滨海沙地纹荚相思人工林凋落物及养分归还动态研究

2016-01-15郜士垒,何宗明,丁国昌等

西南林业大学学报 2015年2期

郜士垒1,2何宗明1,2丁国昌1,2林宇3林思祖1,2刘桌明1,2

(1.国家林业局杉木工程技术研究中心, 福建福州 350002；

2.福建农林大学林学院,福建,福州,350002；3.福建省长乐大鹤国有防护林场，福建长乐 350212)

摘要：2011年10月至2012年9月，通过对福建长乐滨海沙地纹荚相思人工林凋落物量进行为期12个月的定位监测，并对凋落物养分特征及归还动态进行研究。结果表明，纹荚相思人工林年凋落物量为5.3t/hm`2，具有明显的季节动态，呈单峰型，最大值出现在2012年6月；叶子是凋落物的主要形式，占总凋落物量的67.85%，其次是落枝、杂叶、碎屑、杂果、落果、花、杂枝、皮；5种营养元素在凋落物中的平均含量大小表现为N>K>Ca>Mg>P。5种元素的年通量大小为127.98kg/(hm`2·a)，其中氮元素年通量最大，为75.63kg/(hm`2·a)，磷元素年通量最小，为2.24kg/(hm`2·a)；纹荚相思人工林叶凋落物N、P、K、Ca、Mg 5种养分元素的归还动态模式相似，归还量均在7月达到最大值，Fe、Mn、Zn、Cu 4种微量元素的年归还量为1.272、2.261、0.192、0.023kg/(hm`2·a)。凋落物各组分中微量元素Mn含量最高，其次是Fe、Zn，而Cu最低。

关键词：纹荚相思；人工林；凋落物；养分归还；滨海沙地

中图分类号：S718.5；S154.3

文献标志码：A

文章编号：2095-1914(2015)02-0017-07

Abstract:A twelve-month field study was conducted to measure litterfall production and its nutrient return characteristics of a Acacia aulacocarpa plantation forest in a coastal sandy plain area from October 2011 to September 2012 in Changle, Fujian. The results showed that the annual litterfall production in the studied plantation site was 5.3t/hm`2, the quantity of the litterfall dynamically changed along the seasons, expressing ‘single peak’ in June 2012. Leaf litter was the main component and accounted for 67.85% of total amount, followed by branches, miscellaneous leaves, debris, miscellaneous fruits, fruits, flowers, miscellaneous branches and bark. The average concentrations of 5 macronutrient elements in the litterfall decreased in the following order N>K>Ca>Mg>P. The fluxes of these 5 macronutrient elements in the litterfall was 127.98kg/(hm`2·a), the annual flux of nitrogen was maximum, which content was 75.63kg/(hm`2·a); and the annual flux of phosphorus was minimum, which content was 2.24kg/(hm`2·a). These 5 macronutrient return patterns were similar, and reached the maximum in July, the annual returns of these four trace elements(Fe、Mn、Zn、Cu)were 1.272kg/(hm`2·a), 2.261kg/(hm`2·a), 0.192kg/(hm`2·a), 0.023kg/(hm`2·a). In plant of litterfall, concentration of Mn was the highest among the four elements, followed by Fe, Zn, while Cu was the lowest in various components of Acacia aulacocarpa plantation.

Keywords:Acacia aulacocarpa; plantation;litterfall; nutrient return; coastal sandy plain area

收稿日期：2014-10-26

基金项目：广东省林业科技创新专项资金项目(2013KJCX001-07)资助；国家林业局重点研究项目(2003-009-03-L09)资助。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.004

Litterfall Production and Nutrient Return Dynamics of

AcaciaaulacocarpaPlantation in a Coastal Sandy Plain Area

GAO Shi-lei1,2, HE Zong-ming1,2, DING Guo-chang1,2, LIN Yu3, LIN Si-zu1,2, LIU Zhuo-ming1,2

(1.State Forestry Administration Engineering Research Center of Chinese Fir, Fuzhou Fujian 350002, China;

2.College of Forestry,Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou Fujian 350002, China;

3.Changle Dahe State-Owned Protection Forest Farm of Fujian Province, Changle Fujian 350212, China;)

森林枯落物是森林生态系统的重要组成部分，是森林生态系统物质循环和能量流动的重要环节，对维持森林生态系统的稳定性、保护森林资源多样性等方面起着重大作用，此外，森林凋落物还对涵养水源和水土保持具有重要意义[1-2]。森林凋落物在维持土壤肥力和生态系统的正常循环、养分平衡等方面起着重要的作用[3]，作为森林生态系统碳库的重要组成部分，森林凋落物在森林生态系统碳储存和碳转移中发挥着重要的作用[4]。森林凋落物包括林下枯死的草本植物及枯死植物的根，还包括林分内乔木和灌木的枯叶、枯枝、落皮及繁殖器官，野生动物残骸及代谢产物[5]。森林凋落物是参与森林生态系统养分生物循环的重要途径，其所含有的养分是供给森林植物生长发育所需养分的重要来源。森林凋落物每年归还给土壤的N元素量占森林生长所需要总N量的70%～80%，P占65%～80%，K占30%～40%[6]。因此，对凋落物养分元素归还进行研究，有助于揭示林地生产力的生态学过程和维持机制[7]。与大量元素一样，作为林木营养的重要组成部分，微量元素对人工林森林生态系统的稳定性、可持续性以及生物生产力等方面也起着重要的作用[8]。

纹荚相思(Acaciaaulacocarpa)为豆科金合欢属常绿乔木阔叶树种，原产于澳大利亚，天然分布于澳大利亚的新南威尔士到巴布亚新几内亚的南部地区。纹荚相思属于湿热带和亚湿热带的速生树种，早期生长快，在其适合生长地区能耐贫瘠，适应各种土壤，能耐轻霜。纹荚相思也是一种早期非常速生的短轮伐期树种，在滨海沙地种植能获得很高的木材产量。纹荚相思树体高大，枝叶茂密，抗风性较强，对土壤具有良好的改良作用。在滨海沙地引种纹荚相思，可丰富沿海防护林树种结构，美化海滨森林景观，防风固沙，改善生态环境[9]。

国内外对凋落物的研究已有不少报道，主要集中在凋落物产量及凋落物分解2个方面[10-15]，我国自20世纪60年代初开展了凋落物的研究，对人工林凋落物量及养分归还动态的研究主要集中于杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)等少数几个造林树种[16-21]，但是关于滨海沙地纹荚相思凋落物尚无报道。本研究主要通过分析滨海沙地纹荚相思凋落物的动态变化及养分归还特征，为进一步揭示纹荚相思人工林养分循环特征提供科学依据。

1研究地自然概况

研究地位于福建近海岸的长乐大鹤国有防护林场，其东临东海，属于沿海防护林基干林带区域。研究地海拔高度为5～13m，属于亚热带海洋性季风气候，气候温和多雨，最高气温35 ℃，最低温度0 ℃，年平均温度为19.2 ℃，年均降水量为1200～1800mm，无霜期326d，年日照2000～2300h，年积温7400～7700℃，平均湿度77%。风向全年基本维持为东风，平均风速在4m/s，台风多发生在7月或者8月，每年平均4～6次，最高风力可达12级以上，台风发生时常伴随着暴雨或者大暴雨。研究地土壤均为滨海风沙土，砂层深厚，可达6～10m，土壤肥力差，保水能力低。防护林中林下天然植被稀少，零星分布的植物有硕苞蔷薇(Rosabracteata)、马缨丹(Lantanacamara)、茅莓(Rubusparvifolius)等[22-23]。纹荚相思人工林2003年春季种植，平均树高为9.28m，平均胸径为9.22cm，分叉数为2.88，林分密度为1500株/hm2。

2研究方法

2.1凋落物收集

在2003年春季种植的纹荚相思人工林中随机选择3块样地，在各个样地里随机设置3个0.5m×0.5m的凋落物收集框，定期(每月月底)收集落在框架里的凋落物，将同一样地内3个凋落物框架里的凋落物装入塑料袋中，带回实验室，将落叶、落枝、落果、皮、落花、杂叶、杂枝、杂果、碎屑(昆虫尸体及粪便，鸟类粪便以及植物碎屑)区分开，分别将其放入80℃恒温的烘箱中烘干48h后称量。

2.2样品处理

烘干的各个组分利用自动球磨仪将样品磨碎至过0.154mm筛，即制成待测样。利用碳氮元素分析仪(Elemental Analyzer Vario ELIII)测定待测样品的碳氮含量(%)，采用硝酸-高氯酸消煮法制取待测液，利用原子吸收分光光度计测定凋落物中K、Ca、Mg元素含量，利用钼锑抗比色法测定全P含量。Fe、Mn、Cu、Zn采用HNO3-HCiO4消化法消煮后，用原子吸收光谱法测定。

2.3凋落物中各养分元素归还量的计算

凋落物养分归还量计算公式为：

式中：W为凋落物养分的年归还量；Mi为第i个月的凋落物量；Ki为第i个月凋落物养分含量。

3结果与分析

3.1纹荚相思人工林凋落物量及组成

纹荚相思人工林年凋落物总量为5.3t/hm2，在凋落物组成中落叶占总凋落物量的67.85%；其次是落枝量为(12.34%)、杂叶(7.63%)、碎屑(7.02%)、杂果(2.38%)、落果(1.19%)、花(1.00%)、杂枝(0.35%)、皮(0.24%)。

3.2凋落物量的季节动态

纹荚相思人工林凋落物量显示出明显的季节变化(图1)，呈单峰型，峰值出现在2012年6月，占总凋落物量的24.4%，最小值出现在2011年11月，为0.162t/hm2。从图2可以看出,叶凋落量的变化模式与凋落物总量的变化模式相似，且落叶在凋落物总量中占绝大多数，所以叶凋落量在一定程度上决定纹荚相思人工林的凋落总量。在叶凋落量季节变化中峰值出现在2012年7月，为0.671t/hm2。在枝凋落量季节变化中峰值出现在2012年6月，为0.448t/hm2，而其他月份凋落量与6月份相比非常少，且月变幅相对较小。皮、花、果、碎屑、杂枝仅在少数月份出现且凋落量非常少，皮仅出现在2012年5月，凋落量为0.012t/hm2；出现花凋落的月份为2011年10月，11月和2012年5月；凋落的果实仅在2012年7月、8月出现；凋落物中碎屑出现在2011年10月、11月和2012年5、6、7、9月；凋落物中杂枝出现的月份为2011年10月和2012年7月。每个月份杂果、杂叶的量均相对较小且月变幅不大。

3.3凋落物的养分归还

3.3.1凋落物的养分含量变化纹荚相思人工林凋落物不同组分的养分元素含量变化趋势不同，结果见表1。

表1　凋落物中各组分养分元素的平均含量

由表1可知，落枝的养分元素含量变化趋势为N>Ca>K>Mg>P；落叶的养分元素含量变化趋势为N>Mg>K>Ca>P；落花的养分元素含量变化趋势为N>K>Ca>Mg>P；凋落物中杂叶的养分元素含量变化趋势为Ca>N>K>Mg>P；杂果的养分元素含量变化趋势为N>K>Ca>Mg>P；皮的养分元素含量变化趋势为Mg>Ca>N>K>P；碎屑物的养分元素含量变化趋势为N>K>Ca>Mg>P。但总体来说，凋落物中养分元素的变化趋势为N>K>Ca>Mg>P。

3.3.2凋落物养分元素的归还量凋落物各组分养归还量(通量)计算结果见表2。

表2　凋落物中各组分养分元素的年归还量

由表2可知，凋落物中不同组分养分元素的年归还量与各组分养分元素的平均含量变化趋势相同。其中N元素的年通量为75.63kg/hm2，P元素的年通量为2.24kg/hm2，K元素的年通量为17.30kg/hm2，Ca元素的年通量为17.45kg/hm2，Mg元素的年通量为15.36kg/hm2。凋落物中不同的组分所含营养元素的通量存在较大的差异，其中落叶占绝大部分，占总归还量的72.14%，其余组分按5种元素总量的平均排列表现为，碎屑物>落枝>杂叶>杂果>花。

3.3.3凋落物微量元素的归还量凋落物微量元素归还量(通量)见表3。

表3　凋落物中各组分微量元素的年归还量

如表3所示，Fe元素的年通量为1.272kg/hm2，Mn元素的年通量为2.261kg/hm2，Zn元素的年通量为0.192kg/hm2，Cu元素的年通量为0.023kg/hm2。纹荚相思林微量元素归还量的大小排列次序为Na>Mn>Fe>Zn>Cu。凋落物中不同的组分所含微量元素的通量存在较大的差异，由于凋落物中叶子绝大部分，因此落叶归还土壤的微量元素最多，其余组分按5种元素总量的平均排列表现为，杂叶>碎屑物>落枝>杂果>花。

3.3.4凋落叶养分归还月动态由于叶凋落物量在凋落物总量中占绝大多数，且叶凋落物养分归还量也占总归还量的绝大部分,所以叶凋落物养分归还量在一定程度上主导凋落物养分归还总量。因此,叶凋落物养分的归还动态也能在一定程度上反映凋落物养分归还总量的趋势。从图3可看出，5种元素归还动态相似，均在7月份达到最大值，此时N、P、K、Ca、Mg 5种元素分别占全年总归还量的18.65%、18.53%、18.65%、18.64、18.64%。

3.3.5凋落叶微量元素归还月动态由于微量元素Cu的含量非常少，因此不作讨论，其余微量元素的归还动态见图4。由图4可知：Fe、Mn、Zn等3种元素归还动态相似，均在7月份达到最大值。从2011年10月到2012年9月，这4种元素的归还量共出现2个峰值，分别出现在2012年6、7月份，由于这2个月份叶子凋落的最多，所以会出现峰值。从图4中可以看出，从2011年10月到2012年2月，Fe、Mn、Zn等3种元素的归还量波动很小，且归还量也很少；从2012年2月到2012年9月这3种元素的归还量波动大且值也较高。

4结论与讨论

森林凋落量受到气候因素的影响，如温度、降水和风等气候因素的季节变化和年际变化常造成凋落量的波动，同时凋落量的变化还受到物种遗传特性、森林发育节律的影响[24-25]。也有一些森林凋落物的研究表明：树种、林龄、林分结构及组成、土壤立地条件等都会影响森林凋落物的量[26-28]。相同气候条件下，树种则成为影响凋落物产量的重要因素。本研究中纹荚相思年凋落物量为5.3t/hm2，小于相同试验区厚荚相思(Acaciacrassicarpa)和木麻黄(Casuarinaequisetifolia)人工林年凋落量7.616t/hm2和8.218t/hm2[29],也小于相同试验区尾巨桉人工林年凋落量6.74t/hm2[30]。由于树木的生物学特征不尽相同，且树木各个器官的形成和发育也不尽相同，因此树木各个器官的衰老、死亡、更新的快慢就有所不同[31]。俞国松等[32]在对茂兰喀斯特森林主要演替群落的凋落物动态研究中发现，茂兰喀斯特原生乔木林、次生林和灌木林的年平均凋落物量分别为4.503、3.505和2.912t/hm2；年总凋落物的叶、枝、花果和其他的比例分别为64.72%、14.60%、12.33%、8.35%；74.28%、7.43%、10.88%、7.41%和75.94%、8.56%、12.93%、2.57%。因此，在凋落物组成中落叶占主要部分，其次是落枝，这与范春楠等[33]对磨盘山天然次生林研究结果相似。一般枯叶占凋落物总量的49.6%～100.0%；枯枝占凋落物总量的0%～37%；果实占凋落物总量的0%～32%；其他组分占10%左右[34]。本试验结果各组分凋落量都在其范围之内。凋落物是植物生长发育过程中新陈代谢的产物，其各个组分例如叶、枝、果等器官凋落的时间和数量不仅受到植物本身生物学特征的影响，而且还受到气候条件的影响。

邓纯章等[35]在1993年对哀牢山北段主要森林类型凋落物进行研究时发现森林月凋落具有明显的季节变化规律，有单峰型的，也有双峰型或不规则类型。本研究中纹荚相思人工林具有明显的季节动态，呈单峰型，峰值出现在夏季的6月份，这也符合前人研究的结果。但是王凤友[5]的研究显示，多数森林，特别是常绿阔叶林，其月凋落量的季节变化模式是双峰型。这与本研究结果是有差别的，造成这种现象的原因可能是由于纹荚相思本身的生理特性和该地区气候条件影响所致。落叶的变化模式与凋落物总量的季节变化模式类似，但是落叶量最大的月份出现在7月，且6月份和7月份的凋落量相差不多。也就是说凋落量的高峰期多发生在春季和夏季，这是因为树木在春季和夏季将会长出大量的新叶，促使老叶大量脱落，并且该地区台风多发生在夏季，较多的降水也会引起凋落物量的增加。

凋落物作为森林第一生产力的组成部分是人工林养分归还林地的主要途径[2]。在树木生长过程中伴随着枯枝落叶的凋落，这些凋落物所含的各种养分元素经分解后被释放到土壤里，供植物吸收利用，凋落物中各种养分元素对土壤肥力具有重要作用[36-37]。本研究中纹荚相思人工林凋落物中N元素的年通量为75.63kg/hm2，P元素的年通量为2.24kg/hm2，K元素的年通量为17.30kg/hm2，Ca元素的年通量为17.45kg/hm2，Mg元素的年通量为15.36kg/hm2。齐泽民等[38]在对川西亚高山林线交错带植被凋落物量及养分归还动态的研究中发现，凋落物各组分不同元素含量高低顺序均为：C>Ca>N>K>Mg>P，且林线交错带凋落物主要养分年归还总量为15.82kg/hm2，N、P、K、Ca、Mg 5种元素分别为3.83、0.62、2.12、8.34、1.36kg/hm2。由于不同森林类型和不同的土壤条件造成森林凋落物各营养元素含量的差异[39]。有研究表明，凋落物中Ca元素含量大于K元素[12,15]。本研究中Ca元素的年通量稍大于K元素，但落叶各月份的K元素归还量都大于Ca元素，这与郑文教等[39]的研究相同。叶凋落物养分归还的季节动态中，N、P、K、Ca、Mg 5种元素都是在6、7月份达到最大归还量，且养分元素的归还模式与叶凋落量的季节动态模式相同，由此可见，养分元素的归还量大小取决于凋落物各组分的量和它们的养分元素含量。

本研究中纹荚相思人工林微量元素归还量的大小排列次序为Mn>Fe>Zn>Cu，这与厚荚相思林微量元素归还量大小排列次序相同[40]。凋落物具有恢复、维持和提高土壤肥力的作用，是林地有机质的主要物质库，也是森林生态系统林木养分归还的重要途径[41]。凋落物中不同组分所含微量元素的通量存在较大差异，由于凋落物中叶子占绝大部分，因此落叶归还土壤的微量元素最多，其余组分按5种元素总量的平均排列表现为，杂叶>碎屑物>落枝>杂果>花。纹荚相思人工林凋落物(以凋落叶为主)微量元素较丰富，凋落物不同组分中微量元素含量也有明显差别。由于凋落物中以落叶为主，且落叶比较容易分解，因此有利于加快林地土壤微量元素的循环过程，满足林木生长对微量元素的需要。

对森林凋落物的产量和养分含量的月动态变化进行分析在森林树木生长和植被生态系统的养分循环研究中具有重要意义[5]。因此，鉴于纹荚相思作为滨海沙地引进的树种，以及纹荚相思人工林在沿海沙地中的作用，对其林分凋落物量的季节动态以及凋落物养分归还的季节动态进行研究是很有必要的。

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