长沙市郊枫香人工林养分归还研究

文仕知，张希，杨丽丽

(中南林业科技大学林学院，410004，长沙)

养分归还是森林生态系统内生物地球化学循环的一个重要环节，对提高土壤养分具有十分积极的作用［1］。养分归还量是指森林通过凋落物以及雨水淋洗归还到林地中的养分量［2］。归还量还包括森林地下部分的根系凋落物以及根系分泌物归还的养分，这一部分在实际研究工作中测定很困难。目前国内对凋落物养分归还的研究很重视，而对降雨淋溶养分归还的研究则较少涉及［3-6］;国外的早期研究［7-9］表明通过降雨淋溶归还养分的途径是确实存在的，对于多以离子态存在的K、Ca、Mg元素，这个途径具有相当重要的地位:因此，综合考虑凋落物归还和降雨淋溶归还对养分归还的研究有很重要的意义。

枫香(Liquidambar formosana)为金缕梅科枫香属落叶大乔木，是亚热带地区优良速生落叶阔叶树种，也是我国南方重要的绿化和景观树种［10］。目前关于枫香人工林的研究已有相关报道，但对枫香养分归还的研究报道比较缺乏。为此，笔者通过研究枫香凋落物养分归还量和林冠淋溶量，以探讨枫香的养分归还特性，从而进一步为枫香人工林生态系统经营管理和物质循环研究提供科学依据。

1 试验地概况

试验地位于湖南省林业科学院天际岭林场内，地理位置为 E113°01'30″，N 28°06'40″，林场总面积266.7 hm2，属长沙市南郊低山丘陵地貌，海拔50～108 m，地势较为平缓，坡度在20°以下。该区属亚热带季风湿润气候区，年平均气温17.2℃，极端最高气温40.6℃，极端最低气温－9.5℃，年无霜期272 d，年平均降水量1 411.4 mm，年平均相对湿度80%，年日照时间1 717.34 h，试验地主要土壤类型为第四纪网纹层母质发育的酸性红壤，pH值在4.5～5.5之间，砾石含量中等。

试验林场森林资源丰富，覆盖率达76%，共有100多个物种，以枫香、杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)、樟树(Cinnamomum camphora)、湿地松(Pinus elliottii)、桤木(Alnus cremastogyne)等10多个树种为主的纯林和混交林，林分质量较好。本试验林地是1986年营造的枫香人工林，郁闭度为0.80。试验地林下植被有木荷(Schima superba)、苦槠(Castanopsis sclerophylla)、山矾(Symplocos sumuntia)、五节芒(Miscanthus floridulus)、林冠下层有少量樟树。试验地概况如表1所示。

表1 试验地林分基本状况Tab.1 Basic status of forest stands in experimental plots

2 研究方法

2.1 凋落物采集和测定

2009年12月，在对天际岭林场内枫香林进行全面调查的基础上，依据典型性和代表性原则，选取枫香林固定样地2块，样地面积均为30 m×20 m，每样地内按随机布局的原则分别布设5个正方形凋落物收集器，收集器四角用1m高木棍支起，收集器用网眼约为1 mm×l mm尼龙网做成，底面积为1 m2，深度为30 cm，离地面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，将凋落物分为落叶、落枝、花果和碎屑，在80℃恒温条件下烘干至恒定质量，将烘干后的凋落物样品放入植物粉碎机中进行磨碎处理。然后全部通过2 mm孔径的样品筛，用四分法得到适量分析样品，用精度0.001 g的电子天平分别称量。对所采凋落物样品进行实验室分析，分别用凯氏定氮蒸馏法、钒钼黄比色法和火焰光度计法测定 N、P和 K的质量浓度，用HP3510原子吸收分光光度计测定Ca和Mg的质量浓度。每份样品均重复测定3次，取平均值［11］。

2.2 水样采集和测定

在天际岭林场内选取2块20 m×30 m枫香人工林样地进行每木调查。树干茎流采用按径级法选定测株，按每个径级(每隔2 cm为1径级)选择2～3颗树形和树冠中等标准树进行测定。根据样地林木调查结果，在2块样地各选择10株不同径级的样木，在这些样木树干上用剖开的聚乙烯管环绕，与水平面呈30°角，为防止漏水，管与树干空隙用沥青密封，再用胶管引出至密封口的容器，雨后测量采样。在2块样地内按不同坡向坡位各设置10个开口面积为400 cm2的塑料桶作为穿透雨承接装置，放置3个同样的承接装置于林外收集大气降雨，雨后进行及时测量及水样采集。从2010年1—12月，进行了为期1年的降水观测及水样收集。对收集的水样进行化学元素含量的测定，水样中 N、P、K、Ca、Mg的测定方法同凋落物［11］。

2.3 养分归还量的计算

养分归还的数值是从凋落物和林内外降水的不同化学成分来推算［11］。

养分归还量的推算与表达如下:

式中:Rl、Rb、Rf、Rd、分别为凋落叶、枝、花果、碎屑中各元素归还量，kg/hm2;cl、cb、cf、cd分别为凋落叶、枝、花果、碎屑中各元素质量浓度，g/kg;Ml、Mb、Mf、Md分别为叶、枝、花果、碎屑的凋落量，kg/hm2;lt、ls分别为穿透雨、树干茎流净淋溶质量浓度，mg/L;T、S 分别为穿透雨量、树干茎流量，mm;cp、ct、cs分别为大气降雨、穿透雨、树干茎流中各元素质量浓度，mg/L;L、R分别为林冠淋溶量、林分各元素归还量，kg/hm2;lct、lcs分别为穿透雨、树干茎流淋溶系数。

3 结果与分析

3.1 凋落物的数量、组成和月动态

枫香人工林的年凋落量为4 935.6 kg/hm2，主要包括叶、枝、花果和碎屑，其中以叶为主，占凋落物总量的55.83%，其次是枝条(占34.07%)，花果和碎屑所占比例较小(仅为10.1%)，凋落量大小依次为叶＞枝＞花果＞碎屑。枫香为落叶树种，其叶的年凋落量即为叶生物量，达到2 755.7 kg/hm2。

枫香人工林凋落物的月动态变化如图1所示，可看出，枫香人工林在全年内都有凋落物，但凋落物的数量和组分在每个月的分布是不均匀的。凋落量的峰值出现在12月，达1 055 kg/hm2，这个月的凋落物量占全年凋落量的21.38%。

图1 枫香人工林凋落物各组分凋落量月动态Fig.1 Monthly dynamics of different components of litter in Liquidambar formosana plantation

枫香凋落物在2—5月相对较少，平均为184.8 kg/hm2，从6月开始凋落物量有了明显增高，6—8月为夏季，多暴雨，这一时期的凋落物主要是风吹雨打等机械原因造成的，9—10月凋落量逐渐增多，由于枫香为落叶乔木，11月进入深秋，生长停止了，随后开始大量产生凋落物，12月枫香月凋落物达到了了年度的最高峰。这与华北落叶松林凋落高峰出现在9月［12］不同，具有明显的地带性特征。凋落物的种类和数量的月变化会因树种和地域而异，受气候影响，枫香落叶主要集中在每年的11月、12月和翌年1月，但仍有极少量的残叶在2—3月凋落。

3.2 凋落物的养分归还量及月动态

凋落物中的养分归还是土壤肥力的重要来源。枫香人工林全年通过凋落物归还土壤的 N、P、K、Ca、Mg总量见表2。枫香人工林凋落物养分年归还量为111.849 kg/hm2。枫香人工林凋落物各组分养分质量浓度除了枝以外都是以N质量浓度最高，而各组分养分质量浓度最低的都是P。各元素归还量大小依次为N＞Ca＞K＞Mg＞P，其中N的归还量最高，占总归还量的42.5%，P的归还量最低，占总归还量的1.6% ，Ca的归还量占39.9%，K、Mg的归还量比较接近，分别占8.9%和7.1%，与刘洋等［5］对巨桉人工林研究结果N＞K＞Ca＞Mg＞P相似，仅在Ca和K的排序上有不同。

表2 枫香人工林凋落物养分年归还量Tab.2 Annual return amount of nutrients of litter in Liquidambar formosana plantation

枫香凋落物各组分的归还总量大小为叶＞枝＞花果＞碎屑，这与凋落量的组分大小顺序一致，其中落叶的养分年归还量占总归还量的63.6%。

叶是植物光合作用的主要器官，与植物的生命代谢过程密切相关。尽管在凋落前叶中的元素会大量发生生理转移，但养分质量浓度仍然比枝、皮等木质化组分高，加上落叶是凋落物的主要组分，在量上占了总凋落物的一半以上，因而落叶是凋落物养分归还的主体。

从图2 可以看出:N、P、K、Ca、Mg元素的月归还量最高峰均出现在12月，分别达到9.221、0.379、1.966、10.286和 1.98 kg/hm2，与凋落物量的最高峰出现的月份相同，最低值出现在3月，分别为0.825、0.02、0.13、1.23 和 0.151 kg/hm2。N 和 Ca归还量的变化范围是0.825～9.221和1.23～10.286 kg/hm2，P、K和 Mg的变化范围是0.02～0.379、0.13～1.966 和 0.151 ～1.98 kg/hm2，N 和Ca归还量的年变化范围明显大于P、K和Mg，对养分归还量的贡献也更大。

图2 枫香人工林凋落物养分归还量的月动态Fig.2 Monthly dynamics of nutrients return amount of litter in Liquidambar formosana plantation

3.3 大气降雨、穿透雨和树干茎流的养分特征

大气降雨通过枫香林冠后，其性质和浓度发生了明显变化。从表3可以看出，穿透雨和树干茎流养分质量浓度增加，且树干茎流增加得最多，这与樊后保［13］对杉木林研究的结论一致。降水经林冠层后，pH值降低，而树干茎流的pH值又低于穿透雨，这可能于树体表面酸性物质的淋洗和溶脱所致。树干茎流经过树体的时间较穿透雨长，因此酸的淋溶较多，酸性也较强。穿透雨和树干茎流中养分质量浓度增加的原因，一方面是由于大气降雨从植物组织中淋溶出一些物质，另一方面则是由于大气降雨洗脱附着在树叶、树枝和树干表面的颗粒物质。树干茎流淋洗的面积比穿透雨大，淋溶时间比穿透雨长，因而树干茎流养分质量浓度比穿透雨大。大气降雨、穿透雨和树干茎流中，质量浓度最高的均为Ca，分别为4.783、12.888 和12.924 mg/L，质量浓度最低的均为 P，分别为0.1、0.162和0.192 mg/L。大气降雨中养分元素质量浓度排列顺序为Ca＞N＞K＞Mg＞P，而穿透雨和树干茎流中的排列顺序为Ca＞K＞N＞Mg＞P。P是植物合成核酸的必要元素，但其质量浓度却很低，这与亚热带杉木幼林［14］、樟树人工林［15］、马尾松林、针阔叶混交林和季风常绿阔叶林［16］的研究结果相似。树干茎流中N和K的变异系数较小，分别为0.214和0.240，这说明树干对N和K的分泌及吸收、淋溶有一个相对稳定的过程。

表4为穿透雨和树干茎流净淋溶的养分质量浓度和淋溶系数，可以看出，穿透雨和树干茎流中各元素质量浓度均比大气降雨的高，树干茎流净淋溶均比穿透雨高。穿透雨和树干茎流中净淋溶质量浓度最高的元素都是Ca，分别为8.106和8.141 mg/L，最低的都是P，分别为0.062和0.092 mg/L。根据淋溶系数的大小排列，穿透雨的淋溶序列为Mg＞K＞Ca＞P＞N，树干茎流的淋溶序列为K＞Mg＞Ca＞N＞P，树干茎流中养分元素的富集作用比穿透雨强。

表3 大气降雨、穿透雨和树干茎流中养分质量浓度Tab.3 Nutrient elements concentration of rainfall，throughfall and stemflow

表4 穿透雨和树干茎流净淋溶的养分质量浓度和淋溶系数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年淋溶量分别为0.151、0.249、30.308、63.232 和 11.883 kg/hm2，总淋溶量为105.823 kg/hm2。其中Ca的年淋溶量最大，占总淋溶量的59.8%。吴飞华等［17］认为酸雨促进了Ca的淋溶，使穿透雨和树干茎流中Ca浓度升高。

3.5 养分的总归还

从表6可以看到，整个枫香人工林林分全年养分归还量 N、P、K、Ca和 Mg分别为 47.645、2.009、40.269、107.855 和 19.894 kg/hm2，按大小顺序排列为Ca＞N＞K＞Mg＞P。其中，凋落物归还量较大的是N和Ca，其凋落物归还量占总归还量的比例分别为42.5%和39.9%，而Ca和K在降雨淋溶归还量中占的比例很大，分别为59.8%和28.6%。枫香人工林总的年养分归还量为217.672 kg/hm2，通过凋落物归还的养分总量和降雨淋溶归还的养分总量相差不大，分别为111.849和105.823 kg/hm2。

表6 林分的年养分归还量Tab.6 Annual nutrients return in the forest kg/hm2

4 结论与讨论

1)枫香人工林凋落物养分归还量和凋落量在组分排序和月变化表现出相似的变化规律。枫香人工林凋落物各组分养分归还量排序与凋落量排序一致，均为叶＞枝＞花果＞碎屑。养分归还量月变化与凋落量月变化相似，均呈单峰型，峰值出现在12月;因此，枫香人工林凋落物养分归还量的变化主要受凋落量变化的影响。

2)大气降雨通过枫香林冠后，穿透雨和树干茎流的养分元素质量浓度增加，且树干茎流增加最多。降雨的化学性质受诸多因素的影响，包括降水强度、与前次降水的间隔时间、风向、大气环流、大气污染状况等等;因此，为保证分析数据的准确性，应尽量使取样的背景条件基本一致或相似，增加取样次数，以降雨量加权平均值来反映降水的化学性质。穿透雨和树干茎流中各元素质量浓度均比大气降雨的高，树干茎流中养分元素的富集作用比穿透雨强。

3)枫香人工林总的年养分归还量为217.672 kg/hm2，通过凋落物归还的养分总量和降雨淋溶归还的养分总量相差不大，分别为111.849和105.823 kg/hm2，可见降水淋溶的养分归还作用不可忽视;但由于缺乏足够的重视，目前国内的大多数养分归还研究均只涉及到凋落物而未测定雨水淋洗归还的养分，这就使这些研究结果中的养分归还量偏低。

本研究仅仅是一个开始，由于一年中归还到地表凋落物的养分总量要大于从这一部分凋落物中释放出来的养分量，而剩余的养分要在后续更长的时间里才能释放出来实现真正的养分归还。对于枫香人工林凋落物分解对养分归还的影响还需要进一步研究探讨。

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