尾巨桉人工林營養(yǎng)元素積累及其生物循環(huán)特征1)

朱宇林

(玉林師范學(xué)院，玉林，537000)

何 斌 楊鈣仁 羅柳娟 劉紅英 劉 莉 覃祚玉

(廣西大學(xué))

桉樹(Eucalyptus)具有適應(yīng)能力強(qiáng)、生長迅速、單產(chǎn)高、生長周期短、樹干通直、用途廣泛和經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，為世界許多國家引種和推廣的速生樹種［1－2］，已成為我國華南地區(qū)短周期工業(yè)用材林生產(chǎn)基地的首選樹種。尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis)是由尾葉桉(E.urophylla)和巨桉(E.grandis)雜交獲得的雜交種，具有生長快、干形好、輪伐期短、伐根萌芽力強(qiáng)、無性繁殖容易、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，是目前我國南方實(shí)施速生豐產(chǎn)用材林基地建設(shè)的主要桉樹優(yōu)良品種之一，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［3－4］。但是，如何合理經(jīng)營和科學(xué)地管理尾巨桉人工林，維持其持久生產(chǎn)力，已成為當(dāng)前和今后林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和生態(tài)環(huán)境建設(shè)面臨的實(shí)際問題。

養(yǎng)分循環(huán)是維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和生產(chǎn)力的功能過程之一［5－6］，尾巨桉林養(yǎng)分循環(huán)的研究不僅能揭示該生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)機(jī)制，而且對(duì)指導(dǎo)林業(yè)生產(chǎn)、調(diào)節(jié)和改善林木生長的環(huán)境、提高系統(tǒng)的養(yǎng)分利用率和最大限度地提高生產(chǎn)力都具有重要意義。國內(nèi)有關(guān)桉樹人工林養(yǎng)分循環(huán)的研究已有不少報(bào)道［7－12］，但多數(shù)都是對(duì)某一年齡(或林齡)桉樹養(yǎng)分循環(huán)進(jìn)行研究，其中對(duì)尾巨桉人工林的研究僅見于幼齡林(2年生)的報(bào)道［12］，缺乏對(duì)林分養(yǎng)分循環(huán)的連續(xù)監(jiān)測與分析，難以反映尾巨桉人工林生長中的養(yǎng)分循環(huán)過程。為此，本研究通過4.5 a的定位觀測與分析，對(duì)1.5～4.5年生尾巨桉人工林主要營養(yǎng)元素的積累、分布和生物循環(huán)進(jìn)行了研究，以揭示尾巨桉人工林營養(yǎng)元素循環(huán)的特點(diǎn)及其變化趨勢，為桉樹生產(chǎn)的經(jīng)營管理，特別是林木施肥管理，以及防止桉樹人工林地力衰退提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西南寧市北郊，地理位置為東經(jīng)108°21'，北緯 22°58'，地處南寧盆地的北緣，大明山山脈南伸的西支。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.8℃，極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫－2℃，≥10℃年積溫約7200℃。年降水量1200～1500 mm，降雨多集中在5—9月份，年蒸發(fā)量1250～1620 mm，年日照時(shí)數(shù)1450～1650 h，相對(duì)濕度大約79%［5］。標(biāo)準(zhǔn)地位于山坡中部，海拔高度約200 m，坡度25°～28°，東南坡，土壤類型為砂頁巖發(fā)育形成的赤紅壤，土壤厚度在80 cm以上。

試驗(yàn)地前茬林分均為杉木(Cunninghamia lanceolata)純林，于2001年年底砍伐，經(jīng)煉山后按株行距2 m×3 m挖明穴，穴的長×寬×高為60 cm×40 cm×40 cm。于2002年4月用尾巨桉營養(yǎng)苗栽植，初植密度為1650株/hm2，種植前0～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P和全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.72、0.97、0.32 和14.20 g/kg，交換性鈣和交換性鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為49.52和7.86 μg/g。造林前每穴施鈣鎂磷肥500.0 g作基肥，植后當(dāng)年7月份鋤草撫育并施尿素100.0 g，9月份鋤草撫育并施復(fù)合肥250.0 g。經(jīng)林分自疏和間伐后，各不同林齡尾巨桉人工林林分特征見表1(均為當(dāng)年10月份測定的數(shù)據(jù))。

表1 尾巨桉人工林林分特征

2 研究方法

標(biāo)準(zhǔn)地的設(shè)置和林分生物量的測定:在立地條件相似的尾巨桉人工林中設(shè)置3塊20 m×20 m固定標(biāo)準(zhǔn)地，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的每株樹木進(jìn)行編號(hào)，每年10月測定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)樹木的樹高和胸徑。根據(jù)林分生長調(diào)查結(jié)果，同時(shí)為了不破壞試驗(yàn)地的林分，每年均在標(biāo)準(zhǔn)地外圍選擇代表平均值的3株標(biāo)準(zhǔn)木(平均木)，采用收獲法測定標(biāo)準(zhǔn)木的生物量。地上部分采用Monsic分層切割法，每2 m為一區(qū)分段，分干材、干皮、樹枝、樹葉，分別稱質(zhì)量;地下部分(根系)采用全根挖掘法，分根蔸、粗根(根系直徑(d)≥2.0 cm)、中根(0.5≤d＜2.0 cm)、細(xì)根(d＜0.5 cm)，分別稱質(zhì)量。取樣測定各器官的含水率及干質(zhì)量，計(jì)算林分生物量，以年平均增長量作為凈生產(chǎn)力的估測指標(biāo)。同時(shí)在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方，調(diào)查樣方內(nèi)植物種類、個(gè)體數(shù)、高度和覆蓋度等。灌木和草本層用樣方法收割和稱量地上部鮮質(zhì)量，再挖掘和稱量樣方地下20.0 cm范圍內(nèi)的根;凋落物層則采用收集和稱量樣方內(nèi)所有凋落物，同時(shí)取樣測定含水率和干質(zhì)量。

年凋落物歸還量的測定:在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的木框架尼龍網(wǎng)收集器，收集網(wǎng)的孔徑為1.0 mm，每月月底收集凋落物1次，帶回室內(nèi)，按葉、枝、花果和雜物等組分烘干測定生物量［6］。

植物樣品營養(yǎng)元素分析:在測定生物量的同時(shí)按不同組分采集分析樣品;凋落物樣品為按各月份凋落物質(zhì)量比例各選取一定量的凋落物混合后作為化學(xué)分析樣品。樣品中N質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用濃H2SO4－HClO4－氨氣敏電極法測定［13］，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)用鉬銻抗比色法測定，K用火焰光度計(jì)法測定，Ca、Mg用原子吸收光譜法測定［14］。

養(yǎng)分循環(huán)參數(shù)的計(jì)算:采用養(yǎng)分利用系數(shù)、循環(huán)系數(shù)和周轉(zhuǎn)時(shí)間等生物循環(huán)參數(shù)來分析養(yǎng)分循環(huán)的特征。按照生物循環(huán)公式(吸收量=存留量+歸還量)進(jìn)行計(jì)算。上述養(yǎng)分利用系數(shù)為吸收量與儲(chǔ)存量的比值，表明林木維持其生長所需的營養(yǎng)元素量;循環(huán)系數(shù)為歸還量與吸收量的比值，表征營養(yǎng)元素的循環(huán)強(qiáng)度;周轉(zhuǎn)時(shí)間為營養(yǎng)元素經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)周期所需的時(shí)間，即營養(yǎng)元素的總儲(chǔ)存量除以歸還量［15］。

3 結(jié)果與分析

3.1 營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表2可見，尾巨桉平均單株不同器官的營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差較大，并且在不同林齡之間也存在一定的差異。作為同化器官的樹葉，其生長周期短，是合成有機(jī)物質(zhì)的場所，也是代謝最活躍的器官，因此，其營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多為最高;而干材以木質(zhì)為主，其生理功能最弱，大多數(shù)養(yǎng)分已被消耗或轉(zhuǎn)移，因而元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也最低。就尾巨桉各器官中營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)而言，其排序大致為:樹葉＞干皮＞樹枝＞樹根＞干材。在不同林齡的人工林中，各器官營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有所差異。除N元素外，干材和樹根，尤其是干材的不同營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出隨林齡增長而減小的趨勢。在不同器官中，N在樹葉中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，K、Ca和P在樹葉和干皮中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，Mg元素則以樹皮中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最高。

表2 不同林齡尾巨桉人工林營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2 營養(yǎng)元素積累與分布

從表3 可以看出，1.5、2.5、3.5 和 4.5 年生尾巨桉人工林營養(yǎng)元素積累量分別為452.19、701.52、771.89 和 850.54 kg/hm2，營養(yǎng)元素積累量隨林齡的增加而增大，但其增加幅度隨林齡增大而減少，其中 1.5 ～2.5 年生增加249.33 kg/hm2，增加幅度達(dá)到55.14%，遠(yuǎn)高于其他林齡間的增長幅度。喬木層作為林分營養(yǎng)元素的主要組成部分，其營養(yǎng)元素積累量分別占不同林齡林分營養(yǎng)元素積累總量的 70.92%、80.16%、80.73% 和 79.74%，林下植被即草本層和灌木層分別占22.99%、14.61.%、14.69%和13.84%，林分現(xiàn)存地表凋落物層分別占6.12%、5.27%、4.63%和 6.48%。

如將林木器官分為樹冠(樹枝和樹葉)、樹干(干材和干皮)和樹根3部分，則尾巨桉人工林上述3個(gè)部分營養(yǎng)元素積累量分別占喬木層積累量的32.23% ～37.37%、49.49% ～54.44% 和 8.20% ～18.28%。而從喬木層各種營養(yǎng)元素積累量來看，多數(shù)以Ca積累量最大，其占總積累量的25.67% ～32.30%;P 的積累量最小，僅占3.25% ～3.99%，其它營養(yǎng)元素所占比例均為K＞N＞Mg，與位于相同區(qū)域馬占相思和厚莢相思等固氮樹種存在較大差異［6，16］。

3.3 營養(yǎng)元素年凈積累量

從表4 可以看出，1.5、2.5、3.5 和 4.5 年生尾巨桉人工林喬木層營養(yǎng)元素年凈積累量分別為213.79、224.93、178.04 和 150.72 kg/(hm2·a)。可見，種植后1.5～2.5年生是尾巨桉人工林生長最快的時(shí)期，其營養(yǎng)元素的凈積累量增幅也最大，隨后2.5～4.5年生營養(yǎng)元素的凈積累量呈下降趨勢。而從不同器官營養(yǎng)元素年凈積累量來看，干材營養(yǎng)元素年凈積累量隨林齡的增加而減少，而樹葉和干皮除1.5 ～2.5 年生呈上升外，2.5 ～3.5 年生和3.5 ～4.5年生均隨林齡增加而下降?？梢姡簿掼袢斯ち譅I養(yǎng)元素年凈積累量的變化有利于減輕其在2.5年生后林木生長對(duì)營養(yǎng)元素的依賴。

表3 不同林齡尾巨桉人工林營養(yǎng)元素的積累與分配

不同林齡尾巨桉人工林營養(yǎng)元素年凈積累量多呈現(xiàn)出 K 或 Ca＞N＞Mg＞P，其中1.5年生表現(xiàn)為 K＞Ca＞N＞Mg，此后均為 Ca＞K＞N＞Mg。從各營養(yǎng)元素在不同器官的年凈積累量看，N在樹葉和干皮中積累量最大;P在干材中積累量最大，在樹枝、樹根中積累量較小;K在干材中積累量最大，在樹枝和干皮中積累量較小;Ca和Mg在干皮中積累量最大，在干皮或樹根中積累量較小。

表4 尾巨桉人工林營養(yǎng)元素年凈積累量

表5 尾巨桉人工林營養(yǎng)元素生物循環(huán)

3.4 營養(yǎng)元素的生物循環(huán)

從表5 可見，1.5、2.5、3.5 和 4.5 年生尾巨桉人工林5種營養(yǎng)元素歸還量分別為68.83、73.88、63.42和54.23 kg/(hm2·a)，吸收量分別為282.61、298.81、241.461 和 204.95 t/(hm2·a)，兩者均隨林齡的增長呈現(xiàn)先增大(1.5～2.5年生)后減少(2.5～4.5年生)的趨勢，但歸還率都不高，僅為21.46% ～26.46%。不同營養(yǎng)元素的年歸還量和吸收量存在較大的差異，以Ca歸還量最多，其次是N和K，P最小，且N、Ca的歸還量都與營養(yǎng)元素總歸還量的變化趨勢相一致，P和K的歸還量則呈現(xiàn)先減少(1.5～2.5年生)后增大(2.5 ～4.5 年生)的趨勢。不同林齡尾巨桉人工林存留量大致以Ca最多，其次是K、N，P最少。

不同林齡尾巨桉人工林的營養(yǎng)元素利用系數(shù)為0.30～0.88，隨林齡的增加而減少(表5);循環(huán)系數(shù)為0.24 ～0.26，周轉(zhuǎn)期為4.66 ～12.51 a，均隨林齡的增加而增大，其中各林齡的周轉(zhuǎn)期均明顯大于其相應(yīng)林齡。不同營養(yǎng)元素的循環(huán)速率以Mg最快，利用系數(shù)也最高，周轉(zhuǎn)期最短;P和K的循環(huán)速率最低，利用系數(shù)相應(yīng)也最低，周轉(zhuǎn)時(shí)間則最長。

4 結(jié)論與討論

尾巨桉各器官營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)因器官和林齡不同存在差異，總體表現(xiàn)為樹葉＞干皮＞樹枝＞樹根＞干材。不同營養(yǎng)元素在各器官中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也因器官不同而存在一定的差異，N元素在樹葉中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，K、Ca和P元素在樹葉和樹皮中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，Mg元素在樹皮中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。

1.5～4.5年生尾巨桉人工林營養(yǎng)元素積累量為452.19 ～850.54 kg/hm2，其中喬木層營養(yǎng)元素積累量占70.92% ～80.73%，樹干(干材和干皮)營養(yǎng)元素積累量則占喬木層的49.49% ～54.44%。因此，從營養(yǎng)元素積累與分布看，在采伐時(shí)如果只取走主干，而將其他剩余物(葉、枝、根等)歸還土壤，會(huì)明顯減少林地養(yǎng)分的消耗，養(yǎng)分損失不會(huì)太大。但目前各地多數(shù)采用的是桉樹全樹利用方式，加上采伐后采用煉山整地方式，雖然提高了木材利用率，有利于營林作業(yè)，但對(duì)維持林地地力不利。

1.5、2.5、3.5 和4.5 年生尾巨桉人工林喬木層營養(yǎng)元素年凈積累量分別為 213.79、224.93、178.04 和150.72 kg/(hm2·a)，其變化趨勢與喬木層營養(yǎng)元素積累量存在明顯的差異，表明種植后至2.5年生既是尾巨桉的快速生長期，同時(shí)也是其對(duì)營養(yǎng)元素吸收的旺盛期;由于不同林齡尾巨桉人工林營養(yǎng)元素年吸收量和存留量(年凈積累量)為K或Ca＞N＞Mg＞P，而林地土壤交換性鈣、鎂含量均不高，因此，在重視N、P、K肥施用的同時(shí)，應(yīng)重視Ca、Mg，特別是Ca肥的施用，以促進(jìn)林木的生長發(fā)育，維持林地的養(yǎng)分平衡。

1.5～4.5年生尾巨桉人工林大量元素歸還量為54.23 ～73.88 kg/(hm2·a)，吸收量為 204.95 ～298.81 t/(hm2·a)，歸還率為 21.46% ～26.46%，遠(yuǎn)低于相同或相近林齡的馬占相思、厚莢相思人工林(45% ～ 49%)［6，16］，這也是尾巨桉人工林與杉木人工林一樣不利于土壤肥力恢復(fù)和維持的重要原因之一［17］。不同林齡尾巨桉人工林營養(yǎng)元素利用系數(shù)為0.30～0.88，隨林齡的增加而減少，循環(huán)系數(shù)為0.24 ～0.26，周轉(zhuǎn)期為 4.66 ～12.51 a?？偟膩碚f，1.5～4.5年生尾巨桉人工林處于生長旺盛期，營養(yǎng)元素的積累速率快，會(huì)大量消耗林地養(yǎng)分，其歸還的養(yǎng)分又較少，歸還速率較慢，而目前經(jīng)營尾巨桉人工林的輪伐期多數(shù)為5～6 a，有的甚至縮短至不到4 a，加上多數(shù)采用桉樹全樹利用，以及采伐后采用煉山整地方式，不利于林地土壤肥力的恢復(fù)、維持和提高。因此，進(jìn)行合理的林地土壤管理，尤其是進(jìn)行合理施肥管理，保留林地凋落物，適當(dāng)保留草本、灌木［18］，或者采用桉樹與固氮樹種如相思樹混交［19－20］方式進(jìn)行經(jīng)營，增加地被層促進(jìn)桉樹林地形成良性的物質(zhì)循環(huán)，從而恢復(fù)和維持其地力，對(duì)尾巨桉人工林長期生產(chǎn)力的維持，促進(jìn)尾巨桉人工林可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。

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