Zn＞Mn，其中，除 P 和 K外，其他元素周轉期均小于林分實際年齡。由于黑木相思人工林中林冠層生物量和養分儲存量均較大，而本研究未將降水淋洗以及樹干莖流和死根歸還量等估算進去，所以養分歸還量和循環速率計算結果較林分實際歸還量偏低(其中以移動性強的鉀元素更為明顯)，而周轉期則與此恰好相反。總的來看，黑木相思人工林具有較快的養分循環、較強的養分自我調節能力。因此，在生產實踐中合理經營和管理黑木相思人工林，對維持和改善林地土壤肥力，提高林地生產力具有重要作用。但由于黑木相思人工林的磷素循環周期較長，而植物生長的限制性的黑木相思樹葉N/P比值(16.5)大于14，也表明該樹種的生長可能受磷素限制［17－18］，由于熱帶、亞熱帶地區土壤磷素嚴重缺乏，有效性低，同時因雨量充沛，地表沖刷強烈，從而導致磷素流失;因此，應加強磷素營養管理，如采取施用磷肥等措施，改善林地生態條件，加快林地養分循環，從而進一步提高林地生產力。

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