尾巨桉人工林营养元素积累及其生物循环特征1)

朱宇林

(玉林师范学院，玉林，537000)

何 斌 杨钙仁 罗柳娟 刘红英 刘 莉 覃祚玉

(广西大学)

桉树(Eucalyptus)具有适应能力强、生长迅速、单产高、生长周期短、树干通直、用途广泛和经济效益高等特点，为世界许多国家引种和推广的速生树种［1－2］，已成为我国华南地区短周期工业用材林生产基地的首选树种。尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis)是由尾叶桉(E.urophylla)和巨桉(E.grandis)杂交获得的杂交种，具有生长快、干形好、轮伐期短、伐根萌芽力强、无性繁殖容易、经济效益高等特点，是目前我国南方实施速生丰产用材林基地建设的主要桉树优良品种之一，并取得了显著的经济效益［3－4］。但是，如何合理经营和科学地管理尾巨桉人工林，维持其持久生产力，已成为当前和今后林业生产实践和生态环境建设面临的实际问题。

养分循环是维持森林生态系统稳定和生产力的功能过程之一［5－6］，尾巨桉林养分循环的研究不仅能揭示该生态系统物质循环机制，而且对指导林业生产、调节和改善林木生长的环境、提高系统的养分利用率和最大限度地提高生产力都具有重要意义。国内有关桉树人工林养分循环的研究已有不少报道［7－12］，但多数都是对某一年龄(或林龄)桉树养分循环进行研究，其中对尾巨桉人工林的研究仅见于幼龄林(2年生)的报道［12］，缺乏对林分养分循环的连续监测与分析，难以反映尾巨桉人工林生长中的养分循环过程。为此，本研究通过4.5 a的定位观测与分析，对1.5～4.5年生尾巨桉人工林主要营养元素的积累、分布和生物循环进行了研究，以揭示尾巨桉人工林营养元素循环的特点及其变化趋势，为桉树生产的经营管理，特别是林木施肥管理，以及防止桉树人工林地力衰退提供科学依据。

1 试验地概况

试验地位于广西南宁市北郊，地理位置为东经108°21'，北纬 22°58'，地处南宁盆地的北缘，大明山山脉南伸的西支。属南亚热带季风气候，年平均气温21.8℃，极端最高气温40℃，极端最低气温－2℃，≥10℃年积温约7200℃。年降水量1200～1500 mm，降雨多集中在5—9月份，年蒸发量1250～1620 mm，年日照时数1450～1650 h，相对湿度大约79%［5］。标准地位于山坡中部，海拔高度约200 m，坡度25°～28°，东南坡，土壤类型为砂页岩发育形成的赤红壤，土壤厚度在80 cm以上。

试验地前茬林分均为杉木(Cunninghamia lanceolata)纯林，于2001年年底砍伐，经炼山后按株行距2 m×3 m挖明穴，穴的长×宽×高为60 cm×40 cm×40 cm。于2002年4月用尾巨桉营养苗栽植，初植密度为1650株/hm2，种植前0～40 cm土层土壤有机质、全N、全P和全K质量分数分别为16.72、0.97、0.32 和14.20 g/kg，交换性钙和交换性镁质量分数分别为49.52和7.86 μg/g。造林前每穴施钙镁磷肥500.0 g作基肥，植后当年7月份锄草抚育并施尿素100.0 g，9月份锄草抚育并施复合肥250.0 g。经林分自疏和间伐后，各不同林龄尾巨桉人工林林分特征见表1(均为当年10月份测定的数据)。

表1 尾巨桉人工林林分特征

2 研究方法

标准地的设置和林分生物量的测定:在立地条件相似的尾巨桉人工林中设置3块20 m×20 m固定标准地，并对标准地内的每株树木进行编号，每年10月测定标准地内树木的树高和胸径。根据林分生长调查结果，同时为了不破坏试验地的林分，每年均在标准地外围选择代表平均值的3株标准木(平均木)，采用收获法测定标准木的生物量。地上部分采用Monsic分层切割法，每2 m为一区分段，分干材、干皮、树枝、树叶，分别称质量;地下部分(根系)采用全根挖掘法，分根蔸、粗根(根系直径(d)≥2.0 cm)、中根(0.5≤d＜2.0 cm)、细根(d＜0.5 cm)，分别称质量。取样测定各器官的含水率及干质量，计算林分生物量，以年平均增长量作为净生产力的估测指标。同时在每个标准地内各随机设置5个1 m×1 m的小样方，调查样方内植物种类、个体数、高度和覆盖度等。灌木和草本层用样方法收割和称量地上部鲜质量，再挖掘和称量样方地下20.0 cm范围内的根;凋落物层则采用收集和称量样方内所有凋落物，同时取样测定含水率和干质量。

年凋落物归还量的测定:在每个标准地内随机设置5个1 m×1 m的木框架尼龙网收集器，收集网的孔径为1.0 mm，每月月底收集凋落物1次，带回室内，按叶、枝、花果和杂物等组分烘干测定生物量［6］。

植物样品营养元素分析:在测定生物量的同时按不同组分采集分析样品;凋落物样品为按各月份凋落物质量比例各选取一定量的凋落物混合后作为化学分析样品。样品中N质量分数采用浓H2SO4－HClO4－氨气敏电极法测定［13］，P质量分数用钼锑抗比色法测定，K用火焰光度计法测定，Ca、Mg用原子吸收光谱法测定［14］。

养分循环参数的计算:采用养分利用系数、循环系数和周转时间等生物循环参数来分析养分循环的特征。按照生物循环公式(吸收量=存留量+归还量)进行计算。上述养分利用系数为吸收量与储存量的比值，表明林木维持其生长所需的营养元素量;循环系数为归还量与吸收量的比值，表征营养元素的循环强度;周转时间为营养元素经历一个循环周期所需的时间，即营养元素的总储存量除以归还量［15］。

3 结果与分析

3.1 营养元素质量分数

由表2可见，尾巨桉平均单株不同器官的营养元素质量分数相差较大，并且在不同林龄之间也存在一定的差异。作为同化器官的树叶，其生长周期短，是合成有机物质的场所，也是代谢最活跃的器官，因此，其营养元素质量分数大多为最高;而干材以木质为主，其生理功能最弱，大多数养分已被消耗或转移，因而元素质量分数也最低。就尾巨桉各器官中营养元素质量分数而言，其排序大致为:树叶＞干皮＞树枝＞树根＞干材。在不同林龄的人工林中，各器官营养元素质量分数也有所差异。除N元素外，干材和树根，尤其是干材的不同营养元素质量分数表现出随林龄增长而减小的趋势。在不同器官中，N在树叶中的质量分数最高，K、Ca和P在树叶和干皮中的质量分数最高，Mg元素则以树皮中的质量分数为最高。

表2 不同林龄尾巨桉人工林营养元素质量分数

3.2 营养元素积累与分布

从表3 可以看出，1.5、2.5、3.5 和 4.5 年生尾巨桉人工林营养元素积累量分别为452.19、701.52、771.89 和 850.54 kg/hm2，营养元素积累量随林龄的增加而增大，但其增加幅度随林龄增大而减少，其中 1.5 ～2.5 年生增加249.33 kg/hm2，增加幅度达到55.14%，远高于其他林龄间的增长幅度。乔木层作为林分营养元素的主要组成部分，其营养元素积累量分别占不同林龄林分营养元素积累总量的 70.92%、80.16%、80.73% 和 79.74%，林下植被即草本层和灌木层分别占22.99%、14.61.%、14.69%和13.84%，林分现存地表凋落物层分别占6.12%、5.27%、4.63%和 6.48%。

如将林木器官分为树冠(树枝和树叶)、树干(干材和干皮)和树根3部分，则尾巨桉人工林上述3个部分营养元素积累量分别占乔木层积累量的32.23% ～37.37%、49.49% ～54.44% 和 8.20% ～18.28%。而从乔木层各种营养元素积累量来看，多数以Ca积累量最大，其占总积累量的25.67% ～32.30%;P 的积累量最小，仅占3.25% ～3.99%，其它营养元素所占比例均为K＞N＞Mg，与位于相同区域马占相思和厚荚相思等固氮树种存在较大差异［6，16］。

3.3 营养元素年净积累量

从表4 可以看出，1.5、2.5、3.5 和 4.5 年生尾巨桉人工林乔木层营养元素年净积累量分别为213.79、224.93、178.04 和 150.72 kg/(hm2·a)。可见，种植后1.5～2.5年生是尾巨桉人工林生长最快的时期，其营养元素的净积累量增幅也最大，随后2.5～4.5年生营养元素的净积累量呈下降趋势。而从不同器官营养元素年净积累量来看，干材营养元素年净积累量随林龄的增加而减少，而树叶和干皮除1.5 ～2.5 年生呈上升外，2.5 ～3.5 年生和3.5 ～4.5年生均随林龄增加而下降。可见，尾巨桉人工林营养元素年净积累量的变化有利于减轻其在2.5年生后林木生长对营养元素的依赖。

表3 不同林龄尾巨桉人工林营养元素的积累与分配

不同林龄尾巨桉人工林营养元素年净积累量多呈现出 K 或 Ca＞N＞Mg＞P，其中1.5年生表现为 K＞Ca＞N＞Mg，此后均为 Ca＞K＞N＞Mg。从各营养元素在不同器官的年净积累量看，N在树叶和干皮中积累量最大;P在干材中积累量最大，在树枝、树根中积累量较小;K在干材中积累量最大，在树枝和干皮中积累量较小;Ca和Mg在干皮中积累量最大，在干皮或树根中积累量较小。

表4 尾巨桉人工林营养元素年净积累量

表5 尾巨桉人工林营养元素生物循环

3.4 营养元素的生物循环

从表5 可见，1.5、2.5、3.5 和 4.5 年生尾巨桉人工林5种营养元素归还量分别为68.83、73.88、63.42和54.23 kg/(hm2·a)，吸收量分别为282.61、298.81、241.461 和 204.95 t/(hm2·a)，两者均随林龄的增长呈现先增大(1.5～2.5年生)后减少(2.5～4.5年生)的趋势，但归还率都不高，仅为21.46% ～26.46%。不同营养元素的年归还量和吸收量存在较大的差异，以Ca归还量最多，其次是N和K，P最小，且N、Ca的归还量都与营养元素总归还量的变化趋势相一致，P和K的归还量则呈现先减少(1.5～2.5年生)后增大(2.5 ～4.5 年生)的趋势。不同林龄尾巨桉人工林存留量大致以Ca最多，其次是K、N，P最少。

不同林龄尾巨桉人工林的营养元素利用系数为0.30～0.88，随林龄的增加而减少(表5);循环系数为0.24 ～0.26，周转期为4.66 ～12.51 a，均随林龄的增加而增大，其中各林龄的周转期均明显大于其相应林龄。不同营养元素的循环速率以Mg最快，利用系数也最高，周转期最短;P和K的循环速率最低，利用系数相应也最低，周转时间则最长。

4 结论与讨论

尾巨桉各器官营养元素质量分数因器官和林龄不同存在差异，总体表现为树叶＞干皮＞树枝＞树根＞干材。不同营养元素在各器官中的质量分数也因器官不同而存在一定的差异，N元素在树叶中的质量分数最高，K、Ca和P元素在树叶和树皮中的质量分数最高，Mg元素在树皮中的质量分数最高。

1.5～4.5年生尾巨桉人工林营养元素积累量为452.19 ～850.54 kg/hm2，其中乔木层营养元素积累量占70.92% ～80.73%，树干(干材和干皮)营养元素积累量则占乔木层的49.49% ～54.44%。因此，从营养元素积累与分布看，在采伐时如果只取走主干，而将其他剩余物(叶、枝、根等)归还土壤，会明显减少林地养分的消耗，养分损失不会太大。但目前各地多数采用的是桉树全树利用方式，加上采伐后采用炼山整地方式，虽然提高了木材利用率，有利于营林作业，但对维持林地地力不利。

1.5、2.5、3.5 和4.5 年生尾巨桉人工林乔木层营养元素年净积累量分别为 213.79、224.93、178.04 和150.72 kg/(hm2·a)，其变化趋势与乔木层营养元素积累量存在明显的差异，表明种植后至2.5年生既是尾巨桉的快速生长期，同时也是其对营养元素吸收的旺盛期;由于不同林龄尾巨桉人工林营养元素年吸收量和存留量(年净积累量)为K或Ca＞N＞Mg＞P，而林地土壤交换性钙、镁含量均不高，因此，在重视N、P、K肥施用的同时，应重视Ca、Mg，特别是Ca肥的施用，以促进林木的生长发育，维持林地的养分平衡。

1.5～4.5年生尾巨桉人工林大量元素归还量为54.23 ～73.88 kg/(hm2·a)，吸收量为 204.95 ～298.81 t/(hm2·a)，归还率为 21.46% ～26.46%，远低于相同或相近林龄的马占相思、厚荚相思人工林(45% ～ 49%)［6，16］，这也是尾巨桉人工林与杉木人工林一样不利于土壤肥力恢复和维持的重要原因之一［17］。不同林龄尾巨桉人工林营养元素利用系数为0.30～0.88，随林龄的增加而减少，循环系数为0.24 ～0.26，周转期为 4.66 ～12.51 a。总的来说，1.5～4.5年生尾巨桉人工林处于生长旺盛期，营养元素的积累速率快，会大量消耗林地养分，其归还的养分又较少，归还速率较慢，而目前经营尾巨桉人工林的轮伐期多数为5～6 a，有的甚至缩短至不到4 a，加上多数采用桉树全树利用，以及采伐后采用炼山整地方式，不利于林地土壤肥力的恢复、维持和提高。因此，进行合理的林地土壤管理，尤其是进行合理施肥管理，保留林地凋落物，适当保留草本、灌木［18］，或者采用桉树与固氮树种如相思树混交［19－20］方式进行经营，增加地被层促进桉树林地形成良性的物质循环，从而恢复和维持其地力，对尾巨桉人工林长期生产力的维持，促进尾巨桉人工林可持续发展有着重要的作用。

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