黑木相思人工林营养元素生物循环特征1)

何 斌 韦善华 张 伟 唐 天

(广西大学，南宁，530004) (广西高峰林场) (广西林业勘测设计院) (广西高峰林场)

罗柳娟 刘红英 刘 莉 覃祚玉

(广西大学)

林木营养元素的积累与分布是研究森林生态系统物流和能流的基础，而系统中的养分循环是系统功能的主要表现之一，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］。黑木相思(Acacia melanoxylon)原产于澳大利亚、巴布亚新几内亚和印度尼西亚等地，为相思类最高大乔木种之一，具有速生、干形较直、耐干瘠和抗逆性强等特点，是多功能的速生用材树种。因其干形良好、速生、材质优良而又具有一定的耐寒能力，已成为近年来广东、广西、福建、海南等省区推广种植的重要相思类树种之一。目前国内有关黑木相思人工林的研究已有不少报道［3－7］，但主要集中在引种、苗木选育、生长特性以及木材材性等方面，至今未见有关黑木相思人工林养分质量分数、积累以及生物循环等方面的报道。为此，文中拟通过对8年生黑木相思人工林9种营养元素(N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn 和 Cu)的质量分数、积累、分布和生物循环的研究，揭示黑木相思人工林的养分积累及其循环规律，为黑木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 试验地概况

试验地位于广西南宁市北郊(108°21＇E，22°58＇N)，属南亚热带季风气候区，年平均气温21.8℃，极端最高气温40℃，≥10℃年积温约7 200℃，年平均降水量约1 350 mm，降雨多集中在5—9月，相对湿度约79%，年日照时数1 450～1 650 h。调查样地均位于山坡中下部，海拔180～200 m，坡向为南坡，坡度26°～28°，土壤类型为砂页岩发育形成的赤红壤，土层厚度在80 cm以上，土壤腐殖质层厚度15～20 cm。

试验地前茬林分为马尾松(Pinus massoniana)人工林，2000年12月采伐并经炼山整地后，于2001年4月用黑木相思实生苗定植，初植密度1 140株/hm2。造林当年和第二年除草抚育管理各1次。2009年3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。林下植物灌木层主要有毛桐(Mallotus barbatus)、盐肤木(Rhus chinenesis)、杜茎山(Maesa japonica)、潺槁树(Litsea glutinosa)、越南悬钩子(Rubus cochinchinensis)等，草本植物主要有蔓生莠竹(Microstegium vaans)、五节芒(Miscanthus floridulus)和淡竹叶(Lophatherum gracile)等，凋落物层厚度2～3 cm。

2 研究方法

乔木层生物量的测定:于邻近分布、立地条件相似、长势良好的8年生黑木相思人工林中设置3个20 m×20 m的调查样地，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，在标准地内选取各径级5株标准木伐倒，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［8］，分别测定根蔸、粗根(根径(d)≥2.0 cm)、中根(0.5 cm≤d＜2.0 cm)、细根(d＜0.5 cm)鲜质量。各组分分别取样，在80℃恒温下烘干至恒质量，计算出各组分的干湿比例和干物质质量，估算林分生物量。

林下植被生物量及现存凋落物量调查:分别在每个标准地内随机设置5个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。灌木和草本层用样方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，凋落物层则收集和称量样方内所有凋落物，同时取样测定含水率和干质量。

年凋落物的测定:采用直接收集法测定年凋落物量，即在每个标准地内随机设置5个1 m×1 m的木框架尼龙网收集器，收集网的孔径为1.0 mm，每月月底收集凋落物一次，带回室内，按叶、枝、花果和杂物等组分烘干测定生物量。

植物样品的采集及营养元素分析:在测定各组分生物量的同时，按不同组分采集分析样品;凋落物样品为按各月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质量分数采用浓H2SO4－HClO4消化法消煮后，N用氨气敏电极法测定［9］，P用钼锑抗比色法测定，K用火焰光度计法测定;Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 质量分数采用 HClO4－HNO3消化法消煮，然后用原子吸收光谱法测定［10］317－336;B 质量分数用干灰化法灰化，然后用姜黄素法测定［10］316。

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，按照生物循环公式: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，表示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，即为营养元素的总储存量除以归还量［2］。

3 结果与分析

3.1 营养元素质量分数

从表1可以看出，黑木相思不同组分的营养元素质量分数相差较大，以同化器官树叶营养元素质量分数最高，非同化器官干材的营养元素质量分数最低。营养元素质量分数由大到小依次为树叶、干皮、树枝、树根、干材。各器官中的大量元素均以N的质量分数最高，其中树叶中N质量分数明显高于马尾松、杉木和桉树等速生树种［11－13］，显示出黑木相思具有与其他相思树种相似的固氮特性;其次是K和Ca，然后是Mg，P最低。微量元素以Mn的质量分数最高，其次是Fe和Zn，Cu最低。

黑木相思人工林林下植被(草本层和灌木层)和凋落物层的营养元素质量分数较丰富，除略低于黑木相思树叶外，基本上都高于黑木相思的其他组分。而就黑木相思群落垂直结构中各组分的营养元素质量分数而言，呈现出自上而下递增的趋势，即草本植物＞灌木植物＞乔木植物，表明黑木相思人工林不同垂直结构层次植物对土壤养分富集能力存在一定的差异［14］。

3.2 营养元素储存量

从表2可以看出，黑木相思人工林现存生物量的营养元素储存量为987.17 kg/hm2，其中乔木层所积累的营养元素达到749.23 kg/hm2，占总储存量的75.89%，不同器官营养元素储存量大小呈现出树叶＞树皮＞树枝＞树干＞树根。乔木层中不同营养元素储存量以N最多，为403.14 kg/hm2，占乔木层储存量的53.80%，分别为 P(24.65 kg/hm2)的16.35 倍、K(193.07 kg/hm2)的 2.09 倍、Ca(82.92 kg/hm2)的4.86 倍和 Mg(33.69 kg/hm2)的11.97 倍，可见黑木相思对N具有很强的吸收与富集能力，同时也是其具有较强的固氮改土能力的重要原因。若将林木器官分为树冠(树枝和树叶)、树干(干材和干皮)和树根3部分，则黑木相思人工林上述3部分营养元素储存量依次占乔木层储存量的49.23%、40.06%和10.71%。黑木相思人工林灌木层和草本层营养元素储存量分别为119.26和51.60 kg/hm2，分别占林分储存总量的12.08%和5.23%;凋落物层营养元素储存量为67.06 kg/hm2，占林分储存总量的6.79%，由于凋落物中大部分是比较容易分解的凋落叶，难分解的树枝等所占比例较小，而且凋落物中N的储存量所占比例较大(59.14%)，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1 黑木相思人工林各组分营养元素质量分数

表2 黑木相思人工林各组分生物量及营养元素储存量 kg·hm－2

3.3 营养元素年净积累量

从表3可以看出，8年生黑木相思人工林9种元素的年净积累量为93.65 kg/(hm2·a)，其中N、P、K、Ca、Mg 5 种营养元素的年净积累量为 92.18 kg/(hm2·a)，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［11－12］，表明黑木相思人工林有较强的养分积累能力。不同营养元素的年净积累量以N为最多，占年净总积累量的53.81%，其它元素年净积累量依次为 K＞Ca＞Mg＞P＞Fe＞Mn＞Zn＞Cu。

表3 8年生黑木相思人工林各组分营养元素年净积累量 kg·hm－2·a－1

3.4 营养元素的生物循环

生物循环是指养分在植物—凋落物—土壤—植物的循环流动过程，包括吸收、存留和归还3个环节，且遵循吸收量=存留量+归还量的平衡关系。表4给出了黑木相思人工林9种营养元素的生物循环参数。

表4 8年生黑木相思人工林营养元素的生物循环

黑木相思人工林9种营养元素吸收量为199.30 kg/(hm2·a)，其中 53.02%(105.66 kg/(hm2·a))的吸收量以凋落物的形式归还于土壤，高于存留于立木中的 134.64 kg/(hm2·a)(占 67.56%)，并且凋落物中N素(62.78 kg/(hm2·a)占59.42%。因此，黑木相思人工林通过较多的富含N素的凋落物将N素归还土壤，从而对土壤，尤其是贫瘠缺N土壤起到良好的固氮改土作用。

8年生黑木相思人工林9种元素的利用系数为0.14，循环系数为 0.53，周转时间为 7.11 a，其中以Mn周转期最短，P和K最长，这与林地土壤磷、钾养分比较缺乏密切相关，同时也表明，磷、钾素的缺乏可能是影响黑木相思人工林正常发育的重要原因之一。

4 结论与讨论

黑木相思不同器官营养元素质量分数存在差异，其排序大致为:树叶＞干皮＞树枝＞树根＞干材，与马占相思和厚荚相思不同器官营养元素质量分数排列次序基本一致［2，15－16］。各器官中大量元素质量分数以N最高，其次为K、Ca、Mg，最低是 P，微量元素以Mn质量分数最高，其次是Fe，最低是Zn。

8年生黑木相思人工林营养元素的储存量为987.17 kg/hm2，其中乔木层所积累的养分达到749.20 kg/hm2，占总储存量的75.89%，不同器官养分储存量呈现出树叶＞树皮＞树枝＞树干＞树根，其中干皮营养元素储存量均高于除树叶外的其他器官，表现出与马占相思［2，15］、厚荚相思［16］等相思类树种，以及巨尾桉［13］、马尾松［11］等其他速生树种存在明显的差异，这与黑木相思干皮具有较高的营养元素质量分数并具有较高的生物量比例密切相关，同时也反映了黑木相思人工林营养元素积累的特点。乔木层中不同养分元素贮存量以N(403.14 kg/hm2)为最多，占乔木层养分储存量的53.80%，分别为P(24.65 kg/hm2)的 16.35 倍、K(193.07 kg/hm2)的 2.09倍、Ca(82.92 kg/hm2)的 4.86 倍和 Mg(33.69 kg/hm2)的11.97倍，表明黑木相思对N具有很强的吸收与富集能力，同时体现了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。

8年生黑木相思人工林营养元素的储存量为987.17 kg/hm2，乔木层储存量最多，占 75.89%，其中干材储存量最少，仅占9.73%。因此，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)所造成养分输出不很大，因而对林地生产力的影响也较小。而灌木、草本和凋落物层养分储存量(237.92 kg/hm2)占24.10%，这对维持这一人工林生态系统的稳定和平衡起着重要的作用。

8年生黑木相思人工林养分年吸收量为199.30 kg/(hm2·a)，其中年归还量为 105.66 kg/(hm2·a)，高于其相应的年积累量(93.64 kg/(hm2·a))。养分循环系数为0.53不同元素呈现出Mn＞Zn＞Mg＞Cu＞Ca＞N＞Fe＞K＞P;周转期为7.11 a，不同元素呈现出 P＞K＞Fe＞N＞Ca＞Cu＞Mg＞Zn＞Mn，其中，除 P 和 K外，其他元素周转期均小于林分实际年龄。由于黑木相思人工林中林冠层生物量和养分储存量均较大，而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量偏低(其中以移动性强的钾元素更为明显)，而周转期则与此恰好相反。总的来看，黑木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。因此，在生产实践中合理经营和管理黑木相思人工林，对维持和改善林地土壤肥力，提高林地生产力具有重要作用。但由于黑木相思人工林的磷素循环周期较长，而植物生长的限制性的黑木相思树叶N/P比值(16.5)大于14，也表明该树种的生长可能受磷素限制［17－18］，由于热带、亚热带地区土壤磷素严重缺乏，有效性低，同时因雨量充沛，地表冲刷强烈，从而导致磷素流失;因此，应加强磷素营养管理，如采取施用磷肥等措施，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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