低质林改造更新抚育系统养分的循环模拟1)

吴金卓 孔琳琳 董希斌 沈微

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

低质林改造更新抚育系统养分的循环模拟1)

吴金卓 孔琳琳 董希斌 沈微

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

依据低质林改造更新抚育系统的养分循环过程，采用内部集散物流分析、物质流分析方法，建立低质林改造更新抚育系统养分元素流动数学模型；应用实地调查数据对模型有效性验证后，运用模型对研究区内低质林更新阶段(2008—2015年)的营养元素积累与循环情况进行模拟分析。结果表明：通过营养元素流动模型得到的土壤养分指标，预测值与实测值之间的相关系数，水解N为0.87、有效P为0.77、速效K为0.88，显示了较高的模型精度。2008—2015年，更新系统通过降雨过程从系统外吸收的N、P、K，分别为320、28、120kg/hm2；同时随径流流出系统的N、P、K，分别为224.0、19.6、84.0kg/hm2。林分从土壤中吸收的N、P、K，分别为26.45、4.29、11.11kg/hm2；通过淋溶作用，归还到土壤中的N、P、K，分别为0.36、0.13、0.56kg/hm2。另外，幼龄林抚育措施及逐年累积的凋落物，回流至土壤中的N、P、K，分别为4.17、0.63、1.31kg/hm2；土壤中累积的营养元素N、P、K，分别达到289.08、14.27、124.75kg/hm2；比改造当年均有较大幅度的增加，表明低质林改造对于林地内的养分循环具有一定的促进作用。

低质林；低质林改造；低质林更新；林分养分

养分循环是森林生态系统分析中的重要内容之一。养分循环是非常复杂的生物过程，不仅受到环境因素、树种生物学特性的影响，而且各种营养元素的循环也具有明显的差异[1-2]。养分元素的循环与平衡，直接影响生产力的高低和生态系统的稳定和持续[3-4]。研究森林生态系统的养分循环，不仅有助于了解物质的循环与积累机制，而且对于指导生产实践、改善和调节各种新环境限制因素，提高生态系统的生产力，具有十分重要的作用。自上个世纪国际生物学计划(IBP)实施以来，世界范围内已经开展了大量的森林生态系统养分循环研究，并积累了大量的数据和资料[5-9]；但是，对于低质林改造林分的养分循环与积累方面的研究很少。

小兴安岭林区是我国重要的用材林生产基地之一，然而，由于多年的过度采伐和自然因素的干扰，这一地区已经形成了大面积郁闭度较低、林相衰败的低质林[10-12]。为了更好地掌握低质林改造更新阶段营养元素的积累与循环流动情况，本研究采用内部集散物流分析(BIF)、物质流分析(MFA)方法，建立营养元素流动数学模型，并结合小兴安岭地区低质林改造实地调查数据进行比较分析，旨在为定量分析低质林改造更新抚育系统内营养元素流动的数量、结构、特征及为低质林改造的经营管理和效果评估提供参考。

1 研究区概况

研究区为小兴安岭林区铁力林业局马永顺林场500林班内低质林改造带。该区北部地势平缓，南部地势稍有斜坡，平均坡度10°，海拔117～284 m，土壤为暗棕壤，土层平均厚度45 cm。2007年，对研究区内的低质林进行水平带状采伐改造，沿同一海拔高度分别设置6 m×100 m、8 m×100 m、10 m×100 m、15 m×100 m的改造带，伐除带内的全部非经营目的乔木和灌木。2008年，在皆伐带内分3段栽植红皮云杉(Piceakoraiensis)、兴安落叶松(Larixgmelinii)、红松(Pinuskoraiensis)幼苗，栽植比例为红皮云杉∶兴安落叶松∶红松=6∶2∶2。

文献[13]研究结果表明，在带状8 m×100 m、10 m×100 m改造带内造林成活率及生长率较高，造林更新效果较好，且改造带的设置可有效提高林木拦截降雨能力，利于林区内水土保持。因此，本文选择10 m宽水平采伐改造带(长100 m)为样地，对2008—2015年低质林更新阶段林地内的营养元素积累与循环进行模拟分析。

2 营养元素物质流模型的构建

低质林改造更新抚育系统的养分循环过程，包括林木的吸收、存留、凋落归还、淋溶归还、大气降雨、径流输入和输出等途径。低质林区更新抚育物质流分析系统如图1所示。本研究在人工纯林营养元素循环模型的基础上[14]，考虑低质林更新阶段中栽植不同种类苗木的情况，提出了适用于低质林更新系统的营养元素循环模型。

图1 低质林更新抚育系统营养元素流动分析图

2.1 营养元素存量计算

土壤中营养元素量：假设土壤中某种营养元素量用X1t表示(t=1、2、3、…、n)，低质林更新林分中更新树种用s表示(s=1、2、3、…、m)，则第t年末土壤中该营养元素量为：

(1)

式中：F01t、F31t分别为第t年从降雨和枯枝落叶中分解输入土壤中的某种营养元素量；F21ts为第t年第s个树种经淋溶作用进入土壤中的某种营养元素量；F12ts为第t年第s个树种生长从土壤中吸收的某种营养元素量；F10t为第t年因径流作用从土壤中流出的某种营养元素量；F001t为第t年土壤从施肥过程中吸收的某种营养元素量；F51t为抚育剩余物分解进入土壤中的营养元素量。

林木中营养元素量：在林木生长过程中，需要不断地从土壤中吸收营养元素，并且在雨水的淋溶作用下将一部分营养元素归还到土壤中；另外，还有一部分以凋落物的形式进入到枯枝落叶层[2]。林木中营养元素当前的量，是与上一年存留量、吸收量、淋溶输出量、凋落物输出量之间的动态平衡。第 个树种中某种营养元素量，可以用公式(2)计算。当第 年发生透光抚育或生长抚育活动时，一部分营养元素随小径材流出系统外，另一部分以抚育剩余物的形式进入枯枝落叶层，此时公式(2)变形为公式(3)。所有树种中该种营养元素量，可用公式(4)计算。

X2ts=X2(t-1)s+F12ts-F21ts-F23ts，∀t≥1、s；

(2)

X2ts=X2(t-1)s+F12ts-F21ts-F23ts-F24ts，∀t≥1、s；

(3)

(4)

式中：X2ts为第t年末第s个树种某种营养元素量；F23ts为第t年第s个树种营养元素进入枯枝落叶层的某种营养元素量；F24ts为转移到抚育作业中的营养元素量。

枯枝落叶层营养元素量：枯枝落叶层中的某种营养元素量，是在上一年留存量的基础上，随着枯枝落叶输入量的增加而增加，随着分解量的增加而减少[15]。它们之间的关系如公式(5)。

(5)

抚育作业中营养元素量：当第t年发生透光抚育或生长抚育活动时，转移到抚育作业中的营养元素用公式(6)表示，其中转移到系统外(F40t)和转移到抚育剩余物中(F45t)的某种营养元素量分别用公式(7)和公式(8)表示。式中的p为抚育强度，a40、a45分别为转移到系统外和转移到剩余物中的比例，总和为1(公式(9))。抚育剩余物留在林地中，最终通过分解将营养元素回流到土壤中(公式(10))。

(6)

F40t=a40·X4t；

(7)

F45t=a45·X4t；

(8)

a40+a45=1；

(9)

X5t=F45t=F51t。

(10)

2.2 营养元素流计算

由于降雨的作用而进入到土壤中的营养元素，可根据大气降雨中的营养元素确定。因此，可以令

F01t=S1t，∀t≥1。

(11)

式中：S1t为第t年降雨中某种营养元素量。

由于低质林更新阶段，主要对幼龄林进行扶正、施肥、修枝、除草等，本研究不考虑抚育作业对径流的影响，仅考虑因降雨产生的系统径流，可用公式(12)表示，公式中的R为施肥量随径流流出的比例。

F10t=a10·F01t+R·F001t。

(12)

林木在生长过程中从土壤中吸收的营养元素，与其自身的元素量和所处的生长阶段相关。由于进行施肥作业，可认为土壤中营养元素可供低质林更新林分生长吸收。根据吸收比例系数(f12s(t))和自身的元素量可计算出第t年的吸收量，如公式(13)所示，式中的f12s(t)为随生长时间变化的函数。

F12ts=f12s(t)·X2(t-1)s，∀t≥1、s。

(13)

淋溶和凋落物转移的营养元素，与林木吸收的元素量呈一定的比例关系[12]，令

F21ts=a21·F12ts，∀t≥1、s；

(14)

F23ts=(1-f23s(t))F12ts-F21ts，∀t≥1、s。

(15)

式中：a21为淋溶比例系数；f23s(t)为流出比例系数，是随林木生长时间变化的阶段函数。

枯枝落叶当年的分解量，与上一年积累的某种营养元素量以及当年产生的某种营养元素量之和呈正比例关系，可用公式(16)计算。

(16)

3 结果与分析

3.1 模型参数的确定

结合研究区气象资料，本研究大气降雨中N、P、K量的取值，分别为40.0、3.5、15.0 kg/(hm2·a)。林区土壤中每年随径流流出的营养元素，约占降雨中营养元素量的70%[16]。不同树种的枯枝落叶层中各元素之间的分解速率有所差异，但基本在3 a内可全部分解；因此，本研究假设各元素分解速率为100%。由于研究期内(2008—2015年)的苗木仍处于幼龄林阶段，且未达到抚育间伐的年龄，因此，对于更新林分主要进行扶正苗木、松土除草等工作。另外，考虑到作业区的实际情况，改造项目中没有采取施肥措施。

低质林更新林分的生长是一个动态过程，不同种类林分在不同的生长阶段，其吸收和存留的营养元素也有一定的差异。通过查阅相关文献可知，在幼龄林阶段，云杉存量为95%以上，落叶松、红松存量分别为80%、90%左右，而N、P、K三种营养元素之间的比例变化不大。因此，本研究在相关研究的基础上，确定低质林改造更新抚育系统中的相关模型参数[13,17-23](见表1)。造林密度，与树种、立地条件、造林技术、经营水平密切相关。本研究中在10 m×100 m改造带内分3段栽植红皮云杉、兴安落叶松、红松幼苗，栽植比例为红皮云杉∶兴安落叶松∶红松=6∶2∶2，造林时原则上与原有林分边缘间隔1 m左右，株行距配置为1.5 m×1.5 m[24]。红松、云杉、落叶松幼苗移栽到更新抚育系统中的林龄，分别为5、5、3 a；低质林采伐改造当年，土壤中的水解N、有效P、速效K，分别为215.0、9.4、98.0 kg/hm2。

表1 幼龄林木生长过程养分循环计算经验公式

注：t*为幼龄林阶段的初始年限，t*=1 a。

3.2 模型精度检验

为了对营养元素循环模拟模型的精度进行检验，本研究将模拟得到的土壤中累积的营养元素量(水解N、有效P、速效K)与实际测量值进行对比分析(见图2)。由图2可见，实测值在造林后各测量年份之间存在一定的波动性，而预测值尽管波动性不大，但是能够准确地捕捉到各指标的长期变化趋势。各指标的预测值与实测值之间的相关系数，水解N为0.87、有效P为0.77、速效K为0.88。因此，该营养元素循环模型显示了较高的精度，可以用于进一步的营养元素循环与积累分析。

3.3 营养元素循环与积累

以低质林改造更新系统内红皮云杉营养元素循环为例，2015年，即幼苗栽植8 a后，云杉更新系统通过降雨过程从系统外吸收的N、P、K，分别为40.0、3.5、15.0 kg/hm2；同时，随径流流出的N、P、K，分别为28.00、2.45、10.50 kg/hm2。云杉幼林当年从土壤中吸收的N、P、K，分别为5.04、0.72、2.16 kg/hm2；通过淋溶作用归还到土壤中的N、P、K，分别为0.10、0.02、0.11 kg/hm2；除此之外，通过凋落物回流至土壤中的N、P、K，分别为0.71、0.09、0.24 kg/hm2；土壤中营养元素N、P、K的量，达到286.85、14.35、123.65 kg/hm2。云杉幼林立木中营养元素N、P、K的累积量，达到27.65、3.95、11.85 kg/hm2。

图2 土壤中营养元素积累实测值与预测值的对比

结合不同种类林分在不同生长阶段营养元素存留、吸收的动态变化，分别计算不同林分养分循环过程，进一步按林分比例(红皮云杉∶兴安落叶松∶红松=6∶2∶2)加和计算得到小兴安岭低质林水平带状改造带营养元素循环计算结果(见表2)。低质林更新抚育系统造林8 a期间，通过降雨过程从系统外吸收的N、P、K，分别为320、28、120 kg/hm2；同时，随径流流出系统的N、P、K，分别为224.0、19.6、84.0 kg/hm2。更新林分从土壤中吸收的N、P、K，分别为26.45 、4.29、11.11 kg/hm2；通过淋溶作用归还到土壤中的N、P、K，分别为0.36、0.13、0.56 kg/hm2。另外，幼龄林抚育措施及逐年累积的凋落物回流至土壤中的N、P、K，分别为4.17、0.63、1.31 kg/hm2。土壤中累积的营养元素N、P、K，分别达到289.08、14.27、124.75 kg/hm2。

表2 小兴安岭低质林改造更新8 a后养分元素循环计算结果 kg·hm-2

注：低质林改造带内不同树种的栽植比例为红皮云杉∶兴安落叶松∶红松=6∶2∶2。

4 结论

通过养分元素流动模型得到的土壤养分指标预测值与实测值之间的相关系数，水解N为0.87、有效P为0.77、速效K为0.88，显示了较高的模型精度，说明该模型可用于进一步的营养元素循环与积累分析。各土壤养分指标比改造当年均有较大幅度的增加，表明低质林改造对于林地内的养分循环具有一定的促进作用。

2008—2015年，更新系统通过降雨过程从系统外吸收的N、P、K，分别为320、28、120 kg/hm2；同时，随径流流出系统的N、P、K，分别为224.0、19.6、84.0 kg/hm2。林分从土壤中吸收的N、P、K，分别为26.45、4.29、11.11 kg/hm2；通过淋溶作用归还到土壤中的N、P、K，分别为0.36、0.13、0.56 kg/hm2。另外，幼龄林抚育措施及逐年累积的凋落物回流至土壤中的N、P、K，分别为4.17、0.63、1.31 kg/hm2；土壤中累积的营养元素N、P、K，分别为289.08、14.27、124.75 kg/hm2。

尽管本研究提出的低质林更新阶段营养元素流动模型显示了很好的模型精度，但是，也存在一些不足，使得预测结果与实际值仍存在一定的偏差。在以后的研究中，将考虑结合光照、气候等环境因素以及不同林分的养分含量及生物量预测模型对于预测结果进行进一步的修正。

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SimulationonNutrientCyclingofALow-qualityForestStandRegenerationSystemafterLoggingTransformation//

WuJinzhuo,KongLinlin,DongXibin,ShenWei

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,P.R.China)

//JournalofNortheastForestryUniversity，2017,45(8)：25-29.

Accordingtothenutrientcyclingprocessoflow-qualityforeststandregenerationsystem,BulkInternalFlow(BIF)andMaterialFlowAnalysis(MFA)wereusedtoestablishamathematicalmodeltosimulatethenutrientcyclingofalow-qualityforeststandregenerationsystemafterloggingtransformation.Afterverifyingtheeffectivenessofthemodelbyfieldinvestigation,themodelwasusedtosimulateandanalyzethenutrientcyclingandaccumulationofalow-qualityforeststandintheregenerationstageaftertransformation(2008-2015)inthestudyarea.Thecorrelationcoefficientsbetweenthepredictedsoilnutrientindexesobtainedbythesimulationmodelandtheactualmeasuredvalueswereasfollows:hydrolysablenitrogencontentof0.87,availablephosphoruscontentof0.77,andavailablepotassiumcontentof0.88,indicatinghighermodelprecision.In2008-2015,theregenerationsystemabsorbed320kg/hm2N, 28kg/hm2P,and120kg/hm2Kfromrainfall,and224kg/hm2N, 19.6kg/hm2P, 84kg/hm2Kwereflowedoutofthesystem.Theregenerationstandsabsorbed26.45kg/hm2N, 4.29kg/hm2P, 11.11kg/hm2Kfromforestsoilsand0.36kg/hm2N, 0.13kg/hm2P, 0.56kg/hm2Kwerereturnedbacktosoilsbyeluviation.Inaddition, 4.17kg/hm2N, 0.63kg/hm2P, 1.31kg/hm2Kwerefinallyreturnedtosoilbydecompositionwithforestlitter.Theaccumulatednutrientinforestsoilswere289.08kg/hm2N, 14.27kg/hm2P,and124.75kg/hm2K,withasignificantincreasecomparedwiththatintheyearoflow-qualityforesttransformation,whichindicatedthatthelow-qualityforesttransformationhadacertainroleinpromotingthenutrientcyclingintheregeneratedforeststand.

Low-quality forest; Low-quality forest transformation; Low-quality forest regeneration; Forest nutrient

1)国家自然科学基金项目(31400539)。

吴金卓，女，1980年12月生，东北林业大学工程技术学院，副教授。E-mail：wjz@nefu.edu.cn。

董希斌，东北林业大学工程技术学院，教授。E-mail：xibindong@nefu.edu.cn。

2017年3月23日。

S756.5；S718.55

责任编辑：张 玉。