林 宇 張 勇 黃秀勇 張 松 何宗明 林思祖 官?lài)?guó)棟

(福建省長(zhǎng)樂(lè)大鶴國(guó)有防護(hù)林場(chǎng)，長(zhǎng)樂(lè)，350212) (福建農(nóng)林大學(xué))

森林凋落物是指森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)由生物組分產(chǎn)生，歸還到林地表面的所有有機(jī)物質(zhì)的總稱(chēng)，是分解者的物質(zhì)和能量來(lái)源，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡起到了重要的作用，是森林生態(tài)學(xué)重要研究?jī)?nèi)容之一。德國(guó)的Ebermayer(1876)首次提出森林凋落物在森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中的重要性，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者先后對(duì)森林凋落物的歸還量、化學(xué)成分和分解速率等方面進(jìn)行了大量的研究，探索物質(zhì)循環(huán)規(guī)律和森林的自肥機(jī)制等［1－5］。尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis)生長(zhǎng)異常迅速、適應(yīng)性強(qiáng)、抗旱能力強(qiáng)及有防風(fēng)固沙能力的優(yōu)良樹(shù)種，能夠適應(yīng)海岸帶后沿沙地貧瘠的立地條件，對(duì)于增加防護(hù)林造林樹(shù)種種類(lèi)，調(diào)整樹(shù)種結(jié)構(gòu)，改善海岸帶生態(tài)環(huán)境等方面能夠發(fā)揮有效作用，是沿海防護(hù)林建設(shè)中極具潛力的樹(shù)種［6－9］。國(guó)內(nèi)對(duì)尾巨桉研究主要集中在人工林收獲、涵養(yǎng)水源能力以及對(duì)土壤理化性質(zhì)影響等方面［10－12］。目前有關(guān)沿海沙地尾巨桉樹(shù)種凋落物及其分解的研究未曾見(jiàn)報(bào)道，因此，研究沿海沙地尾巨桉樹(shù)種凋落物及其分解具有重要意義，為合理評(píng)價(jià)桉樹(shù)類(lèi)樹(shù)種生態(tài)效益和采取有效營(yíng)林措施等方面提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省長(zhǎng)樂(lè)大鶴國(guó)有防護(hù)林場(chǎng)，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，氣候溫和，年平均溫度19.2 ℃，最高氣溫為35 ℃，最低氣溫為0℃，無(wú)霜期326 d，平均濕度77%，年降水量1 382.3 mm，總風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，平均風(fēng)速4.2 m·s－1，臺(tái)風(fēng)多發(fā)生在每年7—8月份，每年4 ～6 次。平均海拔10 m，土壤為濱海風(fēng)沙土，土壤肥力差，保水能力低，天然植被少，林下常見(jiàn)零星植被有茅莓(Rubus parvifolius)、白茅(Ⅰmperata cylindrica Linn.)、碩苞薔薇(Rosa breateata)、馬纓丹(Lantana camara)等。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

以2003年春營(yíng)造的尾巨桉人工林為研究對(duì)象。初植密度為1 650 株·hm－2，造林時(shí)施基肥(復(fù)合化肥)每穴30 g，并于當(dāng)年9月追肥每穴100 g，之后松土鋤草撫育每年兩次共兩年。林分生長(zhǎng)指標(biāo):調(diào)查時(shí)間為2012年8月，平均胸徑為11.44 cm，平均樹(shù)高為14.32 m，郁閉度為0.8，林分密度為1 250 株·hm－2，蓄積量為89.36 m3·hm－2，樣方面積為400 m2。

2.2 研究方法

凋落物收集和分解質(zhì)量損失實(shí)驗(yàn)起止時(shí)間為:2012年1月1日至12月30日。

2.2.1 凋落物收集

在尾巨桉人工林中各隨機(jī)設(shè)置3 個(gè)有代表性的實(shí)驗(yàn)地作為重復(fù)區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積400 m2(20 m×20 m)。在各重復(fù)小區(qū)中按對(duì)角線(xiàn)均勻安置6 個(gè)50 cm×50 cm 的尼龍網(wǎng)(孔徑1 mm)收集框。每月底收集一次框內(nèi)的凋落物，按枝、葉、花、果和蟲(chóng)尸糞等分類(lèi)烘干并測(cè)定生物量。同時(shí)，將采集的樣品粉碎，放入自封袋中，留作養(yǎng)分分析。

2.2.2 凋落物質(zhì)量損失試驗(yàn)

取新的凋落物裝入尼龍網(wǎng)袋(孔徑1 mm)中，每袋樣品20 g，三個(gè)重復(fù)區(qū)各隨機(jī)放置12 袋，自放置之日起每個(gè)月收回其中3 袋共9 袋，清除附著的沙土后放入60 ℃恒溫下烘干稱(chēng)質(zhì)量，計(jì)算損失質(zhì)量，然后將樣品粉碎，用于元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定。

凋落物質(zhì)量殘留率計(jì)算公式:Di= Wi/W0×100%。式中:Di為分解第i月樣品質(zhì)量殘留率，Wi為第i月樣品烘干質(zhì)量，W0為網(wǎng)袋樣品初始烘干質(zhì)量。

凋落物總質(zhì)量損失率:Dwi=1－Di。式中:Dwi為第i月總質(zhì)量損失率。

凋落物月質(zhì)量損失率:Dmi=Dwi－Dwi－1。式中:Dmi為第i月質(zhì)量損失率，Dwi－1為第i－1月質(zhì)量損失率。

2.2.3 養(yǎng)分測(cè)定

測(cè)定凋落物各組分及各網(wǎng)袋樣品主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中K、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Cu、Zn 采用國(guó)標(biāo)LY/T 1270－1999《硝酸－高氯酸消煮法》制備待測(cè)液，K、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Cu、Zn 元素采用原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定，P 元素采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定，N 元素采用全自動(dòng)碳氮分析儀(Elemental Analyzer Vario ELIII)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 和SPSS 軟件分析處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物產(chǎn)量和月動(dòng)態(tài)變化

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，尾巨桉人工林的年凋落量為6 745.93 kg·hm－2·a－1，凋落物各組分年產(chǎn)量由大到小的排列順序?yàn)?葉(4 151.00 kg·hm－2·a－1)、皮(853.27 kg·hm－2·a－1)、枝(850.13 kg·hm－2·a－1)、花果(662.20 kg·hm－2·a－1)、蟲(chóng)尸糞碎屑(229.33 kg·hm－2·a－1)，落葉量占總凋落物量的61.53%，說(shuō)明葉在桉樹(shù)人工林養(yǎng)分循環(huán)中扮演了重要的角色。凋落皮產(chǎn)量略大于落枝，分別占總凋落量的12.65%和12.60%，體現(xiàn)了該樹(shù)種的生理特性。落花和落果占總凋落物量的9.82%，蟲(chóng)尸糞碎屑占3.40%。

尾巨桉人工林凋落物量具有明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)，總凋落量表現(xiàn)出了“雙峰”的變化趨勢(shì)，與榮薏［13］和潘輝等［14］的研究結(jié)果相似。如圖1所示，峰值分別出現(xiàn)在5月份和7月份。1—3月份的凋落物產(chǎn)量最低，3—5月份呈上升趨勢(shì)，5月份達(dá)到最高值，隨后略呈下降趨勢(shì)后又上升，到7月份又形成一個(gè)高峰，然后開(kāi)始逐步下降。從它們的各組成月動(dòng)態(tài)變化(圖2)可知，凋落葉的生物量月動(dòng)態(tài)與圖1中的凋落物總量動(dòng)態(tài)基本一致，說(shuō)明凋落葉是凋落物的最主要成分。枝的凋落量有明顯的季節(jié)性，枝在冬春季節(jié)的凋落量低于夏秋季節(jié)，可能與冬春季節(jié)的氣候相對(duì)較為溫和，樹(shù)枝枯死后會(huì)在樹(shù)干上宿存，需要一段時(shí)間才能自然脫落;而夏秋季節(jié)的外界干擾較大，如風(fēng)、雨、持續(xù)干旱等物理作用比較劇烈，使其凋落量增加。凋落枝的生物量在7月份達(dá)到最大，這與沿海地區(qū)7月份臺(tái)風(fēng)多發(fā)有關(guān)。

圖1 尾巨桉凋落物生物量的月動(dòng)態(tài)變化

圖2 凋落物各組成生物量月動(dòng)態(tài)變化

3.2 凋落物各組分營(yíng)養(yǎng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

凋落物各組成養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小直接影響到養(yǎng)分歸還。由表1可看出，尾巨桉人工林的凋落物中，不同組分養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別很大。N、Ca、K、Na、Mg 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小。在大量元素中只有P 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比微量元素Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。Na 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，可能與沿海沙地土壤中富含鹽有關(guān)。碎屑N 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，與其主要組成蟲(chóng)尸、糞等比例高有關(guān)。作為凋落物的主要成分，凋落葉營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小的順序?yàn)镹、Ca、Na、Mg、K、Mn、P、Fe、Zn、Cu，凋落葉的N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)是P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)21 倍多;凋落枝營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小的順序?yàn)镹a、Ca、N、K、Mg、Mn、P、Fe、Zn、Cu;凋落皮營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小的順序?yàn)镵、N、Na、Mg、Ca、Mn、P、Fe、Zn、Cu。

表1 凋落物各營(yíng)養(yǎng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg －1

3.3 凋落物的養(yǎng)分歸還量

由表2可知，尾巨桉人工林每年歸還林地的養(yǎng)分總量為212.09 kg·hm－2·a－1，通過(guò)凋落葉歸還給林地的養(yǎng)分總量最大，為136.09 kg·hm－2·a－1，占養(yǎng)分總歸還量的64.5%，各組成養(yǎng)分歸還量由大到小的順序?yàn)?落葉、落枝、落皮、落花果、碎屑。

表2 凋落物養(yǎng)分年歸還量 kg·hm －2·a －1

在不同養(yǎng)分中，N 的歸還量最大為69.89 kg·hm－2·a－1，占養(yǎng)分總歸還量的32.95%。在大量元素中P 歸還量最小為3.70 kg·hm－2·a－1，在微量元素中Cu 的歸還量最小，僅為0.04 kg·hm－2·a－1。各營(yíng)養(yǎng)元素歸還量由大到小的順序?yàn)?N、Ca、Na、K、Mg、Mn、P、Fe、Zn、Cu。

3.4 凋落物分解

3.4.1 凋落物月質(zhì)量損失率的變化特征

由表3可知，尾巨桉凋落物的分解速率表現(xiàn)為慢－快－慢模式，1—4月份為緩慢上升期，占全年總質(zhì)量損失率的29.87%;5—8月份為快速分解期，該時(shí)間段凋落物的月質(zhì)量損失率在全年中最高，占全年總質(zhì)量損失率的42.79%;9—12月份為緩慢下降期，占年總質(zhì)量損失率的27.34%;7月份凋落物質(zhì)量損失率最大，比最小12月份大2 倍多。

表3 凋落物質(zhì)量損失率 %

3.4.2 凋落物分解模型及估測(cè)

凋落物的分解動(dòng)態(tài)可用Olson［15］指數(shù)衰減模型來(lái)擬合，也可用它來(lái)估測(cè)凋落物分解50%(即半衰期t0.5)和95%(t0.95)所需的年限。Olson 指數(shù)模型公式為:Y=100·e－kt，式中，Y 為凋落物分解質(zhì)量殘留率(%)，t 凋落物分解時(shí)間(a)，100 為常數(shù)項(xiàng)，k為分解參數(shù)。

讀取表3數(shù)據(jù)，輸入SPSS 軟件，計(jì)算得k =0.613 83(標(biāo) 準(zhǔn) 誤= 0.020，95% 置 信 區(qū) 間 上 限0.658，下限0.569);尾巨桉凋落物殘留率年變化的Olson 模型為:Y =100·e－0.61383t。由表4可知，模型R2=0.973，說(shuō)明該方程擬合度較高。t0.5=ln0.5/－k=1.13 a;t0.95=ln0.05/－k =4.88 a?？梢?jiàn)，尾巨桉凋落物分解半衰期為1.13 a，分解95%所需時(shí)間為4.88 a。上述Olson 指數(shù)衰減模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析，在0.01 水平(雙側(cè))上兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.994 為極顯著相關(guān)，因此可以用Olson模型來(lái)估測(cè)尾巨桉凋落物分解半衰期。

表4 模型方差分析

4 結(jié)論與討論

10年生尾巨桉人工林凋落物量在一年中呈“雙峰”變化趨勢(shì)，年總凋落物量為6 745.93 kg·hm－2·a－1，小于同實(shí)驗(yàn)區(qū)同年齡的厚莢相思(7 616.60 kg·hm－2·a－1)和木麻黃(8 218.07 kg·hm－2·a－1)凋落物總量［16］，但處在熱帶、亞熱帶森林年均凋落物量(1 010 ～15 100 kg·hm－2·a－1)范圍［17］。凋落物各組分產(chǎn)量由大到小的排列順序?yàn)?葉(4 151.00 kg·hm－2·a－1)、皮(853.27 kg·hm－2·a－1)、枝(850.13 kg·hm－2·a－1)、花果(662.20 kg·hm－2·a－1)、蟲(chóng)尸糞碎屑(229.33 kg·hm－2·a－1)。凋落物各組成中凋落葉占61.53%，凋落皮和枝產(chǎn)量各占12.6%，落花落果占9.8%。

尾巨桉凋落物不同組分營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別較大，N、Ca、Na 在凋落葉中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，凋落枝中Na 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，凋落皮中K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。

尾巨桉每年通過(guò)凋落物歸還給林地的養(yǎng)分總量為212.09 kg·hm－2·a－1，小于同實(shí)驗(yàn)區(qū)的厚莢相思(249.58 kg·hm－2·a－1)和木麻黃(273.23 kg·hm－2·a－1)養(yǎng)分歸還總量［16］，也小于譚芳林［18］對(duì)沿海沙地木麻黃研究的結(jié)果，說(shuō)明10年生尾巨桉通過(guò)凋落物提高土壤肥力的能力不如厚莢相思和木麻黃。在凋落物養(yǎng)分歸還的各組成中，凋落葉的貢獻(xiàn)率高達(dá)64.5%。在所有營(yíng)養(yǎng)元素中，N 的歸還量最大為69.89 kg·hm－2·a－1，占養(yǎng)分總歸還量的32.95%;Na 的年歸還量為41.18 kg·hm－2·a－1。

凋落物的分解速度在養(yǎng)分循環(huán)中地位舉足輕重，其決定了森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的高低［19－21］。尾巨桉凋落物的分解速率表現(xiàn)為慢－快－慢模式，與譚芳林［18］和李潔冰等［4］的研究結(jié)果大致相同。

濱海沙地尾巨桉人工林凋落物分解Olson 指數(shù)模型為:Y=100·e－0.61383t，并經(jīng)相關(guān)分析驗(yàn)證，該模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)尾巨桉凋落物分解半衰期。由此推測(cè)分解50%和95%分別用的時(shí)間為1.13 a 和4.88 a。

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