辽东山区柞园生态系统的能量流动模型建立

李立峰 郎庆龙 夏兴宏 于 艳 王连珍 费 滕

(辽宁省蚕业科学研究所，辽宁凤城 118100)

能量是一切生态系统的动力基础，他为生态系统中生命的维持和其他生态过程的运转提供了能源。森林生态系统的能量流动是指太阳辐射能被森林生态系统吸收、固定、转化与消耗的物理化学过程，以及能量收支状况，它直接影响森林生态系统的结构、演替和生产力[1]。因此，研究森林生态系统能量流动，对于提高森林生产率具有十分重要的意义。根据能量守恒定律，森林生态系统能量流动可用数学模型表达。柞园作为辽宁东部山区森林生态系统的重要组成部分，既是经济林、也是水源涵养林，所以，开展柞园生态系统能量流动研究，将为退化柞园的生态修复、柞园资源可持续利用等方面的研究工作打下坚实基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

2018年9月上旬，在辽宁省蚕业科学研究所试验柞园内选择立地条件、坡向、坡位一致的柞园内选取的根刈三枝龄辽东栎、蒙古栎、麻栎、槲树以及榛子、胡枝子、花木兰、羊胡子苔草、东风菜、玉竹、柞蚕茧壳、柞蚕蛹(9906、抗大、辽蚕582)、蚕粪(蒙古栎、麻栎、槲栎、槲树粪渣)、枯枝落叶。

1.2 试验设计

在实验柞园内设立标准地3个，面积为20 m×15 m。在各标准地内选取三枝龄辽东栎、蒙古栎、麻栎、槲树各3株，测定地上、地下各部位生物量(鲜重)。

草灌植物及柞蚕茧、蚕粪的生物量也是每个样品3份，直接称重。

将采集到的柞树各器官样品、柞园内草灌植物及柞蚕茧壳等样品放在烘箱内，先在120 ℃温度下烘干2 h，然后在80 ℃烘干至恒重，粉碎后用液氮研磨过100目筛，每份样品准备2 g左右，3次重复，共计99个样品[2-3]。

将样品送至沈阳农业大学分析测试中心，测定柞树叶、枝、干、根各器官和柞园内草灌植物及柞蚕茧壳等样品的能量(热值)。

1.3 数据处理

计算每个样品的平均数，再折算成每公顷柞园内不同树种柞树、草灌植物及柞蚕茧、蚕粪的生物量。柞树的生产力指柞树枝干、叶的年增长量。由于根系的重量年变化不大，其生产力可忽略不计。

投入项的能量除太阳能能量数据来自辽宁省凤城市气象站外，其余投入能量由各投入项数量和该项热值相乘而得；植物各器官贮存和利用的能量，由各器官的生物量与热值相乘而得；归还能量以有机物进入土壤的归还能量和相应植物器官的热值相乘而得；输出能量由其输出数量(茧、枝干、灌木)乘以相应的热值而得。

2 结果与分析

2.1 4种柞树各器官及草灌植物、茧壳等的热值的测定结果(表1-2)

由表2可知，4种柞树叶、枝、干、根的热值(平均值)由高到低排序分别为：槲树、辽东栎、蒙古栎、麻栎(叶)；蒙古栎、槲树、辽东栎、麻栎(枝)；辽东栎、蒙古栎、麻栎、槲树(干)；辽东栎、蒙古栎、槲树、麻栎(根)。

表1 柞园内草灌植物及茧壳等热值测定

表2 4种柞树各器官的热值

2.2 4种柞树及草灌植物、柞蚕茧的生物量及生产力(表3)

由表3可知，同一树种不同部位的生物量比较为：枝干>根>叶。不同树种相同部位的生物量比较：麻栎>蒙古栎>辽东栎>槲树(叶)；麻栎>辽东栎>蒙古栎>槲树(枝干)；麻栎>辽东栎>蒙古栎>槲树(根)。

表3 不同树种柞树生物量及生产力

2.3 柞园内草灌植物及柞蚕茧的生物量

表4 柞园内草灌植物及柞蚕茧的生物量

2.4 柞园生态系统能量的贮存、转化、输出、归还量情况

表5 柞园生态系统能量的贮存、转化、输出、归还量(单位：1×106J/hm2)

2.5 柞园生态系统的能量流动模型

3 结 论

3.1 柞园生态系统的能量投入状况

柞园生态系统的能量投入是指每年自然进入或者人为投入系统的能量，主要有太阳能和人工辅助能两部分。太阳能进入柞园生态系统后，一部分以热的形式为柞树的生长发育提供一个适宜的环境条件，另一部分则通过光合作用，将太阳能转换成生物能贮存在柞树体内。贮存在柞树体内的这部分能量一些被用来维持新陈代谢所消耗，还有一些永久的贮存在柞树体内，也就是我们所说的能够最终被人们利用的、以生物质形式贮存在柞树体内的能量。人工辅助能主要包括人工能、柴油能、农药能等，这些辅助能的加入可以大大提高人类对太阳能的利用率。柞园生态系统的能量投入为5 452.347 9×1010J/hm2，其中太阳能为5 445.145 8×1010J/hm2，人工辅助能为7.202 1×1010J/hm2。

3.2 柞园生态系统的能量利用状况

太阳能进入到柞园生态系统后，大部分以热的形式为植物的生长发育提供适宜的环境条件，剩下一部分能量通过植物的光合作用转化为生物能贮存在植物体内，就是柞园生态系统所能利用的能量。柞园生态系统能够利用的能量为32.751 5×1010J/hm2。利用率为0.6%。

3.3 柞园生态系统的能量贮存状况

在柞园生态系统中，由于不是所有的柞树都用来养蚕，因而有一部分贮存在柞树中的能量被长期的保存下来，它和林下小灌木当年利用的太阳能一起构成了柞园生态系统的贮存能，这部分能量对生态系统的稳定性有很大的影响。柞园生态系统所贮存的总能量为67.983 5×1010J/hm2，未放养柞蚕的柞树所贮存的占16.7%，林下小灌木所贮存的占13.2%。

3.4 柞园生态系统的能量归还情况

柞园生态系统中有一部分能量随着归还物进入土壤中，为土壤中的微生物活动以及其他生物过程提供了能源，这同样也是柞园生态系统内能量流动的一个重要环节。柞园生态系统一年向土壤归还的生物质所含的能量为7.345 3×1010J/hm2，蚕粪的贡献率为46.9%，柞树及林下小灌木枯枝落叶的贡献率为53.1%。

3.5 柞园生态系统的能量输出情况

柞园生态系统的能量输出就是其一年可以向社会提供的能量，研究柞园生态系统的目的就是追求最大程度的能量输出。柞园生态系统通过人为收获，一年向系统外输出的物质所含总量为29.317 6×1010J/hm2，系统输出的能量主要来自柞蚕茧的生产和柞树的轮伐，柞蚕茧的生产提供的输出能量占4.3%，柞树的轮伐提供的输出能量占91.9%。

4 讨 论

目前关于生态系统的能量流动的研究不少，如肖功武[4]对森林生态系统能量流的研究，于佳等[5]对千岛湖生态系统的研究，大多是基于生态保护的理念对河流、湖泊、森林等生态系统进行研究。蒋菊生等[6-7]针对单一经济作物生态系统也进行了研究，而对柞园这一生态系统的研究仅见杨思河等[8]对柞蚕林养分循环的研究。本文仅通过初步建立的柞园生态系统能量流动模型，形象描述了系统能量流动的过程，对进一步深化柞园生态系统能量流动和物质循环研究奠定基础，使得蚕农经营柞园的活动达到生态与经济效益兼顾的效果。有关柞园生态系统的能量与物质流动研究还处于初始阶段，相关研究还有待于进一步的深化。