周玉泉, 康文星,2,3,*, 陳日升 , 田大倫,2,3,項(xiàng)文化,3

1 中南林業(yè)科技大學(xué),長(zhǎng)沙　410004 2 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙　410004 3 國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,會(huì)同　418307

19世紀(jì)中期,當(dāng)Ebermayer測(cè)定了闊葉林和針葉林的養(yǎng)分含量[1],揭開了森林養(yǎng)分動(dòng)態(tài)研究序幕,20世紀(jì)60年代后,Cole[2]、Duvigneaud[3]、Bormann[4]、Tsutuumi[5]、Bazilevich[6]等國外學(xué)者在森林養(yǎng)分的研究方法、測(cè)定技術(shù)、養(yǎng)分循環(huán)的分類等方面做出了重要貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)50年代侯學(xué)煜等已分析了中國150種植物化學(xué)成份[7]。20世紀(jì)70年代后,潘維儔[8]、馮宗煒[9]等分別開啟了杉木(Cunninghamialanceolata(lamb) Hook)人工林養(yǎng)分循環(huán)的研究。隨后我國進(jìn)入一個(gè)關(guān)于森林養(yǎng)分動(dòng)態(tài)研究的快速發(fā)展階段,尤其近10多年許多學(xué)者對(duì)不同類型的森林,尤其是人工林[10- 16]養(yǎng)分循環(huán)展開大量研究。這些研究成果都具有重要的實(shí)踐和理論意義。以上國內(nèi)大部分研究主要集中在林分某一生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分積累與分配的靜態(tài)特征上。雖然也有學(xué)者探討了不同生長(zhǎng)階段林分養(yǎng)分積累與分配的動(dòng)態(tài)變化[17- 20]。但大都用“空間換時(shí)間”的研究方法。其研究結(jié)果可能偏移實(shí)際。

19世紀(jì)初就已發(fā)現(xiàn)人工林連栽后會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)力下降和地力衰退的“二代效應(yīng)”問題[21]。為探索杉木連栽地力衰退的原因,有學(xué)者從林分養(yǎng)分動(dòng)態(tài)出發(fā)采用時(shí)空轉(zhuǎn)換法對(duì)不同代數(shù)杉木林養(yǎng)分循環(huán)進(jìn)行比較[22-23]。也有學(xué)者對(duì)第一代杉木林采伐后緊接營(yíng)造第二代杉木林的兩代杉木林的養(yǎng)分利用效率進(jìn)行分析[24],由于估算不同生長(zhǎng)階段林分凈生產(chǎn)力和每年吸收的養(yǎng)分量的方法不完全準(zhǔn)確,其研究結(jié)果難免會(huì)有疵瑕。本研究用會(huì)同第二代與第一代連栽的兩代林40多年的生物量和養(yǎng)分測(cè)定數(shù)據(jù),采用新的研究方法(在研究方法中說明),分析兩代杉木林在不同生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分吸收、積累以及利用的差異。從兩代杉木林的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化上,探討人工林連栽后會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)力下降和地力衰退的原因。為人工林的持續(xù)經(jīng)營(yíng)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

本研究在湖南會(huì)同杉木林生態(tài)系統(tǒng)研究站(屬于國家野外科學(xué)—觀測(cè)站)第3試驗(yàn)小集水區(qū)進(jìn)行。地理位置 26°50′N,109°45′E,面積1.984 hm2,海拔270—350 m,坡向西北,坡度15—25°。研究區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū),年平均氣溫16.9℃,年降雨量1100—1400 mm,年均相對(duì)濕度80%以上。土壤母巖為震旦紀(jì)板溪系灰綠色板巖,風(fēng)化程度較深,土層厚度80 cm以上,土壤為中有機(jī)質(zhì)厚層黃壤。

1962年第3小集水區(qū)在原為殘存的闊葉次生林地營(yíng)造杉木人工林,其杉木林于1987年冬皆伐了,并于1988年春在采伐跡地上營(yíng)造的第二代杉木林。兩代林的整地造林方式相同(煉山、全墾挖穴),造林密度也相近(約3000株/hm2),而且都是杉木栽上后前3 a的春秋季節(jié)各撫育1次,以后任其自然生長(zhǎng)。

1.2 　樣品采集

第3小集水區(qū)第一代杉木人工林7 年生時(shí),設(shè)立了4塊固定標(biāo)準(zhǔn)地(樣地面積667 m2)測(cè)定林分生物量,以后在第一代杉木人工林11、16、20年生和25年生時(shí),都在4塊固定標(biāo)準(zhǔn)地測(cè)定林分生物量。第二代杉木人工林營(yíng)造后,同樣設(shè)立了4塊固定標(biāo)準(zhǔn)地,并于第二代林7、11、16、20年生和25年生時(shí),在4塊固定標(biāo)準(zhǔn)地測(cè)定林分生物量。每次測(cè)定生物量的同時(shí)采集養(yǎng)分待測(cè)樣品。為了保證樣品具有代表性,在每一次采集樣品的伐倒的標(biāo)準(zhǔn)木上把它分成樹干基部、中下、中、中上和上部5個(gè)區(qū)段,每一區(qū)段釆集相同重量的樹干,再把釆集的樹干混合一起組合成樹干樣品；樹皮取樣采用樹干相同的方法。枝和葉都分成當(dāng)年生、1 年生、2 年生、多年生分別取樣。根分成根頭、大根(1 cm≤根徑)、粗根(0.2 cm≤根徑< 1 cm)、細(xì)根(根徑<0.2 cm)分別取樣。

1.3　養(yǎng)分測(cè)定

將待測(cè)的杉木各器管組織樣本,取適量樣品置于85℃恒溫干燥箱內(nèi)烘干至恒重,稱干重,磨碎,過60目篩后按《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[25]配置待測(cè)溶液。植物中的全N用半微量凱氏法,全P 用分光光度計(jì)測(cè)定；全K、全Ca、全Mg均用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

1.4　不同生長(zhǎng)階段養(yǎng)分積累現(xiàn)存量計(jì)算

林分某一林齡時(shí)養(yǎng)分積累現(xiàn)存量用下式計(jì)算：

M1=W1i×L1i

(1)

式中，M1表示林分某一林齡時(shí)養(yǎng)分積累現(xiàn)存量(kg/hm2)；W1i表示林分某一林齡時(shí)杉木某器官現(xiàn)存生物量(t/hm2)；L1i表示林分某一林齡時(shí)杉木某器官的養(yǎng)分濃度(g/kg)；i=1,2,…,5(干、皮、枝、葉、根) 。

1.5　不同生長(zhǎng)階段養(yǎng)分吸收量計(jì)算

以往林分某生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分吸收量都采用“吸收=存留+歸還”的計(jì)算方法[3]。這只有在某生長(zhǎng)階段林分歸還的養(yǎng)分,完全是這生長(zhǎng)階段生產(chǎn)的物質(zhì)的枯死物中的養(yǎng)分時(shí)才能成立。實(shí)際上林分某生長(zhǎng)階段的枯死物并不完全是這個(gè)生長(zhǎng)階段生產(chǎn)的物質(zhì)中枯死的(尤其是常綠林分),有一部分可能是前一生長(zhǎng)階段生產(chǎn)的物質(zhì)存留下來在本生長(zhǎng)階段才枯死物質(zhì)。因此,要準(zhǔn)確估算某生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分吸收量,首先要準(zhǔn)確估算某生長(zhǎng)階段林分生產(chǎn)的生物產(chǎn)量。

1.5.1不同生長(zhǎng)階段的生產(chǎn)的生物產(chǎn)量估算

一般認(rèn)為樹木的干、皮在樹木的生長(zhǎng)過程中凋落甚少,隨林齡增長(zhǎng)其生物量不斷積累,可以用兩個(gè)不同生長(zhǎng)階段的這些器官現(xiàn)存量之差求得某生長(zhǎng)階段的生物產(chǎn)量,但枝、葉在樹木的生長(zhǎng)過程中會(huì)不斷凋落,所以,要準(zhǔn)確估算某生長(zhǎng)階段林分生產(chǎn)的生物產(chǎn)量,就有確定葉和枝從生長(zhǎng)出來到枯死的整個(gè)生長(zhǎng)期。在此基礎(chǔ)上再估算出測(cè)定的該生長(zhǎng)階段林分現(xiàn)存枝葉生物量中有多少是前一生長(zhǎng)階段留下的,而且還要估算出該生長(zhǎng)階段內(nèi)生長(zhǎng)的枝葉在這生長(zhǎng)階段的枯死量。那么某生長(zhǎng)階段生產(chǎn)的生物產(chǎn)量(W)等于此次測(cè)定樹干、皮、根的現(xiàn)存生物量(W2i)減去前一生長(zhǎng)階段的樹干、皮、根現(xiàn)存生物量(W1i)(根系也存在更新代謝過程,但準(zhǔn)確測(cè)定根系的周轉(zhuǎn)周期,在技術(shù)上還存在很大難度,因此,本研究將根與干材和樹皮同等對(duì)待,其估算出的生產(chǎn)量要低于實(shí)際生產(chǎn)量),加上此次測(cè)定的現(xiàn)存枝葉生物量(W3j)減去此次測(cè)定的現(xiàn)存枝葉生物量中屬于前一生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)留下的枝葉量(W4j)的差,再加上該生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)的枝葉的枯死量(W5j)。其公式為:

W= (W2i-W1i)+(W3j-W4j)+W5j

(2)

式中,i=1,2,3(干、皮、根)；j=1,2(枝、葉)。本研究中杉木葉的生長(zhǎng)期采用劉愛琴等[22]研究成果定為5年,根據(jù)我們?cè)跁?huì)同對(duì)杉木生長(zhǎng)的長(zhǎng)期觀測(cè),把杉木枝生長(zhǎng)期定為10年。

1.5.2不同生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分吸收量計(jì)算

“吸收=存留+歸還”也只有在某生長(zhǎng)階段杉木各器官養(yǎng)分濃度與前一生長(zhǎng)階段測(cè)定的杉木各器官養(yǎng)分濃度相等時(shí)才正確。如果某生長(zhǎng)階段測(cè)定的杉木各器官養(yǎng)分濃度為L(zhǎng)1i,前一生長(zhǎng)階段測(cè)定的濃度為L(zhǎng)2i。若L1iL2i時(shí),則前一生長(zhǎng)階生物現(xiàn)存量中的養(yǎng)分濃度從L2i上升為L(zhǎng)1i,那么這一生長(zhǎng)階段吸收的養(yǎng)分不僅積累在這個(gè)生長(zhǎng)階段生產(chǎn)的生物量中,而且還有一些運(yùn)送到前一生長(zhǎng)階段的生物現(xiàn)存量中。所以,在估算某生長(zhǎng)階段林分吸收的養(yǎng)分時(shí)先要估算出前一個(gè)生長(zhǎng)階段現(xiàn)存生物量中有多少養(yǎng)分輸送到這個(gè)生長(zhǎng)階段生產(chǎn)的生物量中(L1iL2i時(shí))。在估算出某生長(zhǎng)階段生產(chǎn)的生物產(chǎn)量和某生長(zhǎng)階段以前的生物現(xiàn)存量中在此生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)移出(或又吸收)養(yǎng)分量后,不同生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分吸收量計(jì)算不采用“吸收=存留+歸還”的方法計(jì)算,而是用下式求得,如果L1i

M3=W3i×L1i-W2i×(L2i-L1i)

(3)

當(dāng)L1i>L2i時(shí),則有

M3=W3i×L1i+W2i×(L1i-L2i)

(4)

式中,M3表示吸收養(yǎng)分量(kg/hm2)；W3i表示某生長(zhǎng)階段生產(chǎn)量(t/hm2)；W2i表示前一生長(zhǎng)階段的現(xiàn)存量(t/hm2)；i=1,2,…,5(干、皮、枝、葉、根)。

1.6　養(yǎng)分利用效率

養(yǎng)分利用效率的高低用每生產(chǎn)1 t干物質(zhì)需要的養(yǎng)分量來表征,其需要的養(yǎng)分量越低,養(yǎng)分利用效率越高,反之則然。其計(jì)算公式為：

N=M/W

(5)

式中：N表示養(yǎng)分的利用效率(kg/t)；M表示某生長(zhǎng)階段林分吸收養(yǎng)分量(kg)；W表示某生長(zhǎng)階段林分的生產(chǎn)量(t)。

1.7　數(shù)據(jù)分析處理

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 軟件處理,用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行不同代數(shù),不同生長(zhǎng)階段,不同器官養(yǎng)分濃度、養(yǎng)分積累和分配的顯著性檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1　養(yǎng)分濃度的比較

圖1　兩代杉木林不同生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分元素濃度Fig.1　Concentrations of nutrient elements in different growth stages of two generation Chinese fir forests

圖2表明,同一林齡時(shí),第二代的杉木各器官體內(nèi)養(yǎng)分濃度也分別高于第一代。其中,樹干、皮、枝、葉和根的養(yǎng)分濃度分別比第一代高6.86%—8.79%,11.71%—20.60%,13.17%—21.06%,10.82%—15.25%,9.76%—17.78%。經(jīng)差異顯著性檢驗(yàn)表明,同一林齡時(shí),除兩代杉木的樹干養(yǎng)分濃度之間差異顯著(P<0.05)外。其余同一器官養(yǎng)分濃度之間差異極顯著(P<0.01)。

圖2　兩代杉木林不同生長(zhǎng)階段各器官的養(yǎng)分濃度Fig.2　Nutrient concentrations of organs in different growth stages of two generations Chinese Fir Plantation

通過對(duì)兩代林的杉木器官養(yǎng)分濃度隨林齡增加的變化分析發(fā)現(xiàn),7—11年生時(shí)養(yǎng)分濃度增加的速率第二代杉木是第一代的1.4倍,12—16、17—20、21—25年生時(shí)養(yǎng)分濃度下降的速率第二代杉木分別只有第一代的81.41%,40.56%和61.35%。

2.2　兩代杉木林年均吸收養(yǎng)分的比較

從表1中發(fā)現(xiàn),1—7年生,第一代的年均吸收養(yǎng)分量比第二代多7.94%(7.01 kg/hm2),8—11,12—16,17—18、21—25年生,又分別比第二代少13.04%(22.40 kg/hm2),2.52%(4.27 kg/hm2),7.93%(15.27 kg/hm2)和14.58%(27.53 kg/hm2)。1—7年生第一代的N、P、K、Ca、Mg各元素的年均吸收量比第二代分別多6.74%,11.88%,9.68%,7.30%,8.88%；8—11、12—16、17—20、21—25年生的N、P、K、Ca、Mg年均吸收量分別比第二代少2.27%—13.75%,2.41%—12.25%,7.02%—21.29%,10.64%—17.91%,22.15%—36.39%。從上分析看出,林分7年生以前第一代的年均吸收養(yǎng)分量比第二代多,7年生后第一代比第二代少。

表1　兩代杉木林不同生長(zhǎng)階段年平均吸收的養(yǎng)分

本表的差異分析是兩代林同一林齡同一元素吸收量的差異分析, *表示同一林齡同一元素吸收量差異顯著(P<0.05),**差異極顯著(P<0.01),小寫字母相同表示同一林齡同一元素吸收量差異不顯著(P>0.05)

從兩代林養(yǎng)分吸收年均量隨林齡增加的變化分析中看出,第一代從1年生到20年生的養(yǎng)分吸收量隨林齡增加而增加,20年生后隨林齡增大逐漸下降,年變化曲線為拋物形,拋物線頂點(diǎn)出現(xiàn)在17—20a。第二代的1—7a和17—20年生時(shí),年均吸收養(yǎng)分呈上升趨勢(shì),12—16a和21—25a呈下降趨勢(shì),年變化曲線為雙波峰曲線。波峰分別出現(xiàn)在1—7a和17—20a。第一代8—11,12—16a和17—20a年均吸收養(yǎng)分上升的速率分別為71.25%,8.35%和9.98%,比第二代8—11a和17—20年生時(shí)的112.56%和16.50%小許多。第二代8—11a和17—20年生年均吸收養(yǎng)分下降速率分別為3.50%,1.90%,比第一代20—25a下降速率8.98%又低許多。表明林分整個(gè)生長(zhǎng)過程中對(duì)林地養(yǎng)分的消耗,第一代比第二代少些。

兩代林同一林齡時(shí)年均吸收同一養(yǎng)分元素量的差異分析表明,除12—16a的兩代林的N之間、P之間、K之間,吸收總養(yǎng)分量之間,以及17—20a的兩代林的N之間的年均吸收量差異不顯著外(P>0. 05),其余兩代林的各營(yíng)養(yǎng)元素的年均吸收量之間差異顯著(P<0.05),或極顯著(P<0. 01)(表1)。

2.3　養(yǎng)分積累與分配的比較

2.3.1養(yǎng)分積累的比較

從表2可知,第一代7、20、25年生時(shí)的養(yǎng)分積累量分別比第二代多43.02 kg/hm2(9.14%),32.06 kg/hm2(2.01%),3.96 kg/ hm2(0.22%)。11、16年生時(shí)第一代的養(yǎng)分積累量分別比第二代少54.42 kg/hm2(6.72%),45.48 kg/hm2(3.44%)。杉木連栽并不一定導(dǎo)致第二代林喬木層養(yǎng)分積累減少。第一代的N、P元素積累量分別比第二代多6.38—51.15 kg/hm2,0.99—2.86 kg/hm2。第一代7年生時(shí)Ca、Mg元素積累量分別比第二代多11.62和3.85kg/hm2,7年生后各生長(zhǎng)階段分別比第二代少9.93—25.19,8.23—22.52kg/hm2。K元素積累量,7、20a和25年生時(shí)第一代比第二代分別多8.88%,2.43%和0.97%,11a和16年生又分別比第二代少4.13%和2.03%。就總體而言,第一代的N、P、K素積累量高于第二代, Ca、Mg低于第二代。

該術(shù)式既避免了脊髓后移，防止出現(xiàn)C5神經(jīng)根麻痹等并發(fā)癥［32］，又避免了直接切除骨化物，大大降低了腦脊液漏、脊髓損傷等并發(fā)癥的發(fā)生率。同時(shí)，ACAF對(duì)后路手術(shù)治療OPLL的再手術(shù)翻修也取得了良好效果［33］。Sun等［34］通過對(duì)20例OPLL患者的CT資料進(jìn)行研究，認(rèn)為鉤突關(guān)節(jié)可作為ACAF縱向截骨開槽位置的標(biāo)志，但術(shù)前還應(yīng)對(duì)每個(gè)病例的CT圖像進(jìn)行仔細(xì)的測(cè)量以制定個(gè)體化的精確手術(shù)方案。

表2　兩代杉木人工林不同林齡時(shí)喬木層積累的營(yíng)養(yǎng)元素量

括號(hào)內(nèi)的數(shù)為百分?jǐn)?shù),本表的差異分析是兩代林同一林齡同一元素積累量的差異分析, *表示同一林齡同一元素積累量差異顯著(P<0.05),** 差異顯著(P<0. 01),小寫字母表示同、同一林齡間同一元素積累量差異不顯著(P>0.05)

兩代林同一林齡時(shí)各營(yíng)養(yǎng)元素積累的差異分析表明,除11年生時(shí)兩代林的N之間、P之間、 K之間,16年生時(shí)兩代林的N之間、P之間,20 年生時(shí)兩代林的K之間、Ca 之間,25 年生時(shí)兩代林的K之間、P之間,養(yǎng)分總積累量之間差異不顯著外(P>0. 05),其余兩代林的各營(yíng)養(yǎng)元素積累量之間差異顯著(P<0. 05)(表2)。

從表2中兩代林各養(yǎng)分元素積累量占總養(yǎng)分元素量的百分比(括號(hào)內(nèi)的數(shù))對(duì)比中看出,杉木從幼林到成熟期,第一代不同林齡時(shí)積累N和P量占總養(yǎng)分量的比例分別比第二代高0.62—2.70,0.03—0.18個(gè)百分點(diǎn),第一代的Ca卻比第二代少0.22—1.71個(gè)百分點(diǎn)；第一代7年生時(shí)的K所占比例比第二代低0.06個(gè)百分點(diǎn),11、16、20、25年生時(shí)分別比第二代高0.20—0.39個(gè)百分點(diǎn)；雖然11年生時(shí)第一代的Mg所占比例比第二代低0.07個(gè)百分點(diǎn),但7、16、20、25年生時(shí)第一代比第二代高0.40—1.33個(gè)百分點(diǎn)。表明第一代N、P、K各占總養(yǎng)分量比例分別高于第二代,Ca、Mg所占比例少于第二代。

2.3.2 養(yǎng)分在器官分配上的比較

從圖3 看出,除7年生時(shí)兩代杉木林積累的養(yǎng)分在器官分配大小順序相同外(葉>枝>干>皮>根),7年生以后其順序發(fā)生了變化。11年生林分,各器官積累養(yǎng)分量大小順序是：第一代葉>枝>干>皮>根,第二代葉>枝>皮>根>干；16年生,第一代干>皮>葉>枝>根,第二代葉>枝>皮>干>根；20年生,第一代干>葉>皮>枝>根,第二代葉>皮>枝 >干>根；25年生,第一代干>皮>葉>枝>根,第二代葉>皮>干>枝>根。

圖3　兩代杉木林不同生長(zhǎng)階段各器官的養(yǎng)分累積量Fig.3　Nutrient components accumulated in the organs at different growth stages of two generation Chinese fir forests

從幼林到成熟期各林齡時(shí)積累在第一代干、皮中養(yǎng)分量比第二代分別多29.79%—79.12%,1.68%—15.21%。積累在第一代的枝、葉養(yǎng)分量除7年生時(shí)分別比第二代多1.71%和3.92%外,7年生以后各林齡時(shí)則分別比第二代少30.32%—35.56%和7.12%—16.59%。林分16年生以前,積累在根中養(yǎng)分量,第一代比第二代多9.81%—16.36%,16年生以后,第一代比第二代少3.80%—17.10%。

經(jīng)差異分析得出,除7年生的兩代林樹皮之間、樹枝之間、樹葉之間、樹根之間,11年生的兩代林樹皮之間、樹葉之間,25年生的兩代林樹皮之間的養(yǎng)分積累量差異顯著(P<0.05)外,其余差異極顯著(P<0.01)

通過兩代林各林齡時(shí)積累養(yǎng)分在各器官中的分配比率對(duì)比分析得出：同一林齡時(shí),養(yǎng)分在干、皮中的分配比,第一代比第二代分別高2.99—13.31,0.09—1.79個(gè)百分點(diǎn)；枝和葉中分配比,第一代比第二代分別低1.31—8.48,0.62—5.99個(gè)百分點(diǎn)；根中的分配比,16年生以前,第一代比第二代分別高0.59—2.23個(gè)百分點(diǎn)。16年生以后比第二代少0.70—2.35個(gè)百分點(diǎn)。從中看出,第一代積累養(yǎng)分在干和皮的分配比高于第二代,枝和葉中的分配比低于第二代。

2.4　養(yǎng)分利用效率比較

2.4.1生產(chǎn)1噸干物質(zhì)需要的養(yǎng)分

從表3中看出,1—7,8—11,12—16,17—20,21—25年生時(shí),每生產(chǎn)1 t干物質(zhì)所需養(yǎng)分,第二代比第一代分別多1.28、3.19、4.28、4.09、4.09 kg。就具體營(yíng)養(yǎng)元素而言,第一代不同生長(zhǎng)階段每生產(chǎn)1 t干物質(zhì)的需N、P、K、Ca、Mg量,分別比第二代少0.85—1.35,0.05—0.14, 0.51—1.08,0.70—1.50,0.17—0.51 kg。換一種角度分析。假若吸收100 kg養(yǎng)分,以第一和二代不同生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分利用效率,在各生長(zhǎng)階段第一代可生產(chǎn)出9.28、7.72、11.60、13.23 t和11.47 t干物質(zhì),第二代分別只能生產(chǎn)7.66、6.20、7.75、8.58 t和7.81 t。也就是說不同生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分利用效率,第二代比第一代相應(yīng)低17.46%,19.69%,33.19%,26.03%和31.91%。

表3　兩代杉木林不同生長(zhǎng)階段生產(chǎn)一噸干物質(zhì)所需養(yǎng)分/(kg/ t)

括號(hào)內(nèi)的數(shù)為百分?jǐn)?shù)

2.4.2生產(chǎn)1噸杉木器官需要的養(yǎng)分

表4看出,第二代在1—7,8—11,12—16,17—20,21—25 a各生長(zhǎng)階段,生產(chǎn)1 t樹干、皮、枝、葉和根的干物質(zhì)所需養(yǎng)分量,分別比第一代多0.19—0.29,1.38—2.75,2.15—3.36,1.60—3.61,0.88—1.25 kg。各器官養(yǎng)分的利用效率上,第一代比第二代樹干的養(yǎng)分利用效率高7.02%—10.22%；皮高11.73%—21.29%；枝高13.12%—21.19%；葉高6.19%—14.03%；根高10.91%—21.43%。

表4　兩代杉木林不同生長(zhǎng)階段生產(chǎn)一噸杉木器官需要的養(yǎng)分/(kg/t)

3　討論

第二代杉木器官養(yǎng)分濃度比同一生長(zhǎng)階段第一代相應(yīng)的高；進(jìn)入干材生長(zhǎng)階段后,器官養(yǎng)分濃度隨生育階段的提高而逐漸降低,與馬祥慶等[23]的結(jié)論相同。本研究第一代杉木林在某一林齡時(shí)喬木層養(yǎng)分積累量高于第二代,在另一林齡時(shí)稍低于第二代,與馬祥慶等[23]和劉愛琴等[22]研究第一代杉木林在任一林齡時(shí)喬木層養(yǎng)分積累量都高于第二代結(jié)果不一樣。本研究表明,杉木連栽并不一定導(dǎo)致第二代喬木層養(yǎng)分積累減少。

不同林齡時(shí)養(yǎng)分在器官分配上與馬祥慶等[23]研究的有所不同。馬祥慶等研究認(rèn)為雖然不同生長(zhǎng)階段養(yǎng)分在器官分配上表現(xiàn)不一,但同一生長(zhǎng)階段各栽植代數(shù)相同。本研究結(jié)果除7年生以前兩代林養(yǎng)分在器官上的分配大小順序相同外,8—25年生中的同一生長(zhǎng)階段兩代林在器官養(yǎng)分分配大小順序并非完全一致。馬祥慶等的研究地是福建尤溪屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū),會(huì)同屬中亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)。同一樹種在不同的立地環(huán)境條件下,可能造成其林分不同生育階段生物量在器管分配和器管養(yǎng)分含量的差異,進(jìn)而導(dǎo)致養(yǎng)分積累在器管分配上的差異。

會(huì)同兩代林分年均吸收養(yǎng)分量與劉愛琴等[22]研究的也有差別。本研究林分7年生前第一代比第二代多,8—25年生比第二代少。劉愛琴等研究得出,中齡林(第1代11年生,第2代12年生)和成熟林(兩代都為31年生)都是第一代多于第二代。而且年均吸收養(yǎng)分量隨林齡增加其變化與劉愛琴等的也不一樣。劉愛琴等認(rèn)為隨發(fā)育階段的提高,兩代林養(yǎng)分的年吸收量都呈增加趨勢(shì)[22]；但會(huì)同兩代杉木林年均吸收養(yǎng)分量在某個(gè)生長(zhǎng)階段均出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。造成兩者差別的原因有3點(diǎn)：(1)本研究的兩代林是同一立地(第一代采伐后第二年在采伐跡地營(yíng)造第二代林)生長(zhǎng)的林分,劉愛琴研究的不同代數(shù)林分,采用“時(shí)空轉(zhuǎn)換”法在研究林區(qū)內(nèi)選擇林地母巖及地位指數(shù)一致的兩個(gè)不同林分。由于空間異質(zhì)性,可能使研究的結(jié)果與實(shí)際并不完全相符。(2)劉愛琴等只測(cè)定11年生(或12年生)和31年生兩個(gè)林齡時(shí),兩林齡間相差較大,無法體現(xiàn)出11—31年生其間不同生長(zhǎng)階段吸收養(yǎng)分量變化趨勢(shì)。(3)劉愛琴等采用“吸收=存留+歸還”的方法估算不同生長(zhǎng)階段林分養(yǎng)分吸收量,會(huì)同杉木林的不同生長(zhǎng)階段林分養(yǎng)分吸收量是用本文研究方法中的方法估算的。估算方法不同,所得出的結(jié)果也就不一樣。

第一代杉木的養(yǎng)分利用效率高于第二代,以及養(yǎng)分利用效率隨林齡增加的變化上會(huì)同的1—20年生,尤溪的1—19年生[23](馬祥慶等只研究林齡19年生時(shí))兩者趨同。都表明杉木連栽可導(dǎo)致第二代杉木養(yǎng)分利用效率下降。我們?cè)芯繒?huì)同兩代林的杉木養(yǎng)分利用效率[24](那時(shí)只研究到第二代18年生時(shí))。雖然得出的結(jié)論與本次相同,但是,此次研究的結(jié)果在1—7,8—11、12—16年生時(shí),第一代每生產(chǎn)1 t干物質(zhì)所需養(yǎng)分量分別比前次研究的第一代多10.85%,28.95%和16.32%,第二代也比前次第二代多4.60%,35.16%和8.63%。造成這種差別是因?yàn)榍按窝芯磕成L(zhǎng)階段的生產(chǎn)量時(shí),是用某生長(zhǎng)階段測(cè)定的生物現(xiàn)存量減去前次生物現(xiàn)存量的差,再加某生長(zhǎng)階段的凋落物量求算的,某生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分吸收量是依據(jù)“吸收=存留+歸還”的計(jì)算方法求得。本次研究估算某生長(zhǎng)階段的生產(chǎn)量考慮了枝、葉的實(shí)際生長(zhǎng)期；估算某生長(zhǎng)階段年均吸收的養(yǎng)分量時(shí)不是用“吸收=存留+歸還”的方法,而是用考慮了枝、葉的實(shí)際生長(zhǎng)期后估算的生產(chǎn)量乘以物質(zhì)的養(yǎng)分濃度,并考慮了這一生長(zhǎng)階段與前一生長(zhǎng)階段生物量中的養(yǎng)分濃度差異,因而這次研究結(jié)果更逼近實(shí)際。

本研究結(jié)果表明,杉木連栽第二代林進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段后年均吸收的養(yǎng)分量比第一代多。這一方面說明為了維持杉木在整個(gè)生長(zhǎng)過程中的正常生長(zhǎng),第二代林所需的養(yǎng)分比第二代多；而且也表明第二代比第一代從土壤中吸收更多的養(yǎng)分。這對(duì)林地養(yǎng)分的消耗大,由此可能導(dǎo)致第二代林地的地力衰退。

任一個(gè)生長(zhǎng)階段第二代林分生產(chǎn)力低于第一代(表1)。早就有人報(bào)導(dǎo)過植物生長(zhǎng)量與養(yǎng)分含量和養(yǎng)分平衡密切相關(guān)[3,8]。也就是說當(dāng)樹木體內(nèi)含有較多的營(yíng)養(yǎng)元素量,但樹木的生長(zhǎng)不一定是最好的,只有當(dāng)這些各營(yíng)養(yǎng)元素量達(dá)到相互平衡時(shí),才有可能獲得最好的產(chǎn)量。雖然第二代杉木林體內(nèi)養(yǎng)分含量比第一代的高，但通過對(duì)杉木體內(nèi)各養(yǎng)分元素量搭配的比例分析(表2中括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)),第一代1—7,8—11,12—16,17—20,21—25年生時(shí)杉木體內(nèi)的N、P、K、Ca、Mg占總養(yǎng)分的比例與第二代不相同。如果認(rèn)為第一代杉木體內(nèi)各元素量的比例相對(duì)平衡有利杉木生長(zhǎng)的話,那么第二代的各元素量比例的不協(xié)調(diào)可能是導(dǎo)致第二代養(yǎng)分利用效率降低,以及生產(chǎn)力下降的一個(gè)主要原因。究竟是什么原因引起兩代杉木體內(nèi)各元素量搭配的比例不相同,養(yǎng)分利用效率下降,有待進(jìn)一步深入研究。

從本研究結(jié)果看出連栽的第二代林的養(yǎng)分吸收量比第一代多,而養(yǎng)分利用效率低于第一代。這些都有可能導(dǎo)致第二代林的生產(chǎn)力降低和地力衰退。若不解決好這些問題人工林生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)將很難持續(xù)。因此必須在營(yíng)林措施上下功夫。如采用混交林栽植模式可以改變純林的單一結(jié)構(gòu)導(dǎo)致人工林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)失調(diào)[26],采用施肥、撫育和不同的采伐強(qiáng)度等經(jīng)營(yíng)管理措施可提高人工林土壤肥力、緩解產(chǎn)量下降[27]。人工林地力衰退可以通過改變?nèi)斯ち纸?jīng)營(yíng)管理方式,保證人工林生長(zhǎng)的一個(gè)良性循環(huán)的生態(tài)環(huán)境,人工林連栽是可行的[28-29]。

本文研究是在第二代與第一代連栽的林地進(jìn)行的。避免了“時(shí)空轉(zhuǎn)換”法的缺陷,保證了空間尺度的一致性和時(shí)間尺度的連續(xù)性。在不同生長(zhǎng)階段吸收的養(yǎng)分量估算上采用與以往同類研究中完全不相同的方法。這種研究方法真實(shí)地反映了杉木生長(zhǎng)和對(duì)養(yǎng)分吸收利用的生理規(guī)律。

4　結(jié)論

(1)同一生育階段第二代杉木器管的各營(yíng)養(yǎng)元素濃度都比第一代相應(yīng)的高。其中,N濃度高2.85—3.48 g/kg,P濃度高0.16—0.25 g/kg,K濃度高1.86—2.72 g/kg,Ca濃度高2.10—2.50 g/kg,Mg濃度高0.77—1.31 g/kg。

(2)第一代杉木林在某一林齡時(shí)喬木層養(yǎng)分積累量高于第二代,在另一林齡時(shí)也可能低于第二代,杉木連栽不一定導(dǎo)致第二代林喬木層養(yǎng)分積累減少。養(yǎng)分在各器官中的分配比兩代林中不相同。第一代養(yǎng)分在樹干的分配比高于第二代,枝和葉中的分配比低于第二代。

(3)年均吸收養(yǎng)分量,7年生以前,第一代比第二代多,7年生以后,第二代比第一代多。表明杉木連栽第二代林會(huì)從土壤吸收更多的養(yǎng)分,不利于土壤肥力水平的維持

(4)任一個(gè)生育階段,生產(chǎn)1噸杉木干物質(zhì)所需養(yǎng)分量,第一代少于第二代,而且生產(chǎn)1噸干、皮、枝、葉和根干物質(zhì)所需的養(yǎng)分量,也是第一代少于第二代。第二代的養(yǎng)分利用效率比第一代低,這應(yīng)是杉木連栽第二代杉木林生產(chǎn)力下降的原因之一。