沿海沙地厚莢相思人工林養分生物循環特征

林 宇

(福建省長樂大鶴國有防護林場，福建 長樂 350212)

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沿海沙地厚莢相思人工林養分生物循環特征

林 宇

(福建省長樂大鶴國有防護林場，福建 長樂 350212)

用標準木法和收獲法對閩東南沿海沙地8年生厚莢相思人工林N、P、K、Ca和Mg的養分含量、積累、分配和生物循環進行研究。結果表明：5種營養元素含量以樹葉為最高，干材最低，各器官營養元素含量排序為N > K > Ca > Mg > P；營養元素總積累量為579.21 kg/hm2，各器官營養元素積累量排序為枝 > 干 > 皮 > 葉 > 根；各營養元素積累量排序為N > K > Ca > Mg > P。0～60 cm土層土壤中5種養分元素含量大小排序為Ca > K > Mg > P > N，厚莢相思各器官對土壤養分的富集能力排序為葉 > 根 > 枝 > 皮 > 干。厚莢相思喬木層養分年存留量為72.40 kg/(hm2·a)，年吸收量為255.25 kg/(hm2·a)，總歸還量為182.85 kg/(hm2·a)。5種元素利用系數和周轉期均為K > Ca > P > N > Mg，循環速率為Mg > N > P > Ca > K，循環系數為0.72，利用系數為0.28，周轉期為3.17 a。厚莢相思林5種營養元素利用效率高，循環速率快，而周轉期短，有利于沙質土壤肥力的恢復和生產力的維持。

厚莢相思；養分積累; 養分分配；養分循環；防護林

養分生物循環是森林生態系統中最重要的生理生態過程之一，也是維持森林結構和功能穩定的重要因素。研究森林生態系統物質循環和能量流動機制，對指導林業生產中調節和改善林木生長環境、提高森林生態系統養分利用率具有重要作用[1-2]。氮 (N)、磷 (P)、鉀 (K)、鈣 (Ca) 和鎂 (Mg) 是森林生態系統5種主要的大量礦質元素，研究各元素的循環具有重要的現實意義[3]。

目前，國內外對山地森林生態系統的養分循環研究較多，如國外學者Blanco等[4]對西班牙北部比利牛斯山脈樟子松 (Pinussylvestrisvar.mongolica) 林生態系統的養分元素循環進行了研究；Grierson和Adams[5]研究認為,澳大利亞西南部地中海氣候區原始森林系統依賴營養物質的循環，以滿足不斷增長的植物養分需求，微生物群落通過對有機物的分解作用來調節養分循環過程；國內學者秦武明和何斌等對廣西高峰林場山地赤紅壤不同年齡厚莢相思 (Acaciacrassicarpa) 人工林營養元素生物循環進行研究[6-7]，認為該人工林營養元素利用率高，歸還速率快。福建東南沿海地區生態環境脆弱，該區域一直以來是生態恢復與重建的重點和難點，在特殊生境下，其防護林生態系統的養分循環有何特征、養分循環能力如何,均有待于進一步研究。厚莢相思是近20多年來福建沿海引進的人工防護林樹種，該樹種能夠適應沿海沙地環境，對風沙土有明顯改良作用[8-10]，但對沿海沙地厚莢相思防護林營養元素生物循環的研究未見報道。為此，本文擬通過對濱海沙地8 年生厚莢相思人工林的養分積累、分配以及其生物循環特點進行研究，分析其特殊環境條件下的養分循環速率，為合理評估防護林營養狀況、指導人工施肥和可持續經營提供理論依據。

1 試驗地概況

試驗地位于福建省長樂大鶴國有防護林場，地處東經119°40′43″，北緯25°57′59″，屬南亞熱帶海洋性季風氣候，年降水量1 196～1 794 mm，年平均溫度19.7 ℃，年極端最高氣溫35 ℃，極端最低氣溫為-1 ℃，全年無霜期326 d，年平均日照時長1 535.5 h，每年6—9月為臺風多發時節。試驗樣地距離海岸線約1 km，平均海拔10 m，無坡向，土壤為風積沙土，鹽堿度高、肥力差。試驗林前茬為受松突圓蚧 (Hemiberlesiapitysophila) 疫情影響的濕地松 (Pinuselliottii) 人工林，采伐后于2003年4月造林，初始造林密度為2 500株/hm2。2011年7月調查時，經自然稀疏和臺風影響后林分保留密度為1 513株/hm2，郁閉度0.75，林分平均胸徑12.69 cm，平均樹高9.46 m。

2 研究方法

2.1 林分喬木層生物量測定

2011年7月，在試驗林內設置3個20 m × 20 m樣地，在樣地內進行每木檢尺，每個樣地各選取2株平均木作為標準木 (共6株)。地上部分采用Monsic分層切割法，每2 m為1個區分段，分干材、干皮、樹枝、樹葉；地下部分采用全挖法，按根樁、根瘤、粗根 (d> 2.0 cm)、中根 (1.0 cm

2.2 林下地被物量和年凋落物量測定

林下灌木和草本植物稀疏分布且植株較小，因此，在每個樣地的四角和中間各設置1個1 m × 1 m樣方，采用收獲法測定草本層、灌木層生物量，同時按未分解和半分解測定地面凋落物現存量。

在每個樣地內按對角線位置各設6個固定的1 m × 1 m網狀收集框，每月月底收集凋落物，按葉、枝、皮和雜物等分類，經烘干后測定其現存量[14]。

2.3 樣品采集與營養元素測定

在獲取生物量的同時，分不同生物構件進行取樣，凋落物樣品按各月份不同凋落物組成質量比例混合取樣。樣品采集后，在80 ℃恒溫下烘干至恒質量，并研磨粉碎再過篩裝袋密封，編號備用。在測定林下地被物的同時，按0～10、10～20、20～40、40～60 cm 4個層次采集土壤樣品，經室溫風干去雜后，取少量樣品研磨后過0.149 mm篩，裝入自封袋，留作養分含量分析。N用元素分析儀 (Elemental Analyzer Vario ELⅢ) 測定[15]，P用鉬銻抗比色法測定，K、Ca和Mg質量分數采用原子吸收分光光度計法測定[16]。

2.4 養分循環參數計算

有關生物循環量[3]和養分循環參數計算[17]方法如下：

年存留量=林分年增長的生物量與其養分含量的乘積

年歸還量=林分內各組分年凋落物量與其養分含量的乘積的和

年吸收量=年存留量與年歸還量之和

循環系數=年歸還量/年吸收量

利用系數=年存留量/年吸收量

周轉時間=林分養分總積累量/年歸還量

采用Excel 2007軟件和SPSS 19.0軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析 (One-way ANOVA) 和最小顯著差異法 (LSD) 檢驗不同數據組間的差異性 (α=0.05)。

3 結果與分析

3.1 厚莢相思標準木營養元素含量

不同器官的營養元素含量不同，葉是光合作用過程中有機物質合成的場所，其營養元素含量在所有器官中最高，干材生理功能最弱，且多數養分被消耗或轉移，其營養元素質量分數最低[18]。由表1可知，標準木中各器官的N、P、K、Ca和Mg元素總含量排序為葉 > 根 > 枝 > 皮 > 干。5個營養元素總含量為89.97 g/kg。各器官中不同營養元素含量占總含量比例及排序為N (50.59%) > K (26.64%) >Ca (13.45%) > Mg (7.23%) > P (2.09%)。凋落物中凋落葉的養分含量高于枝，凋落物中N元素含量最高，從大到小依次為Ca > K > Mg > P。凋落葉中N、P、K和Mg的含量低于活樹葉，而凋落葉Ca的含量高于活樹葉。厚莢相思林下植被 (草本層和灌木層) 零星分布，但其養分含量豐富，多數營養元素含量高于厚莢相思其他器官 (除樹葉外)。

3.2 厚莢相思人工林各器官營養元素積累與分配

由表2可知，厚莢相思人工林喬木層養分總積累量為579.21 kg/hm2，各器官養分積累量排序為干材 > 樹葉 > 樹枝 > 干皮 > 樹根，如果把林木各器官分成樹冠 (樹葉和樹枝)、樹干 (干材和干皮) 和樹根3部分，則上述3部分養分積累量占喬木層養分總積累量的百分比依次為41.52%、44.58%和13.90%。各營養元素積累量排序為N > K > Ca > Mg > P，厚莢相思N的積累量占總營養元素積累量的43.15%，P的積累量僅占總營養元素積累量的1.90%，表明固氮樹種厚莢相思具有較強的N貯存能力。

表1 厚莢相思人工林各組分營養元素含量

表2 厚莢相思人工林喬木層營養元素積累與分配

3.3 厚莢相思人工林土壤營養元素含量

由表3可知，厚莢相思人工林土壤不同營養元素含量在各土層表現均不相同。在0～60 cm土層中，N和P的平均含量極低，分別僅為0.09 g/kg和0.18 g/kg，K的平均含量最高 (31.65 g/kg)，5種養分元素含量的排序為K > Ca > Mg > P > N。其中N、P和Mg元素含量均表現為隨土層深度增加而減少，N和Mg在表層土壤 (0～20 cm) 的養分含量與其他土層相比有顯著差異 (P< 0.05)，P的含量在各土層差異不顯著。0～10 cm土層的K和Ca含量顯著高于40～60 cm土層 (P< 0.05)。在相同土層，K和Ca的含量均顯著高于其他元素 (P< 0.01)；除10～20 cm土層，其他相同土層N、P和Mg元素之間的含量差異并不顯著 (P> 0.05)。

表3 厚莢相思人工林土壤層營養元素含量

3.4 厚莢相思人工林各器官養分富集系數

植物體內某元素含量的平均值與土壤中相同元素含量的平均值的比值，即植物對元素的富集系數，可用來判定植物對土壤某營養元素的富集能力[19]。厚莢相思人工林各器官對土壤營養元素的富集系數見表4。由表4可知，厚莢相思各器官對土壤中不同元素的富集能力不同，對營養元素富集能力的排序為N > P > Mg > Ca > K。N的富集系數最高，是P富集系數的49.5倍。各器官對土壤營養元素富集能力的排序為樹葉 > 樹根 > 樹枝 > 樹皮 > 樹干。樹葉對N、P和Mg的富集能力最強；K在土壤中的含量最高，但厚莢相思各器官對其富集能力最弱。干材對營養元素的富集能力最弱，富集系數僅為樹葉的13.24%。

表4 厚莢相思人工林各器官對土壤營養元素的富集系數

3.5 厚莢相思人工林營養元素生物循環

人工林營養元素的生物循環是通過林木的吸收、存留和歸還3個生理生態學過程來完成，吸收=存留 + 歸還[3]。從表5可知，厚莢相思各營養元素的吸收量大小依次為N > Ca > K > Mg > P，存留量大小依次為N > K > Ca > Mg > P，歸還量的大小排列次序為N > Ca > Mg > K > P。

林分養分利用系數和循環周期等同樣能夠反映養分循環規律。厚莢相思5種營養元素養分利用系數為0.20～0.53，循環系數為0.47～0.80，周轉期為1.94～8.97 a；厚莢相思各營養元素利用系數排序為K > Ca > P > N > Mg，循環系數大小順序為Mg > N > P > Ca > K。5種營養元素周轉期大小與循環速率相反，由短到長排序為Mg < N < P < Ca < K。

表5 厚莢相思人工林營養元素生物循環

4 結論與討論

4.1 沿海沙地厚莢相思人工林養分特征

由于植物不同器官的生理機能不同，營養元素在植物不同器官的分布存在差異[18,20]。沿海沙地厚莢相思不同器官的養分含量與廣西南寧赤紅壤上的7 年生厚莢相思的養分含量相似[7]，表明厚莢相思各器官養分含量因土壤類型變化而沒有發生大的變化。各器官營養元素含量的排序為葉 > 根 > 枝 > 皮 > 干，與相同試驗區卷莢相思 (Acaciacincinnata) 和木麻黃 (Casuarinaequisetifolia) 各器官營養元素含量排序略有不同[21]，但總體上都是葉的營養元素含量最高，干材最低。厚莢相思各營養元素含量排序為N > K > Ca > Mg > P，與年齡相近的黑木相思 (Acaciaelanoxylon)[22]、卷莢相思[21,23]和馬占相思 (Acaciamangium)[24]的營養元素含量排序相同。

植物葉片N∶P常被用來評價生態系統N和P的相對限制關系，當葉片N∶P < 10時，生態系統主要受N素限制，N∶P > 14時，生態系統主要受P的限制，當14 > N∶P > 10時，表明生態系統同時需要更多的N和P[25-26]。本研究中厚莢相思樹葉N∶P值為30.28，表明其生長有可能受P的限制[7,21]。

厚莢相思人工林凋落物養分含量大小排序為N > Ca > K > Mg > P，凋落物 (大部分為凋落葉) 的N、P、K、Mg含量均低于標準木中葉的養分含量，表明在葉凋落前，這些元素發生了內轉移，而Ca為不易流動元素，因而相對富集，該結論與Aerts[27]、Santa等[28]和楊麗麗等[29]對其他樹種的研究結論一致。厚莢相思具有的養分再吸收或養分轉移機能(養分內循環)，對降低其對環境中養分供應的依賴和適應貧瘠環境有重要作用[24]。

厚莢相思表層土壤 (0～20 cm) 5種元素總養分含量高于其他各土層，順序為：K > Ca > Mg > P > N。植物在生長過程中通過根系從土壤中吸收養分，因此植物體內的養分含量與土壤養分含量存在一定的相關性，可用富集系數 (Enrichment coefficient) 來評定植物對土壤養分的富集能力[19]。富集系數越大，表明植物對某元素的富集能力越強，越有利于植物的修復[19,29]。本研究中，厚莢相思人工林植株各器官的營養元素富集系數順序為葉 >根 > 枝 > 皮 > 干，各元素富集系數順序為N > P >Mg > Ca > K。厚莢相思能夠有效吸收土壤中的N并轉移到各器官中，表明厚莢相思有較強的固氮和轉換氮元素的能力。

植物體中營養元素含量是植物在一定生境下從土壤中吸收和蓄積養分能力的反映[20]。在本試驗中，喬木層、凋落物層和草灌層中N元素含量明顯高于P、K、Ca和Mg，而其在土壤層的含量較低，表明固氮樹種厚莢相思對N素具有很強的吸收和富集能力 (見表4)，由此可能是造成沿海沙地土壤N含量低的主要原因之一；也表明N素在構建植物體中的重要作用，是植物生長的主要限制因子[7]。

4.2 厚莢相思人工林養分生物循環量和循環參數特征

人工林各器官營養元素的積累和分配取決于該器官的生物量及其養分的含量。8 年生厚莢相思林5種養分總積累量為579.21 kg/hm2，其中N的積累量為249.94 kg/hm2，高于同試驗區同年齡卷莢相思林N的積累量 (167.94 kg/hm2)，而低于木麻黃林N的積累量 (548.12 kg/hm2)[21]。之前研究也表明：單株厚莢相思的固氮根瘤生物量是卷莢相思的4倍而僅為木麻黃的1/4[14]，表明厚莢相思的固氮能力強于卷莢相思而低于木麻黃。年存留量為72.40 kg/(hm2·a)，年歸還量為182.85 kg/(hm2·a)，年吸收量為255.25 kg/(hm2·a)，其中N年存留量、年歸還量和年吸收量最大，也表明該樹種具有較強的N吸收和富集能力[7,23]。營養元素歸還量占吸收量達77.51%，說明歸還量是決定吸收量最主要的因素，較高的營養元素歸還量能避免林木對地力過度消耗[21]。人工林養分歸還量包括凋落物歸還、降水淋洗、樹干莖流和死根歸還量等，受試驗條件限制，本研究僅測定凋落物的歸還量，因此歸還量計算結果可能比實際結果偏低[29-31]。

8年生厚莢相思人工林各養分元素利用系數與周轉期排序相同，大小依次為K > Ca > P > N > Mg，循環系數則相反，依次為Mg > N > P > Ca > K。利用系數反映生態系統元素存貯速率的大小，系數越大，表明植物對該元素的貯存能力越大，而利用效率越低[3]。厚莢相思5種養分元素利用系數為0.28，低于廣西南寧7年生厚莢相思 (0.31)[7]、6 年生尾巨桉 (0.30)[32]，表現出較高的養分利用率。循環系數反映元素在循環過程中的殘留量大小，系數越大，表明元素循環速率越快[3]。厚莢相思5種元素循環系數為0.72，與7年生紅壤區厚莢相思 (0.54)[7]、11 年生馬占相思 (0.50)[24]和 6年生尾巨桉 (Eucalyptusurophylla×E.grandis) (0.16)[32]相比，表現出較高的養分循環速率，更有利于地力維持。周轉期反映養分元素經歷一個周期所需要的時間，周轉期越長，表明植物所需要的養分越多。厚莢相思周轉期為3.17 a，均小于同試驗區相同林齡卷莢相思 (4.65 a) 和木麻黃 (6.74 a)[21]。由以上各營養元素的利用系數、循環系數以及周轉期可知，8年生厚莢相思仍處于生長旺盛期，其營養元素年歸還量大、養分利用效率高、循環速率快、周轉期較短，有利于維護林地肥力，也是該樹種能夠在貧瘠干旱沙地上正常生長的重要因素。

致謝：福建農林大學林思祖教授、何宗明研究員對試驗進行了指導，碩士生官國棟、周錦業、賀韶華和劉麗等協助外業調查和養分測定，在此一并表示感謝!

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(責任編輯 趙粉俠)

Biological Cycling of Nutrients ofAcaciacrassicarpaPlantation in Coastal Sandy Area

Lin Yu

(Dahe State-owned Protection Forest Farm, Changle Fujian 350212, China )

Standard-timber and harvesting methods were used to study the concentration, accumulation, distribution and biological cycling of the nutrient elements (N, P, K, Ca and Mg) in an 8-year-oldAcaciacrassicarpaplantation on a sandy coastal plain soil in southeast Fujian Province, China. The results showed that nutrient contents in the leaves were the highest among those in different organs, with the lowest in the stems. The total nutrient accumulation was 579.21 kg/hm2. In this plantation, concentration of N was the highest among the five elements, followed by K, Ca, Mg and P. The nutrient accumulation of various organs was ranked as branches > stems > barks > leaves > roots in the pure plantation ofA.crassicarpa, and the nutrient accumulation of the five elements were ranked as N > K > Ca > Mg > P. Nutrient contents of 0-60 cm depth of soil was rank as Ca > K > Mg > P > N, the accumulation coefficients of nutrient elements of different organs was leaves > roots > barks > branches > stems. Annual net nutrient accumulation, return and absorption were 72.40 kg/(hm2·a), 182.85 kg/(hm2·a), and 255.25 kg/(hm2·a), respectively. The utilization coefficient and the recycling period of five nutrient elements were ranked as K > Ca > P > N > Mg, the cycling coefficient were ranked as Mg > N > P > Ca > K in this plantation. The nutrient cycling coefficient, the utilization coefficient and the recycling period were 0.72, 0.28, and 3.17 a, respectively. The cycling coefficient was high, but recycling period was shot, which was conducive to the recovery of sandy soil fertility and productivity maintenance in theA.crassicarpaplantation.

Acaciacrassicarpa, nutrient accumulation, nutrient distribution, nutrient cycling, shelterbelt

10. 11929/j. issn. 2095-1914. 2016. 06. 002

2016-04-11

福建省林木種苗科技攻關項目 (閩林科 [2009] 4號) 資助；福建省林業科研項目 (閩林科 [2012] 3號) 資助。

林宇 (1971—)，男，碩士，高級工程師。研究方向：森林培育、森林生態。Email: linyu87156816@sina.com。

S718.52

A

2095-1914(2016)06-0008-07