油茶低產林養分需求和時間配置動態變化研究

羅 佳,周小玲,*,田育新,宋慶安,陳永忠,陳隆升,牛艷東

1 湖南省林業科學院,長沙 410004 2 湖南慈利森林生態系統國家定位觀測研究站,慈利 427200

林分的養分分配和養分循環是森林生態學研究的一個重要內容,是森林生態系統的主要功能之一[1],養分循環利用使森林生態系統中的各種生物能夠得以生存和發展[2]。研究森林生態系統的養分分布和循環,對揭示林分的養分循環規律和機制具有重要意義[3],有利于提高森林質量,增加林分肥力,實現森林的可持續經營[4]。植物在不同生長期養分變化不同,受海拔、坡度和立地條件以及土地利用方式等因素的影響：不同坡位表現為下坡位>中坡位>上坡位[5],隨海拔升高而增大[6],有機質含量為撂荒地﹥果園﹥水田﹥旱地﹥灌草叢﹥人工林[7]。油茶作為我國特有油料作物,已在南方地區廣泛種植,如今面積已超過 300 萬hm2,年產量已超過100萬t,但由于油茶林養分供給不足和不科學的施肥,形成了油茶產業經濟效益差和單產過低問題[8]。而當前對油茶養分特征的研究主要集中在林木養分分配規律和油茶養分分配規律[9-10],關于油茶土壤養分和樹體養分進行時間動態的綜合研究較少[11- 12],對油茶不同生長期養分需求類型和土壤供應狀況的研究更少。為此,本研究以長沙南郊油茶低產林為研究對象,應用常規方法測定油茶林不同生長期樹體各器官及土壤養分含量,對油茶林樹體各器官與土壤養分時間動態特征進行分析,確定油茶不同生長期養分需求類型是否不同,土壤供應狀況如何變化,為油茶低產林的施肥時間配置和養分時間變化提供科學依據。

1 研究地概況

研究地位于湖南省常寧市蔭田鎮三灣村實驗基地,該區為典型的丘陵山地,地理坐標為E112°33′58.43″,N26°21′45.89",海拔較低,僅為82 m。該區氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候,年均溫 18.1 ℃,年均降水量1436 mm。該基地于50年代實生苗造林,現有油茶林6.67×105m2,品種主要為當地品種;油茶林初植密度為1600株/hm2,平均樹高3.5 m,平均冠幅為3.0 m×3.0 m。土壤母質為第四紀紅壤土壤貧瘠,土壤為紅壤。

2 研究方法

2.1 試驗設計

依據林地的立地條件(坡度、海拔、土層厚度、土壤類型和坡向基本一致)和林分生長狀況(郁閉度、密度、林齡、樹高和胸徑基本一致)相近的原則,選擇具有典型代表性的3個樣地,樣地面積為 20 m×20 m,樣地四角處豎 PVC管標志。在果實成熟期通過對果實、樹型的觀測,每個樣地選擇果實性狀、樹型一致的植株5株作為定點觀測標準樣株。

2.2 樣品采集

植物樣品采集：分別于油茶生長不同生長時期(春梢期、夏梢期、果實成熟期和開花期)對每個樣地內的5株標準樣株進行采樣,標準樣木依據樹齡、樹高胸徑和長勢基本一致的原則。采集葉片為樹冠層中部東西南北方向生長狀況相對一致的1年生枝條從基部往上第 3—5 片成熟葉;在采集葉片的同時采集該1年生枝條;采集果實為分枝層中部東西南北方向成長情況基本相同的樹冠外圍果實。采集根時在每株標準株基部挖取南北方向、深40 cm剖面,收集直徑<2 mm的細根,并根據細根的顏色、彈性、外形挑出活細根,裝入紙袋;為了減少取樣對樹體影響,采集樹干時在樣株上部(距離頂端 10—15 cm)鉆取直徑0.5 cm的孔取樣。為消除個體差異,每個樣地的采集葉、花、果、枝、干、根分別混勻后分為3個重復,每個重復鮮重約為300 g,帶回實驗室于65℃烘箱中烘至恒重,樣品粉碎后過25 mm 篩后測定養分元素含量[13]。

土壤樣品采集：在每個標準樣地樣木半徑1m處,采集0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm土壤,每個樣地5個點的土樣充分混合均勻后,帶回實驗室自然風干,去除石塊、根系等,研磨過2 mm的土篩用于土壤養分的測定[14]。

2.3 樣品測定分析

依據不同養分元素含量大小和對植物生長左右以及一些參考文獻,本研究測試了11種養分元素含量(5種大量元素,6種微量元素)。植物樣品用H2SO4-H2O2消煮后,全N采用凱氏定氮法,全P采用鉬銻抗比色法,全K采用原子吸收法測定;Cu、Ca、Mg、Fe等全量元素和Zn、Mn、Cd、Pb等微量元素均采用HP3510原子吸收分光光度計測定。土壤樣品采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質,土壤全N測定采用半微量凱式法,土壤全P測定采用堿熔-鉬銻抗比色法,土壤全K的測定采用堿熔-火焰光度計法,土壤水解氮測定采用堿解擴散法,土壤有效磷測定采用雙酸浸提法,土壤速效鉀的測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計法,土壤Ca、Mg及其他微量元素采用原子吸收分光光度法測定[15]。

3 結果

3.1 油茶低產林養分變化

油茶低產林各器官不同時期大量元素和微量元素含量變化如表1所示,油茶低產林在春梢期、夏梢期、果實成熟期和開花期大量元素均值排序均為全N>Ca>全K>Mg>全P,春梢期、夏梢期和開花期微量元素排序均為Mn>Fe>Pb>Zn>Cu>Cd,果實成熟期為Mn>Fe>Zn>Pb>Cu>Cd;從不同生長季節樹體器官養分含量來看春梢期表現為葉>枝>干>根,夏梢期為葉>根>枝>干>果,果實成熟期為枝>葉>花>根>果>干,開花期為葉>花>枝>根>干。可見,油茶低產林在不同生長時間不同樹體器官來看均為花、果、葉、枝和干需求大量元素最多的均是全N,最少的是全P;需求微量元素最多的均是Mn,最少的均是Cd;不同樹體器官需求養分部位主要集中在葉。可見,N、Ca、Mg、Cu、Cd在春梢期變化最大,K、Fe、Pb在夏梢期的變化最大,P在果實成熟期變化最大,Mn在開花期變化最大。

油茶低產林不同樹體器官在不同生長季節變化不同,存在明顯的時間動態：開花期主要需求養分的器官是花和葉,春梢期主要需求養分的器官是枝和干,夏梢期主要需求養分的器官是根,果實成熟期主要需求養分的器官是果。花養分變化表現為開花期(2247.28 mg/kg)>果實成熟期(2134.63 mg/kg),枝養分變化表現為春梢期(2976.91 mg/kg)>夏梢期(2632.32 mg/kg)>果實成熟期(2495.60 mg/kg)>開花期(1927.58 mg/kg),葉養分變化表現為開花期(3146.12 mg/kg)>春梢期(3008.82 mg/kg)>夏梢期(2964.71 mg/kg)>果實成熟期(2243.54 mg/kg),根養分變化表現為夏梢期(2752.64 mg/kg)>春梢期(2073.56 mg/kg)>果實成熟期(2010.02 mg/kg)>開花期(1587.28 mg/kg),干養分變化表現為春梢期(2350.94 mg/kg)>夏梢期(1839.26 mg/kg)>果實成熟期(1667.17 mg/kg)>開花期(1520.54 mg/kg)。

3.2 油茶低產林不同器官養分時間動態

圖1為油茶低產林不同生長時期各器官養分元素的變化特征,花主要在果實成熟期和開花期需求,果實成熟期花主要需求的養分元素是全P(75%)和Ca(68%),開花期花主要需求的養分元素是全N(53%)、Pb(78%)、Fe(76%)、Cu和Mg。果需求養分主要在果實成熟期,各養分元素的需求量達到了100%。春梢期葉主要需求的養分元素是Fe(50%)、全K(40%)、Cd和Pb,夏梢期葉主要需求的是Mg(40%)和Cu(41%),果實成熟期葉主要需求的是全N和全,開花期葉主要需求的是Mn(30%)和Ca(40%)。春梢期枝主要需求全K和Mg,夏梢期枝主要需求的是Cu、Fe和Pb,果實成熟期枝主要需求的是全P,開花期枝主要需求的枝養分元素是Mn。春梢期干主要需求Fe、Mg、Cu、全N、全P和全K,夏梢期干主要需求的是Pb,果實成熟期干主要需求的是Ca,開花期干主要需求的枝養分元素是Mn。春梢期根主要需求全Fe和Mg,夏梢期根主要需求的是Cd和Zn,果實成熟期根主要需求的是全P、全K和Ca,開花期根主要需求的枝養分元素是Mn和Pb。不同時間油茶低產林養分元素含量變化表現為春梢期(28.36%)>夏梢期(26.17%)>果實成熟期(22.75%)>開花期(22.73%),即春梢期油茶低產林所需養分較多,果實成熟期和開花期需要的養分較少,故因在春梢期增加施肥。

3.3 油茶低產林土壤養分變化

油茶低產林不同時期不同土層速效養分、大量元素和微量元素含量變化如表2所示,土壤速效養分含量表現為春梢期>夏梢期>果實成熟期>開花期;土壤大量元素含量表現為夏梢期>果實成熟期>春梢期>開花期,土壤微量元素含量表現為夏梢期>春梢期>果實成熟期>開花期,土壤有機質含量表現為夏梢期>果實成熟期>開花期>春梢期。油茶低產林在春梢期、夏梢期、果實成熟期和開花期土壤速效養分含量均為速效N>速效K>速效P,土壤微量元素排序均為Fe>Cu;春梢期、夏梢期和果實成熟期土壤大量元素均值排序均為全K>全N>全P>Ca>Mg,開花期土壤大量元素排序為全K>Ca>全N>全P>Mg。油茶低產林不同生長時期不同土層供應速效養分最多的均是速效N,最少的是速效P,供應大量元素最多的均是全K,最少的均是Mg,供應微量元素最多的均是Fe,最少的均是Cu。可見,速效N、速效P、Mg和Cu在春梢期變化最大,速效K、全N、全P、Pb在夏梢期的變化最大,速效P、全K、Ca和Cu在果實成熟期變化最大,速效N和全N在開花期變化最大,Fe在各個時期變化均較小,有機質在夏梢期變化最大,其他時期變化最小。

表1 油茶低產林各器官不同時期養分含量/(mg/kg)

經方差分析,在0.05水平下,所有行數據之間無顯著性,所有列數據之間差異顯著(P<0.05)

圖1 油茶低產林各器官不同生長時期養分動態Fig.1 Nutrient dynamics of various organs in low-yield Camellia oleifera forest at different growth stages

3.4 油茶低產林土壤養分時間動態變化

油茶低產林不同時期土壤養分動態如圖2所示,不同生長時期分配的土壤養分元素不同,春梢期最主要的土壤養分元素是速效N和Mg,夏梢期主要供應的土壤元素是速效K、全N、全P、Fe和有機質,果實成熟期主要供應的土壤養分元素是全K,開花期主要供應的土壤元素是速效P和Ca。在不同生長時期土壤養分含量均隨著土層厚度的加深而逐漸減小,春梢期土壤養分含量由0—20 cm的2664.55±1225.33 mg/kg減小到40—60 cm的2207.45±1001.55 mg/kg,夏梢期土壤養分含量由0—20 cm的3109.33±2445.63 mg/kg減小到40—60 cm的2896.39±2012.35 mg/kg;果實成熟期和開花期均為類似情況,油茶低產林不同生長時期土壤養分含量表現為0—20 cm(2996.25±220.91 mg/kg)>20—40 cm(2616.73±317.80 mg/kg)>40—60 cm(2370.20±312.80 mg/kg)。

表2 油茶低產林生長時期各土層土壤養分變化

經方差分析,在0.05水平下,所有行數據之間無顯著性,所有列數據之間差異顯著(P<0.05)

油茶低產林土壤養分在不同生長時段不同土層厚度均有差異,在0—20 cm土層厚度土壤養分含量表現為開花期>夏梢期>果實成熟期>春梢期,20—40 cm土層厚度土壤養分含量表現為夏梢期>果實成熟期>開花期>春梢期,40—60 cm土層厚度土壤養分含量表現為夏梢期>果實成熟期>春梢期>開花期。所有土壤養分元素含量均值變化為夏梢期(2999.83±87.04mg/kg)>果實成熟期(2703.93±292.26mg/kg)>開花期(2554.60±508.84mg/kg)>春梢期(2385.88±199.62mg/kg)。可見,油茶低產林土壤養分含量在夏梢期最大,在春梢期最小。

圖2 油茶低產林不同生長時期各土層養分動態Fig.2 Nutrient dynamics in different soil layers of Camellia oleifera low-yield forest at different growth stages

4 討論

4.1 油茶低產林養分動態變化特征

油茶低產林在不同生長時間不同樹體器官均為花、果、葉、枝和干需求大量元素最多的均是全N,最少的是全P;需求微量元素最多的均是Mn和Fe,最少的均是Cu和Cd,其原因是由長期施肥引起的結果,油茶作為油料作物,為了提高其產量,增施有機肥的情況較多;而全P含量的較少是由土壤母質造成的;Vanlear[16]對成熟火炬松人工林養分含量的研究表明,地上部分N,Ca,K和P的需求量分別為164.7、154.2、78.0 和14kg/hm2,可見本研究結果與其結果一致;另外也與各大量元素的循環速率有關,全N和Ca的循環速率高于全P[17]。Mn、Fe、Cu和Cd作為微量元素,但Mn和Fe在地殼中的含量高于Cu和Cd,Cu和Cd在地殼中含量較低,僅有0.01%和千萬分之一的含量,所以在養分含量有限的情形下,植物也吸收較少,故油茶低產林在不同生長階段需求Mn和Fe最多,Cu和Cd最少。從不同生長季節樹體器官養分含量來看春梢期表現為葉>枝>干>根,夏梢期為葉>根>枝>干>果,果實成熟期為枝>葉>花>根>果>干,開花期為葉>花>枝>根>干。可見,油茶低產林不同生長時期春梢期、夏梢期和開花期均以為葉需求養分最多,果實成熟期以枝和葉需求養分最多。其原因在于葉是樹體所有器官中生物量較高的部分,而較高的生物量其需求的養分也較多;另外,葉是植物進行光合作用的場所,通過氣體交換吸收大量的營養物質[18],故在器官葉部位分配得到的養分最多,曹建華[19]對不同年齡橡樹器官養分含量進行研究,發現不同器官養分含量順序為：樹葉>樹皮>樹枝>樹根>膠乳>樹干,本研究與其結果一致,更說明了結果的正確性。本研究結果顯示不同時間油茶低產林養分元素需求為春梢期(28.36%)>夏梢期(26.17%)>果實成熟期(22.75%)>開花期(22.73%),即春梢期油茶低產林所需養分較多,果實成熟期和開花期需要的養分較少。這也與樹體不同器官養分需求存在明顯的時間動態變化有關系,開花期主要需求養分的器官是花和葉,春梢期主要需求養分的器官是葉、枝和干,夏梢期主要需求養分的器官的是根,果實成熟期主要需求養分的器官是果。相關研究和本文結果均得出葉和枝器官分配得到的養分元素最多,而春梢期以葉和枝為主要需求養分元素,故春梢期的養分含量最多;第二與植物生長發育和油茶低產林生長特征有關系,油茶的春梢期、夏梢期、果實成熟期和開花期分別在每年的2—5月、5—7月、10月和11月[20],春梢期和夏梢期生長時間較長,植物需要的養分元素也較多,為了果實成熟獲得豐收,加速養分需求;而果實成熟期以果為主要養分需求器官,油茶的生長已基本停止,需要的養分減少;開花期正處于另一個生長的開始,油茶此時才開始逐漸需求新的養分,所以此時的養分含量最低;但此時的養分含量與果實成熟期差異較小,也是因為剛剛開始新的生長。

4.2 油茶低產林土壤養分動態變化特征

油茶低產林不同生長季節不同土層供應速效養分最多的均是速效N,最少的是速效P,供應大量元素最多的均是全K,最少的均是Mg,供應微量元素最多的均是Fe,最少的均是Cu。土壤速效養分中速效N含量較高主要與施肥有關系,速效P最少主要是因為研究區為丘陵山地,其成土母質決定了P含量的多少;大量元素中全K含量最多,這主要與該區域的成土母質有關,土壤中鉀主要形成礦物的結合形態,土壤中的鉀素供應水平主要取決于土壤中含鉀礦物的多少,因此可見該區域鉀素含量并不貧瘠;Mg在大量元素中相對含量較少,植物對于原因的吸收也是有選擇的,土壤中Mg的富集相對全量元素(氮磷鉀)較弱。微量元素最多的均是Fe,最少的均是Cu,主要原因是Fe是植物生長和吸收不可或缺的元素,而且其來源也較多,地殼中的含量也是高于Cu的;Cu的在地殼中的含量較低,所以Cu的源物質較少,故土壤中的Cu含量也極低。土壤中養分含量的多少主要有土壤凋落物的分解和施肥量的多少而決定[21],本研究結果顯示在不同生長時期土壤養分含量均隨著土層厚度的加深而逐漸減小,油茶低產林不同生長時期土壤養分含量表現為0—20 cm(2996.25±220.91 mg/kg)>20—40 cm(2616.73±317.80 mg/kg)>40—60 cm(2370.20±312.80 mg/kg),說明表層土壤的養分遠高于中層和底層土壤養分含量,其原因在于大量的施肥多位于土壤表層,枯枝落葉層也主要集中在地表,枯枝落葉在長時間的分解下,其營養物質也多集中在土壤表層,在降雨等外力的淋溶作用下由土壤表層向底層溶解[22],經過土壤多層的向下溶解,底層土壤獲得的養分含量逐漸減小。油茶低產林所有土壤養分元素含量均值變化為夏梢期>果實成熟期>開花期>春梢期。說明油茶低產林土壤養分供應在夏梢期最大,在春梢期最小,這是因為夏梢期正是油茶迅速生長的高峰期,雨熱同期,為了給油茶果實提供足夠的養分,吸收的較多;另外,夏梢期也是林下枯落物和施肥較多的季節,上一年大量枯落物分解和施肥影響下,使土壤積累了較多的養分。春梢期是油茶生長的第一個階段,也沒有開始施肥,凋落物的分解量也較少,故土壤中富集的養分較少。

4.3 油茶低產林不同生長期養分需求和土壤供應狀況

油茶低產林樹體在春梢期、夏梢期、果實成熟期和開花期各器官需求的大量元素均為全N、Ca和全K最多,而需求的Mg和全P最少;需求的微量元素均為Mn和Fe最多,Cu和Cd最少。不同生長時期土壤供應的養分元素表現為春梢期是速效N和Mg,夏梢期是速效K、全N、全P、Fe和有機質,果實成熟期是全K,開花期是速效P和Ca。油茶低產林在不同生長期養分需求表現為春梢期(28.36%)>夏梢期(26.17%)>果實成熟期(22.75%)>開花期(22.73%),而土壤供應表現為夏梢期(2999.83±87.04 mg/kg)>果實成熟期(2703.93±292.26 mg/kg)>開花期(2554.60±508.84 mg/kg)>春梢期(2385.88±199.62 mg/kg)。這說明油茶低產林在不同生長期需要的養分和土壤供應的養分并不一一對應,這主要與油茶不同時間的生長狀況對養分的需要和土壤養分在不同季節含量大小所引起的;春梢期油茶生長的第一個高峰,迫切需要大量的全N、Ca和全K,而土壤供應的速效N較多,主要為為了供給生長;夏梢期是油茶生長的第二個高峰也是果實產量高低的重要階段,所需養分較多;果實成熟期和開花期處于生長的低峰期,需要的養分含量較少。油茶低產林在春梢期需要大量的養分,但土壤在春梢期供應的養分卻較低,說明需要在油茶生長的春梢期大量是氮肥以促進油茶生長對養分的需要。

5 結論

春梢期油茶所需養分較多,果實成熟期和開花期需要的養分較少;油茶低產林樹體在春梢期、夏梢期、果實成熟期和開花期各器官需求的大量元素均為全N、Ca和全K最多,而需求的Mg和全P最少;需求的微量元素均為Mn和Fe最多,Cu和Cd最少;油茶低產林不同生長季節不同土層供應速效養分最多的均是速效N,最少的是速效P,供應大量元素最多的均是全K,最少的均是Mg,供應微量元素最多的均是Fe,最少的均是Cu;油茶低產林在不同生長期養分需求表現為春梢期>夏梢期>果實成熟期>開花期,土壤養分供應表現為夏梢期>果實成熟期>開花期>春梢期;油茶低產林樹體養分元素N、Ca、Mg、Cu、Cd在春梢期變化最大,K、Fe、Pb在夏梢期的變化最大,P在果實成熟期變化最大,Mn在開花期變化最大;土壤供應養分元素速效N、速效P、Mg和Cu在春梢期變化最大,速效K、全N、全P、Pb在夏梢期的變化最大,速效P、全K、Ca和Cu在果實成熟期變化最大,速效N和全N在開花期變化最大,Fe在各個時期變化均較小,有機質在夏梢期變化最大,其他時期變化最小。油茶低產林在不同生長期需要的養分和土壤供應的養分并不一一對應。研究結果可為油茶低產林的施肥時間配置和養分時間變化提供科學依據,應在春梢期多施肥。