不同林齡新疆楊養分特征與生物量研究

王永紅,朱玉偉,桑巴葉,褚奮飛,劉康

(新疆林業科學院,新疆烏魯木齊830046)

不同林齡新疆楊養分特征與生物量研究

王永紅,朱玉偉,桑巴葉,褚奮飛,劉康

(新疆林業科學院,新疆烏魯木齊830046)

分析了和田地區不同林齡新疆楊土壤有機碳、氮、磷、鉀含量,林木根、干、枝、葉中N、P、K含量和生物量。結果表明:各林齡新疆楊土壤有機碳和全氮含量依次為成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林;全磷含量為近熟林＞幼齡林＞成熟林＞中齡林;全鉀含量為幼齡林＞近熟林＞成熟林＞中齡林。新疆楊根和葉中N、P含量隨著林齡的增加而增加,K含量則表現出相反趨勢;莖中N、P、K含量變化不大;不同林齡新疆楊生物量的器官分配比例雖有所不同,但均以干所占的比例最大,枝次之,葉最小。

新疆楊;土壤養分;營養元素;生物量

和田地區位于塔克拉瑪干大沙漠的南緣,氣候嚴酷,風沙、鹽堿、干旱是威脅和田地區農牧業生產的三大自然災害,生態十分脆弱。隨著三北防護林工程的不斷開展,該地區植被覆蓋率有了明顯的提高,生態環境得到了明顯的改善。

新疆楊(Populus bolleana)為楊柳科楊屬,落葉大型喬木,喜光,耐大氣干旱和鹽堿,深根性,抗風力強。該樹種生長迅速,是新疆平原地區的重要速生用材樹種,也是農田防護林和四旁綠化的主要樹種[1]。選取和田地區墨玉縣為研究地點,研究該區域不同林齡(幼齡、中齡、近熟和成熟)新疆楊人工林帶1 m土壤養分變化情況,以及新疆楊器官營養元素含量和生物量特征,比較分析不同林齡新疆楊對土壤養分的影響差異,為和田地區乃至新疆植被恢復和生態環境建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點設在和田地區墨玉縣芒來鄉。墨玉縣位于昆侖山北麓,塔克拉瑪干大沙漠南緣,屬暖溫帶干旱荒漠氣候,具有典型的大陸性氣候特征。地理坐標為79°08′—80°51′E,36°36′—39°38′N。年平均氣溫11.3℃,1月平均氣溫-6.5℃,7月平均氣溫24.8℃,極端最低氣溫-18.7℃,年平均降水量為36 mm,蒸發量2 390 mm,無霜期177 h,年日照時數為2 655 h。土壤類型為沙土、沙壤土,土壤養分含量和地貌特征在和田地區具有很好的代表性。

1.2 新疆楊生物量調查

在二類資源清查資料基礎上結合野外全面調查,選取有代表性的新疆楊人工幼齡、中齡、近熟和成熟林帶,樣帶基本情況見表1。在各林地分別設置3個500 m×10 m的樣帶。對樣帶內所有新疆楊進行每木檢尺,測量樹高和胸徑。

表1 樣帶基本情況

1.2.1 枝葉生物量調查 根據每木調查結果,選取3株標準木,實測胸徑及樹高后伐倒,從第一活枝起將樹冠等分3層,然后在各層內以枝徑小于＜1 cm、1～2 cm、＞2～4 cm、＞4 cm標準進行分級,統計各層、各等級枝數,每級選取3個標準枝,稱取帶葉枝總鮮質量,隨后摘凈葉再稱去葉鮮質量。同時分層分級各取200 g的枝葉樣品一份裝入自封帶做好標記。然后將各樣品置于105℃恒溫箱內烘干至恒質量,計算含水率及各器官的干質量生物量。

1.2.2 樹干生物量 解析木伐倒后,測定胸徑、枝下高、樹高和樹高的1/4、1/2、3/4處的直徑,并打去枝丫,用記號筆在樹干上標出南、北方向。樹高＜15 m者,在樹高1.3 m處分段,以后按1 m長度分段,直到樹梢不足1 m;樹高＞15 m者,在樹高1.3 m處分段,以后按2 m長度分段,直到樹梢不足2 m。在地徑處和樹高1.3 m處截取3～5 cm的圓盤,分別記為0號盤和1號盤,各段采用中央斷面區分求積法,在每個區分點的中間位置截取3～5 cm的圓盤,依次記錄圓盤號。測定每個圓盤的帶皮鮮質量和去皮鮮質量,測定各個區分段的鮮質量。

1.2.3 根系調查 在參考王成等分類辦法的基礎上,對選取的3株標準木的根系挖掘范圍定為2 m ×2 m,挖掘深度視根系分布而定,直至無根系分布止。根系挖掘主要以人工挖掘為主,輔以機械動力,挖掘時分東南西北四個方向分層(0～20 cm、＞20～40 cm、＞40～60 cm、＞60～80 cm,＞80～100 cm)取根,根分徑級(＜1 cm、1～2 cm、＞2～5 cm、＞5～10 cm、＞10 cm)稱質量;測定記錄根系小頭斷口直徑;截取不同徑級根段(30 cm)計算根系比重;不同層次不同方向根系各取4個根樣進行營養物質測定,并取1個混合樣測定根系含水量。根系生物量取挖掘范圍內全根稱質量,并分段(20 cm或30 cm)測定根系徑級,徑級相近的根系進行平均,通過徑級變化擬合回歸方程,利用測定斷口直徑推導挖掘范圍以外的根系長度、體積和質量;根樁測定直徑,由于根樁近似圓球體,以圓球體體積公式(4/ 3πr3)計算根樁體積,并乘以系數0.7,通過根系比重推導根樁鮮質量。每1株取樣200 g,重復3次。將樣品置于105℃烘箱內烘干至恒質量,計算含水率及根系的干質量生物量。

1.3 土壤樣品采集

在各樣帶內按對角線布點法布設3個土壤樣點,分層采集0～10 cm、＞10～20 cm、＞20～40 cm、＞40～60 cm、＞60～100 cm不同深度土壤樣品,去除植物根系和石塊,將每個樣點得到5個層次的混合取樣裝入自封袋后帶回實驗室,自然風干,磨碎,過0.25 mm鋼篩后用于土壤養分、有機碳的測定。

1.4 養分分析方法

土壤有機碳測定采用外加熱-重鉻酸鉀容量法;全氮測定用濃硫酸消煮,凱氏定氮法;全磷測定用H2SO4—HCl O4消煮,鉬銻抗比色法;全鉀測定采用氫氧化鈉堿熔火焰光度法[2]。將外業采集的植物樣品80℃烘干至恒質量,粉碎、裝瓶。進行化學分析之前,105℃下烘1 h,準確稱樣。氮和鉀含量按土壤方法測定,磷含量用H2SO4—HCl O4消煮,鉬銻抗比色法。數據處理采用Excel軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同林齡新疆楊人工林土壤有機碳含量

土壤有機碳是土壤養分循環轉化的核心,是土壤肥力的重要組成部分,其含量及其動態平衡也是反映土壤質量的一個重要指標,并對土壤肥力的可持續性有重要影響[3]。由圖1可知,各林齡新疆楊林地土壤有機碳含量隨著林齡的增加,新疆楊林地土壤有機碳含量在顯著增加,幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林新疆楊林地土壤有機碳含量分別為0.070 4、0.097 7、0.120 8和0.141 3 kg m-2。

圖1 不同林齡土壤有機碳儲量

2.2 不同林齡新疆楊人工林土壤全氮含量

土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應狀況的重要指標。土壤中的氮素含量主要取決于生物量的積累和土壤有機質分解的強度。植被類型、水熱狀況和土壤侵蝕的強度等都影響其含量[4]。圖2表明,各林齡新疆楊林地土壤全氮含量隨著林齡的增加呈現穩步增加的趨勢。各林齡土壤全氮含量依次為成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。

圖2 不同林齡土壤全氮含量

2.3 不同林齡新疆楊林土壤全磷含量

土壤全磷含量是衡量土壤磷元素供應狀況的重要指標。磷素在多種土壤類型中是個限制因子,決定著植被生產力的大小和物種組成的變化[5]。各林齡土壤全磷變化如圖3所示。幼齡林、近熟林和成熟林新疆楊林地之間全磷含量差異不顯著,但均顯著高于中齡林新疆楊林地。各林齡土壤全磷含量依次為近熟林(1.14 g kg-2)＞幼齡林(1.05 g kg-2)＞成熟林(0.98 g kg-2)＞中齡林(0.65 g kg-2)。

圖3 不同林齡土壤全磷含量

2.4 不同林齡新疆楊人工林土壤全鉀含量

土壤全鉀量是指土壤中各種形態鉀素含量的總貯量[6]。鉀素在土壤中主要以礦物的結合形態存在,主要存在于鋁硅酸鹽中。從圖4可以看出,幼齡林新疆楊林地土壤全鉀含量顯著高于其他林齡新疆楊林地土壤全鉀含量,中齡林、近熟林和成熟林新疆楊林地土壤全鉀含量差異不顯著。各林齡土壤全鉀含量依次為幼齡林(5.03 g kg-2)＞近熟林(4.48 g kg-2)＞成熟林(4.37 g kg-2)＞中齡林(4.25 g kg-2)。

圖4 不同林齡土壤全鉀含量

2.5 不同林齡新疆楊生物量動態

植物群落生物量水平是生態系統結構和功能的重要表現形式,是植物生態學特性和外界環境條件共同作用的產物[7]。由表2可以看出,隨著林齡的增加,不同林齡新疆楊根干枝葉生物量及植株總生物量呈增加趨勢,其中干、枝生物量及總生物量隨著林齡的增加顯著增加,新疆楊成熟林干生物量分別是幼齡林、中齡林和近熟林的34.7、4.2和1.8倍。新疆楊成熟林枝生物量分別是幼齡林、中齡林和近熟林的34.9、5.7倍和2.8倍。新疆楊成熟林總生物量分別是幼齡林、中齡林和近熟林的29.4、4.1和1.9倍。除新疆楊成熟林以外,其他林齡新疆楊葉生物量隨林齡增加顯著增加。

不同林齡新疆楊生物量的器官分配比例均呈現出干＞枝＞根＞葉。但隨著林齡的增加,根生物量所占比例隨林齡增大而減小,新疆楊幼齡林根生物量約占總生物量的13.67%,成熟林則只占6.7%;樹干則與之相反,所占比例隨林齡增加而增大,成熟林林分最后達到68.9%;葉的生物量所占比例在5年生時最大,為9.0%,隨后表現出減小的趨勢(表2)。

表2 不同林齡新疆楊根干枝葉生物量 kg m-2

3 結論與討論

不同林齡新疆楊人工林土壤有機碳含量順序為成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。土壤有機碳含量增加,這主要是由于隨著新疆楊的生長,林地凋落物增加,有機質的輸入量大于分解量,從而表現出有機碳含量高。

土壤全氮含量變化與有機碳含量變化趨勢一致,這是因為土壤中的氮素有99%以上來源于有機質,以腐殖質形式存在,因此土壤有機質(碳)含量越高,土壤氮素含量越高。

土壤全磷含量主要受土壤母質和成土作用的影響,所以林地的林齡對土壤磷含量影響不大。而對于農田,由于農民施肥,再加上磷在土壤中流動性差,導致磷素在農田土壤中不斷積累。中齡林新疆楊林地全磷含量相對較低,這可能是因為新疆楊在中齡林生長旺盛,對土壤中磷素的需求量較大,與蘇少華[8]的研究結論相似。各林齡新疆楊林土壤全鉀含量的中齡林林地相對較低,可能是由于新疆楊在中齡林對土壤鉀素需求量也較大。

不同林齡新疆楊各器官氮、磷和鉀含量順序均為葉＞根＞莖。植物的葉生理代謝活動很旺盛,是光合作用、呼吸作用等重要生理活動的主要器官,所以營養元素在葉中的含量遠遠高于其他器官。莖以木材(主要由死細胞壁組成)為主,其生理代謝活動最弱,因而各種營養元素含量也最低。隨著林齡的增加,根和葉中氮、磷含量呈增加趨勢,而鉀含量隨林齡的增加呈降低趨勢。各林齡莖中氮、磷和鉀含量變化不大,G.I.Agren[9]認為,林木各器官內的營養元素含量隨著林齡的增加而減少。本研究除了鉀以外,氮和磷都表現出相反的趨勢,這可能與新疆楊通過根瘤菌共生形成固氮能力有關。

不同林齡新疆楊各器官生物量及總生物量隨林齡的增加呈增加趨勢。此外,4個不同林齡的新疆楊生物量的器官分配的比例均呈現出莖＞根＞葉的規律性。隨著林齡的增加,莖占總生物量的比例逐漸增加,葉與根占總生物量的比例呈減小趨勢。

土壤養分反映了土壤為植物生長供應和協調營養條件的能力,大量研究表明,土壤肥力狀況可以揭示已有土地的利用效果,并且對植被的生長起到重要作用[10]。通過本研究可以看出,隨著林齡的增加,人工新疆楊林可以明顯改善土壤營養狀況,并在近熟林時土壤營養狀況趨于穩定。新疆楊各器官的N、P、K元素在近、成熟林時達到最高,并且穩定,表明新疆楊人工林養分狀況在近熟時得到了明顯的改善并趨于穩定。

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Nutrients and Biomass of Different-aged Populus bolleana Plantations

Wang Yonghong,Zhu Yuwei,Sang Baye,Chu Fenfei,Liu kang
(Xinjiang Academy of Forestry,Urumqi 830046,China)

Contents of soil organic carbon(SOC),total nitrogen(N),phosphorus(P)and potassium(K)in soils,and N,P,K contents and biomass of root,stem,branch&leaf of different-aged Populus bolleana plantations in the Hetian region of China were analyzed.Result shows that the descending order of SOC and total N concentrations is mature plantation＞near-mature plantation＞middle-aged plantation＞young-aged plantation;the descending order of total Pis near-mature plantation＞young-aged plantation＞mature plantation＞middle-aged plantation.The descending order of content of total K is young-aged plantation＞near-mature plantation＞mature plantation＞middleaged plantation.Content of N and P in roots and leaves increase with the increase of the stand age of plantation,but the opposite pattern was found for K concentrations in roots and leaves.Content of N,P and K in stem remained unchanged across different-aged plantations.Among biomass of different tissues in different-aged plantations,the descending order of biomass allocation is stems＞roots＞leaves.

Populus bolleana;soil nutrient;nutrient element;biomass

S792.11

:A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.11.002

1005-5215(2015)11-0004-03

2015-09-09

新疆維吾爾自治區林業重大專項項目(xjlk [2013]010號);新疆維吾爾自治區公益性科研院所基本科研業務費專項項目(2013-5-6)

王永紅(1965-),女,新疆烏魯木齊人,大學,高級工程師,從事荒漠化防治研究.