马尾松凋落物分解过程中的微量元素释放动态

余星　周运超

摘要：为探索马尾松（Pinus massonana）凋落物在不同密度林分中微量元素的释放规律，以12 a生马尾松人工林为研究对象，采用网袋分解法，分析3种密度下马尾松凋落物分解过程中干质量损失率、4种微量元素含量和养分残留率变化。结果表明，马尾松人工林凋落物残留率在不同密度间的变化趋势均相近，密度对残留率无显著影响。不同月份残留率不同，11月至翌年1月迅速降低，然后减缓，春季和夏季加快降低，秋季又开始减缓。凋落物中4种微量元素释放模式主要为“淋溶一富集一释放”（zn除外）。经过1 a分解，各密度林分凋落物的干质量均损失过半；平均养分残留率从大到小为cu（84.9%）、Fe（66.3%）、Mn（55.9%）、zn（52.6%）；凋落物中zn残留率随密度增大而减小，其他养分变化不明显。

关键词：马尾松；人工林；凋落物分解；养分释放

森林凋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的重要环节之一，作为连接植物与土壤的“纽带”，它不仅维持土壤肥力，保持植物再生长的养分可利用性，而且在促进森林生态系统正常的物质生物循环和养分平衡方面具有十分重要的作用。凋落物分解是其养分释放的主要方式，其分解速度决定着生态系统中养分循环的快慢，在一定程度上决定着土壤养分有效性的高低。因此，有关凋落物分解的研究相当活跃。马尾松具有耐干旱、瘠薄、适应性强、速生、丰产、优质、综合利用程度高等特点，因此成为中国南方地区荒山绿化和用材造林的重要树种之一。林分的凋落物分解状况将直接影响马尾松生长和林分质量，为此，研究凋落物中微量元素的变化规律对管理马尾松林地养分平衡和长期可持续发展有重要作用。目前对马尾松凋落物分解规律的研究见诸报道，但未见有对其分解过程中微量元素释放规律的研究。鉴于此，选取贵州省龙里林场12 a生马尾松人工林为研究对象，采用网袋分解法，研究马尾松凋落物在不同密度林分中的分解动态及Fe、Mn、zn、cu 4种微量元素的释放规律，对服务林业生产和生态恢复具有重要的指导意义。

1.材料与方法

1.1试验地概况

试验样地位于贵州省龙里林场播基桥工区，属马尾松分布的中带西区，中亚热带温和湿润气候，年均气温14.8℃，极端最高气温33.2℃，极端最低气温-8.5℃，年均降雨量1 089.3 mm，相对湿度78%。林地海拔高1 125～1 140 m，土壤由砂岩发育而成，0～20 cm为砂质黏壤土，20-40 cm为黏壤土。3组试验样地均设于12 a生马尾松人工纯林内，分别对各个样地中的马尾松调查编号，并进行每木检尺，记录胸径、树高等指标，林分状况见表1。S1200、S1767、S2167分别表示密度为1 200、1 767、2 167株/hm²的马尾松样地。

1.2凋落物的采集和处理

2008年10月在不影响样地内凋落物状态的前提下，在各自不同密度的林分中收集凋落物在室温下风干备用，同时取样测定水分系数。

将风干样品混匀后称取30 g装入尼龙网分解袋中（孔径0.5 mm，规格30 cm），然后将分解袋进行编号并将其随机平铺于林地地表，使其尽可能接近自然状态，不同密度样地各设置3个重复，每块样地放置36袋，共计324袋，2008年11月至2009年11月，每月在每块样地里回收3个分解袋，仔细清除分解袋上的泥沙、活植物根系、土壤动物等杂质，清理干净后将残渣装入信封中，放于65℃下烘干至恒定质量，测定凋落物残存量，统计残留率。然后将样品粉碎，过0.5 mm尼龙网筛后，装入密封袋中，标记后保存至干燥器中以备化学分析。

1.3凋落物养分测定

试样用浓HNO₃-HCIO₄法消煮后，用原子吸收法测定Fe、Mn、zn、Cu含量。

1.4数据处理

样品自2008年11月起至2009年11月每月固定日期采集处理后进行养分测定，试验数据使用Excel 2003软件和SPSS 21.0统计分析软件进行处理。根据本地区的气候特征，将试验中季节定义为冬季12月至翌年2月，春季3-5月，夏季6～8月，秋季9-11月。

2.结果与分析

2.1凋落物分解过程中残留率的变化动态

通过计算每月凋落物的干质量与初始干质量比值，可以得到分解过程中残留率的变化动态。从图1可知，3个密度马尾松林分凋落物分解整体趋势表现一致，密度对凋落物的分解无显著影响（P>0.05）。整个分解呈现快慢交替的过程，11月至翌年1月分解较快，凋落物平均残留率为85.6%，随后其分解缓慢，凋落物的平均残留率分别保持在82.2%左右，无明显的变化，随后3-9月，凋落物分解进入加快分解阶段，其平均残留率迅速降至50.2%，表明经过10个月的分解，凋落物干质量损失基本过半。9～11月，凋落物在S1200和S2167中分解趋势减缓。

2.2凋落物分解过程中的养分含量及残留率变化动态

2.2.1 Fe含量及其残留率 由图2可知，不同密度林分凋落物分解过程中Fe含量均差异不大，密度对Fe含量无显著影响（P>0.05）。Fe含量表现出大致相似的变化，分解初始2个月明显降低，随后2～5月，各林分表现平稳，此后一直处于明显的上升过程。按季节来看，冬季主要表现为下降，这是初期凋落物分解量和Fe释放量均较大所致，随后的春季分解减缓，Fe含量保持相对稳定，到夏秋两季Fe含量升高。凋落物分解1 a后Fe含量明显高于初始含量。

由图3可知，不同密度林分凋落物分解过程中Fe残留率变化规律大致相似，呈先迅速降低，随后反复小幅上升、降低的变化趋势。整体上密度对Fe残留率无显著影响（P>0.05）。Fe的释放模式是“淋溶-富集-释放”。Fe的具体释放富集状况为：分解前两个月释放剧烈，其中首月释放率达20.0%以上，随后则是富集和释放的交替变化持续期，由于富集和释放量差异不大，导致Fe残留率总是维持在一定程度。

2.2.2Mn含量及残留率 由图4可知，不同密度林分间凋落物分解过程中Mn含量均差异不大，各个月份随密度变化没有表现出比较统一的规律，密度对Mn含量无显著影响（P>0.05）。Mn含量随时间变化基本一致，初始两个月明显降低，随后的变化无明显趋势，到8月后则有1个明显的迅速上升趋势。整体来看，初始阶段的冬季明显降低，主要是由于此阶段凋落物分解较快，Mn释放量也较大所致，随后分解减缓，Mn释放量也减缓，导致在春季和夏季变化不大。凋落物分解1 a后Mn含量明显高于初始含量。

由图5可知，不同密度林分凋落物分解过程中Mn残留率变化趋势大致相同，均呈迅速降低、升高、再降低、再升高的变化趋势。Mn与Fe的变化趋势相似，其主要释放模式是“淋溶-富集-释放”。

2.2.3zn含量及残留率 由图6可知，不同密度林分凋落物分解过程中zn含量在多数月份无明显差别，密度对zn含量无显著影响（P>0.05）。zn含量随时间变化呈现双峰的表现，初始阶段先上升，随后则下降、再上升、再下降。凋落物分解1 a后zn含量均与初始含量相差不大。

由图7可知，不同密度林分的凋落物分解过程中zn残留率变化趋势基本一致：凋落物分解过程中，zn残留率呈先上升而后持续降低的变化趋势，初期上升阶段集中在冬季，zn的富集导致残留率超过初始量，随后春季释放量一直较高，夏季和秋季的释放量有所降低。zn的释放模式主要是“富集-释放”。尽管富集持续时间较短，但这与前面几种元素都有所不同。

2.2.4Cu含量及残留率 由图8可知，不同密度林分凋落物分解过程中Cu含量在各个月份差异不大，表明密度对cu含量无显著影响（P>0.05）。cu含量随时间变化较一致，均呈近似直线的上升趋势，季节之间没有什么变化，这与其他元素的表现完全不同，其原因可能是凋落物分解干质量一直在损失，而cu释放量较小引起cu含量的相对升高所致，同时也有可能是Cu没有释放或有外界的Cu输入所致。

由图9可知，不同密度林分凋落物分解过程中cu残留率变化趋势相近，呈下降、上升、再下降、再上升的变化，主要是“淋溶-富集-释放”的模式。cu残留率初始两个月有所降低，随后迅速上升并一度超过初始值，此后在春、夏两季缓慢释放，降低到一定程度后到秋季又有所上升，凋落物分解1 a后cu的残留率仍保持在80.0%左右。

2.3分解1 a后凋落物干质量及养分状况

经过1 a的分解，各密度林分凋落物干质量均损失过半，而各种元素也有不同程度的释放，其具体残留率如表2所示。4种养分的平均残留率由大到小依次为cu、Fe、Mn、zn，分别为84.9%、66.3%、55.9%、52.6%，养分的残留率高于凋落物干质量损失率，表明可能在分解前期发生富集，当后期富集到一定程度才逐渐释放出来。不同密度林分残留率大小顺序略有不同，但差异不大。通过比较同一元素在不同林分1 a后残留率变化规律，得出凋落物中zn残留率有随密度增大而减小的趋势，表明林分密度越大，释放速度越陕，其他养分规律不明显。

3.小结与讨论

森林凋落物是微量元素在森林生态系统中实现循环的重要载体，其归还的养分对维持林地肥力意义重大。凋落物分解是一个复杂的物理、生物、化学过程，由降水淋溶、动物咀嚼和啃食、土壤干湿交替和冻融、生物代谢等相互关联的作用共同完成。此过程一般要经历分解速率较快和较慢2个阶段，开始分解快是因为可溶性有机物的淋湿和易分解的碳水化合物的分解，随后分解速率减慢，主要是因为难分解物质的积累。本次试验得出的结果与之略有不同，首月分解迅速与易分解物质的分解有关，随后的分解主要与外界环境有关，减缓是因为此时正是冬季，受低温的限制，再加上马尾松林的C/N、木质素/N以及萜类物质和酚类物质含量较高，不利于土壤微生物群落的生长和繁衍，因而分解速率减缓：随着春季和夏季的气温上升和降雨频繁，酶活性升高有利于有机质的分解和养分的释放，进入秋季后，凋落物干质量损失过半，易分解物质基本分解完毕，难分解物质的积累以及气温降低使一些林分中凋落分解速度明显减缓，说明凋落物分解受到自身化学组成和气候因素的双重影响。不同密度林分中凋落物的分解研究不多，本研究结果表明，密度对凋落物的分解无显著影响。林英华等认为，同孔分解袋中菌落随造林密度的加大而增多，优势现象明显，也就是说凋落物的分解速率随林分密度的加大而加快，与本研究不一致：无论马尾松造林密度和保留密度多大，均对针叶养分含量无显著影响，不同密度凋落物中叶营养元素含量变化不大。因此，学者们对马尾松不同密度林分的凋落物分解持有不同观点，具体原因有待深入研究。

本研究中不同密度马尾松林分的4种微量元素的释放模式主要为“淋溶-富集-释放”（zn除外），不同密度林分中各种微量元素的残留率随时间变化整体趋势相似，不同月份的微量元素残留率随密度变化没有固定的规律，整体上密度对微量元素残留率的影响并不显著。一些学者认为大多数树种中金属元素Fe、Al、Mn、Pn、zn、cu在凋落物分解时表现为“富集-释放”，这与本研究不太一致，大多数金属元素在凋落物内多以离子态存在，受降雨的影响会被淋洗走一部分，因此存在淋溶阶段。早期马尾松林分自身微量元素利用率低，其归还速率大，周转期短，有利于林地生产力维护，而林分到达成熟期则相反，更多地消耗林地的养分，微量元素的分解与林分年龄有关。近些年来，关于马尾松不同密度的林分年凋落物量研究，有人认为林分的年凋落物量随林分密度的增加而增加，很多养分归还也是一样的规律。本研究中zn残留率有随密度增大而减小的趋势，这与张家武等的研究结果一致，表明林分密度越大，释放速度越快，其余微量元素直到富集到一定阶段才被释放，释放到一定程度又开始富集，从而使其残留率保持一种相对稳定，林分密度对微量元素残留率无显著影响。关于林分凋落物分解过程中元素浓度增加的原因，到目前为止还并不清楚，前人曾对一些重金属元素在凋落物分解过程中绝对量的增加做过论述，许晓静等指出这类元素在分解中的富集作用可能受到生物因素或化学因素的控制，也就是重金属元素可能通过化学作用与腐殖酸类物质结合形成高度稳定的螯合物而被固定，也可能是通过分解微生物进行生物固定；另外，微生物的固持，甚至将土壤深层的这些元素搬运至正在分解的凋落物表面，进而造成这些元素量的增加。所有这些解释目前在很大程度上都是推测，这些元素含量的增加还可能与上述原因无关，要确切弄明白这些变化的原因，还需作深入的研究。

本试验马尾松人工林凋落物残留率不同密度间变化趋势均相似，主要表现是密度对凋落物的分解无显著影响（P>0.05），首月迅速降低，冬季减缓，春季和夏季加快降低，秋季又开始减缓。凋落物养分残留率不同密度间变化规律均相似，密度对养分残留率无显著影响（P>0.05）。4种微量元素释放模式主要为“淋溶-富集-释放”（zn除外）。经过1 a分解，凋落物中养分有不同程度的释放，各密度林分凋落物干质量损失过半，cu、Fe、Mn、zn平均养分残留率分别为84.9%、66.3%、55.9%、52.6%，4种养分的残留率高于凋落物干质量残留率。凋落物中Zn残留率有随密度增大而减小的趋势，其他养分变化不显著。