桂西北马尾松人工林养分积累及其分配特征

韦明宝, 杨正文, 王汉敢, 谢敏洋, 王朝健, 何 斌

(1.南丹县山口林场，广西 南丹 547200；2.南丹县林业局，广西 南丹 547200；3.广西大学林学院，广西 南宁 530004)

林木养分的积累与分布是研究森林生态系统养分循环的基础[1]。人工林作为森林生态系统的重要组成部分，在林木产品提供、增加森林碳汇和碳吸存能力、改善生态环境等方面发挥着越来越重要的作用[2]。近10多年来，国内外先后对马尾松[3]、杉木[4]、桉树[5-6]、落叶松[7]、杨树[8]和马占相思[9]等人工林的养分积累、分布及其生物循环开展了大量的研究，为人工林的经营管理尤其是林木养分和林地施肥管理提供依据。

马尾松是我国南方主要造林树种之一[10]，也是广西大面积栽培的重要人工林树种[11]，在我国林业生产和生态建设中发挥重要的作用。桂西北是马尾松人工林的重要栽培区域，目前有关该地区马尾松人工林的研究已有较多报道，主要集中在林木生长特性、生物生产力、土壤肥力和林下植物多样性等方面[12-17]，而有关养分特性的研究鲜见报道。为此，本研究在野外调查和室内化学分析的基础上，探讨了广西南丹县26年生马尾松人工林养分元素(N、P、K、Ca、Mg)积累及其分配规律，以期为该区域马尾松人工林的经营管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于广西西北部的南丹县山口林场木山分场(107°31′E，24°45′N)。南丹县与天峨县、东兰县、环江县和河池市金城江区相邻，具有山地气候特点，年均气温16.9 ℃，年均降雨量1 498.2 mm[12]。试验地海拔850～900 m，土壤母质(母岩)以砂页岩发育形成的山地黄红壤为主，土层厚度≥80 cm，腐殖质层厚度15～23 cm ，土壤(0～40 cm)pH值4.37，土壤有机质、全N和全P含量分别为43.78、2.01和0.38 g·kg-1，土壤水解N、速效P和速效K含量分别为195.2、1.15和41.6 mg·kg-1。

马尾松人工林于1991年3月用马尾松实生苗营造，初植密度1 667株·hm-2，株行距2 m×3 m。2017年5月底调查时林相较整齐，经自然稀疏和间伐后林分保留密度为637株·hm-2，郁闭度0.70，林分平均胸径26.5 cm，平均树高19.4 m。林下植物主要有盐肤木(Rhuschinenesis)、杜茎山(Maesajaponica)、毛桐(Mallotusbarbatus)、地桃花(Urenalobata)、粗叶悬钩子(Rubusalceaefolius)、五节芒(Miscanthusfloridulus)和铁芒萁(Dicranopterisdichotoma)等，凋落物层以凋落叶为主，厚度2～3 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 林地设置和林分生物量测定 于2017年5月在马尾松人工林中按上坡、中坡和下坡分别设置1块20 m×20 m标准样地，对样地内林木进行每木检尺，测量其胸径、树高和冠幅等生长指标。根据林分生长统计结果，在样地外围选择3株代表林分生长指标平均值的平均木，采用Monsic分层切割法测定其地上部分(包括树叶、树枝、干皮和干材)鲜质量[12]，采用全根挖掘法测定地下部分(树根)鲜质量[18]。在每个标准地内随机设置3个1 m×1 m样方，采用样方收获法测定灌木层、草本层和凋落物层鲜质量。分别采集林木不同器官及灌木层、草本层和凋落物层样品各300～400 g，在80 ℃恒温下烘干至恒重，测定各组分生物量。

1.2.2 样品采集和养分元素含量测定 采集马尾松人工林乔木层不同器官及灌木层、草本层和凋落物层样品，经80 ℃恒温烘干、粉碎后装入自封袋，备用。

植物样品先用硫酸—高氯酸消煮法消煮后，全N含量采用凯氏定氮法测定，全P含量采用钼锑抗比色法测定，全K含量采用火焰光度计法测定[19]；全Ca和全Mg含量测定先用高氯酸—硝酸消煮法消煮后，采用原子吸收分光光度计法测定[19]。

1.3 统计与分析

马尾松人工林养分积累量参照文献[2,4]进行计算，以乔木层养分元素年净积累量作为林分养分元素年净积累量进行估算，其值为乔木层养分积累量除以林龄(26 a)。采用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 马尾松人工林养分元素含量分析

从表1可见，马尾松不同器官养分元素含量因生理机能不同而存在差异，树叶作为同化器官，生理功能最强，除Ca元素外，其他4种元素含量均最高，其中N、P和K含量均显著高于其他器官(P<0.05)；而以木质为主的干材，生理功能最弱，其各种养分元素的含量均显著低于其他器官。由于5种养分元素在林木生长过程中所起的作用不同，其在林木各器官中的含量也存在差异，树叶、树枝、干皮和干材各养分元素含量排序均为：N>K>Ca>Mg>P，其中N、P和K含量在上述4种器官间的差异均达显著水平(P<0.05)；树叶、树枝Ca、Mg含量与其他3种器官间的差异也达显著水平。树根各养分元素含量排序为：Ca>K>N>Mg>P，除Ca元素外，树根其他养分元素含量均显著低于树叶，显著高于干材。

表1 马尾松人工林不同器官养分元素含量1)Table 1 Nutrient contents in different organs of P.massoniana g·kg-1

1)同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。

2.2 马尾松人工林养分积累量及其分配

从表2可见，马尾松人工林5种养分元素总积累量为1 390.35 kg·hm-2，不同养分元素积累量以N素最大，为527.50 kg·hm-2；其次是K、Ca和Mg，分别为386.43、335.65和93.98 kg·hm-2，P素最小，仅46.80 kg·hm-2。林分不同结构层次以乔木层养分积累量最大，为1 204.60 kg·hm-2，占林分养分总积累量的86.64%，其他层次养分积累量由大到小依次为凋落物层(91.97 kg·hm-2)、草本层(49.86 kg·hm-2)和灌木层(43.92 kg·hm-2)，分别占林分养分总积累量的6.61%、3.59%和3.16%。

表2 马尾松人工林养分积累量及其分配 Table 2 Nutrient accumulation and distribution of P.massoniana plantation kg·hm-2

乔木层不同器官养分积累量以干材(321.35 kg·hm-2)最大，占乔木层养分积累量的26.68%；其次是树枝(319.59 kg·hm-2)、树根(272.64 kg·hm-2)和树叶(159.75 kg·hm-2)，分别占26.53%、22.63%和14.61%；干皮(131.27 kg·hm-2)最小，仅占13.26%。而乔木层养分元素积累量以N素最大，为443.44 kg·hm-2，占乔木层养分元素积累量的36.81%；其次是K、Ca和Mg，分别为333.86、301.53和86.24 kg·hm-2，占27.72%、25.03%和7.16%；P素最小，为39.54 kg·hm-2，仅占3.28%。

2.3 马尾松人工林养分年净积累量分析

从表3可见，马尾松人工林养分年净积累量为46.32 kg·hm-2·a-1，不同器官年净积累量依次为：干材(12.35 kg·hm-2·a-1)>树枝(12.29 kg·hm-2·a-1)>树根(10.49 kg·hm-2·a-1)>树叶(6.14 kg·hm-2·a-1)>干皮(5.05 kg·hm-2·a-1)。林木中不同养分元素年净积累量以N最大，为17.06 kg·hm-2·a-1，其次为K、Ca和Mg，分别为12.83、11.60和3.31 kg·hm-2·a-1，P最小，仅1.52 kg·hm-2·a-1。

表3 马尾松人工林养分年净积累量 Table 3 Annual net nutrient accumulation of P.massoniana plantation kg·hm-2·a-1

2.4 不同人工林养分利用效率分析

养分利用效率反映了林木对生境中养分条件的适应及其利用状况[2]。桂西北26年生马尾松人工林每生产1 t干物质需要养分6.40 kg(表4)，高于相同区域的28年生秃杉人工林[20]和相近区域的广西武宣县23年生马尾松人工林[3]。马尾松人工林中不同营养元素需要量以N最多，为2.35 kg·t-1，其养分利用效率最低；其次是K、Ca和Mg，分别为1.78、1.60和0.46 kg·t-1，其养分利用效率较高；P最少，仅0.21 kg·t-1，其养分利用效率最高。

表4 不同人工林养分利用效率比较Table 4 Comparison of nutrient utilization efficiency of different plantations

3 讨论与结论

除Ca元素外，桂西北马尾松各器官养分元素含量均以树叶最高，其次是树枝、干皮或树根，干材最低。器官中不同养分元素含量大致以N最高，其次是K、Ca和Mg，P最低，与相同区域的秃杉人工林排列次序(Ca、N或 K>P>Mg)[20]及相近区域的广西武宣县马尾松人工林排列次序(K>N>Ca>Mg>P)[3]均存在一定差异，说明林木中的养分元素含量主要取决于树种本身的生物学特性，同时也会受到环境条件的影响。

桂西北26年生马尾松人工林5种养分元素总积累量为1 390.35 kg·hm-2，其中乔木层养分积累量为1 204.60 kg·hm-2，占林分养分总积累量的86.64%，草本层、灌木层和凋落物层养分积累量分别为49.86、43.92和91.97 kg·hm-2，依次占养分总积累量的3.59%、3.16%和6.61%。乔木层不同器官养分积累量排序为：干材>树枝>树根>树叶>干皮，与相同区域的28年生秃杉人工林(干材>树叶>树根>干皮>树枝)[20]、相近区域的广西武宣县23年生马尾松人工林(干材>树根>干皮>树枝>树叶)[3]和广西宁明县34年生米老排人工林(干材>树根>树枝>干皮>树叶)[22]的排列次序均存在差异，表明不同树种之间或同一树种在不同区域之间的养分积累与分配均存在一定差异。

26年生马尾松人工林乔木层养分年净积累量为46.32 kg·hm-2·a-1，略低于广西武宣县23年生马尾松人工林(49.35 kg)[3]。不同养分元素年净积累量以N最大，为17.06 kg·hm-2·a-1，其次是K、Ca和Mg，分别为12.83、11.60和3.31 kg·hm-2·a-1，P最小，为1.52 kg·hm-2·a-1。每生产1 t干物质需要5种养分元素6.40 kg，略高于广西武宣县23年生马尾松人工林(6.09 kg)[3]，但远低于甘肃正宁县28～32年生油松人工林(9.76 kg)[21]。综上所述，该马尾松人工林具有较高的养分利用效率，鉴于桂西北26年生马尾松人工林土壤有机质和N素含量较高，但P素尤其是土壤有效P含量较贫乏(低于3.0 mg·kg-1)，在今后的马尾松人工林经营管理中，应根据林地养分状况，结合林木不同生长阶段对P素养分的需求，合理施加P素肥料，对促进马尾松人工林的生长，提高其生物生产力起到积极的作用。