文仕知，張希，楊麗麗

(中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，410004，長沙)

養(yǎng)分歸還是森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物地球化學(xué)循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)提高土壤養(yǎng)分具有十分積極的作用［1］。養(yǎng)分歸還量是指森林通過凋落物以及雨水淋洗歸還到林地中的養(yǎng)分量［2］。歸還量還包括森林地下部分的根系凋落物以及根系分泌物歸還的養(yǎng)分，這一部分在實(shí)際研究工作中測(cè)定很困難。目前國內(nèi)對(duì)凋落物養(yǎng)分歸還的研究很重視，而對(duì)降雨淋溶養(yǎng)分歸還的研究則較少涉及［3-6］;國外的早期研究［7-9］表明通過降雨淋溶歸還養(yǎng)分的途徑是確實(shí)存在的，對(duì)于多以離子態(tài)存在的K、Ca、Mg元素，這個(gè)途徑具有相當(dāng)重要的地位:因此，綜合考慮凋落物歸還和降雨淋溶歸還對(duì)養(yǎng)分歸還的研究有很重要的意義。

楓香(Liquidambar formosana)為金縷梅科楓香屬落葉大喬木，是亞熱帶地區(qū)優(yōu)良速生落葉闊葉樹種，也是我國南方重要的綠化和景觀樹種［10］。目前關(guān)于楓香人工林的研究已有相關(guān)報(bào)道，但對(duì)楓香養(yǎng)分歸還的研究報(bào)道比較缺乏。為此，筆者通過研究楓香凋落物養(yǎng)分歸還量和林冠淋溶量，以探討楓香的養(yǎng)分歸還特性，從而進(jìn)一步為楓香人工林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營管理和物質(zhì)循環(huán)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖南省林業(yè)科學(xué)院天際嶺林場(chǎng)內(nèi)，地理位置為 E113°01'30″，N 28°06'40″，林場(chǎng)總面積266.7 hm2，屬長沙市南郊低山丘陵地貌，海拔50～108 m，地勢(shì)較為平緩，坡度在20°以下。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫17.2℃，極端最高氣溫40.6℃，極端最低氣溫－9.5℃，年無霜期272 d，年平均降水量1 411.4 mm，年平均相對(duì)濕度80%，年日照時(shí)間1 717.34 h，試驗(yàn)地主要土壤類型為第四紀(jì)網(wǎng)紋層母質(zhì)發(fā)育的酸性紅壤，pH值在4.5～5.5之間，礫石含量中等。

試驗(yàn)林場(chǎng)森林資源豐富，覆蓋率達(dá)76%，共有100多個(gè)物種，以楓香、杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、樟樹(Cinnamomum camphora)、濕地松(Pinus elliottii)、榿木(Alnus cremastogyne)等10多個(gè)樹種為主的純林和混交林，林分質(zhì)量較好。本試驗(yàn)林地是1986年?duì)I造的楓香人工林，郁閉度為0.80。試驗(yàn)地林下植被有木荷(Schima superba)、苦櫧(Castanopsis sclerophylla)、山礬(Symplocos sumuntia)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)、林冠下層有少量樟樹。試驗(yàn)地概況如表1所示。

表1 試驗(yàn)地林分基本狀況Tab.1 Basic status of forest stands in experimental plots

2 研究方法

2.1 凋落物采集和測(cè)定

2009年12月，在對(duì)天際嶺林場(chǎng)內(nèi)楓香林進(jìn)行全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，依據(jù)典型性和代表性原則，選取楓香林固定樣地2塊，樣地面積均為30 m×20 m，每樣地內(nèi)按隨機(jī)布局的原則分別布設(shè)5個(gè)正方形凋落物收集器，收集器四角用1m高木棍支起，收集器用網(wǎng)眼約為1 mm×l mm尼龍網(wǎng)做成，底面積為1 m2，深度為30 cm，離地面1 m水平放置。于2010年的1—12月，每月1次，分12次收集凋落物，將凋落物分為落葉、落枝、花果和碎屑，在80℃恒溫條件下烘干至恒定質(zhì)量，將烘干后的凋落物樣品放入植物粉碎機(jī)中進(jìn)行磨碎處理。然后全部通過2 mm孔徑的樣品篩，用四分法得到適量分析樣品，用精度0.001 g的電子天平分別稱量。對(duì)所采凋落物樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，分別用凱氏定氮蒸餾法、釩鉬黃比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定 N、P和 K的質(zhì)量濃度，用HP3510原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Ca和Mg的質(zhì)量濃度。每份樣品均重復(fù)測(cè)定3次，取平均值［11］。

2.2 水樣采集和測(cè)定

在天際嶺林場(chǎng)內(nèi)選取2塊20 m×30 m楓香人工林樣地進(jìn)行每木調(diào)查。樹干莖流采用按徑級(jí)法選定測(cè)株，按每個(gè)徑級(jí)(每隔2 cm為1徑級(jí))選擇2～3顆樹形和樹冠中等標(biāo)準(zhǔn)樹進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)樣地林木調(diào)查結(jié)果，在2塊樣地各選擇10株不同徑級(jí)的樣木，在這些樣木樹干上用剖開的聚乙烯管環(huán)繞，與水平面呈30°角，為防止漏水，管與樹干空隙用瀝青密封，再用膠管引出至密封口的容器，雨后測(cè)量采樣。在2塊樣地內(nèi)按不同坡向坡位各設(shè)置10個(gè)開口面積為400 cm2的塑料桶作為穿透雨承接裝置，放置3個(gè)同樣的承接裝置于林外收集大氣降雨，雨后進(jìn)行及時(shí)測(cè)量及水樣采集。從2010年1—12月，進(jìn)行了為期1年的降水觀測(cè)及水樣收集。對(duì)收集的水樣進(jìn)行化學(xué)元素含量的測(cè)定，水樣中 N、P、K、Ca、Mg的測(cè)定方法同凋落物［11］。

2.3 養(yǎng)分歸還量的計(jì)算

養(yǎng)分歸還的數(shù)值是從凋落物和林內(nèi)外降水的不同化學(xué)成分來推算［11］。

養(yǎng)分歸還量的推算與表達(dá)如下:

式中:Rl、Rb、Rf、Rd、分別為凋落葉、枝、花果、碎屑中各元素歸還量，kg/hm2;cl、cb、cf、cd分別為凋落葉、枝、花果、碎屑中各元素質(zhì)量濃度，g/kg;Ml、Mb、Mf、Md分別為葉、枝、花果、碎屑的凋落量，kg/hm2;lt、ls分別為穿透雨、樹干莖流凈淋溶質(zhì)量濃度，mg/L;T、S 分別為穿透雨量、樹干莖流量，mm;cp、ct、cs分別為大氣降雨、穿透雨、樹干莖流中各元素質(zhì)量濃度，mg/L;L、R分別為林冠淋溶量、林分各元素歸還量，kg/hm2;lct、lcs分別為穿透雨、樹干莖流淋溶系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物的數(shù)量、組成和月動(dòng)態(tài)

楓香人工林的年凋落量為4 935.6 kg/hm2，主要包括葉、枝、花果和碎屑，其中以葉為主，占凋落物總量的55.83%，其次是枝條(占34.07%)，花果和碎屑所占比例較小(僅為10.1%)，凋落量大小依次為葉＞枝＞花果＞碎屑。楓香為落葉樹種，其葉的年凋落量即為葉生物量，達(dá)到2 755.7 kg/hm2。

楓香人工林凋落物的月動(dòng)態(tài)變化如圖1所示，可看出，楓香人工林在全年內(nèi)都有凋落物，但凋落物的數(shù)量和組分在每個(gè)月的分布是不均勻的。凋落量的峰值出現(xiàn)在12月，達(dá)1 055 kg/hm2，這個(gè)月的凋落物量占全年凋落量的21.38%。

圖1 楓香人工林凋落物各組分凋落量月動(dòng)態(tài)Fig.1 Monthly dynamics of different components of litter in Liquidambar formosana plantation

楓香凋落物在2—5月相對(duì)較少，平均為184.8 kg/hm2，從6月開始凋落物量有了明顯增高，6—8月為夏季，多暴雨，這一時(shí)期的凋落物主要是風(fēng)吹雨打等機(jī)械原因造成的，9—10月凋落量逐漸增多，由于楓香為落葉喬木，11月進(jìn)入深秋，生長停止了，隨后開始大量產(chǎn)生凋落物，12月楓香月凋落物達(dá)到了了年度的最高峰。這與華北落葉松林凋落高峰出現(xiàn)在9月［12］不同，具有明顯的地帶性特征。凋落物的種類和數(shù)量的月變化會(huì)因樹種和地域而異，受氣候影響，楓香落葉主要集中在每年的11月、12月和翌年1月，但仍有極少量的殘葉在2—3月凋落。

3.2 凋落物的養(yǎng)分歸還量及月動(dòng)態(tài)

凋落物中的養(yǎng)分歸還是土壤肥力的重要來源。楓香人工林全年通過凋落物歸還土壤的 N、P、K、Ca、Mg總量見表2。楓香人工林凋落物養(yǎng)分年歸還量為111.849 kg/hm2。楓香人工林凋落物各組分養(yǎng)分質(zhì)量濃度除了枝以外都是以N質(zhì)量濃度最高，而各組分養(yǎng)分質(zhì)量濃度最低的都是P。各元素歸還量大小依次為N＞Ca＞K＞Mg＞P，其中N的歸還量最高，占總歸還量的42.5%，P的歸還量最低，占總歸還量的1.6% ，Ca的歸還量占39.9%，K、Mg的歸還量比較接近，分別占8.9%和7.1%，與劉洋等［5］對(duì)巨桉人工林研究結(jié)果N＞K＞Ca＞Mg＞P相似，僅在Ca和K的排序上有不同。

表2 楓香人工林凋落物養(yǎng)分年歸還量Tab.2 Annual return amount of nutrients of litter in Liquidambar formosana plantation

楓香凋落物各組分的歸還總量大小為葉＞枝＞花果＞碎屑，這與凋落量的組分大小順序一致，其中落葉的養(yǎng)分年歸還量占總歸還量的63.6%。

葉是植物光合作用的主要器官，與植物的生命代謝過程密切相關(guān)。盡管在凋落前葉中的元素會(huì)大量發(fā)生生理轉(zhuǎn)移，但養(yǎng)分質(zhì)量濃度仍然比枝、皮等木質(zhì)化組分高，加上落葉是凋落物的主要組分，在量上占了總凋落物的一半以上，因而落葉是凋落物養(yǎng)分歸還的主體。

從圖2 可以看出:N、P、K、Ca、Mg元素的月歸還量最高峰均出現(xiàn)在12月，分別達(dá)到9.221、0.379、1.966、10.286和 1.98 kg/hm2，與凋落物量的最高峰出現(xiàn)的月份相同，最低值出現(xiàn)在3月，分別為0.825、0.02、0.13、1.23 和 0.151 kg/hm2。N 和 Ca歸還量的變化范圍是0.825～9.221和1.23～10.286 kg/hm2，P、K和 Mg的變化范圍是0.02～0.379、0.13～1.966 和 0.151 ～1.98 kg/hm2，N 和Ca歸還量的年變化范圍明顯大于P、K和Mg，對(duì)養(yǎng)分歸還量的貢獻(xiàn)也更大。

圖2 楓香人工林凋落物養(yǎng)分歸還量的月動(dòng)態(tài)Fig.2 Monthly dynamics of nutrients return amount of litter in Liquidambar formosana plantation

3.3 大氣降雨、穿透雨和樹干莖流的養(yǎng)分特征

大氣降雨通過楓香林冠后，其性質(zhì)和濃度發(fā)生了明顯變化。從表3可以看出，穿透雨和樹干莖流養(yǎng)分質(zhì)量濃度增加，且樹干莖流增加得最多，這與樊后保［13］對(duì)杉木林研究的結(jié)論一致。降水經(jīng)林冠層后，pH值降低，而樹干莖流的pH值又低于穿透雨，這可能于樹體表面酸性物質(zhì)的淋洗和溶脫所致。樹干莖流經(jīng)過樹體的時(shí)間較穿透雨長，因此酸的淋溶較多，酸性也較強(qiáng)。穿透雨和樹干莖流中養(yǎng)分質(zhì)量濃度增加的原因，一方面是由于大氣降雨從植物組織中淋溶出一些物質(zhì)，另一方面則是由于大氣降雨洗脫附著在樹葉、樹枝和樹干表面的顆粒物質(zhì)。樹干莖流淋洗的面積比穿透雨大，淋溶時(shí)間比穿透雨長，因而樹干莖流養(yǎng)分質(zhì)量濃度比穿透雨大。大氣降雨、穿透雨和樹干莖流中，質(zhì)量濃度最高的均為Ca，分別為4.783、12.888 和12.924 mg/L，質(zhì)量濃度最低的均為 P，分別為0.1、0.162和0.192 mg/L。大氣降雨中養(yǎng)分元素質(zhì)量濃度排列順序?yàn)镃a＞N＞K＞Mg＞P，而穿透雨和樹干莖流中的排列順序?yàn)镃a＞K＞N＞Mg＞P。P是植物合成核酸的必要元素，但其質(zhì)量濃度卻很低，這與亞熱帶杉木幼林［14］、樟樹人工林［15］、馬尾松林、針闊葉混交林和季風(fēng)常綠闊葉林［16］的研究結(jié)果相似。樹干莖流中N和K的變異系數(shù)較小，分別為0.214和0.240，這說明樹干對(duì)N和K的分泌及吸收、淋溶有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的過程。

表4為穿透雨和樹干莖流凈淋溶的養(yǎng)分質(zhì)量濃度和淋溶系數(shù)，可以看出，穿透雨和樹干莖流中各元素質(zhì)量濃度均比大氣降雨的高，樹干莖流凈淋溶均比穿透雨高。穿透雨和樹干莖流中凈淋溶質(zhì)量濃度最高的元素都是Ca，分別為8.106和8.141 mg/L，最低的都是P，分別為0.062和0.092 mg/L。根據(jù)淋溶系數(shù)的大小排列，穿透雨的淋溶序列為Mg＞K＞Ca＞P＞N，樹干莖流的淋溶序列為K＞Mg＞Ca＞N＞P，樹干莖流中養(yǎng)分元素的富集作用比穿透雨強(qiáng)。

表3 大氣降雨、穿透雨和樹干莖流中養(yǎng)分質(zhì)量濃度Tab.3 Nutrient elements concentration of rainfall，throughfall and stemflow

表4 穿透雨和樹干莖流凈淋溶的養(yǎng)分質(zhì)量濃度和淋溶系數(shù)Tab.4 Net leaching amount and leaching coefficient of throughfall and stemflow

3.4 林冠淋溶量

由表5可知，N、P、K、Ca和Mg年淋溶量分別為0.151、0.249、30.308、63.232 和 11.883 kg/hm2，總淋溶量為105.823 kg/hm2。其中Ca的年淋溶量最大，占總淋溶量的59.8%。吳飛華等［17］認(rèn)為酸雨促進(jìn)了Ca的淋溶，使穿透雨和樹干莖流中Ca濃度升高。

3.5 養(yǎng)分的總歸還

從表6可以看到，整個(gè)楓香人工林林分全年養(yǎng)分歸還量 N、P、K、Ca和 Mg分別為 47.645、2.009、40.269、107.855 和 19.894 kg/hm2，按大小順序排列為Ca＞N＞K＞Mg＞P。其中，凋落物歸還量較大的是N和Ca，其凋落物歸還量占總歸還量的比例分別為42.5%和39.9%，而Ca和K在降雨淋溶歸還量中占的比例很大，分別為59.8%和28.6%。楓香人工林總的年養(yǎng)分歸還量為217.672 kg/hm2，通過凋落物歸還的養(yǎng)分總量和降雨淋溶歸還的養(yǎng)分總量相差不大，分別為111.849和105.823 kg/hm2。

表6 林分的年養(yǎng)分歸還量Tab.6 Annual nutrients return in the forest kg/hm2

4 結(jié)論與討論

1)楓香人工林凋落物養(yǎng)分歸還量和凋落量在組分排序和月變化表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。楓香人工林凋落物各組分養(yǎng)分歸還量排序與凋落量排序一致，均為葉＞枝＞花果＞碎屑。養(yǎng)分歸還量月變化與凋落量月變化相似，均呈單峰型，峰值出現(xiàn)在12月;因此，楓香人工林凋落物養(yǎng)分歸還量的變化主要受凋落量變化的影響。

2)大氣降雨通過楓香林冠后，穿透雨和樹干莖流的養(yǎng)分元素質(zhì)量濃度增加，且樹干莖流增加最多。降雨的化學(xué)性質(zhì)受諸多因素的影響，包括降水強(qiáng)度、與前次降水的間隔時(shí)間、風(fēng)向、大氣環(huán)流、大氣污染狀況等等;因此，為保證分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量使取樣的背景條件基本一致或相似，增加取樣次數(shù)，以降雨量加權(quán)平均值來反映降水的化學(xué)性質(zhì)。穿透雨和樹干莖流中各元素質(zhì)量濃度均比大氣降雨的高，樹干莖流中養(yǎng)分元素的富集作用比穿透雨強(qiáng)。

3)楓香人工林總的年養(yǎng)分歸還量為217.672 kg/hm2，通過凋落物歸還的養(yǎng)分總量和降雨淋溶歸還的養(yǎng)分總量相差不大，分別為111.849和105.823 kg/hm2，可見降水淋溶的養(yǎng)分歸還作用不可忽視;但由于缺乏足夠的重視，目前國內(nèi)的大多數(shù)養(yǎng)分歸還研究均只涉及到凋落物而未測(cè)定雨水淋洗歸還的養(yǎng)分，這就使這些研究結(jié)果中的養(yǎng)分歸還量偏低。

本研究僅僅是一個(gè)開始，由于一年中歸還到地表凋落物的養(yǎng)分總量要大于從這一部分凋落物中釋放出來的養(yǎng)分量，而剩余的養(yǎng)分要在后續(xù)更長的時(shí)間里才能釋放出來實(shí)現(xiàn)真正的養(yǎng)分歸還。對(duì)于楓香人工林凋落物分解對(duì)養(yǎng)分歸還的影響還需要進(jìn)一步研究探討。

［1］金明仕.森林生態(tài)學(xué)［M］.曹福亮，譯.北京:中國林業(yè)出版社，2005:86-105

［2］薛建輝.森林生態(tài)學(xué)［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2006:209-210

［3］楊玉盛，林鵬，郭劍芬，等.格氏栲天然林與人工林凋落物數(shù)量、養(yǎng)分歸還及凋落葉分解［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23(7):1278-1289

［4］邱爾發(fā)，陳卓梅，鄭郁善，等.麻竹山地筍用林凋落物發(fā)生、分解及養(yǎng)分歸還動(dòng)態(tài)［J］.林業(yè)科學(xué)，2005，16(5):811-814

［5］劉洋，張健，馮茂松.巨桉人工林凋落物數(shù)量、養(yǎng)分歸還量及分解動(dòng)態(tài)［J］.林業(yè)科學(xué)，2006，42(7):1-10

［6］肖洋，陳麗華，余新曉.北京密云麻櫟人工混交林凋落物養(yǎng)分歸還特征［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38(7):13-15

［7］Attiwill P M.The chemical composition of rainwater in relation to cycling of nutrients in mature Eucalyptus forests［J］.Plant and Science，1966，24:390-406

［8］Parker G G.Throughfall and stemflow in the forest nutrient cycle［J］.Advances in Ecological Research，1983，13:57-133

［9］Fahey T J，Yavitt J B，Joyce G.Precipitation and throughfall chemistry in pinus contorta ssp.Latifolia ecosystems，southeastern Wyoming［J］.Canadian Journal of Forest Research，1988，18:337-345

［10］王珍珍，文仕知，楊麗麗.長沙市郊楓香人工林降水再分配及養(yǎng)分動(dòng)態(tài)［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(2):54-56

［11］田大倫.杉木林生態(tài)系統(tǒng)定位研究方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2004:188-251

［12］郭晉平，丁穎秀，張蕓香.關(guān)帝山華北落葉松林凋落物分解過程及其養(yǎng)分動(dòng)態(tài)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29(10):5684-5695

［13］樊后保.杉木林截留對(duì)降水化學(xué)的影響［J］.林業(yè)科學(xué)，2000，36(4):2-8

［14］田大倫，項(xiàng)文化，楊晚華.第二代杉木幼林生態(tài)系統(tǒng)水化學(xué)特征［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，22(6):859-865

［15］閆文德，田大倫，陳書軍，等.4個(gè)樹種莖流養(yǎng)分特征研究［J］.林業(yè)科學(xué)，2005，41(6):50-56

［16］張娜，劉興詔，李坤.南亞熱帶三種主要森林降雨及其再分配過程中的養(yǎng)分差異規(guī)律［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2011，30(2):193-200

［17］吳飛華，劉廷武，裴真明.酸雨引起森林生態(tài)系統(tǒng)鈣流失研究進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30(4):1081-1088