桂西北杉木人工林养分积累及年净积累量变化

杨正文, 莫少壮, 柳国海, 黄光友, 何 斌

(1.广西南丹县山口林场,广西 南丹 547200；
2.广西大学林学院,广西 南宁 530004)

养分元素的吸收与积累过程是维持森林生态系统稳定和生产力的功能过程之一，直接影响森林生产力的高低和生态系统的稳定与持续[1-2]。N、P、K、Ca和Mg是林木生长所必需的大量养分元素，研究森林尤其是人工林形成和生长过程中养分积累、分布及其变化规律，对于进一步研究其生物循环特征，探讨其与林木生长的相互关系，指导林业生产和促进森林生产力的提高都具有重要的指导意义[3]。近些年来，国内外学者对多种森林生态系统N、P、K、Ca和Mg的积累和分布开展了大量研究。其中，代林利等[4]研究了福建省三明市不同林分密度12年生杉木人工林(Cunninghamialanceolata)养分积累与空间分配的差异；
韦明宝等[5]对广西西北部26年生马尾松(Pinusmassoniana)人工林的养分积累与分配进行了研究；
Laclau et al[6]、朱宇林等[7]和Santos et al[8]分析了不同树龄或不同品种桉树(Eucalyptusrobusta)人工林养分积累及其分布格局；
此外，有关西南桦(Betulaalnoides)[9]、华北落叶松(Larixpricipis-rupprechtii)[10]、云南松(P.yunnanensis)[11]等人工林生态系统养分积累方面的研究也有较多的报道。这些研究为相关森林类型林地养分管理提供了科学依据。

杉木是我国南方重要的商品用材林树种之一，具有适应性强、生长迅速、木材单产高和材质优良等优点[12]。目前，有关不同林龄杉木人工林养分积累方面的研究已有较多报道[13]，但多数研究中不同林分的林龄间隔时间较长且不一致，其研究结果在准确反映林木养分积累变化尤其是年净积累量变化和林地养分精准管理方面存在一定缺陷。桂西北是我国杉木人工林的重要产区，有关该区域杉木人工林的相关研究已有较多报道[14-18]，但涉及到养分积累方面的研究很少。为此，本研究以地处桂西北的广西南丹县杉木人工林为研究对象，对不同林龄(5、10、15和20年生)杉木人工林的养分含量、积累量和年净积累量及其分配特征进行研究，探索当地杉木人工林经营过程中养分积累量和年净积累量的分布特征及其变化规律，以期为该区域杉木人工林的经营管理提供依据。

1.1 试验地概况

研究区位于广西西北部的南丹县山口林场(107°31′E，24°59″N)，属中亚热带山地气候类型。试验地海拔750～850 m，土壤类型为砂页岩发育形成的山地黄红壤，平均厚度在70 cm以上。试验地其他概况见文献[18]。研究林分包括5、10、15、20年生杉木人工林，造林密度均为2 500株·hm-2，株行距为2 m×2 m。各林龄杉木人工林林分经营管理措施见文献[18]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与林分生物量的测定 于2019年5月在地理位置毗邻、立地条件相似的5、10、15、20年生杉木人工林林分中各设置3块600 m2(20 m×30 m)标准样地。调查样地内林木的胸径、树高、冠幅和枝下高，根据调查结果计算林分平均胸径和平均树高。分别在每个林龄样地内选择3株平均木并伐倒，采用“Monsic分层切割法”和“全根挖掘法”分别测定地上部分(树叶、树枝、干皮和干材)和地下部分(树根)鲜质量。采用样方收获法测定各样地内按对角线设置的3个4 m2(2 m×2 m)小样方内灌草层(灌木和草本)和凋落物层鲜质量。采集上述各组分样品约500 g，按文献[18]测定其干质量并计算其生物量。不同林龄杉木人工林样地概况及土壤理化性质分别见表1和表2。

表1 不同林龄杉木人工林样地概况Table 1 Site condition of C.lanceolata plantation at different stand ages

表2 不同林龄杉木人工林土壤理化性质(0～40 cm)Table 2 Soil physio-chemical properties of C.lanceolata plantation at different stand ages (0-40 cm)

1.2.2 样品采集和养分元素含量的测定 选取经过测定生物量后的乔木层各器官、灌草层和凋落物层样品，放入烘箱中于80 ℃烘干，经粉碎过0.25 mm筛后装入自封袋内。同时按“S”型在每块样地内设置5个采样点,采集0～40 cm深度土壤样品。先将相同样地同一土层样品混合后，再按照四分法取混合样品装入自封袋带回实验室，并把相同标准地同一层次土壤按重量比例混合[19]，同时用环刀采集原状土。

植物样品用H2SO4—HClO4消煮后,分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法、火焰光度计法测定N、P、K含量；
植物样品用HClO4—HNO3消煮后，采用原子吸收光谱法测定Ca和Mg含量[20]。土壤容重采用环刀法测定，土壤pH值采用电位法测定，土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定，土壤水解氮、速效磷、速效钾分别采用碱解扩散法、双酸浸提—钼锑抗比色法和乙酸铵浸提火焰光度计法测定[20]。

1.3 数据处理

利用Excel 2013和SPSS 22.0软件进行数据处理和分析。各林龄杉木人工林养分含量等数据统计采用单因素方差分析(ANOVA)，同时进行Duncan多重比较。

杉木人工林养分积累量/(kg·hm-2)=乔木层养分积累量+灌草层养分积累量+凋落物层养分积累量；
杉木人工林养分年净积累量/(kg·hm-2·a-1)=乔木层养分积累量÷林龄。

2.1 不同林龄杉木人工林养分元素含量分析

从表3可见，杉木不同器官的养分元素含量相差较大，并且在不同林龄间也存在差异。不同林龄各器官养分元素含量均表现为树叶最高、干材最低，且相互间的差异多数达到显著水平(P<0.05)。不同养分元素在林木各器官变化范围分别为N：1.15～11.20 g·kg-1，P：0.07～1.50 g·kg-1，K：0.30～6.78 g·kg-1，Ca：0.24～4.92 g·kg-1，Mg：0.08～1.48 g·kg-1；
在同一器官中，不同养分元素含量大致表现为：N>Ca>K>Mg>P，且相互间的差异多数达到显著水平(P<0.05)。林木各器官养分元素含量均随林龄的变化而变化，其中树叶N含量呈现缓慢的先下降(5～15年生)后升高(15～20年生)的变化趋势，P含量呈现反复的下降变化趋势，K含量呈现先下降(5～10年生)后逐渐升高(10～20年生)的变化趋势，Ca含量呈现先升高(5～10年生)后逐渐下降(10～20年生)的变化趋势。

表3 不同林龄杉木人工林各组分的养分元素含量比较1)Table 3 Comparison of nutrients content in different components of C.lanceolata plantation at different stand ages

杉木人工林灌草和凋落物的养分元素含量均丰富，同时也因林龄的不同而存在差异。与杉木各器官相比，灌草中各养分元素含量多数高于除树叶外的其他器官；
凋落物各养分元素含量变化与灌草相似，除K含量由于雨水淋溶作用导致较低外，其他养分元素含量多数也高于杉木中除树叶外的其他器官。

2.2 不同林龄杉木人工林养分积累量及其分布

从表4可以看出，5、10、15、20年生杉木人工林养分积累量分别为275.33、469.12、654.64、782.56 kg·hm-2，其中乔木层分别为210.19、409.27、588.75、687.11 kg·hm-2，呈现随林龄增长而显著增加的变化趋势(P<0.05)，分别占林分养分积累量的76.34%、87.24%、89.93%、87.80%；
林下植被(灌草层)养分积累量分别为42.51、29.03、18.81和32.38 kg·hm-2，分别占林分养分积累量的15.44%、6.19%、2.87%、4.14%；
凋落物层养分积累量分别为22.63、30.82、47.07和63.07 kg·hm-2，分别占林分养分积累量的8.22%、6.57%、7.20%、8.06%。在乔木层不同林龄间养分积累量的增长量中，以5～10年生(199.08 kg·hm-2)最大，其次是10～15年生增长量(179.48 kg·hm-2)，15～20年生增长量(98.36 kg·hm-2)最小。乔木层不同器官养分积累量的分配比例因林龄不同而存在差异，5年生林分为：树叶>树枝>干材>树根>干皮；
10年生林分为：树叶>树枝>干材>干皮>树根；
15年生林分为：树叶>干材>树枝>树根>干皮；
20年生林分为：干材>树叶>树根>干皮>树枝。各林龄乔木层不同养分积累量中，以N积累量最大，占比为38.00%～44.92%；
其次为K或Ca，占比分别为23.50%～29.35%、18.18%～27.87%；
最小为Mg或 P，占比分别为3.75%～6.01%、4.72%～5.43%。

表4 不同林龄杉木人工林的养分积累量与分配 Table 4 Nutrient accumulation and distribution of C.lanceolata plantation at different stand ages

2.3 不同林龄杉木人工林养分年净积累量分析

5、10、15、20年生杉木人工林养分年净积累量分别为42.03、40.93、39.65、34.35 kg·hm-2·a-1(表5)，呈现随林龄增加而逐渐下降的变化趋势。从表5还可见，林木中不同器官养分年净积累量因林龄不同而存在差异。随林龄的增加，树叶养分年净积累量逐渐减少，干皮和树根养分年净积累量表现为先增加(5～15年生)后下降(15～20年生)，树枝养分年净积累量为先增加(5～10年生)后下降(10～20年生)，干材养分年净积累量呈现先显著增加(5～15年生)后基本稳定(15～20年生)的变化规律。各林龄养分年净积累量与乔木层养分积累量的排列次序相一致，均以N最大，其次是Ca或K，Mg和P最少。

表5 不同林龄杉木人工林的养分年净积累量比较Table 5 Comparison of annual net nutrient accumulation of C.lanceolata plantation at different stand ages

2.4 不同林龄杉木人工林的养分元素利用效率比较

养分利用效率反映了林木对养分环境的适应和利用状况。目前多数以林木养分元素积累量与林木生物量之比即Chapin指数，作为衡量其养分利用效率的指标[14]。从表6可见，5、10、15、20年生杉木人工林每积累1 t干物质所需5种养分总量依次为10.99、6.64、5.19和4.51 kg，表现出随林龄增加而下降的趋势，且下降幅度也随林龄增加而降低，分别下降了39.58%、21.84%、13.10%，表明杉木人工林的养分利用效率随着林龄增加而提高。各养分元素利用效率以Mg或P最高，K或Ca其次，N最低。

表6 不同林龄杉木人工林养分元素利用效率Table 6 Nutrient utilization efficiency of C.lanceolata plantation at different stand ages

桂西北杉木人工林养分含量因林龄不同和器官不同而存在一定差异，大致以N最高、P或Mg最低，与相同区域的马尾松[5]、西南桦[9]和秃杉[14]以及其他区域杉木人工林[4,19]基本一致。林木中各器官养分含量均以树叶最高，其次是树枝、干皮和树根，干材最低，均表现出与上述树种基本一致，但各器官中不同养分元素含量多数低于相同或相近林龄的福建省三明市杉木人工林[4]和湖南省会同县杉木人工林[13]，表明杉木人工林对养分元素的吸收和积累特性与上述树种具有相似性，同时也因立地环境等不同而存在一定的差异。

桂西北不同林龄杉木人工林养分积累量依次为275.33、469.12、654.74和782.56 kg·hm-2，其中乔木层养分积累量分别占76.34%、87.24%、89.93%和87.80%，不同林龄间养分积累增长量以5～10年生(199.08 kg·hm-2)最大，15～20年生(98.36 kg·hm-2)最小，与其生物量的增长量排列次序(10～15年生>5～10年生>15～20年生)[17]存在差异，表明5～10年生虽然不是生物量增长速率最快阶段，却是养分积累速率增长最快阶段。林下植物(灌草层)和凋落物层都是杉木林生态系统的重要组成部分，在促进其养分生物循环、恢复和维持林地地力中起着重要作用[17]。不同林龄杉木人工林林下植物和凋落物层养分积累量分别为18.81～42.51 kg·hm-2和22.63～63.07 kg·hm-2，分别占林分养分积累量的2.87%～15.44%和6.57%～8.22%，表明不同林龄杉木人工林生长过程中归还土壤的养分总体上不高，不利于其生态系统养分元素的生物循环与恢复和维持林地地力。

5、10、15和20年生杉木人工林乔木层养分年净积累量随林龄增加呈现缓慢下降的变化趋势，依次为42.03、40.93、39.65和34.35 kg·hm-2·a-1,表明其不同林龄间养分积累速率以5～10年生最高，其原因主要是杉木林生长早期(5～10年生)，林木中对养分富集能力较强的树叶和树枝生物量积累速率较快[18]，其在林木各器官生物量中占比较高，使其养分积累速率也较高；
随着林龄的增加，林木逐渐趋向成熟，林木中对养分富集能力较弱的干材和树根生物量积累速率逐渐提高，对养分富集能力较强的树叶和树枝生物量积累速率则逐渐下降，从而造成林木养分积累速率也随之逐渐下降。不同林龄杉木人工林每积累1 t干物质需N、P、K、Ca和Mg等5种养分依次为10.99、6.64、5.20和4.51 kg，均明显少于栽植代数相同或相近林龄的福建省尤溪县[21]和湖南省会同县杉木人工林[22]，也少于相近区域相近林龄的广西武宣县[23]和柳州市马尾松人工林[24]，表现出该区域杉木人工林具有较高的养分利用效率, 其采伐时单位干物质所带走的养分较少, 从而减少对林地养分的消耗，因而在一定程度上有利于林地生产力恢复。总的来看，在杉木人工林生长过程尤其是造林后至15年生期间，随着林木生长速度和生物量积累速度逐渐加快[18]，林木积累的养分快速增加；
但由于杉木林凋落物发生较晚，又存在凋落物缩存现象，林地凋落物养分积累量较少，养分归还速率缓慢，林木生长过程中会较多地消耗林地土壤养分，而且林地土壤养分尤其是有效磷、钾养分供应水平较低，难以满足林木生长的需要。因此，在经营管理中应根据杉木人工林不同生长阶段对各种养分的不同需求，结合林地土壤养分供给状况进行林地土壤养分管理，通过配方施肥，实现对林木生长过程的精准施肥管理，以满足林木不同生长阶段对各种养分的需求，促进林木生长发育，进一步提高木材产量和经营效益。而在20年生后应根据林地的立地状况合理进行大径级用材林培育，可以充分发挥杉木干材生长阶段的速生特性，提高木材产量和经济效益，同时也有利于促进林木养分生物循环，恢复、维持和提高林地土壤肥力。