不同林龄新疆杨养分特征与生物量研究

王永红,朱玉伟,桑巴叶,褚奋飞,刘康

(新疆林业科学院,新疆乌鲁木齐830046)

不同林龄新疆杨养分特征与生物量研究

王永红,朱玉伟,桑巴叶,褚奋飞,刘康

(新疆林业科学院,新疆乌鲁木齐830046)

分析了和田地区不同林龄新疆杨土壤有机碳、氮、磷、钾含量,林木根、干、枝、叶中N、P、K含量和生物量。结果表明:各林龄新疆杨土壤有机碳和全氮含量依次为成熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林;全磷含量为近熟林＞幼龄林＞成熟林＞中龄林;全钾含量为幼龄林＞近熟林＞成熟林＞中龄林。新疆杨根和叶中N、P含量随着林龄的增加而增加,K含量则表现出相反趋势;茎中N、P、K含量变化不大;不同林龄新疆杨生物量的器官分配比例虽有所不同,但均以干所占的比例最大,枝次之,叶最小。

新疆杨;土壤养分;营养元素;生物量

和田地区位于塔克拉玛干大沙漠的南缘,气候严酷,风沙、盐碱、干旱是威胁和田地区农牧业生产的三大自然灾害,生态十分脆弱。随着三北防护林工程的不断开展,该地区植被覆盖率有了明显的提高,生态环境得到了明显的改善。

新疆杨(Populus bolleana)为杨柳科杨属,落叶大型乔木,喜光,耐大气干旱和盐碱,深根性,抗风力强。该树种生长迅速,是新疆平原地区的重要速生用材树种,也是农田防护林和四旁绿化的主要树种[1]。选取和田地区墨玉县为研究地点,研究该区域不同林龄(幼龄、中龄、近熟和成熟)新疆杨人工林带1 m土壤养分变化情况,以及新疆杨器官营养元素含量和生物量特征,比较分析不同林龄新疆杨对土壤养分的影响差异,为和田地区乃至新疆植被恢复和生态环境建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点设在和田地区墨玉县芒来乡。墨玉县位于昆仑山北麓,塔克拉玛干大沙漠南缘,属暖温带干旱荒漠气候,具有典型的大陆性气候特征。地理坐标为79°08′—80°51′E,36°36′—39°38′N。年平均气温11.3℃,1月平均气温-6.5℃,7月平均气温24.8℃,极端最低气温-18.7℃,年平均降水量为36 mm,蒸发量2 390 mm,无霜期177 h,年日照时数为2 655 h。土壤类型为沙土、沙壤土,土壤养分含量和地貌特征在和田地区具有很好的代表性。

1.2 新疆杨生物量调查

在二类资源清查资料基础上结合野外全面调查,选取有代表性的新疆杨人工幼龄、中龄、近熟和成熟林带,样带基本情况见表1。在各林地分别设置3个500 m×10 m的样带。对样带内所有新疆杨进行每木检尺,测量树高和胸径。

表1 样带基本情况

1.2.1 枝叶生物量调查 根据每木调查结果,选取3株标准木,实测胸径及树高后伐倒,从第一活枝起将树冠等分3层,然后在各层内以枝径小于＜1 cm、1～2 cm、＞2～4 cm、＞4 cm标准进行分级,统计各层、各等级枝数,每级选取3个标准枝,称取带叶枝总鲜质量,随后摘净叶再称去叶鲜质量。同时分层分级各取200 g的枝叶样品一份装入自封带做好标记。然后将各样品置于105℃恒温箱内烘干至恒质量,计算含水率及各器官的干质量生物量。

1.2.2 树干生物量 解析木伐倒后,测定胸径、枝下高、树高和树高的1/4、1/2、3/4处的直径,并打去枝丫,用记号笔在树干上标出南、北方向。树高＜15 m者,在树高1.3 m处分段,以后按1 m长度分段,直到树梢不足1 m;树高＞15 m者,在树高1.3 m处分段,以后按2 m长度分段,直到树梢不足2 m。在地径处和树高1.3 m处截取3～5 cm的圆盘,分别记为0号盘和1号盘,各段采用中央断面区分求积法,在每个区分点的中间位置截取3～5 cm的圆盘,依次记录圆盘号。测定每个圆盘的带皮鲜质量和去皮鲜质量,测定各个区分段的鲜质量。

1.2.3 根系调查 在参考王成等分类办法的基础上,对选取的3株标准木的根系挖掘范围定为2 m ×2 m,挖掘深度视根系分布而定,直至无根系分布止。根系挖掘主要以人工挖掘为主,辅以机械动力,挖掘时分东南西北四个方向分层(0～20 cm、＞20～40 cm、＞40～60 cm、＞60～80 cm,＞80～100 cm)取根,根分径级(＜1 cm、1～2 cm、＞2～5 cm、＞5～10 cm、＞10 cm)称质量;测定记录根系小头断口直径;截取不同径级根段(30 cm)计算根系比重;不同层次不同方向根系各取4个根样进行营养物质测定,并取1个混合样测定根系含水量。根系生物量取挖掘范围内全根称质量,并分段(20 cm或30 cm)测定根系径级,径级相近的根系进行平均,通过径级变化拟合回归方程,利用测定断口直径推导挖掘范围以外的根系长度、体积和质量;根桩测定直径,由于根桩近似圆球体,以圆球体体积公式(4/ 3πr3)计算根桩体积,并乘以系数0.7,通过根系比重推导根桩鲜质量。每1株取样200 g,重复3次。将样品置于105℃烘箱内烘干至恒质量,计算含水率及根系的干质量生物量。

1.3 土壤样品采集

在各样带内按对角线布点法布设3个土壤样点,分层采集0～10 cm、＞10～20 cm、＞20～40 cm、＞40～60 cm、＞60～100 cm不同深度土壤样品,去除植物根系和石块,将每个样点得到5个层次的混合取样装入自封袋后带回实验室,自然风干,磨碎,过0.25 mm钢筛后用于土壤养分、有机碳的测定。

1.4 养分分析方法

土壤有机碳测定采用外加热-重铬酸钾容量法;全氮测定用浓硫酸消煮,凯氏定氮法;全磷测定用H2SO4—HCl O4消煮,钼锑抗比色法;全钾测定采用氢氧化钠碱熔火焰光度法[2]。将外业采集的植物样品80℃烘干至恒质量,粉碎、装瓶。进行化学分析之前,105℃下烘1 h,准确称样。氮和钾含量按土壤方法测定,磷含量用H2SO4—HCl O4消煮,钼锑抗比色法。数据处理采用Excel软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同林龄新疆杨人工林土壤有机碳含量

土壤有机碳是土壤养分循环转化的核心,是土壤肥力的重要组成部分,其含量及其动态平衡也是反映土壤质量的一个重要指标,并对土壤肥力的可持续性有重要影响[3]。由图1可知,各林龄新疆杨林地土壤有机碳含量随着林龄的增加,新疆杨林地土壤有机碳含量在显著增加,幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林新疆杨林地土壤有机碳含量分别为0.070 4、0.097 7、0.120 8和0.141 3 kg m-2。

图1 不同林龄土壤有机碳储量

2.2 不同林龄新疆杨人工林土壤全氮含量

土壤全氮含量是衡量土壤氮素供应状况的重要指标。土壤中的氮素含量主要取决于生物量的积累和土壤有机质分解的强度。植被类型、水热状况和土壤侵蚀的强度等都影响其含量[4]。图2表明,各林龄新疆杨林地土壤全氮含量随着林龄的增加呈现稳步增加的趋势。各林龄土壤全氮含量依次为成熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林。

图2 不同林龄土壤全氮含量

2.3 不同林龄新疆杨林土壤全磷含量

土壤全磷含量是衡量土壤磷元素供应状况的重要指标。磷素在多种土壤类型中是个限制因子,决定着植被生产力的大小和物种组成的变化[5]。各林龄土壤全磷变化如图3所示。幼龄林、近熟林和成熟林新疆杨林地之间全磷含量差异不显著,但均显著高于中龄林新疆杨林地。各林龄土壤全磷含量依次为近熟林(1.14 g kg-2)＞幼龄林(1.05 g kg-2)＞成熟林(0.98 g kg-2)＞中龄林(0.65 g kg-2)。

图3 不同林龄土壤全磷含量

2.4 不同林龄新疆杨人工林土壤全钾含量

土壤全钾量是指土壤中各种形态钾素含量的总贮量[6]。钾素在土壤中主要以矿物的结合形态存在,主要存在于铝硅酸盐中。从图4可以看出,幼龄林新疆杨林地土壤全钾含量显著高于其他林龄新疆杨林地土壤全钾含量,中龄林、近熟林和成熟林新疆杨林地土壤全钾含量差异不显著。各林龄土壤全钾含量依次为幼龄林(5.03 g kg-2)＞近熟林(4.48 g kg-2)＞成熟林(4.37 g kg-2)＞中龄林(4.25 g kg-2)。

图4 不同林龄土壤全钾含量

2.5 不同林龄新疆杨生物量动态

植物群落生物量水平是生态系统结构和功能的重要表现形式,是植物生态学特性和外界环境条件共同作用的产物[7]。由表2可以看出,随着林龄的增加,不同林龄新疆杨根干枝叶生物量及植株总生物量呈增加趋势,其中干、枝生物量及总生物量随着林龄的增加显著增加,新疆杨成熟林干生物量分别是幼龄林、中龄林和近熟林的34.7、4.2和1.8倍。新疆杨成熟林枝生物量分别是幼龄林、中龄林和近熟林的34.9、5.7倍和2.8倍。新疆杨成熟林总生物量分别是幼龄林、中龄林和近熟林的29.4、4.1和1.9倍。除新疆杨成熟林以外,其他林龄新疆杨叶生物量随林龄增加显著增加。

不同林龄新疆杨生物量的器官分配比例均呈现出干＞枝＞根＞叶。但随着林龄的增加,根生物量所占比例随林龄增大而减小,新疆杨幼龄林根生物量约占总生物量的13.67%,成熟林则只占6.7%;树干则与之相反,所占比例随林龄增加而增大,成熟林林分最后达到68.9%;叶的生物量所占比例在5年生时最大,为9.0%,随后表现出减小的趋势(表2)。

表2 不同林龄新疆杨根干枝叶生物量 kg m-2

3 结论与讨论

不同林龄新疆杨人工林土壤有机碳含量顺序为成熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林。土壤有机碳含量增加,这主要是由于随着新疆杨的生长,林地凋落物增加,有机质的输入量大于分解量,从而表现出有机碳含量高。

土壤全氮含量变化与有机碳含量变化趋势一致,这是因为土壤中的氮素有99%以上来源于有机质,以腐殖质形式存在,因此土壤有机质(碳)含量越高,土壤氮素含量越高。

土壤全磷含量主要受土壤母质和成土作用的影响,所以林地的林龄对土壤磷含量影响不大。而对于农田,由于农民施肥,再加上磷在土壤中流动性差,导致磷素在农田土壤中不断积累。中龄林新疆杨林地全磷含量相对较低,这可能是因为新疆杨在中龄林生长旺盛,对土壤中磷素的需求量较大,与苏少华[8]的研究结论相似。各林龄新疆杨林土壤全钾含量的中龄林林地相对较低,可能是由于新疆杨在中龄林对土壤钾素需求量也较大。

不同林龄新疆杨各器官氮、磷和钾含量顺序均为叶＞根＞茎。植物的叶生理代谢活动很旺盛,是光合作用、呼吸作用等重要生理活动的主要器官,所以营养元素在叶中的含量远远高于其他器官。茎以木材(主要由死细胞壁组成)为主,其生理代谢活动最弱,因而各种营养元素含量也最低。随着林龄的增加,根和叶中氮、磷含量呈增加趋势,而钾含量随林龄的增加呈降低趋势。各林龄茎中氮、磷和钾含量变化不大,G.I.Agren[9]认为,林木各器官内的营养元素含量随着林龄的增加而减少。本研究除了钾以外,氮和磷都表现出相反的趋势,这可能与新疆杨通过根瘤菌共生形成固氮能力有关。

不同林龄新疆杨各器官生物量及总生物量随林龄的增加呈增加趋势。此外,4个不同林龄的新疆杨生物量的器官分配的比例均呈现出茎＞根＞叶的规律性。随着林龄的增加,茎占总生物量的比例逐渐增加,叶与根占总生物量的比例呈减小趋势。

土壤养分反映了土壤为植物生长供应和协调营养条件的能力,大量研究表明,土壤肥力状况可以揭示已有土地的利用效果,并且对植被的生长起到重要作用[10]。通过本研究可以看出,随着林龄的增加,人工新疆杨林可以明显改善土壤营养状况,并在近熟林时土壤营养状况趋于稳定。新疆杨各器官的N、P、K元素在近、成熟林时达到最高,并且稳定,表明新疆杨人工林养分状况在近熟时得到了明显的改善并趋于稳定。

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Nutrients and Biomass of Different-aged Populus bolleana Plantations

Wang Yonghong,Zhu Yuwei,Sang Baye,Chu Fenfei,Liu kang
(Xinjiang Academy of Forestry,Urumqi 830046,China)

Contents of soil organic carbon(SOC),total nitrogen(N),phosphorus(P)and potassium(K)in soils,and N,P,K contents and biomass of root,stem,branch&leaf of different-aged Populus bolleana plantations in the Hetian region of China were analyzed.Result shows that the descending order of SOC and total N concentrations is mature plantation＞near-mature plantation＞middle-aged plantation＞young-aged plantation;the descending order of total Pis near-mature plantation＞young-aged plantation＞mature plantation＞middle-aged plantation.The descending order of content of total K is young-aged plantation＞near-mature plantation＞mature plantation＞middleaged plantation.Content of N and P in roots and leaves increase with the increase of the stand age of plantation,but the opposite pattern was found for K concentrations in roots and leaves.Content of N,P and K in stem remained unchanged across different-aged plantations.Among biomass of different tissues in different-aged plantations,the descending order of biomass allocation is stems＞roots＞leaves.

Populus bolleana;soil nutrient;nutrient element;biomass

S792.11

:A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.11.002

1005-5215(2015)11-0004-03

2015-09-09

新疆维吾尔自治区林业重大专项项目(xjlk [2013]010号);新疆维吾尔自治区公益性科研院所基本科研业务费专项项目(2013-5-6)

王永红(1965-),女,新疆乌鲁木齐人,大学,高级工程师,从事荒漠化防治研究.