岳新建, 葉功富, 高 偉, 陳智勇, 陳夢(mèng)瑤, 李 蝶

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院, 福州 350002; 2.福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院, 福州 350003;3.福建省林業(yè)科學(xué)研究院, 福州 350012; 4.長(zhǎng)泰縣林業(yè)局, 福建 漳州 363900)

凋落物是植物體的代謝產(chǎn)物，是土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要來(lái)源，在維持森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳儲(chǔ)量、土壤肥力及林下群落演替等方面意義重大[1-2]。地上部分凋落物覆蓋地表，還具有涵養(yǎng)水源、保持水土，調(diào)節(jié)土壤溫、濕度的作用，進(jìn)而影響土壤動(dòng)物、微生物種類、數(shù)量和活性及生態(tài)功能。尤其是在初級(jí)生態(tài)系統(tǒng)中，立地條件相對(duì)較差，養(yǎng)分輸入?yún)T乏，限制了其初級(jí)生產(chǎn)力。因此，凋落物在維持生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡，持續(xù)改善土壤肥力等方面發(fā)揮著重要作用。不同森林因凋落物的質(zhì)量特征是影響其分解速率、養(yǎng)分分解釋放主要因素，對(duì)土壤肥力的改良效果各有不同。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)(Ecological Stoichiometry)是研究各種化學(xué)元素及生物系統(tǒng)能量平衡及交互作用影響的一種理論科學(xué)[3]，為探究不同生態(tài)系統(tǒng)中元素遷移和元素限制提供了有效手段[4-6]，有助于深入了解森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)及演化規(guī)律。

濱海風(fēng)沙土是由海岸沉積物經(jīng)風(fēng)浪作用堆積成的，屬初育土綱—土質(zhì)初育土亞綱，是我國(guó)東南沿海地區(qū)主要的非地帶性土壤類型之一，福建省內(nèi)面積約3.5萬(wàn)hm2[7-8]。自20世紀(jì)50年代起營(yíng)建的沿海防護(hù)林體系是海岸沙地上唯一的人工生態(tài)屏障，屬于無(wú)林地上造林，在減輕強(qiáng)風(fēng)危害、保障后沿工農(nóng)漁業(yè)生產(chǎn)、改善區(qū)域小氣候中發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)階段，沿海防護(hù)林體系受到較好保護(hù)，采伐、施肥等經(jīng)營(yíng)性活動(dòng)基本停止，土壤肥力持續(xù)下降、森林自肥能力不強(qiáng)是制約防護(hù)林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵因素。以往對(duì)海岸防護(hù)林凋落物研究主要集中在木麻黃(Casuarinaequisetifolia)單一樹(shù)種[9-11]，對(duì)其他森林類型的研究較少。因此，研究不同森林類型凋落物的生物量及初始質(zhì)量特征，探討凋落物分解過(guò)程碳氮磷釋放特征，對(duì)深入了解不同森林類型對(duì)土壤肥力質(zhì)量影響的差異及機(jī)制具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于福建省東山縣赤山國(guó)有防護(hù)林場(chǎng)(23°38′21.22″N，117°24′22.17″E)，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，1月份平均氣溫13.1℃，7月份平均氣溫27.3℃，多年平均氣溫為20.8℃，終年無(wú)霜凍；多年平均降水1 103.8 mm，多年平均蒸發(fā)量2 027.9 mm，年均干燥度指數(shù)(蒸發(fā)量/降雨量)1.8，每年10月—次年1月干燥度指數(shù)達(dá)到5以上；干濕季明顯，雨季集中在5—9月，約占全年降雨量的61%。年日照時(shí)數(shù)2 351 h；年均風(fēng)速7 m/s，大風(fēng)天氣達(dá)120 d，多為東北風(fēng)(NE)。氣溫、風(fēng)速、降雨量、蒸發(fā)量及干燥度指數(shù)規(guī)律見(jiàn)圖1。土壤類型主要為濱海風(fēng)積沙土，厚度80—100 cm，疏松貧瘠，持水保肥能力差，剖面無(wú)明顯的腐殖質(zhì)層和淋溶淀積層，剖面構(gòu)型為A—C或C型。從粒徑上看，以0.25～0.05 mm沙粒為主，含量占60%以上。

圖1 研究區(qū)主要?dú)庀笠蜃?/p>

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 樣地設(shè)置 首先，查閱當(dāng)?shù)刈钚律仲Y源建檔資料，初步確定擬研究森林類型。篩選出木麻黃(Casuarinaequisetifolia，CE)、尾巨桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla，EE)、濕地松(Pinuselliottii，PE)、厚莢相思(Acaciacrassicarpa，AC)4種人工林分以及天然次生林(Secondary Forest，SF)小班。然后實(shí)地踏查，根據(jù)林齡、林分健康狀況等確定樣地具體位置。所選小班距離海岸線3.0～5.0 km，處于基干林帶后沿。林分基本情況詳見(jiàn)表1。初值密度均為2.0 m×2.0 m(株行距)，挖穴規(guī)格60 cm×60 cm×60 cm，每穴下客土(黃壤土)15 kg，拌施鈣鎂磷肥。天然次生林林齡超過(guò)50 a(詢問(wèn)當(dāng)?shù)厝罕姭@得)?，F(xiàn)階段沿海防護(hù)林均受到嚴(yán)格保護(hù)，經(jīng)營(yíng)性活動(dòng)如采伐、施肥、撫育等基本停止，林分凋落物保護(hù)較好。人工林分地被稀疏，灌草蓋度在5%以下。天然次生林主要為風(fēng)水林，受當(dāng)?shù)匕傩毡Ｗo(hù)，郁閉度較高，植被豐富，喬、灌、草層清晰。主要喬木樹(shù)種包括潺槁木姜子(Litseaglutinosa)和樸樹(shù)(Celtissinensis)，灌木層包括毛果算盤(pán)子(Glochidioneriocarpum)、豺皮樟(Litsearotundifolia)、土蜜樹(shù)(Brideliatomentosa)、鱔藤(Anodendronaffine)等，高度0.8～1.5 m，蓋度20%以上，草本層主要為沿階草(Ophiopogonbodinieri)、藎草(Arthraxonhispidus)等[12]。

表1 5種森林類型現(xiàn)狀調(diào)查

每種森林設(shè)置4個(gè)20 m×20 m樣地，樣地間設(shè)隔離帶。對(duì)樣地內(nèi)胸徑≥5 cm的喬木樹(shù)種進(jìn)行每木檢尺，記錄灌木草本種類、蓋度等因子，詳見(jiàn)表1。

2.1.2 凋落物月動(dòng)態(tài) 在布設(shè)好的小區(qū)內(nèi)，沿對(duì)角線“S型”布設(shè)5個(gè)50 cm×50 cm的凋落物收集器，距離地面10—20 cm(防止與土壤接觸導(dǎo)致凋落物加速分解)，每種林分類型布設(shè)20個(gè)。2015年3月—2016年2月每月收集1次，全部帶回實(shí)驗(yàn)室。70℃烘干至恒重，測(cè)定其含水率，推算生物量。

2.1.3 凋落物分解試驗(yàn) 采用原位分解袋法研究凋落葉(小枝)的分解動(dòng)態(tài)。2015年6月，在樣地內(nèi)收集新鮮凋落葉(小枝)，確保葉片(小枝)規(guī)格大小均勻，輕去掉沙土，風(fēng)干后稱取10 g裝入規(guī)格25 cm×15 cm，40目的尼龍袋中，集中放置，每種林分放置30袋。另各取50 g左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室，測(cè)定初始質(zhì)量指標(biāo)。分解袋放置前清理現(xiàn)有未分解凋落物，露出原地表。分解袋與表面沙土充分接觸。平均每2個(gè)月收回一次，每次3袋?；厥蘸?，清除附著的沙土雜質(zhì)等，放入70℃恒溫烘干至恒重并稱重，測(cè)得失重率；用植物樣品粉碎機(jī)粉碎，并通過(guò)0.5 mm篩后備用。

2.2 樣品測(cè)定

凋落物全碳、全氮采用元素分析儀(Vario EL Ⅲ)測(cè)定；全磷采用H2SO4-HClO4消煮后采用電感耦合等離子體—發(fā)射光譜儀(ICP-OES，PekinElmer)測(cè)定；凋落物纖維素、木質(zhì)素采用酸性洗滌法測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

利用Excel 2003進(jìn)行凋落物失重率及Olson模型分解指數(shù)的計(jì)算；利用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析，Duncan法檢驗(yàn)；對(duì)凋落物失重率與分解時(shí)長(zhǎng)間(a)進(jìn)行回歸分析；對(duì)凋落物初始全碳TC、全氮TN、全磷P含量及C/N，C/P，N/P與分解指數(shù)k進(jìn)行Perason相關(guān)分析；Origin 8.5作圖。

采用Olson指數(shù)衰減模型擬合凋落物失重率變化規(guī)律。

Olson模型為：y=1-e-kt

(1)

式中:y為凋落物年失重率(%,分解期結(jié)束時(shí)的殘留量與初始重的百分比);t為分解時(shí)間(a)；k為凋落物分解指數(shù)(k值越大，分解速度越快)。

常用凋落物分解的半衰期(t0.5)及完全分解年限：

t0.5=ln0.5/(-k)

(2)

t0.95=ln0.95/(-k)

(3)

式中：t0.5為凋落物分解50%時(shí)所需年限，即半衰期(a)；t0.95為凋落物分解95%時(shí)所需的年限(a)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類型凋落物生物量動(dòng)態(tài)

從凋落物年生物量上看，濕地松生物量最高，為12.99 t/(hm2·a)，其次為天然次生林12.69 t/(hm2·a)，尾巨桉12.31 t/(hm2·a)，厚莢相思10.08 t/(hm2·a)，木麻黃10.08 t/(hm2·a)。從月動(dòng)態(tài)上看，5種林分凋落物量均呈現(xiàn)雙峰型，在7月、11月各出現(xiàn)一次峰值，其中7月份生物量較大，詳見(jiàn)圖2。

圖2 5種林分凋落物生物量月平均動(dòng)態(tài)

3.2 凋落物初始質(zhì)量特征

凋落物初始性質(zhì)選擇了TC、TN、TP、碳氮比、碳磷比、氮磷比、纖維素含量、木質(zhì)素及木質(zhì)素氮含量9個(gè)因子，詳見(jiàn)表2。5種凋落物TC含量473.43～513.73 g/kg，依次為：厚莢相思>濕地松>木麻黃>尾巨桉>天然次生林；TN含量6.60～16.4 g/kg，依次為：天然次生林>厚莢相思>木麻黃>尾巨桉>濕地松；TP平均含量0.25～0.93 g/kg，依次為天然次生林>濕地松>厚莢相思>木麻黃>尾巨桉；碳氮比在28.05～82.5，依次為尾巨桉>濕地松>木麻黃>厚莢相思>天然次生林；碳磷比在537.15～2 027.28，依次為尾巨桉>厚莢相思>木麻黃>濕地松>天然次生林；氮磷比在13.28～39.1，依次為尾巨桉>厚莢相思>木麻黃>天然次生林>濕地松。從凋落物纖維素含量上看，木麻黃最高，為275.20 g/kg，其次為濕地松217.9 g/kg，厚莢相思172.13 g/kg，天然次生林157.35 g/kg，尾巨桉最低，為114.80 g/kg；凋落葉木質(zhì)素含量上看，厚莢相思最高為449.33 g/kg，其次為濕地松365.9 g/kg，天然次生林為300.65 g/kg，尾巨桉最低，為179.93 g/kg。從木質(zhì)素氮含量上看，濕地松最高，為56.5 g/kg，其次為厚莢相思29.8 g/kg，木麻黃25.8 g/kg，尾巨桉19.6 g/kg，天然次生林18.2 g/kg。

表2 5種森林凋落物初始質(zhì)量因子

3.3 凋落物分解動(dòng)態(tài)特征

Olson指數(shù)衰減模型是研究凋落物分解的常用模型。由表3可以看出，5種森林凋落物分解過(guò)程中的失重率均符合Olson模型規(guī)律。從預(yù)測(cè)分解50%時(shí)間上看，除了天然次生林、尾巨桉t0.5<1 a外，其他3種林分凋落物均>1 a，其中天然次生林最短，為0.60 a，濕地松最長(zhǎng)，為2.29 a，尾巨桉、厚莢相思、木麻黃分別為0.95，1.03，1.60 a。實(shí)際分解50%所需時(shí)間天然次生林、尾巨桉均較預(yù)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，原因可能在于試驗(yàn)所用的尼龍網(wǎng)袋限制了大型土壤動(dòng)物進(jìn)入，減緩了分解進(jìn)程。從預(yù)測(cè)分解95%所需的時(shí)間上看，與分解50%所需時(shí)間規(guī)律一致，最長(zhǎng)的是濕地松，為13.80 a，最短的為天然次生林，需要3.31 a，尾巨桉、厚莢相思、木麻黃分別為4.92，5.38，8.18 a。

表3 凋落物分解失重率Olson模型預(yù)測(cè)結(jié)果

3.4 碳氮磷計(jì)量特征

由圖3—5可以看出，隨著分解時(shí)間的延長(zhǎng)，凋落物碳氮比呈現(xiàn)指數(shù)下降的趨勢(shì)，碳磷比呈現(xiàn)各異的變化規(guī)律，其中尾巨桉、厚莢相思、天然次生林木麻黃呈線性變化，濕地松呈指數(shù)變化，而木麻黃呈對(duì)數(shù)變化規(guī)律，而氮磷比隨著分解進(jìn)程相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 研究期內(nèi)不同森林凋落物碳氮比動(dòng)態(tài)特征

圖4 研究期內(nèi)5種不同森林類型凋落物碳磷比動(dòng)態(tài)特征

圖5 研究期內(nèi)5種林分凋落物氮磷比動(dòng)態(tài)特征

4 討 論

凋落物分解是植物向土壤轉(zhuǎn)移養(yǎng)分的重要環(huán)節(jié)，也是生態(tài)系統(tǒng)維持自肥能力的關(guān)鍵因素，是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的主要來(lái)源，可滿足植物生長(zhǎng)所需總量的69%～87%，森林每年通過(guò)凋落物分解歸還土壤的總氮量占森林生長(zhǎng)所需總氮量的70%～80%，總磷量的65%～80%，總鉀量的30%～40%[13]。在土壤養(yǎng)分貧瘠、生物初級(jí)生產(chǎn)力低下、外來(lái)養(yǎng)分輸入?yún)T乏的生態(tài)系統(tǒng)，凋落物在維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)平衡、改善土壤肥力等方面意義重大[14-18]，分解速率的差異直接影響?zhàn)B分歸還的效率。本研究所選森林類型中4種為人工林，1種天然次生林，人工林中包括2個(gè)固氮樹(shù)種(厚莢相思、木麻黃)，1個(gè)針葉樹(shù)種、1個(gè)速生樹(shù)種，是防護(hù)林建設(shè)最常用的樹(shù)種類型，適應(yīng)性強(qiáng)，在福建省沿海地區(qū)應(yīng)用比較廣泛。除了天然次生林外，人工林下植被稀疏，種類及生物量較低，短期內(nèi)對(duì)土壤肥力的影響不大[19]。5種森林的凋落物失重率均滿足Olson衰減模型，從時(shí)間特征值來(lái)看，分解至95%所需時(shí)間為分解50%所需時(shí)間的5～6倍，體現(xiàn)了分解前期較快后期緩慢的特點(diǎn)，與前人研究結(jié)果一致。分解過(guò)程中，5種凋落物的氮磷比變化不大，說(shuō)明5種森林凋落物的氮磷施放具有較強(qiáng)的一致性[20]。

凋落物的初始碳氮磷含量及比值是常見(jiàn)的凋落物質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，含氮量高的凋落物分解速率要高于含氮量低的[21]。5種新鮮凋落物的碳含量均高于全球陸生植物平均值(464 g/kg)，濕地松和木麻黃葉片(小枝)氮磷含量均低于中國(guó)平均值(18.6，1.21 g/kg)、全球平均值(17.7，1.58 g/kg)。氮磷比方面，僅濕地松小于14，其余均大于16。在分解試驗(yàn)過(guò)程中，尾巨桉、濕地松凋落物的氮磷比均小于14，天然次生林穩(wěn)定在15左右，厚莢相思在分解前期大于16，后期小于16但大于14。分解試驗(yàn)表明，針葉樹(shù)種(濕地松)凋落物分解最慢，半衰期要2.29 a，分解至95%需要13.8 a，與研究區(qū)實(shí)際情況相符(濕地松林下凋落物較厚，約15—20 cm，腐殖化程度差，腐殖質(zhì)層較薄)。天然次生林因樹(shù)種組成多樣性豐富，林下植物多樣，成土?xí)r間較長(zhǎng)，土壤微生物活性較強(qiáng)等原因，凋落物分解速度較快。

凋落物分解速率受外部因素和內(nèi)部因素的共同影響[22]，外部因素主要為氣候因素、土壤類型等。氣候因素包括平均氣溫、降雨量等[23]。土壤因素主要為土壤肥力狀況、土壤微生物種類和豐富程度等。微生物在凋落物分解各個(gè)階段發(fā)揮著重要作用[24]。而微生物對(duì)N，P等養(yǎng)分有很高需求，當(dāng)?shù)蚵湮锖@些養(yǎng)分較高時(shí)，土壤微生物活性高，分解速度也更快[21]。由于5種森林距離相近，土壤母質(zhì)類型一致，空氣溫濕度等氣候因素對(duì)分解速率差異的影響可忽略。利用5種森林各3個(gè)重復(fù)的凋落物、土壤性質(zhì)進(jìn)Pearson相關(guān)分析，探討凋落物初始性質(zhì)與分解指數(shù)k的關(guān)系，詳見(jiàn)表4。Pearson相關(guān)分析表明，分解指數(shù)k與凋落物全磷顯著正相關(guān)，與凋落物全碳顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，與凋落物全氮極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與凋落物碳氮比、纖維素含量極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與全氮極顯著正相關(guān)(p<0.01)。土壤性質(zhì)與凋落物分解指數(shù)的關(guān)系方面，土壤pH值及有效磷含量與分解指數(shù)極顯著正相關(guān)(p<0.01)。

表4 凋落物初始養(yǎng)分含量及其與分解指數(shù)的相關(guān)性分析

5 結(jié) 論

人工林分在海岸沙地生態(tài)環(huán)境改善、土壤肥力持續(xù)改良過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在現(xiàn)有的防護(hù)林經(jīng)營(yíng)管理模式下，主要依靠森林的“自肥”機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)，尤其是前沿基干林帶。林分所處的氣候條件、土壤以及林分凋落物的質(zhì)量特征等因素影響著凋落物的分解速率。福建省人工海防林的凋落物分解速度緩慢，影響因素中，氣候條件中的降雨量、干燥度、風(fēng)速等因子，土壤的pH值、有效磷含量，凋落物質(zhì)量指標(biāo)中的全氮、碳氮比等因子作用顯著。受研究區(qū)限制，未對(duì)降水量、干燥度、大氣溫度對(duì)凋落物分解影響進(jìn)行量化研究，后期將作為室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方向。在防護(hù)林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，可適當(dāng)考慮不同闊葉樹(shù)種混交造林，以豐富凋落物種類；通過(guò)施肥調(diào)節(jié)凋落物碳氮磷比例、土壤pH值等，以合理調(diào)控凋落物的分解速率，加快沙土的“培肥”進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)沿海防護(hù)林體系可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。