桂西北馬尾松人工林養(yǎng)分積累及其分配特征

韋明寶, 楊正文, 王漢敢, 謝敏洋, 王朝健, 何 斌

(1.南丹縣山口林場(chǎng)，廣西 南丹 547200；2.南丹縣林業(yè)局，廣西 南丹 547200；3.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西 南寧 530004)

林木養(yǎng)分的積累與分布是研究森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的基礎(chǔ)[1]。人工林作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在林木產(chǎn)品提供、增加森林碳匯和碳吸存能力、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。近10多年來，國(guó)內(nèi)外先后對(duì)馬尾松[3]、杉木[4]、桉樹[5-6]、落葉松[7]、楊樹[8]和馬占相思[9]等人工林的養(yǎng)分積累、分布及其生物循環(huán)開展了大量的研究，為人工林的經(jīng)營(yíng)管理尤其是林木養(yǎng)分和林地施肥管理提供依據(jù)。

馬尾松是我國(guó)南方主要造林樹種之一[10]，也是廣西大面積栽培的重要人工林樹種[11]，在我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。桂西北是馬尾松人工林的重要栽培區(qū)域，目前有關(guān)該地區(qū)馬尾松人工林的研究已有較多報(bào)道，主要集中在林木生長(zhǎng)特性、生物生產(chǎn)力、土壤肥力和林下植物多樣性等方面[12-17]，而有關(guān)養(yǎng)分特性的研究鮮見報(bào)道。為此，本研究在野外調(diào)查和室內(nèi)化學(xué)分析的基礎(chǔ)上，探討了廣西南丹縣26年生馬尾松人工林養(yǎng)分元素(N、P、K、Ca、Mg)積累及其分配規(guī)律，以期為該區(qū)域馬尾松人工林的經(jīng)營(yíng)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于廣西西北部的南丹縣山口林場(chǎng)木山分場(chǎng)(107°31′E，24°45′N)。南丹縣與天峨縣、東蘭縣、環(huán)江縣和河池市金城江區(qū)相鄰，具有山地氣候特點(diǎn)，年均氣溫16.9 ℃，年均降雨量1 498.2 mm[12]。試驗(yàn)地海拔850～900 m，土壤母質(zhì)(母巖)以砂頁(yè)巖發(fā)育形成的山地黃紅壤為主，土層厚度≥80 cm，腐殖質(zhì)層厚度15～23 cm ，土壤(0～40 cm)pH值4.37，土壤有機(jī)質(zhì)、全N和全P含量分別為43.78、2.01和0.38 g·kg-1，土壤水解N、速效P和速效K含量分別為195.2、1.15和41.6 mg·kg-1。

馬尾松人工林于1991年3月用馬尾松實(shí)生苗營(yíng)造，初植密度1 667株·hm-2，株行距2 m×3 m。2017年5月底調(diào)查時(shí)林相較整齊，經(jīng)自然稀疏和間伐后林分保留密度為637株·hm-2，郁閉度0.70，林分平均胸徑26.5 cm，平均樹高19.4 m。林下植物主要有鹽膚木(Rhuschinenesis)、杜莖山(Maesajaponica)、毛桐(Mallotusbarbatus)、地桃花(Urenalobata)、粗葉懸鉤子(Rubusalceaefolius)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)和鐵芒萁(Dicranopterisdichotoma)等，凋落物層以凋落葉為主，厚度2～3 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 林地設(shè)置和林分生物量測(cè)定 于2017年5月在馬尾松人工林中按上坡、中坡和下坡分別設(shè)置1塊20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，對(duì)樣地內(nèi)林木進(jìn)行每木檢尺，測(cè)量其胸徑、樹高和冠幅等生長(zhǎng)指標(biāo)。根據(jù)林分生長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在樣地外圍選擇3株代表林分生長(zhǎng)指標(biāo)平均值的平均木，采用Monsic分層切割法測(cè)定其地上部分(包括樹葉、樹枝、干皮和干材)鮮質(zhì)量[12]，采用全根挖掘法測(cè)定地下部分(樹根)鮮質(zhì)量[18]。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m樣方，采用樣方收獲法測(cè)定灌木層、草本層和凋落物層鮮質(zhì)量。分別采集林木不同器官及灌木層、草本層和凋落物層樣品各300～400 g，在80 ℃恒溫下烘干至恒重，測(cè)定各組分生物量。

1.2.2 樣品采集和養(yǎng)分元素含量測(cè)定 采集馬尾松人工林喬木層不同器官及灌木層、草本層和凋落物層樣品，經(jīng)80 ℃恒溫烘干、粉碎后裝入自封袋，備用。

植物樣品先用硫酸—高氯酸消煮法消煮后，全N含量采用凱氏定氮法測(cè)定，全P含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定，全K含量采用火焰光度計(jì)法測(cè)定[19]；全Ca和全Mg含量測(cè)定先用高氯酸—硝酸消煮法消煮后，采用原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定[19]。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

馬尾松人工林養(yǎng)分積累量參照文獻(xiàn)[2,4]進(jìn)行計(jì)算，以喬木層養(yǎng)分元素年凈積累量作為林分養(yǎng)分元素年凈積累量進(jìn)行估算，其值為喬木層養(yǎng)分積累量除以林齡(26 a)。采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松人工林養(yǎng)分元素含量分析

從表1可見，馬尾松不同器官養(yǎng)分元素含量因生理機(jī)能不同而存在差異，樹葉作為同化器官，生理功能最強(qiáng)，除Ca元素外，其他4種元素含量均最高，其中N、P和K含量均顯著高于其他器官(P<0.05)；而以木質(zhì)為主的干材，生理功能最弱，其各種養(yǎng)分元素的含量均顯著低于其他器官。由于5種養(yǎng)分元素在林木生長(zhǎng)過程中所起的作用不同，其在林木各器官中的含量也存在差異，樹葉、樹枝、干皮和干材各養(yǎng)分元素含量排序均為：N>K>Ca>Mg>P，其中N、P和K含量在上述4種器官間的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)；樹葉、樹枝Ca、Mg含量與其他3種器官間的差異也達(dá)顯著水平。樹根各養(yǎng)分元素含量排序?yàn)椋篊a>K>N>Mg>P，除Ca元素外，樹根其他養(yǎng)分元素含量均顯著低于樹葉，顯著高于干材。

表1 馬尾松人工林不同器官養(yǎng)分元素含量1)Table 1 Nutrient contents in different organs of P.massoniana g·kg-1

1)同列數(shù)值后附不同小寫字母者表示差異達(dá)0.05顯著水平。

2.2 馬尾松人工林養(yǎng)分積累量及其分配

從表2可見，馬尾松人工林5種養(yǎng)分元素總積累量為1 390.35 kg·hm-2，不同養(yǎng)分元素積累量以N素最大，為527.50 kg·hm-2；其次是K、Ca和Mg，分別為386.43、335.65和93.98 kg·hm-2，P素最小，僅46.80 kg·hm-2。林分不同結(jié)構(gòu)層次以喬木層養(yǎng)分積累量最大，為1 204.60 kg·hm-2，占林分養(yǎng)分總積累量的86.64%，其他層次養(yǎng)分積累量由大到小依次為凋落物層(91.97 kg·hm-2)、草本層(49.86 kg·hm-2)和灌木層(43.92 kg·hm-2)，分別占林分養(yǎng)分總積累量的6.61%、3.59%和3.16%。

表2 馬尾松人工林養(yǎng)分積累量及其分配 Table 2 Nutrient accumulation and distribution of P.massoniana plantation kg·hm-2

喬木層不同器官養(yǎng)分積累量以干材(321.35 kg·hm-2)最大，占喬木層養(yǎng)分積累量的26.68%；其次是樹枝(319.59 kg·hm-2)、樹根(272.64 kg·hm-2)和樹葉(159.75 kg·hm-2)，分別占26.53%、22.63%和14.61%；干皮(131.27 kg·hm-2)最小，僅占13.26%。而喬木層養(yǎng)分元素積累量以N素最大，為443.44 kg·hm-2，占喬木層養(yǎng)分元素積累量的36.81%；其次是K、Ca和Mg，分別為333.86、301.53和86.24 kg·hm-2，占27.72%、25.03%和7.16%；P素最小，為39.54 kg·hm-2，僅占3.28%。

2.3 馬尾松人工林養(yǎng)分年凈積累量分析

從表3可見，馬尾松人工林養(yǎng)分年凈積累量為46.32 kg·hm-2·a-1，不同器官年凈積累量依次為：干材(12.35 kg·hm-2·a-1)>樹枝(12.29 kg·hm-2·a-1)>樹根(10.49 kg·hm-2·a-1)>樹葉(6.14 kg·hm-2·a-1)>干皮(5.05 kg·hm-2·a-1)。林木中不同養(yǎng)分元素年凈積累量以N最大，為17.06 kg·hm-2·a-1，其次為K、Ca和Mg，分別為12.83、11.60和3.31 kg·hm-2·a-1，P最小，僅1.52 kg·hm-2·a-1。

表3 馬尾松人工林養(yǎng)分年凈積累量 Table 3 Annual net nutrient accumulation of P.massoniana plantation kg·hm-2·a-1

2.4 不同人工林養(yǎng)分利用效率分析

養(yǎng)分利用效率反映了林木對(duì)生境中養(yǎng)分條件的適應(yīng)及其利用狀況[2]。桂西北26年生馬尾松人工林每生產(chǎn)1 t干物質(zhì)需要養(yǎng)分6.40 kg(表4)，高于相同區(qū)域的28年生禿杉人工林[20]和相近區(qū)域的廣西武宣縣23年生馬尾松人工林[3]。馬尾松人工林中不同營(yíng)養(yǎng)元素需要量以N最多，為2.35 kg·t-1，其養(yǎng)分利用效率最低；其次是K、Ca和Mg，分別為1.78、1.60和0.46 kg·t-1，其養(yǎng)分利用效率較高；P最少，僅0.21 kg·t-1，其養(yǎng)分利用效率最高。

表4 不同人工林養(yǎng)分利用效率比較Table 4 Comparison of nutrient utilization efficiency of different plantations

3 討論與結(jié)論

除Ca元素外，桂西北馬尾松各器官養(yǎng)分元素含量均以樹葉最高，其次是樹枝、干皮或樹根，干材最低。器官中不同養(yǎng)分元素含量大致以N最高，其次是K、Ca和Mg，P最低，與相同區(qū)域的禿杉人工林排列次序(Ca、N或 K>P>Mg)[20]及相近區(qū)域的廣西武宣縣馬尾松人工林排列次序(K>N>Ca>Mg>P)[3]均存在一定差異，說明林木中的養(yǎng)分元素含量主要取決于樹種本身的生物學(xué)特性，同時(shí)也會(huì)受到環(huán)境條件的影響。

桂西北26年生馬尾松人工林5種養(yǎng)分元素總積累量為1 390.35 kg·hm-2，其中喬木層養(yǎng)分積累量為1 204.60 kg·hm-2，占林分養(yǎng)分總積累量的86.64%，草本層、灌木層和凋落物層養(yǎng)分積累量分別為49.86、43.92和91.97 kg·hm-2，依次占養(yǎng)分總積累量的3.59%、3.16%和6.61%。喬木層不同器官養(yǎng)分積累量排序?yàn)椋焊刹?樹枝>樹根>樹葉>干皮，與相同區(qū)域的28年生禿杉人工林(干材>樹葉>樹根>干皮>樹枝)[20]、相近區(qū)域的廣西武宣縣23年生馬尾松人工林(干材>樹根>干皮>樹枝>樹葉)[3]和廣西寧明縣34年生米老排人工林(干材>樹根>樹枝>干皮>樹葉)[22]的排列次序均存在差異，表明不同樹種之間或同一樹種在不同區(qū)域之間的養(yǎng)分積累與分配均存在一定差異。

26年生馬尾松人工林喬木層養(yǎng)分年凈積累量為46.32 kg·hm-2·a-1，略低于廣西武宣縣23年生馬尾松人工林(49.35 kg)[3]。不同養(yǎng)分元素年凈積累量以N最大，為17.06 kg·hm-2·a-1，其次是K、Ca和Mg，分別為12.83、11.60和3.31 kg·hm-2·a-1，P最小，為1.52 kg·hm-2·a-1。每生產(chǎn)1 t干物質(zhì)需要5種養(yǎng)分元素6.40 kg，略高于廣西武宣縣23年生馬尾松人工林(6.09 kg)[3]，但遠(yuǎn)低于甘肅正寧縣28～32年生油松人工林(9.76 kg)[21]。綜上所述，該馬尾松人工林具有較高的養(yǎng)分利用效率，鑒于桂西北26年生馬尾松人工林土壤有機(jī)質(zhì)和N素含量較高，但P素尤其是土壤有效P含量較貧乏(低于3.0 mg·kg-1)，在今后的馬尾松人工林經(jīng)營(yíng)管理中，應(yīng)根據(jù)林地養(yǎng)分狀況，結(jié)合林木不同生長(zhǎng)階段對(duì)P素養(yǎng)分的需求，合理施加P素肥料，對(duì)促進(jìn)馬尾松人工林的生長(zhǎng)，提高其生物生產(chǎn)力起到積極的作用。