厚荚相思中龄林养分分布与生物地球化学循环

何 斌，余春和，何 荣，刘 莉，罗柳娟，刘红英

(1 广西大学林学院，广西 南宁 530004;2 广西七坡林场，广西 南宁 530001）

森林生态系统的养分循环是生态系统的重要功 能之一，直接影响着森林的生产力，很大程度上制约着森林地力变化的方向和强度，对林地养分平衡的维持有重要作用［1-2］.厚荚相思 Acacia crassicarpa又名粗果相思，原产澳大利亚、巴布亚新几内亚和印度尼西亚等地，具有速生、干形较直、耐干旱瘠薄和抗逆性强等特点，成为我国南方短周期工业用材林的主要造林树种之一，并取得良好的生态和经济效益［3］.国内外对厚荚相思的经营管理进行了大量的研究［4-7］，但有关其人工林养分含量、积累以及生物循环的研究文献较少［8-9］，仅见于林龄为1.5～4.5年生幼龄林养分生物循环的报道.为此，本文通过对7年生(中龄林)厚荚相思人工林10种养分元素含量、积累、分布和生物循环的研究，进一步揭示厚荚相思人工林的养分特征及其循环规律，为厚荚相思人工林经营管理尤其是林地养分管理提供科学依据.

1 试验地与林分概况

试验地位于广西南宁市北郊的广西高峰林场界牌分场，地理位置为 108°21'E、22°58'N，地处南宁盆地的北缘，大明山山脉南伸的西支，林地平均海拔300 m以下，属南亚热带季风气候，年平均温度21.8℃，极端最高气温40℃，≥10℃年积温约7200℃，年平均降雨量1350 mm，降雨多集中在5—9月，相对湿度79%.标准地位于山坡中部，海拔约200 m，坡度27～30°，坡向南偏东，土壤类型为砂页岩发育形成的赤红壤，土壤厚度在70 cm以上.

试验地前茬林分为杉木Cunninghamia lanceolata人工林，2000年12月采伐杉木林并经炼山整地后，于2001年4月用厚荚相思实生苗定植，初植密度1140株/hm2.2008年1月调查时经自然稀疏和间伐后林分保留密度为850株/hm2，郁闭度0.75，林分平均胸径 15.2 cm，平均树高 14.8 m［10］.林下植物主要有毛桐 Mallotus barbatus、桃金娘 Rhodomyrtus tomentosa、潺槁树 Litsea glutinosa、越南悬钩子 Rubus cochinchinensis等灌木，以及五节芒Miscanthus floridulus和蔓生莠竹Microstegium vegans等，凋落物层厚度3～4 cm，其中，落叶占85%以上.

2 研究方法

2.1 标准地设置与生物量测定

在对厚荚相思人工林全面踏查的基础上，设置3个20 m×20 m的标准地，测定标准地内树木的树高和胸径.根据林分生长调查结果，按林木的径级分布，在标准地选取各径级标准木(共5株)伐倒，地上部分采用2 m区分段“分层切割法”测定干材、干皮、活枝、枯枝、树叶鲜质量，地下部分(根系)采用全根挖掘法［10］，按根桩、粗根(直径≥2.0 cm)、中根(直径0.5～2.0 cm)、细根(直径＜0.5 cm)分别测定鲜质量，同时分别取样在85℃恒温下烘干至恒质量，计算其生物量.

2.2 林下植被生物量和现存凋落物量调查

在各标准地内分别设置5个面积为1 m×1 m小样方，调查样方内植物种类、个体数、高度和覆盖度等.按灌木层、草本层分别采用样方收获法收割和称量地上部鲜质量，再挖掘和称量样方地下20 cm范围内的根，并测定其生物量或现存量，同时收集和称量样方内凋落物，并取样测定其含水率和干质量.

2.3 年凋落物量的测定

年凋落物量测定采用直接收集法，在每个标准地内随机设置6个1 m ×1 m的木框架尼龙网(孔径1 mm)收集器，每月月底收集凋落物1次，带回室内，按叶、枝、花果和杂物等组分烘干测定生物量.

2.4 植物样品的采集及养分元素分析

在测定各组分生物量的同时，按不同组分采集分析样品;凋落物样品按各月份凋落物质量比例各选取一定量的凋落物混合后作为化学分析样品.N、P、K含量采用浓H2SO4-HClO4消化法消煮后，N用氨气敏电极法测定［11］，P用钼锑抗比色法测定，K用火焰光度计法测定［12］;Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 含量采用HClO4-HNO3消化法消煮，然后用原子吸收光谱法测定［12］;B含量用干灰化法灰化，然后用姜黄素比色法测定［12］.

2.5 养分循环参数的计算

采用养分利用系数、循环系数和周转时间等生物循环参数来分析养分循环的特征.根据生物循环公式:吸收量=存留量+归还量.上述养分利用系数为吸收量与贮存量的比值，表明林木维持其生长所需的营养元素量;循环系数为归还量与吸收量的比值，表征营养元素的循环强度;周转时间为营养元素经历一个循环周期所需的时间，为营养元素的总贮存量除以归还量［8］.

3 结果与分析

3.1 养分元素含量

从表1可以看出，厚荚相思中龄林以同化器官树叶养分元素含量最高，干材的养分含量最低;各组分养分含量由高到低次序为:树叶、干皮、活枝、中根、细根、根桩、粗根、枯枝、干材.各组分中的大量元素含量多数以N最高，其次是K、Ca和Mg，P的含量最低.微量元素以Mn和Fe的含量最高，其次是Zn和B，Cu最低.

厚荚相思中龄林林下植被(草本层和灌木层)和凋落物层的养分含量较丰富，除略低于厚荚相思树叶外，多数养分含量高于厚荚相思其他营养器官，因此，厚荚相思人工林不同结构层次中的养分含量为草本植物＞灌木植物＞乔木植物，反映了厚荚相思人工林不同结构层次对养分元素的富集能力.

表1 厚荚相思中龄林各组分养分元素含量1)Tab.1 Nutrient element contents in different components of middle-aged Acacia grasscarp plantation

3.2 养分贮存量及其分配

从表2可以看出，厚荚相思中龄林养分贮存量为1121.07 kg·hm－2.乔木层作为有机物的主要生产者，所积累的养分达到848.94 kg·hm－2，占总贮存量的75.72%，乔木层不同器官养分贮存量为干材＞树叶＞树枝＞树皮＞树根.从乔木层各种养分量看，以N的贮存量最多，为434.69 kg·hm－2，占乔木层养分贮存量的54.19%，分别为 P(17.46 kg·hm－2)的 24.90 倍、K(186.68 kg·hm－2)的2.33倍、Ca(162.24 kg·hm－2)的 2.67倍和 Mg(41.09 kg·hm－2)的10.58倍.如把林木器官分为树冠(树枝和树叶)、树干(干材和干皮)和树根3部分，则厚荚相思中龄林上述3部分养分贮存量依次占乔木层贮存量为44.28%、41.49%和14.23%.

厚荚相思中龄林灌木层和草本层养分贮存量依次为58.95和57.10 kg·hm－2，分别占林分养分贮存总量的5.26%和5.09%;凋落物层养分贮存量为156.08 kg·hm－2，明显高于相近林龄的巨尾桉Eucalyptus grandis × E.urophylla 人工林［13］，虽然其占林分养分贮存量的比例(13.92%)不很高，却是改善林地土壤肥力性状的基础，由于凋落物中绝大部分是比较容易分解的树叶，难分解的树枝等所占比例较小，而且凋落物中 N的贮存量较大(72.51 kg·hm－2)，所占凋落物中养分贮存量比例达到46.46%，因此在维持和提高林地土壤肥力尤其是提高土壤N素供应水平方面起着极其重要的作用.

表2 厚荚相思中龄林养分贮存量Tab.2 Nutrient storage of middle-aged Acacia grasscarp plantation kg·hm－2

3.3 养分年净积累量

由表3可以看出，7年生厚荚相思人工林10种养分元素的年净积累量为121.28 kg·hm－2·年－1，其中N、P、K、Ca、Mg等5种元素的存留量为120.31 kg·hm－2·年－1，明显高于相近气候带的广西武宣8、14和23年生马尾松人工林和福建尤溪8、14和24年生杉木人工林的年净积累量［14-15］，表明厚荚相思人工林有较强的养分积累能力.不同养分元素的年净积累量以N的最多，占10种元素年净积累量的52.70%，这更进一步说明厚荚相思对N具有很强的吸收与富集能力;其他元素年净积累量依次为K＞Ca＞Mg＞P＞Mn＞Fe＞Zn＞B＞Cu.

表3 厚荚相思中龄林养分的年净积累量Tab.3 Annual net accumulation of nutrients at middle-aged Acacia grasscarp plantation kg·hm－2·年－1

3.4 养分元素的生物循环

生物地球化学循环是指养分在植物－凋落物－土壤的循环流动过程，包括吸收、存留和归还3个环节，且遵循“吸收 =存留 +归还”的平衡式［14］.由于受到实际工作的限制，本研究未将降水淋洗以及树干茎流和死根归还量等估算进去，所以养分归还量和循环速率计算结果较林分实际归还偏低(其中尤以移动性强的K元素更为明显).表4列出了厚荚相思人工林10种养分元素的生物循环参数.

7年生厚荚相思人工林养分元素年吸收量为261.87 kg·hm－2·年－1，其中 53.69% 的吸收量(140.59 kg·hm－2·年－1)以凋落物的形式归还于土壤，高于存留于立木中的121.28 kg·hm－2·年－1(占46.31%)，并且凋落物中N素(69.40 kg·hm－2·年－1)占49.36%，因此，厚荚相思人工林通过较多的富含N素的凋落物归还土壤，从而对土壤尤其是贫瘠缺N土壤起到良好的固N改土作用.

养分利用系数、循环系数和周转时间是森林生态系统养分循环的重要特征.厚荚相思中龄林10种元素的利用系数为0.31，循环系数为0.54，周转时间为6.04年，其中以Mn周转期最短，K和P最长，这与林地土壤K、P养分比较缺乏密切相关，同时也表明，K、P素的缺乏可能是影响厚荚相思人工林正常发育的重要原因之一.

表4 厚荚相思中龄林营养元素的生物循环Tab.4 Biological cycling of nutrient elements in middleaged Acacia grasscarp plantation

4 讨论与结论

厚荚相思中龄林不同器官的养分元素含量大致为:树叶 ＞干皮 ＞活枝 ＞中根 ＞细根 ＞根桩 ＞粗根＞枯枝＞干材.厚荚相思群落垂直结构中各组分养分含量为草本植物＞灌木植物＞乔木植物，表明森林植物群落不同垂直结构层次植物对土壤养分富集能力的差异［2，16］.不论是群落各结构层次还是林木中各器官，N素含量明显高于其他养分元素，既表明厚荚相思对N具有很强的吸收与富集能力，同时又体现了N在建造植物体中的重要作用，是森林生长的主要限制因子.

厚荚相思中龄林乔木层养分贮存量为848.94 kg·hm－2，占林分养分贮存量(1121.07 kg·hm－2)的75.72%，其中树冠(树枝和树叶)和树根养分贮存量占乔木层贮存量为58.51%，可见如采伐(主伐或间伐)时仅利用树干，而把其他采伐剩余物留在林地，造成养分输出不大，因而对林地生产力的影响也较小.而厚荚相思人工林凋落物层养分贮存量达到156.08 kg·hm－2，占林分贮存量的13.92%，均高于相同发育阶段的杉木和马尾松Pinus massoniana等速生树种［14-15］，表明厚荚相思人工林归还土壤的养分比较丰富，同时也是其具有培肥土壤等生态功能的重要原因.

7年生厚荚相思人工林的养分年吸收量、归还量和存留量分别为 261.87、140.59和 121.28 kg·hm－2·年－1.养分循环系数为 0.54，养分各元素的循环系数排序为 Mn＞Fe＞Zn＞Ca＞B＞Mg＞Cu＞N＞P＞K;周转期为6.04年，养分各元素的周转期排序为K＞P＞N＞Cu＞Mg＞B＞Ca＞Zn＞Fe＞Mn，其中除P和K外，其他元素周转期均小于林分实际年龄，与2.5～4.5年生厚荚相思人工林相似［8-9］.因此，总的来看，厚荚相思人工林具有较快的养分循环、较强的养分自我调节能力，但由于厚荚相思人工林的P、K循环周期较长，而南方红壤尤其是第四纪红土发育的红壤地区土壤P、K尤其是P严重缺乏，因此，应加强P、K管理，如施用P、K肥等措施，改善林地生态条件，加快林地养分循环，从而进一步提高林地生产力.

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