李立峰 郎慶龍 夏興宏 于 艷 王連珍 費(fèi) 滕

(遼寧省蠶業(yè)科學(xué)研究所，遼寧鳳城 118100)

能量是一切生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力基礎(chǔ)，他為生態(tài)系統(tǒng)中生命的維持和其他生態(tài)過(guò)程的運(yùn)轉(zhuǎn)提供了能源。森林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)是指太陽(yáng)輻射能被森林生態(tài)系統(tǒng)吸收、固定、轉(zhuǎn)化與消耗的物理化學(xué)過(guò)程，以及能量收支狀況，它直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、演替和生產(chǎn)力[1]。因此，研究森林生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)，對(duì)于提高森林生產(chǎn)率具有十分重要的意義。根據(jù)能量守恒定律，森林生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)可用數(shù)學(xué)模型表達(dá)。柞園作為遼寧東部山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，既是經(jīng)濟(jì)林、也是水源涵養(yǎng)林，所以，開(kāi)展柞園生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)研究，將為退化柞園的生態(tài)修復(fù)、柞園資源可持續(xù)利用等方面的研究工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2018年9月上旬，在遼寧省蠶業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)柞園內(nèi)選擇立地條件、坡向、坡位一致的柞園內(nèi)選取的根刈三枝齡遼東櫟、蒙古櫟、麻櫟、槲樹(shù)以及榛子、胡枝子、花木蘭、羊胡子苔草、東風(fēng)菜、玉竹、柞蠶繭殼、柞蠶蛹(9906、抗大、遼蠶582)、蠶糞(蒙古櫟、麻櫟、槲櫟、槲樹(shù)糞渣)、枯枝落葉。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)柞園內(nèi)設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)地3個(gè)，面積為20 m×15 m。在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取三枝齡遼東櫟、蒙古櫟、麻櫟、槲樹(shù)各3株，測(cè)定地上、地下各部位生物量(鮮重)。

草灌植物及柞蠶繭、蠶糞的生物量也是每個(gè)樣品3份，直接稱重。

將采集到的柞樹(shù)各器官樣品、柞園內(nèi)草灌植物及柞蠶繭殼等樣品放在烘箱內(nèi)，先在120 ℃溫度下烘干2 h，然后在80 ℃烘干至恒重，粉碎后用液氮研磨過(guò)100目篩，每份樣品準(zhǔn)備2 g左右，3次重復(fù)，共計(jì)99個(gè)樣品[2-3]。

將樣品送至沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心，測(cè)定柞樹(shù)葉、枝、干、根各器官和柞園內(nèi)草灌植物及柞蠶繭殼等樣品的能量(熱值)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算每個(gè)樣品的平均數(shù)，再折算成每公頃柞園內(nèi)不同樹(shù)種柞樹(shù)、草灌植物及柞蠶繭、蠶糞的生物量。柞樹(shù)的生產(chǎn)力指柞樹(shù)枝干、葉的年增長(zhǎng)量。由于根系的重量年變化不大，其生產(chǎn)力可忽略不計(jì)。

投入項(xiàng)的能量除太陽(yáng)能能量數(shù)據(jù)來(lái)自遼寧省鳳城市氣象站外，其余投入能量由各投入項(xiàng)數(shù)量和該項(xiàng)熱值相乘而得；植物各器官貯存和利用的能量，由各器官的生物量與熱值相乘而得；歸還能量以有機(jī)物進(jìn)入土壤的歸還能量和相應(yīng)植物器官的熱值相乘而得；輸出能量由其輸出數(shù)量(繭、枝干、灌木)乘以相應(yīng)的熱值而得。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種柞樹(shù)各器官及草灌植物、繭殼等的熱值的測(cè)定結(jié)果(表1-2)

由表2可知，4種柞樹(shù)葉、枝、干、根的熱值(平均值)由高到低排序分別為：槲樹(shù)、遼東櫟、蒙古櫟、麻櫟(葉)；蒙古櫟、槲樹(shù)、遼東櫟、麻櫟(枝)；遼東櫟、蒙古櫟、麻櫟、槲樹(shù)(干)；遼東櫟、蒙古櫟、槲樹(shù)、麻櫟(根)。

表1 柞園內(nèi)草灌植物及繭殼等熱值測(cè)定

表2 4種柞樹(shù)各器官的熱值

2.2 4種柞樹(shù)及草灌植物、柞蠶繭的生物量及生產(chǎn)力(表3)

由表3可知，同一樹(shù)種不同部位的生物量比較為：枝干>根>葉。不同樹(shù)種相同部位的生物量比較：麻櫟>蒙古櫟>遼東櫟>槲樹(shù)(葉)；麻櫟>遼東櫟>蒙古櫟>槲樹(shù)(枝干)；麻櫟>遼東櫟>蒙古櫟>槲樹(shù)(根)。

表3 不同樹(shù)種柞樹(shù)生物量及生產(chǎn)力

2.3 柞園內(nèi)草灌植物及柞蠶繭的生物量

表4 柞園內(nèi)草灌植物及柞蠶繭的生物量

2.4 柞園生態(tài)系統(tǒng)能量的貯存、轉(zhuǎn)化、輸出、歸還量情況

表5 柞園生態(tài)系統(tǒng)能量的貯存、轉(zhuǎn)化、輸出、歸還量(單位：1×106J/hm2)

2.5 柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)模型

3 結(jié) 論

3.1 柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量投入狀況

柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量投入是指每年自然進(jìn)入或者人為投入系統(tǒng)的能量，主要有太陽(yáng)能和人工輔助能兩部分。太陽(yáng)能進(jìn)入柞園生態(tài)系統(tǒng)后，一部分以熱的形式為柞樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育提供一個(gè)適宜的環(huán)境條件，另一部分則通過(guò)光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成生物能貯存在柞樹(shù)體內(nèi)。貯存在柞樹(shù)體內(nèi)的這部分能量一些被用來(lái)維持新陳代謝所消耗，還有一些永久的貯存在柞樹(shù)體內(nèi)，也就是我們所說(shuō)的能夠最終被人們利用的、以生物質(zhì)形式貯存在柞樹(shù)體內(nèi)的能量。人工輔助能主要包括人工能、柴油能、農(nóng)藥能等，這些輔助能的加入可以大大提高人類對(duì)太陽(yáng)能的利用率。柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量投入為5 452.347 9×1010J/hm2，其中太陽(yáng)能為5 445.145 8×1010J/hm2，人工輔助能為7.202 1×1010J/hm2。

3.2 柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量利用狀況

太陽(yáng)能進(jìn)入到柞園生態(tài)系統(tǒng)后，大部分以熱的形式為植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供適宜的環(huán)境條件，剩下一部分能量通過(guò)植物的光合作用轉(zhuǎn)化為生物能貯存在植物體內(nèi)，就是柞園生態(tài)系統(tǒng)所能利用的能量。柞園生態(tài)系統(tǒng)能夠利用的能量為32.751 5×1010J/hm2。利用率為0.6%。

3.3 柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量貯存狀況

在柞園生態(tài)系統(tǒng)中，由于不是所有的柞樹(shù)都用來(lái)養(yǎng)蠶，因而有一部分貯存在柞樹(shù)中的能量被長(zhǎng)期的保存下來(lái)，它和林下小灌木當(dāng)年利用的太陽(yáng)能一起構(gòu)成了柞園生態(tài)系統(tǒng)的貯存能，這部分能量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。柞園生態(tài)系統(tǒng)所貯存的總能量為67.983 5×1010J/hm2，未放養(yǎng)柞蠶的柞樹(shù)所貯存的占16.7%，林下小灌木所貯存的占13.2%。

3.4 柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量歸還情況

柞園生態(tài)系統(tǒng)中有一部分能量隨著歸還物進(jìn)入土壤中，為土壤中的微生物活動(dòng)以及其他生物過(guò)程提供了能源，這同樣也是柞園生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能量流動(dòng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。柞園生態(tài)系統(tǒng)一年向土壤歸還的生物質(zhì)所含的能量為7.345 3×1010J/hm2，蠶糞的貢獻(xiàn)率為46.9%，柞樹(shù)及林下小灌木枯枝落葉的貢獻(xiàn)率為53.1%。

3.5 柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量輸出情況

柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量輸出就是其一年可以向社會(huì)提供的能量，研究柞園生態(tài)系統(tǒng)的目的就是追求最大程度的能量輸出。柞園生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)人為收獲，一年向系統(tǒng)外輸出的物質(zhì)所含總量為29.317 6×1010J/hm2，系統(tǒng)輸出的能量主要來(lái)自柞蠶繭的生產(chǎn)和柞樹(shù)的輪伐，柞蠶繭的生產(chǎn)提供的輸出能量占4.3%，柞樹(shù)的輪伐提供的輸出能量占91.9%。

4 討 論

目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)的研究不少，如肖功武[4]對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)能量流的研究，于佳等[5]對(duì)千島湖生態(tài)系統(tǒng)的研究，大多是基于生態(tài)保護(hù)的理念對(duì)河流、湖泊、森林等生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究。蔣菊生等[6-7]針對(duì)單一經(jīng)濟(jì)作物生態(tài)系統(tǒng)也進(jìn)行了研究，而對(duì)柞園這一生態(tài)系統(tǒng)的研究?jī)H見(jiàn)楊思河等[8]對(duì)柞蠶林養(yǎng)分循環(huán)的研究。本文僅通過(guò)初步建立的柞園生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型，形象描述了系統(tǒng)能量流動(dòng)的過(guò)程，對(duì)進(jìn)一步深化柞園生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)研究奠定基礎(chǔ)，使得蠶農(nóng)經(jīng)營(yíng)柞園的活動(dòng)達(dá)到生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益兼顧的效果。有關(guān)柞園生態(tài)系統(tǒng)的能量與物質(zhì)流動(dòng)研究還處于初始階段，相關(guān)研究還有待于進(jìn)一步的深化。