黃土丘陵區(qū)華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量與養(yǎng)分循環(huán)特征

王 彬, 魏天興, 劉 釗

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京林業(yè)大學(xué) 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,水土保持國家林業(yè)局重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué)), 北京100083)

黃土丘陵區(qū)華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量與養(yǎng)分循環(huán)特征

王 彬, 魏天興, 劉 釗

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京林業(yè)大學(xué) 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,水土保持國家林業(yè)局重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué)), 北京100083)

通過樣地調(diào)查觀測和室內(nèi)樣品分析，對位于山西吉縣的23年生華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)中13種元素的循環(huán)特征進(jìn)行研究。測算得到研究區(qū)域人工林生態(tài)系統(tǒng)的生物量在各器官的空間分布，結(jié)合林木各器官養(yǎng)分含量，得出養(yǎng)分元素在空間變異上的積累與分布；測算四大分室(林木、土壤、枯落物和大氣)中其余分室的養(yǎng)分含量和養(yǎng)分積累與分布，得到養(yǎng)分循環(huán)過程中華北落葉松人工林養(yǎng)分年歸還量134.719 kg/(hm2·a)，年存留量53.409 kg/(hm2·a)和年吸收量188.129 kg/(hm2·a)；最后綜合上述的各分室養(yǎng)分循環(huán)狀況，得出反映該森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分生物循環(huán)特征的參數(shù)和指標(biāo)。研究區(qū)華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)N，P，K的循環(huán)系數(shù)均值(0.68)，表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)速率較快；利用系數(shù)偏小，儲存效率慢，土壤養(yǎng)分利用效率較高；養(yǎng)分元素通過林冠后均明顯增加(林冠截留量142.1 mm)，并且對降水量(587.8 mm)要求一般。較高的富集系數(shù)使其適應(yīng)瘠薄自然環(huán)境，養(yǎng)分消耗量低?？傮w來看，華北落葉松是很有潛力的森林更新和荒山造林樹種。

森林生態(tài)系統(tǒng); 養(yǎng)分循環(huán)特征; 生物量; 養(yǎng)分含量; 積累與分配

森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)狀況直接決定著林分生產(chǎn)力的變化，有著重要的研究價值。從19世紀(jì)40年代以來吸引著中外學(xué)者對其展開了大量研究工作。人工林作為特殊的森林生態(tài)系統(tǒng)，對其的營造是人類改善生態(tài)環(huán)境和發(fā)展經(jīng)濟(jì)林的重要手段。目前我國森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的研究主要集中在人工林生態(tài)系統(tǒng)，已取得豐富成果，近幾年來，為從整體上完善養(yǎng)分循環(huán)動態(tài)過程的研究，縱向上不僅關(guān)注植被、土壤、枯落物之間的養(yǎng)分循環(huán)，更完善了雨水淋溶過程中的養(yǎng)分循環(huán)研究[1-2]，同時橫向上對微量元素的養(yǎng)分循環(huán)也有更多研究[3-5]。華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)主要分布在山西、河北兩省，是我國重要的速生用材林樹種之一，具有生長快、水土保持效果好等優(yōu)點。在維持區(qū)域景觀多樣性、水源涵養(yǎng)，以及維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著積極作用。黃土丘陵區(qū)是治理生態(tài)環(huán)境的重點區(qū)域，水土流失嚴(yán)重、植被覆蓋率低。在治理的過程中經(jīng)常采用營造人工林的方式保持水土。山西吉縣為典型黃土丘陵區(qū)，已經(jīng)通過對人工林的營造，總體上有效的改善了土壤養(yǎng)分減少和水土流失的狀況。目前黃土高原人工純林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的研究工作，取得了明顯的進(jìn)展[6-7]，但研究對象多為人工刺槐林和人工油松林的養(yǎng)分元素積累分布和生物循環(huán)，而關(guān)于黃土丘陵區(qū)華北落葉松人工林純林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)很少有學(xué)者做過研究。

因此山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家科學(xué)觀測研究站對山西吉縣的華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了長期定位觀測研究。本研究研究對象為山西吉縣的23 a生華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)，對植被、凋落物、土壤以及降水淋溶各層次中養(yǎng)分元素的循環(huán)特征展開研究。分析黃土丘陵區(qū)華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力狀況及營養(yǎng)元素的空間分布積累和循環(huán)規(guī)律。為研究華北落葉松在山西西南部的生態(tài)適應(yīng)性提供科學(xué)數(shù)據(jù)，對如何保證森林土壤肥力、制定森林經(jīng)營方案提供理論支撐，對促進(jìn)黃土高原丘陵區(qū)人工林結(jié)構(gòu)的調(diào)整具有現(xiàn)實意義。

1 研究地概況

研究地點位于黃土高原山西省臨汾市吉縣屯里鎮(zhèn)金崗嶺，北緯36°06′59.35″，東經(jīng)111°02′35.81″，海拔1 510～1 580 m。擁有著黃土高原氣候的典型特征，由于地形和緯、經(jīng)度的影響，多為半旱生落葉闊葉林地帶。年平均降水量為575.9 mm，年際、年內(nèi)變化大，6—8月份降水量占全年總降水量的80.6%，降水熱同期。平均日照時長2 563.8 h，氣溫日較差、年較差大，年平均溫度為10℃，年平均無霜期約為170 d。該片地區(qū)為典型的黃土殘塬、梁峁侵蝕地形[8]，地貌類型復(fù)雜，以黃土丘陵為主，土壤以碳酸鹽褐土為主，pH值約為7.85。植被類型屬于暖溫帶落葉闊葉林，調(diào)查區(qū)為1986年營造的人工華北落葉松純林(表1)。林下植被中，喬木普遍低矮未成材，有五角楓(Acermono)，遼東櫟(Quercuswutaishansea)，山杏(Armeniacasibirica)等；灌木有金銀忍冬(Loniceramaackii)，虎榛子(Ostryopsisdavidiana)，連翹(Forsythiasuspensa)，枸杞(Lyciumchinense)，繡線菊(SpiraeaSalicifolia)等；草本有黃花蒿(Artemisiaannua)等，蓋度為7.23%。

表1 人工落葉松林林分特征和生物量

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)生物量調(diào)查

在研究區(qū)選取有代表性的1 hm2正方形地塊，其中沿對角線設(shè)置18個10 m×10 m樣方對林木每木檢尺，依據(jù)平均樹高和胸徑，擇取平均標(biāo)準(zhǔn)木。喬木層地上生物量的實測使用Monsi分層切割法;根系生物量使用全挖法[9]；進(jìn)行樹干解析[10]；計算喬木層生物量回歸方程的估算參數(shù)；測定灌木層枝、葉及根的生物量；設(shè)置1 m×1 m的18個樣方，測定草本層地上、地下部分的生物量；在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)0.5 m×0.5 m的凋落物筐6個，按月收集落枝、落葉、落皮，測定喬木層年均凋落量[11]。

華北落葉松人工林的單株生物量(w)與其胸徑平方和樹高的乘積(D2H)之間有冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系[12]，其相應(yīng)的線性回歸方程為:ln(w)=b0+b1ln(D2H)。代入18塊樣地標(biāo)準(zhǔn)木的生物量和樹高、胸徑數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合做曲線回歸分析確定華北落葉松人工林各器官的生物量模型的估算參數(shù)(表2)。

2.2 降水觀測

林外降水由林外氣象站的降水量筒和自計降水量計觀測;林內(nèi)降水用18個標(biāo)準(zhǔn)降水量筒隨機(jī)布置在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行觀測;測定樹干莖流量時，先選取不同徑級的3株華北落葉松[13]，然后剖開聚乙烯管(直徑1 cm)，將管螺旋2周用釘固定于樹干下方部位。

表2 華北落葉松人工林生物量的估算模型

注：顯著性水平(α=0.01)。

采樣完畢送回實驗室進(jìn)行分析，參照國家標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定(GB12999—91)。

2.3 分析樣品的采集

植物樣在生產(chǎn)力測定過程中采取。土壤樣在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)“S”型布7個點分別挖取，采用“環(huán)刀法”測土壤容重[14]，分別采取0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm和80—100 cm共6個層次；降水樣在每月降水量觀測同時采取。

2.4 樣品化學(xué)分析

收集的各類樣品經(jīng)過預(yù)處理后，用K1100型全自動凱氏定氮儀測定全N含量，用鉬銻抗比色法測定全P含量[15]，用ProdigyXP型全譜直讀ICP光譜儀測定K，Ca，Mg，Na，F(xiàn)e，Cu，Mn，Cr，Ni，Cd，Zn含量。各營養(yǎng)元素測定在北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院重點實驗室完成。

2.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016和SPSS 19.0完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。做曲線回歸分析確定華北落葉松人工林各器官的生物量模型的估算參數(shù)；對研究區(qū)華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，植被、土壤、凋落物、降水的不同組分之間養(yǎng)分含量的差異，分別釆用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行對照比較，釆用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較，以及Duncan法進(jìn)行多組樣本間差異顯著性分析(結(jié)果用字母表示)，顯著性水平α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 華北落葉松人工林植被養(yǎng)分特征

3.1.1 落葉松養(yǎng)分含量 植物中的養(yǎng)分元素含量是長期演化的結(jié)果，也受生境中的土壤肥力影響，是判斷植物生長發(fā)育狀況及元素分布的重要依據(jù)。華北落葉松人工林植被從上至下，養(yǎng)分元素濃度(表3)依次遞增(喬木層<灌木層<草本層)。喬木層各器官中，樹枝末端的樹葉是光合、呼吸作用等重要生理活動的主要器官，樹枝為樹葉與樹果不斷運輸著養(yǎng)分，所以枝、果、葉中的元素含量要高于其他各器官；樹干由于生理代謝相對較弱，養(yǎng)分含量最低。

喬、灌、草各層次中大量元素含量排列順序基本一致，為Ca>N>K>Mg>P，特殊的有喬木層樹葉、樹枝和樹果中N>Ca，樹干中K>Ca，樹葉中MgNa>Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Cd，特殊的樹葉中NiFe，樹干中Cu >Cr。光合作用和葉綠素的構(gòu)成必須有Zn，F(xiàn)e和Mn的參加，Na是參與合成細(xì)胞膜的關(guān)鍵養(yǎng)分元素，因此它們的濃度均較高；Cu，Ni是過量后對植物體有害的元素，含量很低均小于0.04 mg/g。

草本和灌木中P，K，Mg，Ni，Cd含量，樹皮和樹根中N，P，Mg，Mn，Cr，Ni含量，樹根、灌木和樹皮中的N，Ni含量，樹皮、樹果和樹根中的P含量，樹皮、樹干、樹果和灌木中的K含量，樹枝和灌木中的Ca，Cr含量，樹果、樹根和樹皮中的Mg，Na含量，樹干、樹枝和樹皮中的Fe，Mn含量，樹枝、樹果和草本中的Cu含量，樹葉和樹枝中的Cd含量，樹果和樹葉中的Zn，均無顯著性差異(p>0.05)。

3.1.2 落葉松養(yǎng)分積累與分布 在森林生態(tài)系統(tǒng)中，元素的積累和分布與各層次元素含量以及生物量增長緊密相關(guān)，是林分與生境相互影響的結(jié)果[3]。養(yǎng)分含量(mg/g)與生物量(t/hm2)相乘可得養(yǎng)分積累與分布(kg/hm2)。在華北落葉松人工林植被中，喬木層是最活躍、最重要的亞系統(tǒng)，養(yǎng)分積累量遠(yuǎn)大于灌木層和草本層。

3.2 華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分特征

3.2.1 土壤元素含量 見表4，研究區(qū)土壤中大量元素中K在土壤中的含量遠(yuǎn)高于其他幾種元素，平均含量達(dá)到12.441 mg/g，P的平均含量最小，為0.371 mg/g。Mg的含量基本不受土層深度的影響。N的含量隨土層深度的增加而減小，變化穩(wěn)定，在表層的含量最高，達(dá)到1.727 mg/g，在土層深度80 cm到100 cm處，N的含量減小為0.449 mg/g，這可能是枯落物分解的結(jié)果。P在土層深度10 cm到40 cm含量突然快速降低，這可能與植被根系吸收有關(guān)。

土壤中微量元素中Fe的含量最高，Zn次之，Cd最低。與馬尾松人工林[4]和楊樹人工林[5]土壤微量元素含量規(guī)律稍有差異(Fe的含量最高，Mn次之，Cd最低)。其中Fe的含量要遠(yuǎn)高于其他集中微量元素，約是Zn含量的20倍，甚至高于各大量元素的總和。各微量元素含量在土壤層表層呈垂直分布，除Zn外含量均減少，表明這些元素在土壤中被淋溶而向下遷移。

在各剖面中，除60—80 cm和80—100 cm外其余層次N含量，除20—40 cm和80—100 cm外其余層次P含量，均顯著差異(p<0.05)；20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm的K，F(xiàn)e，Cu含量，0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm的Ca含量，所有層次的Mg，Cr，10—20 cm，20—40 cm，60—80 cm，80—100 cm的Na含量，40—60 cm，60—80 cm的Mn，Ni，Cd，除60—80 cm外其余層次的Zn，均無顯著差異(p>0.05)。

表3 華北落葉松人工林植被養(yǎng)分含量

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同一行不同小寫字母表示各組分差異性顯著(p<0.05)。

表4 華北落葉松土壤層養(yǎng)分含量

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同一行不同小寫字母表示各組分差異性顯著(p<0.05)。

3.2.2 土壤元素的貯存與分配 土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的基礎(chǔ)，養(yǎng)分的收支和調(diào)控以土壤為中心計量[16]。通常森林土壤元素貯量占據(jù)整個生態(tài)系統(tǒng)元素貯量的比例超過了98%，是元素的巨大貯存庫，其貯存量與土壤容重有直接聯(lián)系。根據(jù)土壤剖面各個土層的容重、土壤中養(yǎng)分元素含量，可知林地土壤總量為10 050 t/hm2，土壤養(yǎng)分貯藏量為465.196 t/hm2。

研究區(qū)土壤中大量元素和微量元素的貯藏量與土壤養(yǎng)分含量正相關(guān)。其中土壤全Fe總量2.42%，低于全國平均值(3%)和世界平均值(3.8%)，這與黃土丘陵地區(qū)土壤以褐土為主有關(guān)[17]。

3.3 華北落葉松人工林凋落物養(yǎng)分含量及年凋落物養(yǎng)分歸還量

凋落物中大量元素含量相比較植被層P含量降幅較大。因為枯枝落葉的部分養(yǎng)分元素經(jīng)過淋溶分解等作用，早在凋落之前就發(fā)生了轉(zhuǎn)移。凋落物層中微量元素含量相比較植被層Zn和Cu含量降幅較大?？傮w來說凋落物的養(yǎng)分含量與喬木層樹葉的養(yǎng)分含量接近。這是因為人工林的灌木和草本稀少，凋落物主要來自于喬木層。即使落葉的養(yǎng)分元素已經(jīng)大量轉(zhuǎn)移，葉作為林木生理活動的關(guān)鍵器官養(yǎng)分濃度仍然較高，同時落葉也是凋落物養(yǎng)分歸還的主體，木質(zhì)化后的落枝、落皮合計僅占凋落總量的40%以下[18]。華北落葉松年凋落物養(yǎng)分歸還量(表5)在各組分中葉最大，占總歸還量的78.5%；其次為枝16.6%，皮最小4.9%。養(yǎng)分濃度較高的落皮，凋落量小于落枝。

表5 年凋落物歸還量

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

3.4 華北落葉松人工林降水養(yǎng)分含量及雨水淋溶養(yǎng)分歸還量

大氣降水過程是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分輸入的主要途徑，對林木養(yǎng)分元素有著吸收、吸附、淋洗和淋溶作用，林冠淋溶出的可溶性養(yǎng)分物質(zhì)，被林木直接吸收，而不需要進(jìn)行復(fù)雜的分解、轉(zhuǎn)化。因此降水有利植被成長，并推進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)過程[2]。

研究區(qū)2014年7月—2015年7月降水中的養(yǎng)分元素濃度(林外降水、穿透降水和樹干莖流)，在經(jīng)過林冠位置后有較大變化。頂層枝、葉和樹皮表面的灰塵顆粒以及葉表面的分泌物，被降水淋溶后形成了養(yǎng)分濃度較高的樹干莖流。研究區(qū)林外降水的養(yǎng)分濃度皆低于穿透降水，樹干莖流中的全部大量養(yǎng)分元素和Cu，Mn濃度均高于林外降水和穿透降水，其中變幅最大的P(其次是K，Ca)，濃度分別是林外降水和穿透降水的56，7倍，林外降水和穿透降水中P濃度較低，大部分來源于大氣塵埃，本身難以淋溶。

觀測年份的大氣降水量(林外降水)為587.8 mm、穿透降水為442.3 mm、樹干莖流量為3.5 mm，可知林冠截留量142.1 mm。而林冠截留量中的養(yǎng)分即是雨水淋溶養(yǎng)分歸還量。降水過程中的養(yǎng)分輸入量大小為，穿透降水>林外降水>樹干莖流。

3.5 華北落葉松人工林養(yǎng)分歸還量、存留量和吸收量

森林生態(tài)系統(tǒng)中，養(yǎng)分元素在林木和土壤之間的流動，包括3個過程:吸收、存留和歸還(吸收=存留+歸還)[19]。土壤中貯藏的養(yǎng)分元素通過植被根系的吸收作用，部分被轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)存留下來，參與構(gòu)建植物體，部分營養(yǎng)元素又以不同形式(淋溶作用、表面分泌物和凋落物)歸還到土壤[20]。

表6 降水養(yǎng)分元素輸入量

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

凋落物和雨水淋溶的養(yǎng)分歸還量合計得出養(yǎng)分元素的總歸還量為134.719 kg/(hm2·a)。養(yǎng)分存留量是指喬木層各器官在單位時間(1 a)內(nèi)積累的元素總量.

通過林木年增長的生物量與其養(yǎng)分濃度的的乘積計算各元素總存留量為53.409 kg/(hm2·a)。根據(jù)循環(huán)平衡公式，得華北落葉松人工林各元素吸收量之和為188.129 kg/(hm2·a)，其中以N最高，其次為Ca。綜合養(yǎng)分含量的結(jié)果，N，Ca可作為指標(biāo)，判斷華北落葉松人工林生產(chǎn)力的衰退。

表7 華北落葉松人工林養(yǎng)分歸還量、存留量和吸收量

3.6 華北落葉松人工林養(yǎng)分生物循環(huán)特征

利用系數(shù)[21]、周轉(zhuǎn)期[22]、富集系數(shù)、循環(huán)系數(shù)[23]是森林生物循環(huán)的重要特征。華北落葉松人工林養(yǎng)分大量元素利用系數(shù)的排列順序為Ca>N>Mg>p>K，Ca的利用系數(shù)最大，存儲速率最快，微量元素利用系數(shù)為Na>Zn>Fe>Mn>Cd>Ni>Cr>Cu。華北落葉松人工林養(yǎng)分大量元素中，除了N和Ca其他元素的周轉(zhuǎn)期都超過了10 a，K周轉(zhuǎn)期最高為13.48 a，其利用效率也最高。微量元素中，Cu周轉(zhuǎn)期最高為20.31 a，Na的周轉(zhuǎn)期最低為1.25 a，Na很容易從不同層次中淋洗出來，移動性較高，因而具有較短的周轉(zhuǎn)期。

研究區(qū)喬木層各器官的大量元素中對于土壤中N的富集強(qiáng)度最大，微量元素中對Cu的富集強(qiáng)度最大，而其他微量元素的富集系數(shù)均小于0.35。其中對于Fe的富集系數(shù)各器官均小于0.1，盡管各器官中微量元素含量最大的是Fe，這是因為研究區(qū)土壤中全Fe含量是非常大的。各養(yǎng)分元素的循環(huán)系數(shù)均大于0.4，說明研究區(qū)喬木層的養(yǎng)分元素循環(huán)效率較高，生長所消耗的土壤內(nèi)營養(yǎng)元素較少。

表8 華北落葉松人工林人工落葉松林養(yǎng)分生物循環(huán)特征

4 結(jié) 論

研究區(qū)華北落葉松人工林林地營養(yǎng)元素循環(huán)較快，土壤中養(yǎng)分利用率較高。循環(huán)系數(shù)即歸還量與吸收量的比值，與生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的速率正相關(guān)，研究區(qū)華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)N，P，K的循環(huán)系數(shù)均值(0.68)，高于北京密云油松人工林生態(tài)系統(tǒng)[22]、貢嘎山常綠與落葉闊葉混交林和冷杉林生態(tài)系統(tǒng)[23]，介于海南島山地雨林(0.82)和日本天然闊葉林(0.50)之間，表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)速率較快；利用系數(shù)越大，則表明該養(yǎng)分的年貯存狀況越好、貯存速率越大、生長越旺盛，利用效率越低，研究區(qū)華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)N，P，K的利用系數(shù)均值(0.14)，低于北京密云麻櫟—側(cè)柏人工混交林(0.19)，各微量養(yǎng)分元素的利用系數(shù)都低于湘潭錳礦廢棄地欒樹人工林[3]，但總體高于同樣位于蔡家川流域的人工刺槐林和人工油松林[6]，可知研究區(qū)利用系數(shù)偏小，儲存效率慢，土壤養(yǎng)分利用效率較高；周轉(zhuǎn)期解釋了養(yǎng)分的貯存和釋放規(guī)律，K和Cu周轉(zhuǎn)期最長，其利用效率也最高，Na的周轉(zhuǎn)期最低，很容易淋洗出來，移動性較高。

研究區(qū)年歸還的養(yǎng)分占年吸收總量的71.6%，其中凋落物歸還部分占49.2%，養(yǎng)分的歸還過程較為活躍，吸收乏力，需要注意的是，華北落葉松的凋落量水平一般，但是積累量較大(20～28 t/hm2)，大于闊葉紅松林(9.3～16.1 t/hm2)，加上研究區(qū)內(nèi)的郁閉度(63.2%)較高、林齡(23 a)不是快速生長期，容易造成凋落物積累過多不利于微生物等進(jìn)行分解過程，造成地力衰退，為了防止華北落葉松人工林生產(chǎn)力衰退，吸收過程中養(yǎng)分含量最高的N，Ca可作為指標(biāo)，判斷華北落葉松人工林生產(chǎn)力的衰退。人工林林地內(nèi)雨水淋溶歸還量大，占?xì)w還總量的50.8%，養(yǎng)分元素通過林冠后均明顯增加(林冠截留量142.1 mm)，并且對降水量(587.8 mm)要求一般。

因此，山西吉縣的華北落葉松人工林具有較高的富集系數(shù)使其適應(yīng)瘠薄自然環(huán)境，養(yǎng)分消耗量低，是適生于生態(tài)環(huán)境脆弱的晉西黃土丘陵區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林樹種。

致謝：感謝北京林業(yè)大學(xué)山西吉縣生態(tài)站、北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院重點實驗室及平臺在野外調(diào)查和樣品分析中給予的支持和幫助，感謝參加本研究外業(yè)調(diào)查的趙興凱、劉海燕、許發(fā)強(qiáng)、王仙等同學(xué)。

[1] 蘇日娜.內(nèi)蒙古大興安嶺安落葉松林降水化學(xué)特征研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[2] 王醇儒,羅仲全,趙仕遠(yuǎn).西雙版納地區(qū)降雨和橡膠林內(nèi)雨養(yǎng)分含量的初步研究[J].生態(tài)學(xué)報,1984,4(3):259-266.

[3] 羅趙慧,田大倫,田紅燈,等.湘潭錳礦廢棄地欒樹人工林微量元素含量及分布特征[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2013,33(5):85-90.

[4] 田大倫,項文化,康文星.馬尾松人工林微量元素生物循環(huán)的研究[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(4):1-8.

[5] 王新凱,田大倫,閆文德,等.喀斯特城市楊樹人工林微量元素的生物循環(huán)[J].生態(tài)學(xué)報,2011,31(13):3691-3699.

[6] 夏菁,魏天興,陳佳瀾,等.黃土丘陵區(qū)人工林養(yǎng)分循環(huán)特征[J].水土保持學(xué)報,2010,24(3):89-93.

[7] 張希彪,上官周平.黃土丘陵區(qū)油松人工林與天然林養(yǎng)分分布和生物循環(huán)比較[J].生態(tài)學(xué)報,2006,26(2):373-382.

[8] 魏天興,余新曉,朱金兆,等.黃土區(qū)防護(hù)林主要造林樹種水分供需關(guān)系研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2001,12(2):185-189.

[9] 畢華興,李笑吟,李俊,等.黃土區(qū)基于土壤水平衡的林草覆被率研究[J].林業(yè)科學(xué),2007,43(4):17-23.

[10] 肖洋,陳麗華,余新曉,等.北京密云麻櫟—側(cè)柏林生態(tài)系統(tǒng)N, P, K的生物循環(huán)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,30(S2):67-71.

[11] 張曉娟,魏天興,荊麗波,等.晉西黃土區(qū)天然次生林營養(yǎng)元素分配與積累研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,30(3):57-62.

[12] 韓有志,李玉娥,梁勝發(fā),等.華北落葉松人工林林木生物量的研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1997,17(3):278-283.

[13] 劉世榮.興安落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)特征[J].生態(tài)學(xué)雜志,1992,11(5):1-6.

[14] 王慶禮,代力民,許廣山.簡易森林土壤容重測定方法[J].生態(tài)學(xué)雜志,1996,15(3):68-69.

[15] 文仕知,張希,楊麗麗.長沙市郊楓香人工林養(yǎng)分歸還研究[J].中國水土保持科學(xué),2011,9(5):98-103.

[16] 廖觀榮,李淑儀,藍(lán)佩玲,等.桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡研究Ⅰ.桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分貯存[J].生態(tài)環(huán)境,2003,12(2):150-154.

[17] 孫祖琰,周起如,孫全先,等.河北省土壤鐵的含量與分布[J].華北農(nóng)學(xué)報,1987,2(1):49-54.

[18] 劉洋,張健,馮茂松.巨桉人工林凋落物數(shù)量、養(yǎng)分歸還量及分解動態(tài)[J].林業(yè)科學(xué),2006,7(7):1-10.

[19] 楊麗麗,文仕知,何功秀.長沙市郊楓香人工林營養(yǎng)元素生物循環(huán)特征[J].福建林學(xué)院學(xué)報,2012,32(1):48-53.

[20] 嚴(yán)昌榮,陳靈芝,黃建輝,等.中國東部主要松林營養(yǎng)元素循環(huán)的比較研究[J].植物生態(tài)學(xué)報,1999,23(4):64-73.

[21] 張希彪,上官周平.黃土丘陵區(qū)主要林分生物量及營養(yǎng)元素生物循環(huán)特征[J].生態(tài)學(xué)報,2005,3(3):527-537.

[22] 肖洋,陳麗華,余新曉,等.北京密云油松人工林生態(tài)系統(tǒng)N, P, K養(yǎng)分循環(huán)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,30(S2):72-75.

[23] 羅輯,程根偉,李偉,等.貢嘎山天然林營養(yǎng)元素生物循環(huán)特征[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,27(2):13-17.

CharacteristicsofNutrientCyclingandEcosystemStructureofLarixprincipis-rupprechtiiinHillyLoessPlateau

WANG Bin, WEI Tianxing, LIU Zhao

(CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,JixianForestEcosystemObservationandExperimentStation,ChinaNationalEcosystemResearchNetwork,KeyLaboratoryofStateForestryAdministrationonSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Cycling symbol of thirteen nutrient elements in ecosystem of 23-year-old plantation ofLarixprincipis-rupprechtiiin Jixian County, Shanxi Province was studied through survey of sample plots and indoor sample analysis. Spatial distribution of biomass in different organs of plantation ecosystem in the study area was measured, the accumulation and distribution of nutrient elements in spatial variation combining with organ nutrient content of trees were obtained; nutrient content and nutrient accumulation & distribution of other chambers of the four major chambers (forest, soil, litter and atmosphere) were measured to obtain annual nutrient return ofLarixprincipis-rupprechtiiplantation in nutrient cycling of 134.719 kg/(hm2·a), annual storage of 53.409 kg/(hm2·a) and annual absorption capacity of 188.129 kg/(hm2·a); at last, in summary of nutrient cycling in above chambers, parameters and indicators reflecting characteristics of nutrient biological cycle of the forest ecosystem were obtained. Average cycle coefficient of N, P, K in plantation ecosystem ofLarixprincipis-rupprechtiiin the study area was 0.68, revealing that cycling of ecosystem in the study area was faster; utilization coefficient was small, storage efficiency was slow and soil nutrient use efficiencywas higher; nutrient elements that passed through canopy significantly increased (canopy interception of 142.1 mm), with normal requirement on precipitation (587.8 mm). Higher enrichment factor enabled it to adapt to barren environment with low nutrient consumption. As a whole,Larixprincipis-rupprechtiiis of great potential for forest regeneration and afforestation.

forest ecosystem; nutrient cycling characteristics; biomass; nutrient content; accumulation and distribution

S718.55

A

1005-3409(2017)06-0045-07

2016-12-06

2017-01-20

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD07B02)；國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)運行服務(wù)項目(2014-2015)

王彬(1990—),男,甘肅甘南人,碩士研究生,主要從事生態(tài)環(huán)境地理學(xué)等方面的研究。E-mail:635901698@qq.com

魏天興(1969—),男,甘肅慶陽人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事流域自然地理學(xué)及林業(yè)生態(tài)工程學(xué)研究。E-mail:weitx@bjfu.edu.cn