濱海沙地紋莢相思人工林凋落物及養(yǎng)分歸還動態(tài)研究

郜士壘1,2何宗明1,2丁國昌1,2林宇3林思祖1,2劉桌明1,2

(1.國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心, 福建 福州 350002；

2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建,福州,350002；3.福建省長樂大鶴國有防護(hù)林場，福建 長樂 350212)

摘要：2011年10月至2012年9月，通過對福建長樂濱海沙地紋莢相思人工林凋落物量進(jìn)行為期12個(gè)月的定位監(jiān)測，并對凋落物養(yǎng)分特征及歸還動態(tài)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，紋莢相思人工林年凋落物量為5.3t/hm`2，具有明顯的季節(jié)動態(tài)，呈單峰型，最大值出現(xiàn)在2012年6月；葉子是凋落物的主要形式，占總凋落物量的67.85%，其次是落枝、雜葉、碎屑、雜果、落果、花、雜枝、皮；5種營養(yǎng)元素在凋落物中的平均含量大小表現(xiàn)為N>K>Ca>Mg>P。5種元素的年通量大小為127.98kg/(hm`2·a)，其中氮元素年通量最大，為75.63kg/(hm`2·a)，磷元素年通量最小，為2.24kg/(hm`2·a)；紋莢相思人工林葉凋落物N、P、K、Ca、Mg 5種養(yǎng)分元素的歸還動態(tài)模式相似，歸還量均在7月達(dá)到最大值，F(xiàn)e、Mn、Zn、Cu 4種微量元素的年歸還量為1.272、2.261、0.192、0.023kg/(hm`2·a)。凋落物各組分中微量元素Mn含量最高，其次是Fe、Zn，而Cu最低。

關(guān)鍵詞：紋莢相思；人工林；凋落物；養(yǎng)分歸還；濱海沙地

中圖分類號：S718.5；S154.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1914(2015)02-0017-07

Abstract:A twelve-month field study was conducted to measure litterfall production and its nutrient return characteristics of a Acacia aulacocarpa plantation forest in a coastal sandy plain area from October 2011 to September 2012 in Changle, Fujian. The results showed that the annual litterfall production in the studied plantation site was 5.3t/hm`2, the quantity of the litterfall dynamically changed along the seasons, expressing ‘single peak’ in June 2012. Leaf litter was the main component and accounted for 67.85% of total amount, followed by branches, miscellaneous leaves, debris, miscellaneous fruits, fruits, flowers, miscellaneous branches and bark. The average concentrations of 5 macronutrient elements in the litterfall decreased in the following order N>K>Ca>Mg>P. The fluxes of these 5 macronutrient elements in the litterfall was 127.98kg/(hm`2·a), the annual flux of nitrogen was maximum, which content was 75.63kg/(hm`2·a); and the annual flux of phosphorus was minimum, which content was 2.24kg/(hm`2·a). These 5 macronutrient return patterns were similar, and reached the maximum in July, the annual returns of these four trace elements(Fe、Mn、Zn、Cu)were 1.272kg/(hm`2·a), 2.261kg/(hm`2·a), 0.192kg/(hm`2·a), 0.023kg/(hm`2·a). In plant of litterfall, concentration of Mn was the highest among the four elements, followed by Fe, Zn, while Cu was the lowest in various components of Acacia aulacocarpa plantation.

Keywords:Acacia aulacocarpa; plantation;litterfall; nutrient return; coastal sandy plain area

收稿日期：2014-10-26

基金項(xiàng)目：廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013KJCX001-07)資助；國家林業(yè)局重點(diǎn)研究項(xiàng)目(2003-009-03-L09)資助。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.004

Litterfall Production and Nutrient Return Dynamics of

AcaciaaulacocarpaPlantation in a Coastal Sandy Plain Area

GAO Shi-lei1,2, HE Zong-ming1,2, DING Guo-chang1,2, LIN Yu3, LIN Si-zu1,2, LIU Zhuo-ming1,2

(1.State Forestry Administration Engineering Research Center of Chinese Fir, Fuzhou Fujian 350002, China;

2.College of Forestry,Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou Fujian 350002, China;

3.Changle Dahe State-Owned Protection Forest Farm of Fujian Province, Changle Fujian 350212, China;)

森林枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要環(huán)節(jié)，對維持森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、保護(hù)森林資源多樣性等方面起著重大作用，此外，森林凋落物還對涵養(yǎng)水源和水土保持具有重要意義[1-2]。森林凋落物在維持土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)的正常循環(huán)、養(yǎng)分平衡等方面起著重要的作用[3]，作為森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，森林凋落物在森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲存和碳轉(zhuǎn)移中發(fā)揮著重要的作用[4]。森林凋落物包括林下枯死的草本植物及枯死植物的根，還包括林分內(nèi)喬木和灌木的枯葉、枯枝、落皮及繁殖器官，野生動物殘骸及代謝產(chǎn)物[5]。森林凋落物是參與森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分生物循環(huán)的重要途徑，其所含有的養(yǎng)分是供給森林植物生長發(fā)育所需養(yǎng)分的重要來源。森林凋落物每年歸還給土壤的N元素量占森林生長所需要總N量的70%～80%，P占65%～80%，K占30%～40%[6]。因此，對凋落物養(yǎng)分元素歸還進(jìn)行研究，有助于揭示林地生產(chǎn)力的生態(tài)學(xué)過程和維持機(jī)制[7]。與大量元素一樣，作為林木營養(yǎng)的重要組成部分，微量元素對人工林森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可持續(xù)性以及生物生產(chǎn)力等方面也起著重要的作用[8]。

紋莢相思(Acaciaaulacocarpa)為豆科金合歡屬常綠喬木闊葉樹種，原產(chǎn)于澳大利亞，天然分布于澳大利亞的新南威爾士到巴布亞新幾內(nèi)亞的南部地區(qū)。紋莢相思屬于濕熱帶和亞濕熱帶的速生樹種，早期生長快，在其適合生長地區(qū)能耐貧瘠，適應(yīng)各種土壤，能耐輕霜。紋莢相思也是一種早期非常速生的短輪伐期樹種，在濱海沙地種植能獲得很高的木材產(chǎn)量。紋莢相思樹體高大，枝葉茂密，抗風(fēng)性較強(qiáng)，對土壤具有良好的改良作用。在濱海沙地引種紋莢相思，可豐富沿海防護(hù)林樹種結(jié)構(gòu)，美化海濱森林景觀，防風(fēng)固沙，改善生態(tài)環(huán)境[9]。

國內(nèi)外對凋落物的研究已有不少報(bào)道，主要集中在凋落物產(chǎn)量及凋落物分解2個(gè)方面[10-15]，我國自20世紀(jì)60年代初開展了凋落物的研究，對人工林凋落物量及養(yǎng)分歸還動態(tài)的研究主要集中于杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)等少數(shù)幾個(gè)造林樹種[16-21]，但是關(guān)于濱海沙地紋莢相思凋落物尚無報(bào)道。本研究主要通過分析濱海沙地紋莢相思凋落物的動態(tài)變化及養(yǎng)分歸還特征，為進(jìn)一步揭示紋莢相思人工林養(yǎng)分循環(huán)特征提供科學(xué)依據(jù)。

1研究地自然概況

研究地位于福建近海岸的長樂大鶴國有防護(hù)林場，其東臨東海，屬于沿海防護(hù)林基干林帶區(qū)域。研究地海拔高度為5～13m，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣候溫和多雨，最高氣溫35 ℃，最低溫度0 ℃，年平均溫度為19.2 ℃，年均降水量為1200～1800mm，無霜期326d，年日照2000～2300h，年積溫7400～7700℃，平均濕度77%。風(fēng)向全年基本維持為東風(fēng)，平均風(fēng)速在4m/s，臺風(fēng)多發(fā)生在7月或者8月，每年平均4～6次，最高風(fēng)力可達(dá)12級以上，臺風(fēng)發(fā)生時(shí)常伴隨著暴雨或者大暴雨。研究地土壤均為濱海風(fēng)沙土，砂層深厚，可達(dá)6～10m，土壤肥力差，保水能力低。防護(hù)林中林下天然植被稀少，零星分布的植物有碩苞薔薇(Rosabracteata)、馬纓丹(Lantanacamara)、茅莓(Rubusparvifolius)等[22-23]。紋莢相思人工林2003年春季種植，平均樹高為9.28m，平均胸徑為9.22cm，分叉數(shù)為2.88，林分密度為1500株/hm2。

2研究方法

2.1凋落物收集

在2003年春季種植的紋莢相思人工林中隨機(jī)選擇3塊樣地，在各個(gè)樣地里隨機(jī)設(shè)置3個(gè)0.5m×0.5m的凋落物收集框，定期(每月月底)收集落在框架里的凋落物，將同一樣地內(nèi)3個(gè)凋落物框架里的凋落物裝入塑料袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，將落葉、落枝、落果、皮、落花、雜葉、雜枝、雜果、碎屑(昆蟲尸體及糞便，鳥類糞便以及植物碎屑)區(qū)分開，分別將其放入80℃恒溫的烘箱中烘干48h后稱量。

2.2樣品處理

烘干的各個(gè)組分利用自動球磨儀將樣品磨碎至過0.154mm篩，即制成待測樣。利用碳氮元素分析儀(Elemental Analyzer Vario ELIII)測定待測樣品的碳氮含量(%)，采用硝酸-高氯酸消煮法制取待測液，利用原子吸收分光光度計(jì)測定凋落物中K、Ca、Mg元素含量，利用鉬銻抗比色法測定全P含量。Fe、Mn、Cu、Zn采用HNO3-HCiO4消化法消煮后，用原子吸收光譜法測定。

2.3凋落物中各養(yǎng)分元素歸還量的計(jì)算

凋落物養(yǎng)分歸還量計(jì)算公式為：

式中：W為凋落物養(yǎng)分的年歸還量；Mi為第i個(gè)月的凋落物量；Ki為第i個(gè)月凋落物養(yǎng)分含量。

3結(jié)果與分析

3.1紋莢相思人工林凋落物量及組成

紋莢相思人工林年凋落物總量為5.3t/hm2，在凋落物組成中落葉占總凋落物量的67.85%；其次是落枝量為(12.34%)、雜葉(7.63%)、碎屑(7.02%)、雜果(2.38%)、落果(1.19%)、花(1.00%)、雜枝(0.35%)、皮(0.24%)。

3.2凋落物量的季節(jié)動態(tài)

紋莢相思人工林凋落物量顯示出明顯的季節(jié)變化(圖1)，呈單峰型，峰值出現(xiàn)在2012年6月，占總凋落物量的24.4%，最小值出現(xiàn)在2011年11月，為0.162t/hm2。從圖2可以看出,葉凋落量的變化模式與凋落物總量的變化模式相似，且落葉在凋落物總量中占絕大多數(shù)，所以葉凋落量在一定程度上決定紋莢相思人工林的凋落總量。在葉凋落量季節(jié)變化中峰值出現(xiàn)在2012年7月，為0.671t/hm2。在枝凋落量季節(jié)變化中峰值出現(xiàn)在2012年6月，為0.448t/hm2，而其他月份凋落量與6月份相比非常少，且月變幅相對較小。皮、花、果、碎屑、雜枝僅在少數(shù)月份出現(xiàn)且凋落量非常少，皮僅出現(xiàn)在2012年5月，凋落量為0.012t/hm2；出現(xiàn)花凋落的月份為2011年10月，11月和2012年5月；凋落的果實(shí)僅在2012年7月、8月出現(xiàn)；凋落物中碎屑出現(xiàn)在2011年10月、11月和2012年5、6、7、9月；凋落物中雜枝出現(xiàn)的月份為2011年10月和2012年7月。每個(gè)月份雜果、雜葉的量均相對較小且月變幅不大。

3.3凋落物的養(yǎng)分歸還

3.3.1凋落物的養(yǎng)分含量變化紋莢相思人工林凋落物不同組分的養(yǎng)分元素含量變化趨勢不同，結(jié)果見表1。

表1　凋落物中各組分養(yǎng)分元素的平均含量

由表1可知，落枝的養(yǎng)分元素含量變化趨勢為N>Ca>K>Mg>P；落葉的養(yǎng)分元素含量變化趨勢為N>Mg>K>Ca>P；落花的養(yǎng)分元素含量變化趨勢為N>K>Ca>Mg>P；凋落物中雜葉的養(yǎng)分元素含量變化趨勢為Ca>N>K>Mg>P；雜果的養(yǎng)分元素含量變化趨勢為N>K>Ca>Mg>P；皮的養(yǎng)分元素含量變化趨勢為Mg>Ca>N>K>P；碎屑物的養(yǎng)分元素含量變化趨勢為N>K>Ca>Mg>P。但總體來說，凋落物中養(yǎng)分元素的變化趨勢為N>K>Ca>Mg>P。

3.3.2凋落物養(yǎng)分元素的歸還量凋落物各組分養(yǎng)歸還量(通量)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　凋落物中各組分養(yǎng)分元素的年歸還量

由表2可知，凋落物中不同組分養(yǎng)分元素的年歸還量與各組分養(yǎng)分元素的平均含量變化趨勢相同。其中N元素的年通量為75.63kg/hm2，P元素的年通量為2.24kg/hm2，K元素的年通量為17.30kg/hm2，Ca元素的年通量為17.45kg/hm2，Mg元素的年通量為15.36kg/hm2。凋落物中不同的組分所含營養(yǎng)元素的通量存在較大的差異，其中落葉占絕大部分，占總歸還量的72.14%，其余組分按5種元素總量的平均排列表現(xiàn)為，碎屑物>落枝>雜葉>雜果>花。

3.3.3凋落物微量元素的歸還量凋落物微量元素歸還量(通量)見表3。

表3　凋落物中各組分微量元素的年歸還量

如表3所示，F(xiàn)e元素的年通量為1.272kg/hm2，Mn元素的年通量為2.261kg/hm2，Zn元素的年通量為0.192kg/hm2，Cu元素的年通量為0.023kg/hm2。紋莢相思林微量元素歸還量的大小排列次序?yàn)镹a>Mn>Fe>Zn>Cu。凋落物中不同的組分所含微量元素的通量存在較大的差異，由于凋落物中葉子絕大部分，因此落葉歸還土壤的微量元素最多，其余組分按5種元素總量的平均排列表現(xiàn)為，雜葉>碎屑物>落枝>雜果>花。

3.3.4凋落葉養(yǎng)分歸還月動態(tài)由于葉凋落物量在凋落物總量中占絕大多數(shù)，且葉凋落物養(yǎng)分歸還量也占總歸還量的絕大部分,所以葉凋落物養(yǎng)分歸還量在一定程度上主導(dǎo)凋落物養(yǎng)分歸還總量。因此,葉凋落物養(yǎng)分的歸還動態(tài)也能在一定程度上反映凋落物養(yǎng)分歸還總量的趨勢。從圖3可看出，5種元素歸還動態(tài)相似，均在7月份達(dá)到最大值，此時(shí)N、P、K、Ca、Mg 5種元素分別占全年總歸還量的18.65%、18.53%、18.65%、18.64、18.64%。

3.3.5凋落葉微量元素歸還月動態(tài)由于微量元素Cu的含量非常少，因此不作討論，其余微量元素的歸還動態(tài)見圖4。由圖4可知：Fe、Mn、Zn等3種元素歸還動態(tài)相似，均在7月份達(dá)到最大值。從2011年10月到2012年9月，這4種元素的歸還量共出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在2012年6、7月份，由于這2個(gè)月份葉子凋落的最多，所以會出現(xiàn)峰值。從圖4中可以看出，從2011年10月到2012年2月，F(xiàn)e、Mn、Zn等3種元素的歸還量波動很小，且歸還量也很少；從2012年2月到2012年9月這3種元素的歸還量波動大且值也較高。

4結(jié)論與討論

森林凋落量受到氣候因素的影響，如溫度、降水和風(fēng)等氣候因素的季節(jié)變化和年際變化常造成凋落量的波動，同時(shí)凋落量的變化還受到物種遺傳特性、森林發(fā)育節(jié)律的影響[24-25]。也有一些森林凋落物的研究表明：樹種、林齡、林分結(jié)構(gòu)及組成、土壤立地條件等都會影響森林凋落物的量[26-28]。相同氣候條件下，樹種則成為影響凋落物產(chǎn)量的重要因素。本研究中紋莢相思年凋落物量為5.3t/hm2，小于相同試驗(yàn)區(qū)厚莢相思(Acaciacrassicarpa)和木麻黃(Casuarinaequisetifolia)人工林年凋落量7.616t/hm2和8.218t/hm2[29],也小于相同試驗(yàn)區(qū)尾巨桉人工林年凋落量6.74t/hm2[30]。由于樹木的生物學(xué)特征不盡相同，且樹木各個(gè)器官的形成和發(fā)育也不盡相同，因此樹木各個(gè)器官的衰老、死亡、更新的快慢就有所不同[31]。俞國松等[32]在對茂蘭喀斯特森林主要演替群落的凋落物動態(tài)研究中發(fā)現(xiàn)，茂蘭喀斯特原生喬木林、次生林和灌木林的年平均凋落物量分別為4.503、3.505和2.912t/hm2；年總凋落物的葉、枝、花果和其他的比例分別為64.72%、14.60%、12.33%、8.35%；74.28%、7.43%、10.88%、7.41%和75.94%、8.56%、12.93%、2.57%。因此，在凋落物組成中落葉占主要部分，其次是落枝，這與范春楠等[33]對磨盤山天然次生林研究結(jié)果相似。一般枯葉占凋落物總量的49.6%～100.0%；枯枝占凋落物總量的0%～37%；果實(shí)占凋落物總量的0%～32%；其他組分占10%左右[34]。本試驗(yàn)結(jié)果各組分凋落量都在其范圍之內(nèi)。凋落物是植物生長發(fā)育過程中新陳代謝的產(chǎn)物，其各個(gè)組分例如葉、枝、果等器官凋落的時(shí)間和數(shù)量不僅受到植物本身生物學(xué)特征的影響，而且還受到氣候條件的影響。

鄧純章等[35]在1993年對哀牢山北段主要森林類型凋落物進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)森林月凋落具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，有單峰型的，也有雙峰型或不規(guī)則類型。本研究中紋莢相思人工林具有明顯的季節(jié)動態(tài)，呈單峰型，峰值出現(xiàn)在夏季的6月份，這也符合前人研究的結(jié)果。但是王鳳友[5]的研究顯示，多數(shù)森林，特別是常綠闊葉林，其月凋落量的季節(jié)變化模式是雙峰型。這與本研究結(jié)果是有差別的，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于紋莢相思本身的生理特性和該地區(qū)氣候條件影響所致。落葉的變化模式與凋落物總量的季節(jié)變化模式類似，但是落葉量最大的月份出現(xiàn)在7月，且6月份和7月份的凋落量相差不多。也就是說凋落量的高峰期多發(fā)生在春季和夏季，這是因?yàn)闃淠驹诖杭竞拖募緦L出大量的新葉，促使老葉大量脫落，并且該地區(qū)臺風(fēng)多發(fā)生在夏季，較多的降水也會引起凋落物量的增加。

凋落物作為森林第一生產(chǎn)力的組成部分是人工林養(yǎng)分歸還林地的主要途徑[2]。在樹木生長過程中伴隨著枯枝落葉的凋落，這些凋落物所含的各種養(yǎng)分元素經(jīng)分解后被釋放到土壤里，供植物吸收利用，凋落物中各種養(yǎng)分元素對土壤肥力具有重要作用[36-37]。本研究中紋莢相思人工林凋落物中N元素的年通量為75.63kg/hm2，P元素的年通量為2.24kg/hm2，K元素的年通量為17.30kg/hm2，Ca元素的年通量為17.45kg/hm2，Mg元素的年通量為15.36kg/hm2。齊澤民等[38]在對川西亞高山林線交錯帶植被凋落物量及養(yǎng)分歸還動態(tài)的研究中發(fā)現(xiàn)，凋落物各組分不同元素含量高低順序均為：C>Ca>N>K>Mg>P，且林線交錯帶凋落物主要養(yǎng)分年歸還總量為15.82kg/hm2，N、P、K、Ca、Mg 5種元素分別為3.83、0.62、2.12、8.34、1.36kg/hm2。由于不同森林類型和不同的土壤條件造成森林凋落物各營養(yǎng)元素含量的差異[39]。有研究表明，凋落物中Ca元素含量大于K元素[12,15]。本研究中Ca元素的年通量稍大于K元素，但落葉各月份的K元素歸還量都大于Ca元素，這與鄭文教等[39]的研究相同。葉凋落物養(yǎng)分歸還的季節(jié)動態(tài)中，N、P、K、Ca、Mg 5種元素都是在6、7月份達(dá)到最大歸還量，且養(yǎng)分元素的歸還模式與葉凋落量的季節(jié)動態(tài)模式相同，由此可見，養(yǎng)分元素的歸還量大小取決于凋落物各組分的量和它們的養(yǎng)分元素含量。

本研究中紋莢相思人工林微量元素歸還量的大小排列次序?yàn)镸n>Fe>Zn>Cu，這與厚莢相思林微量元素歸還量大小排列次序相同[40]。凋落物具有恢復(fù)、維持和提高土壤肥力的作用，是林地有機(jī)質(zhì)的主要物質(zhì)庫，也是森林生態(tài)系統(tǒng)林木養(yǎng)分歸還的重要途徑[41]。凋落物中不同組分所含微量元素的通量存在較大差異，由于凋落物中葉子占絕大部分，因此落葉歸還土壤的微量元素最多，其余組分按5種元素總量的平均排列表現(xiàn)為，雜葉>碎屑物>落枝>雜果>花。紋莢相思人工林凋落物(以凋落葉為主)微量元素較豐富，凋落物不同組分中微量元素含量也有明顯差別。由于凋落物中以落葉為主，且落葉比較容易分解，因此有利于加快林地土壤微量元素的循環(huán)過程，滿足林木生長對微量元素的需要。

對森林凋落物的產(chǎn)量和養(yǎng)分含量的月動態(tài)變化進(jìn)行分析在森林樹木生長和植被生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)研究中具有重要意義[5]。因此，鑒于紋莢相思作為濱海沙地引進(jìn)的樹種，以及紋莢相思人工林在沿海沙地中的作用，對其林分凋落物量的季節(jié)動態(tài)以及凋落物養(yǎng)分歸還的季節(jié)動態(tài)進(jìn)行研究是很有必要的。

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(責(zé)任編輯張坤)

第1作者：張偉紅(1969—)，女，林業(yè)技術(shù)員。研究方向：森林培育。Email：497213057@qq.com。

通信作者：胡德活(1962—)，男，研究員。研究方向：林木遺傳育種。Email：hudehuo@163.com。