滨海沙地尾巨桉人工林凋落物及其分解1)

林 宇 张 勇 黄秀勇 张 松 何宗明 林思祖 官国栋

(福建省长乐大鹤国有防护林场，长乐，350212) (福建农林大学)

森林凋落物是指森林生态系统内由生物组分产生，归还到林地表面的所有有机物质的总称，是分解者的物质和能量来源，对森林生态系统的物质循环和养分平衡起到了重要的作用，是森林生态学重要研究内容之一。德国的Ebermayer(1876)首次提出森林凋落物在森林生态系统养分循环中的重要性，国内外许多学者先后对森林凋落物的归还量、化学成分和分解速率等方面进行了大量的研究，探索物质循环规律和森林的自肥机制等［1－5］。尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis)生长异常迅速、适应性强、抗旱能力强及有防风固沙能力的优良树种，能够适应海岸带后沿沙地贫瘠的立地条件，对于增加防护林造林树种种类，调整树种结构，改善海岸带生态环境等方面能够发挥有效作用，是沿海防护林建设中极具潜力的树种［6－9］。国内对尾巨桉研究主要集中在人工林收获、涵养水源能力以及对土壤理化性质影响等方面［10－12］。目前有关沿海沙地尾巨桉树种凋落物及其分解的研究未曾见报道，因此，研究沿海沙地尾巨桉树种凋落物及其分解具有重要意义，为合理评价桉树类树种生态效益和采取有效营林措施等方面提供依据。

1 试验区概况

试验地位于福建省长乐大鹤国有防护林场，属南亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，气候温和，年平均温度19.2 ℃，最高气温为35 ℃，最低气温为0℃，无霜期326 d，平均湿度77%，年降水量1 382.3 mm，总风向为东风，平均风速4.2 m·s－1，台风多发生在每年7—8月份，每年4 ～6 次。平均海拔10 m，土壤为滨海风沙土，土壤肥力差，保水能力低，天然植被少，林下常见零星植被有茅莓(Rubus parvifolius)、白茅(Ⅰmperata cylindrica Linn.)、硕苞蔷薇(Rosa breateata)、马缨丹(Lantana camara)等。

2 材料与方法

2.1 实验材料

以2003年春营造的尾巨桉人工林为研究对象。初植密度为1 650 株·hm－2，造林时施基肥(复合化肥)每穴30 g，并于当年9月追肥每穴100 g，之后松土锄草抚育每年两次共两年。林分生长指标:调查时间为2012年8月，平均胸径为11.44 cm，平均树高为14.32 m，郁闭度为0.8，林分密度为1 250 株·hm－2，蓄积量为89.36 m3·hm－2，样方面积为400 m2。

2.2 研究方法

凋落物收集和分解质量损失实验起止时间为:2012年1月1日至12月30日。

2.2.1 凋落物收集

在尾巨桉人工林中各随机设置3 个有代表性的实验地作为重复区，每个小区面积400 m2(20 m×20 m)。在各重复小区中按对角线均匀安置6 个50 cm×50 cm 的尼龙网(孔径1 mm)收集框。每月底收集一次框内的凋落物，按枝、叶、花、果和虫尸粪等分类烘干并测定生物量。同时，将采集的样品粉碎，放入自封袋中，留作养分分析。

2.2.2 凋落物质量损失试验

取新的凋落物装入尼龙网袋(孔径1 mm)中，每袋样品20 g，三个重复区各随机放置12 袋，自放置之日起每个月收回其中3 袋共9 袋，清除附着的沙土后放入60 ℃恒温下烘干称质量，计算损失质量，然后将样品粉碎，用于元素质量分数的测定。

凋落物质量残留率计算公式:Di= Wi/W0×100%。式中:Di为分解第i月样品质量残留率，Wi为第i月样品烘干质量，W0为网袋样品初始烘干质量。

凋落物总质量损失率:Dwi=1－Di。式中:Dwi为第i月总质量损失率。

凋落物月质量损失率:Dmi=Dwi－Dwi－1。式中:Dmi为第i月质量损失率，Dwi－1为第i－1月质量损失率。

2.2.3 养分测定

测定凋落物各组分及各网袋样品主要元素的质量分数，其中K、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Cu、Zn 采用国标LY/T 1270－1999《硝酸－高氯酸消煮法》制备待测液，K、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Cu、Zn 元素采用原子吸收分光光度计法测定，P 元素采用紫外分光光度计法测定，N 元素采用全自动碳氮分析仪(Elemental Analyzer Vario ELIII)测定。实验数据采用Excel 和SPSS 软件分析处理。

3 结果与分析

3.1 凋落物产量和月动态变化

经调查统计，尾巨桉人工林的年凋落量为6 745.93 kg·hm－2·a－1，凋落物各组分年产量由大到小的排列顺序为:叶(4 151.00 kg·hm－2·a－1)、皮(853.27 kg·hm－2·a－1)、枝(850.13 kg·hm－2·a－1)、花果(662.20 kg·hm－2·a－1)、虫尸粪碎屑(229.33 kg·hm－2·a－1)，落叶量占总凋落物量的61.53%，说明叶在桉树人工林养分循环中扮演了重要的角色。凋落皮产量略大于落枝，分别占总凋落量的12.65%和12.60%，体现了该树种的生理特性。落花和落果占总凋落物量的9.82%，虫尸粪碎屑占3.40%。

尾巨桉人工林凋落物量具有明显的季节动态，总凋落量表现出了“双峰”的变化趋势，与荣薏［13］和潘辉等［14］的研究结果相似。如图1所示，峰值分别出现在5月份和7月份。1—3月份的凋落物产量最低，3—5月份呈上升趋势，5月份达到最高值，随后略呈下降趋势后又上升，到7月份又形成一个高峰，然后开始逐步下降。从它们的各组成月动态变化(图2)可知，凋落叶的生物量月动态与图1中的凋落物总量动态基本一致，说明凋落叶是凋落物的最主要成分。枝的凋落量有明显的季节性，枝在冬春季节的凋落量低于夏秋季节，可能与冬春季节的气候相对较为温和，树枝枯死后会在树干上宿存，需要一段时间才能自然脱落;而夏秋季节的外界干扰较大，如风、雨、持续干旱等物理作用比较剧烈，使其凋落量增加。凋落枝的生物量在7月份达到最大，这与沿海地区7月份台风多发有关。

图1 尾巨桉凋落物生物量的月动态变化

图2 凋落物各组成生物量月动态变化

3.2 凋落物各组分营养元素的质量分数

凋落物各组成养分的质量分数的大小直接影响到养分归还。由表1可看出，尾巨桉人工林的凋落物中，不同组分养分质量分数差别很大。N、Ca、K、Na、Mg 元素质量分数较大，Cu 质量分数最小。在大量元素中只有P 的质量分数比微量元素Mn 的质量分数低。Na 的质量分数很高，可能与沿海沙地土壤中富含盐有关。碎屑N 的质量分数较高，与其主要组成虫尸、粪等比例高有关。作为凋落物的主要成分，凋落叶营养元素质量分数由大到小的顺序为N、Ca、Na、Mg、K、Mn、P、Fe、Zn、Cu，凋落叶的N 质量分数是P 质量分数21 倍多;凋落枝营养元素质量分数由大到小的顺序为Na、Ca、N、K、Mg、Mn、P、Fe、Zn、Cu;凋落皮营养元素质量分数由大到小的顺序为K、N、Na、Mg、Ca、Mn、P、Fe、Zn、Cu。

表1 凋落物各营养元素的质量分数 g·kg －1

3.3 凋落物的养分归还量

由表2可知，尾巨桉人工林每年归还林地的养分总量为212.09 kg·hm－2·a－1，通过凋落叶归还给林地的养分总量最大，为136.09 kg·hm－2·a－1，占养分总归还量的64.5%，各组成养分归还量由大到小的顺序为:落叶、落枝、落皮、落花果、碎屑。

表2 凋落物养分年归还量 kg·hm －2·a －1

在不同养分中，N 的归还量最大为69.89 kg·hm－2·a－1，占养分总归还量的32.95%。在大量元素中P 归还量最小为3.70 kg·hm－2·a－1，在微量元素中Cu 的归还量最小，仅为0.04 kg·hm－2·a－1。各营养元素归还量由大到小的顺序为:N、Ca、Na、K、Mg、Mn、P、Fe、Zn、Cu。

3.4 凋落物分解

3.4.1 凋落物月质量损失率的变化特征

由表3可知，尾巨桉凋落物的分解速率表现为慢－快－慢模式，1—4月份为缓慢上升期，占全年总质量损失率的29.87%;5—8月份为快速分解期，该时间段凋落物的月质量损失率在全年中最高，占全年总质量损失率的42.79%;9—12月份为缓慢下降期，占年总质量损失率的27.34%;7月份凋落物质量损失率最大，比最小12月份大2 倍多。

表3 凋落物质量损失率 %

3.4.2 凋落物分解模型及估测

凋落物的分解动态可用Olson［15］指数衰减模型来拟合，也可用它来估测凋落物分解50%(即半衰期t0.5)和95%(t0.95)所需的年限。Olson 指数模型公式为:Y=100·e－kt，式中，Y 为凋落物分解质量残留率(%)，t 凋落物分解时间(a)，100 为常数项，k为分解参数。

读取表3数据，输入SPSS 软件，计算得k =0.613 83(标 准 误= 0.020，95% 置 信 区 间 上 限0.658，下限0.569);尾巨桉凋落物残留率年变化的Olson 模型为:Y =100·e－0.61383t。由表4可知，模型R2=0.973，说明该方程拟合度较高。t0.5=ln0.5/－k=1.13 a;t0.95=ln0.05/－k =4.88 a。可见，尾巨桉凋落物分解半衰期为1.13 a，分解95%所需时间为4.88 a。上述Olson 指数衰减模型与实验测定结果进行相关分析，在0.01 水平(双侧)上两者相关系数达0.994 为极显著相关，因此可以用Olson模型来估测尾巨桉凋落物分解半衰期。

表4 模型方差分析

4 结论与讨论

10年生尾巨桉人工林凋落物量在一年中呈“双峰”变化趋势，年总凋落物量为6 745.93 kg·hm－2·a－1，小于同实验区同年龄的厚荚相思(7 616.60 kg·hm－2·a－1)和木麻黄(8 218.07 kg·hm－2·a－1)凋落物总量［16］，但处在热带、亚热带森林年均凋落物量(1 010 ～15 100 kg·hm－2·a－1)范围［17］。凋落物各组分产量由大到小的排列顺序为:叶(4 151.00 kg·hm－2·a－1)、皮(853.27 kg·hm－2·a－1)、枝(850.13 kg·hm－2·a－1)、花果(662.20 kg·hm－2·a－1)、虫尸粪碎屑(229.33 kg·hm－2·a－1)。凋落物各组成中凋落叶占61.53%，凋落皮和枝产量各占12.6%，落花落果占9.8%。

尾巨桉凋落物不同组分营养元素质量分数差别较大，N、Ca、Na 在凋落叶中的质量分数较高，凋落枝中Na 质量分数最高，凋落皮中K 质量分数最高。

尾巨桉每年通过凋落物归还给林地的养分总量为212.09 kg·hm－2·a－1，小于同实验区的厚荚相思(249.58 kg·hm－2·a－1)和木麻黄(273.23 kg·hm－2·a－1)养分归还总量［16］，也小于谭芳林［18］对沿海沙地木麻黄研究的结果，说明10年生尾巨桉通过凋落物提高土壤肥力的能力不如厚荚相思和木麻黄。在凋落物养分归还的各组成中，凋落叶的贡献率高达64.5%。在所有营养元素中，N 的归还量最大为69.89 kg·hm－2·a－1，占养分总归还量的32.95%;Na 的年归还量为41.18 kg·hm－2·a－1。

凋落物的分解速度在养分循环中地位举足轻重，其决定了森林生态系统生产力的高低［19－21］。尾巨桉凋落物的分解速率表现为慢－快－慢模式，与谭芳林［18］和李洁冰等［4］的研究结果大致相同。

滨海沙地尾巨桉人工林凋落物分解Olson 指数模型为:Y=100·e－0.61383t，并经相关分析验证，该模型可以用来预测尾巨桉凋落物分解半衰期。由此推测分解50%和95%分别用的时间为1.13 a 和4.88 a。

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