不同林齡新疆楊養(yǎng)分特征與生物量研究

王永紅,朱玉偉,桑巴葉,褚?jiàn)^飛,劉康

(新疆林業(yè)科學(xué)院,新疆烏魯木齊830046)

不同林齡新疆楊養(yǎng)分特征與生物量研究

王永紅,朱玉偉,桑巴葉,褚?jiàn)^飛,劉康

(新疆林業(yè)科學(xué)院,新疆烏魯木齊830046)

分析了和田地區(qū)不同林齡新疆楊土壤有機(jī)碳、氮、磷、鉀含量,林木根、干、枝、葉中N、P、K含量和生物量。結(jié)果表明:各林齡新疆楊土壤有機(jī)碳和全氮含量依次為成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林;全磷含量為近熟林＞幼齡林＞成熟林＞中齡林;全鉀含量為幼齡林＞近熟林＞成熟林＞中齡林。新疆楊根和葉中N、P含量隨著林齡的增加而增加,K含量則表現(xiàn)出相反趨勢(shì);莖中N、P、K含量變化不大;不同林齡新疆楊生物量的器官分配比例雖有所不同,但均以干所占的比例最大,枝次之,葉最小。

新疆楊;土壤養(yǎng)分;營(yíng)養(yǎng)元素;生物量

和田地區(qū)位于塔克拉瑪干大沙漠的南緣,氣候嚴(yán)酷,風(fēng)沙、鹽堿、干旱是威脅和田地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的三大自然災(zāi)害,生態(tài)十分脆弱。隨著三北防護(hù)林工程的不斷開(kāi)展,該地區(qū)植被覆蓋率有了明顯的提高,生態(tài)環(huán)境得到了明顯的改善。

新疆楊(Populus bolleana)為楊柳科楊屬,落葉大型喬木,喜光,耐大氣干旱和鹽堿,深根性,抗風(fēng)力強(qiáng)。該樹(shù)種生長(zhǎng)迅速,是新疆平原地區(qū)的重要速生用材樹(shù)種,也是農(nóng)田防護(hù)林和四旁綠化的主要樹(shù)種[1]。選取和田地區(qū)墨玉縣為研究地點(diǎn),研究該區(qū)域不同林齡(幼齡、中齡、近熟和成熟)新疆楊人工林帶1 m土壤養(yǎng)分變化情況,以及新疆楊器官營(yíng)養(yǎng)元素含量和生物量特征,比較分析不同林齡新疆楊對(duì)土壤養(yǎng)分的影響差異,為和田地區(qū)乃至新疆植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)設(shè)在和田地區(qū)墨玉縣芒來(lái)鄉(xiāng)。墨玉縣位于昆侖山北麓,塔克拉瑪干大沙漠南緣,屬暖溫帶干旱荒漠氣候,具有典型的大陸性氣候特征。地理坐標(biāo)為79°08′—80°51′E,36°36′—39°38′N(xiāo)。年平均氣溫11.3℃,1月平均氣溫-6.5℃,7月平均氣溫24.8℃,極端最低氣溫-18.7℃,年平均降水量為36 mm,蒸發(fā)量2 390 mm,無(wú)霜期177 h,年日照時(shí)數(shù)為2 655 h。土壤類(lèi)型為沙土、沙壤土,土壤養(yǎng)分含量和地貌特征在和田地區(qū)具有很好的代表性。

1.2 新疆楊生物量調(diào)查

在二類(lèi)資源清查資料基礎(chǔ)上結(jié)合野外全面調(diào)查,選取有代表性的新疆楊人工幼齡、中齡、近熟和成熟林帶,樣帶基本情況見(jiàn)表1。在各林地分別設(shè)置3個(gè)500 m×10 m的樣帶。對(duì)樣帶內(nèi)所有新疆楊進(jìn)行每木檢尺,測(cè)量樹(shù)高和胸徑。

表1 樣帶基本情況

1.2.1 枝葉生物量調(diào)查 根據(jù)每木調(diào)查結(jié)果,選取3株標(biāo)準(zhǔn)木,實(shí)測(cè)胸徑及樹(shù)高后伐倒,從第一活枝起將樹(shù)冠等分3層,然后在各層內(nèi)以枝徑小于＜1 cm、1～2 cm、＞2～4 cm、＞4 cm標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí),統(tǒng)計(jì)各層、各等級(jí)枝數(shù),每級(jí)選取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)枝,稱(chēng)取帶葉枝總鮮質(zhì)量,隨后摘凈葉再稱(chēng)去葉鮮質(zhì)量。同時(shí)分層分級(jí)各取200 g的枝葉樣品一份裝入自封帶做好標(biāo)記。然后將各樣品置于105℃恒溫箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量,計(jì)算含水率及各器官的干質(zhì)量生物量。

1.2.2 樹(shù)干生物量 解析木伐倒后,測(cè)定胸徑、枝下高、樹(shù)高和樹(shù)高的1/4、1/2、3/4處的直徑,并打去枝丫,用記號(hào)筆在樹(shù)干上標(biāo)出南、北方向。樹(shù)高＜15 m者,在樹(shù)高1.3 m處分段,以后按1 m長(zhǎng)度分段,直到樹(shù)梢不足1 m;樹(shù)高＞15 m者,在樹(shù)高1.3 m處分段,以后按2 m長(zhǎng)度分段,直到樹(shù)梢不足2 m。在地徑處和樹(shù)高1.3 m處截取3～5 cm的圓盤(pán),分別記為0號(hào)盤(pán)和1號(hào)盤(pán),各段采用中央斷面區(qū)分求積法,在每個(gè)區(qū)分點(diǎn)的中間位置截取3～5 cm的圓盤(pán),依次記錄圓盤(pán)號(hào)。測(cè)定每個(gè)圓盤(pán)的帶皮鮮質(zhì)量和去皮鮮質(zhì)量,測(cè)定各個(gè)區(qū)分段的鮮質(zhì)量。

1.2.3 根系調(diào)查 在參考王成等分類(lèi)辦法的基礎(chǔ)上,對(duì)選取的3株標(biāo)準(zhǔn)木的根系挖掘范圍定為2 m ×2 m,挖掘深度視根系分布而定,直至無(wú)根系分布止。根系挖掘主要以人工挖掘?yàn)橹?輔以機(jī)械動(dòng)力,挖掘時(shí)分東南西北四個(gè)方向分層(0～20 cm、＞20～40 cm、＞40～60 cm、＞60～80 cm,＞80～100 cm)取根,根分徑級(jí)(＜1 cm、1～2 cm、＞2～5 cm、＞5～10 cm、＞10 cm)稱(chēng)質(zhì)量;測(cè)定記錄根系小頭斷口直徑;截取不同徑級(jí)根段(30 cm)計(jì)算根系比重;不同層次不同方向根系各取4個(gè)根樣進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)測(cè)定,并取1個(gè)混合樣測(cè)定根系含水量。根系生物量取挖掘范圍內(nèi)全根稱(chēng)質(zhì)量,并分段(20 cm或30 cm)測(cè)定根系徑級(jí),徑級(jí)相近的根系進(jìn)行平均,通過(guò)徑級(jí)變化擬合回歸方程,利用測(cè)定斷口直徑推導(dǎo)挖掘范圍以外的根系長(zhǎng)度、體積和質(zhì)量;根樁測(cè)定直徑,由于根樁近似圓球體,以圓球體體積公式(4/ 3πr3)計(jì)算根樁體積,并乘以系數(shù)0.7,通過(guò)根系比重推導(dǎo)根樁鮮質(zhì)量。每1株取樣200 g,重復(fù)3次。將樣品置于105℃烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量,計(jì)算含水率及根系的干質(zhì)量生物量。

1.3 土壤樣品采集

在各樣帶內(nèi)按對(duì)角線布點(diǎn)法布設(shè)3個(gè)土壤樣點(diǎn),分層采集0～10 cm、＞10～20 cm、＞20～40 cm、＞40～60 cm、＞60～100 cm不同深度土壤樣品,去除植物根系和石塊,將每個(gè)樣點(diǎn)得到5個(gè)層次的混合取樣裝入自封袋后帶回實(shí)驗(yàn)室,自然風(fēng)干,磨碎,過(guò)0.25 mm鋼篩后用于土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳的測(cè)定。

1.4 養(yǎng)分分析方法

土壤有機(jī)碳測(cè)定采用外加熱-重鉻酸鉀容量法;全氮測(cè)定用濃硫酸消煮,凱氏定氮法;全磷測(cè)定用H2SO4—HCl O4消煮,鉬銻抗比色法;全鉀測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔火焰光度法[2]。將外業(yè)采集的植物樣品80℃烘干至恒質(zhì)量,粉碎、裝瓶。進(jìn)行化學(xué)分析之前,105℃下烘1 h,準(zhǔn)確稱(chēng)樣。氮和鉀含量按土壤方法測(cè)定,磷含量用H2SO4—HCl O4消煮,鉬銻抗比色法。數(shù)據(jù)處理采用Excel軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡新疆楊人工林土壤有機(jī)碳含量

土壤有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心,是土壤肥力的重要組成部分,其含量及其動(dòng)態(tài)平衡也是反映土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),并對(duì)土壤肥力的可持續(xù)性有重要影響[3]。由圖1可知,各林齡新疆楊林地土壤有機(jī)碳含量隨著林齡的增加,新疆楊林地土壤有機(jī)碳含量在顯著增加,幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林新疆楊林地土壤有機(jī)碳含量分別為0.070 4、0.097 7、0.120 8和0.141 3 kg m-2。

圖1 不同林齡土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

2.2 不同林齡新疆楊人工林土壤全氮含量

土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。土壤中的氮素含量主要取決于生物量的積累和土壤有機(jī)質(zhì)分解的強(qiáng)度。植被類(lèi)型、水熱狀況和土壤侵蝕的強(qiáng)度等都影響其含量[4]。圖2表明,各林齡新疆楊林地土壤全氮含量隨著林齡的增加呈現(xiàn)穩(wěn)步增加的趨勢(shì)。各林齡土壤全氮含量依次為成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。

圖2 不同林齡土壤全氮含量

2.3 不同林齡新疆楊林土壤全磷含量

土壤全磷含量是衡量土壤磷元素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。磷素在多種土壤類(lèi)型中是個(gè)限制因子,決定著植被生產(chǎn)力的大小和物種組成的變化[5]。各林齡土壤全磷變化如圖3所示。幼齡林、近熟林和成熟林新疆楊林地之間全磷含量差異不顯著,但均顯著高于中齡林新疆楊林地。各林齡土壤全磷含量依次為近熟林(1.14 g kg-2)＞幼齡林(1.05 g kg-2)＞成熟林(0.98 g kg-2)＞中齡林(0.65 g kg-2)。

圖3 不同林齡土壤全磷含量

2.4 不同林齡新疆楊人工林土壤全鉀含量

土壤全鉀量是指土壤中各種形態(tài)鉀素含量的總貯量[6]。鉀素在土壤中主要以礦物的結(jié)合形態(tài)存在,主要存在于鋁硅酸鹽中。從圖4可以看出,幼齡林新疆楊林地土壤全鉀含量顯著高于其他林齡新疆楊林地土壤全鉀含量,中齡林、近熟林和成熟林新疆楊林地土壤全鉀含量差異不顯著。各林齡土壤全鉀含量依次為幼齡林(5.03 g kg-2)＞近熟林(4.48 g kg-2)＞成熟林(4.37 g kg-2)＞中齡林(4.25 g kg-2)。

圖4 不同林齡土壤全鉀含量

2.5 不同林齡新疆楊生物量動(dòng)態(tài)

植物群落生物量水平是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要表現(xiàn)形式,是植物生態(tài)學(xué)特性和外界環(huán)境條件共同作用的產(chǎn)物[7]。由表2可以看出,隨著林齡的增加,不同林齡新疆楊根干枝葉生物量及植株總生物量呈增加趨勢(shì),其中干、枝生物量及總生物量隨著林齡的增加顯著增加,新疆楊成熟林干生物量分別是幼齡林、中齡林和近熟林的34.7、4.2和1.8倍。新疆楊成熟林枝生物量分別是幼齡林、中齡林和近熟林的34.9、5.7倍和2.8倍。新疆楊成熟林總生物量分別是幼齡林、中齡林和近熟林的29.4、4.1和1.9倍。除新疆楊成熟林以外,其他林齡新疆楊葉生物量隨林齡增加顯著增加。

不同林齡新疆楊生物量的器官分配比例均呈現(xiàn)出干＞枝＞根＞葉。但隨著林齡的增加,根生物量所占比例隨林齡增大而減小,新疆楊幼齡林根生物量約占總生物量的13.67%,成熟林則只占6.7%;樹(shù)干則與之相反,所占比例隨林齡增加而增大,成熟林林分最后達(dá)到68.9%;葉的生物量所占比例在5年生時(shí)最大,為9.0%,隨后表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)(表2)。

表2 不同林齡新疆楊根干枝葉生物量 kg m-2

3 結(jié)論與討論

不同林齡新疆楊人工林土壤有機(jī)碳含量順序?yàn)槌墒炝郑窘炝郑局旋g林＞幼齡林。土壤有機(jī)碳含量增加,這主要是由于隨著新疆楊的生長(zhǎng),林地凋落物增加,有機(jī)質(zhì)的輸入量大于分解量,從而表現(xiàn)出有機(jī)碳含量高。

土壤全氮含量變化與有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)一致,這是因?yàn)橥寥乐械牡赜?9%以上來(lái)源于有機(jī)質(zhì),以腐殖質(zhì)形式存在,因此土壤有機(jī)質(zhì)(碳)含量越高,土壤氮素含量越高。

土壤全磷含量主要受土壤母質(zhì)和成土作用的影響,所以林地的林齡對(duì)土壤磷含量影響不大。而對(duì)于農(nóng)田,由于農(nóng)民施肥,再加上磷在土壤中流動(dòng)性差,導(dǎo)致磷素在農(nóng)田土壤中不斷積累。中齡林新疆楊林地全磷含量相對(duì)較低,這可能是因?yàn)樾陆畻钤谥旋g林生長(zhǎng)旺盛,對(duì)土壤中磷素的需求量較大,與蘇少華[8]的研究結(jié)論相似。各林齡新疆楊林土壤全鉀含量的中齡林林地相對(duì)較低,可能是由于新疆楊在中齡林對(duì)土壤鉀素需求量也較大。

不同林齡新疆楊各器官氮、磷和鉀含量順序均為葉＞根＞莖。植物的葉生理代謝活動(dòng)很旺盛,是光合作用、呼吸作用等重要生理活動(dòng)的主要器官,所以營(yíng)養(yǎng)元素在葉中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他器官。莖以木材(主要由死細(xì)胞壁組成)為主,其生理代謝活動(dòng)最弱,因而各種營(yíng)養(yǎng)元素含量也最低。隨著林齡的增加,根和葉中氮、磷含量呈增加趨勢(shì),而鉀含量隨林齡的增加呈降低趨勢(shì)。各林齡莖中氮、磷和鉀含量變化不大,G.I.Agren[9]認(rèn)為,林木各器官內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)元素含量隨著林齡的增加而減少。本研究除了鉀以外,氮和磷都表現(xiàn)出相反的趨勢(shì),這可能與新疆楊通過(guò)根瘤菌共生形成固氮能力有關(guān)。

不同林齡新疆楊各器官生物量及總生物量隨林齡的增加呈增加趨勢(shì)。此外,4個(gè)不同林齡的新疆楊生物量的器官分配的比例均呈現(xiàn)出莖＞根＞葉的規(guī)律性。隨著林齡的增加,莖占總生物量的比例逐漸增加,葉與根占總生物量的比例呈減小趨勢(shì)。

土壤養(yǎng)分反映了土壤為植物生長(zhǎng)供應(yīng)和協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)條件的能力,大量研究表明,土壤肥力狀況可以揭示已有土地的利用效果,并且對(duì)植被的生長(zhǎng)起到重要作用[10]。通過(guò)本研究可以看出,隨著林齡的增加,人工新疆楊林可以明顯改善土壤營(yíng)養(yǎng)狀況,并在近熟林時(shí)土壤營(yíng)養(yǎng)狀況趨于穩(wěn)定。新疆楊各器官的N、P、K元素在近、成熟林時(shí)達(dá)到最高,并且穩(wěn)定,表明新疆楊人工林養(yǎng)分狀況在近熟時(shí)得到了明顯的改善并趨于穩(wěn)定。

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Nutrients and Biomass of Different-aged Populus bolleana Plantations

Wang Yonghong,Zhu Yuwei,Sang Baye,Chu Fenfei,Liu kang
(Xinjiang Academy of Forestry,Urumqi 830046,China)

Contents of soil organic carbon(SOC),total nitrogen(N),phosphorus(P)and potassium(K)in soils,and N,P,K contents and biomass of root,stem,branch&leaf of different-aged Populus bolleana plantations in the Hetian region of China were analyzed.Result shows that the descending order of SOC and total N concentrations is mature plantation＞near-mature plantation＞middle-aged plantation＞young-aged plantation;the descending order of total Pis near-mature plantation＞young-aged plantation＞mature plantation＞middle-aged plantation.The descending order of content of total K is young-aged plantation＞near-mature plantation＞mature plantation＞middleaged plantation.Content of N and P in roots and leaves increase with the increase of the stand age of plantation,but the opposite pattern was found for K concentrations in roots and leaves.Content of N,P and K in stem remained unchanged across different-aged plantations.Among biomass of different tissues in different-aged plantations,the descending order of biomass allocation is stems＞roots＞leaves.

Populus bolleana;soil nutrient;nutrient element;biomass

S792.11

:A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.11.002

1005-5215(2015)11-0004-03

2015-09-09

新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(xjlk [2013]010號(hào));新疆維吾爾自治區(qū)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2013-5-6)

王永紅(1965-),女,新疆烏魯木齊人,大學(xué),高級(jí)工程師,從事荒漠化防治研究.