速生阶段西南桦人工林养分积累及其分配特征1)

何斌 何纾敏 黄弼昌 周燕萍 卢万鹏 廖倩苑 李远航 舒凡

(广西大学，南宁，530004) (广西天峨县林朵林场) (广西大学)

林木养分的积累与分配格局是森林生态系统养分生物循环最重要的内容之一，对指导森林尤其是人工林的养分管理，提高森林养分元素利用效率和生物生产力都有重要的意义［1-2］。西南桦(Betula alnoides)为桦木科桦木属落叶乔木，主要分布于云南、广西、贵州和四川等地，树体高大、干形通直，材质细致优良，并具有适应性强、生长迅速、用途广泛、经济效益和生态效益好等特性，有着广阔的应用前景［3-4］。目前，我国西南桦栽培面积已超过16．0 万hm2，且继续呈现良好的发展势头，成为我国热带、南亚热带地区重点发展的速生丰产林树种及乡土树种之一，并取得了良好的经济效益和生态效益。国内外关于西南桦人工林的研究始于20 世纪70 年代末，随着西南桦人工林的逐步发展，有关西南桦的相关研究逐渐增多，从早期的资源调查、引种驯化、播种育苗和造林技术等方面研究逐步发展到近年来的良种选育、高效栽培以及木材利用技术等方面［5-7］，但有关西南桦人工林养分积累的研究尚未见报道。广西西北部即桂西北是西南桦重要分布区之一，本研究对广西西北部天峨县速生阶段(12 年生)西南桦人工林养分元素质量分数、积累量及其分配特征进行研究，以揭示西南桦人工林养分元素的吸收与积累特点，为西南桦人工林的经营管理提供科学依据。

1 研究区自然概况

研究区位于广西天峨县林朵林场立兴分场，属亚热带季风气候，年平均气温20．9 ℃，年平均积温7 475．2 ℃，年平均日照时间1 232．2 h，年平均降水量1 253．6 mm，年平均无霜期336 d。地貌类型以低山为主，海拔620～650 m，土壤为砂页岩发育而成的黄红壤，土层深厚，林地大部分土壤厚度70 ～100 cm，其中腐殖质层15 ～20 cm，土壤质地为壤土或轻壤土，结构较疏松，0 ～40 cm 土层pH 值4．52，有机质、全氮和全磷质量分数分别为24．71、0．92、0．24 g·kg-1，水解氮、速效磷和速效钾质量分数分别为85．2、0．8、48．9 mg·kg-1。

试验地以前为杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林，于1999 年秋季砍伐后进行人工整地，定点挖坎，规格为40 cm×40 cm×30 cm，2000 年4 月份用西南桦裸根实生苗造林，造林密度1 250 株·hm-2(株行距2 m×4 m)。栽植后前3 年即2000—2002年分别在5—6 月份和9—10 月份进行2 次铲草抚育，第4 年即2003 年6 月进行1 次卫生清理(铲草抚育)。2012 年12 月调查时，12 年生西南桦人工林林相整齐，林分保留密度为1 060 株·hm-2，平均树高16．2 m，平均胸径(带皮)15．6 cm。林下灌木主要有盐肤木(Rhus chinensis)、华南毛柃(Eurya ciliate)和鸭脚木(Alstonia constricta)等，草本植物主要有五节芒(Miscanthus floridulus)、粗叶悬钩子(Rubus alceaefolius)和龙须草(Eulaliosis binata)等，凋落物层厚度约2 cm。

2 研究方法

2．1 试验地设置和林分生物量测定

在12 年生西南桦人工林内设置3 个代表性标准样地，面积为20 m×20 m，对标准地内林木进行每木检尺，分别测定树高、胸径和冠幅等测树因子。在每块标准地内选取1 株代表林分生长状况的平均木，伐倒树木后地上部分采用Monsic 分层切割法，分别测定树干、树皮、树枝和树叶鲜质量，同时分别取样。地下部分(根系)采用全根挖掘法，分根桩、粗根(根系直径≥2．0 cm)、中根(0．5 ～2．0 cm)、细根(＜0．5 cm)分别实测鲜质量，采集混合样品200～300 g 作室内分析。同时分别在每个标准样地内设置5个1 m×1 m 样方，采用样方收获法测定灌木层、草本层的地上和地下生物量以及凋落物层(包括未分解和半分解凋落物)的现存量，计算各层次植物样品的生物量，并分别取样测定含水率和干质量，计算各组分的生物量。

2．2 植物样品养分元素分析

在测定林分生物量的同时，将林木各器官及林下灌木层、草本层和凋落物层样品在90 ℃短时间杀青后，再在80 ℃下烘干、粉碎、装瓶备用。样品中的N、P、K 质量分数先采用浓H2SO4-HClO4消化法消煮后，N 采用凯氏定氮法测定，P 采用钼锑抗比色法测定，K 采用火焰光度计法测定［8］;Ca、Mg 质量分数先采用HClO4-HNO3消化法消煮，然后分别用原子吸收光谱法测定［9］。

3 结果与分析

3．1 养分元素质量分数

从表1 可以看出，西南桦不同器官的养分元素质量分数因其生理机能不同而存在差异，同化器官树叶的养分元素质量分数最高，非同化器官干材的养分元素质量分数最低。各器官养分元素质量分数由高到低依次为树叶、树枝、干皮、树根、干材。不同养分元素在林木各器官中质量分数的排列次序存在一定的差异，树叶和干材各元素质量分数由高到低为N、K、Ca、Mg、P，树枝、干皮和树根则为K(Ca)、N、Mg(P)。

表1 西南桦人工林养分元素质量分数 g·kg-1

3．2 养分储量及其分配

从表2 可以看出，12 年生西南桦人工林养分总储量为1 172．87 kg·hm-2，乔木层作为林分的主体部分，其养分储量为1 027．67 kg·hm-2，占整个林分养分总储量的87．62%，灌草层和凋落物层分别为69．33、75．87 kg·hm-2，分别占5．91%和6．47%。乔木层不同器官养分储量由高到低为树枝、干材、树皮、树根、树叶。如果将乔木层划分为树冠(树叶+树枝)、树干(干材+干皮)和树根，则树冠养分储量(425．67 kg·hm-2)占41．42%，树干(433．60 kg·hm-2)占42．19%，树根(168．40 kg·hm-2)占16．39%。而在乔木层的5 种养分元素储量中，以N 素的最多，为339．98 kg/hm2，占乔木层养分储量的33．08%;P 素最小，仅为44．26 kg·hm-2，占4．31%。

表2 西南桦人工林养分储量及其分配 kg·hm-2

3．3 乔木层养分年净积累量

养分年净积累量是植物体内各种养分积累的速率，它取决于林分净生产力的增长量及养分元素含量。以年平均净生产量作为乔木层净生产力的估算指标，计算西南桦人工林养分的年净积累量(表3)。从表3 可见，12 年生西南桦人工林养分年净积累量为85．62 kg·(hm2·a)-1，不同器官养分年净积累量以树枝最高，为21．59 kg·(hm2·a)-1，其次是干材，为21．11 kg·(hm2·a)-1，树叶最小，为13．88 kg·(hm2·a)-1。就不同养分元素在林木中年净积累量而言，以N 最大，为28．34 kg·(hm2·a)-1，K、Ca、Mg和P 依次为27．51、21．85、4．24、3．68 kg·(hm2·a)-1。

表3 西南桦人工林养分年净积累量 kg·(hm2·a)-1

3．4 林木养分元素利用效率

林木养分元素利用效率反映了林木对养分环境的适应及其利用状况，一般多采用Chapin 指数作为反映森林养分元素利用效率的指标，其值用植物生物量与植物养分贮量之比来表征［10-11］。从表4 可以看出，12 年生西南桦人工林每积累1 t 干物质需要N、P、K、Ca、Mg 5 种养分元素8．40 kg，高于相近区域广西南丹县11 年生的杉木和秃杉(Taiwania flousiana)人工林［12］，以及湖南会同县14 年生马尾松(Pinus massoniana)人工林［13］，低于广西南宁市10 年生灰木莲(Manglietia glauca)人工林［14］和北京北部山区13 年生刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林［15］。从西南桦人工林对5 种养分元素的利用效率看，以P、Mg 较高，其次为Ca 和K，N 最低。

表4 不同人工林的养分元素利用效率

4 结论与讨论

西南桦养分元素质量分数因器官不同而存在差异，其值由大到小依次为树叶、树枝、干皮或树根、干材。各器官中不同养分元素质量分数大小的排列次序也因器官不同而存在一定的差异，树叶和干材中各元素质量分数由大到小依次为N、K、Ca、Mg、P，树枝、干皮和树根则为K(或Ca)、N、Mg(或P)，与相同或相近气候带的杉木［12］、马尾松［13］、秃杉［12］、灰木莲［14］和马占相思(Acacia mangium)［16］等树种的排列次序基本一致。

12 年生西南桦人工林5 种养分元素总储量为1 172．87 kg·hm2，其中乔木层养分储量为1 027．67 kg·hm2，占总储量的87．62%，不同器官养分元素储量由大到小依次为树枝、干材、干皮、树根、树叶，与速生阶段的杉木［12］、秃杉［12］、马尾松［13］、灰木莲［14］和马占相思［16］等树种的排列次序存在一定差异，反映了西南桦人工林养分元素积累的分配特点。

林下植被是西南桦人工林生态系统的重要组成部分。12 年生西南桦林下植被(包括灌木、草本和凋落物层)养分储量为145．20 kg·hm2，占林分养分总储量的12．38%，其中凋落物层养分储量为75．87 kg·hm2，占6．47%。由于速生阶段西南桦人工林养分积累速率快，因此，在西南桦人工林的经营管理中，保护和恢复林下植被对促进西南桦人工林养分循环，促进西南桦人工林的持续快速生长以及林地持久生产力的维持都具有重要的作用。

西南桦人工林乔木层养分年净积累量为85．62 kg·(hm2·a)-1，不同养分元素年净积累量由大到小为Ca、N、K、Mg、P;每积累1 t 干物质需要5 种养分元素8．40 kg，高于相近区域广西南丹县山口林场11 年生的杉木和秃杉人工林，但低于广西南宁市10年生灰木莲人工林以及北京北部山区13 年生刺槐人工林，表明西南桦人工林具有较高的养分元素利用效率。不同养分元素利用效率以P、Mg 较高，其次是K 和Ca，N 最低，这也与相近区域、相近林龄的杉木、马尾松、秃杉和灰木莲的研究结果［11-13］基本一致。由于该区域土壤有效磷质量分数降较低(小于临界值3．0 mg·kg-1)，因此，在西南桦人工林的经营管理中，适当施加磷肥，可能对加快土壤磷素的快速循环，促进林木生长发育起到积极地作用。

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