落葉松人工林生態系統養分循環

摘要：本文根據植物和土壤養分元素的分布、積累及其循環特性對落葉松人工林生態系統進行了研究，結果表明：落葉松人工林生態系統的營養元素含量隨植物器官、年齡和分布層的變化而變化。落葉松生態系統中營養元素的累積總量為27098kg/hm2，其中土壤累積量和植物積累量分別為268946kg/hm2和2040.602kg/hm2;年吸收銨態氮元素含量為197.394kg/hm2，其中銨態氮的保留和銨態氮的返回分別為76.183kg/hm2和121.211kg/hm2。與其它森林群落相比，落葉松人工林生態系統各營養元素的循環速率相對較高。本研究基于N、P、K、Ca、Mg等營養元素的測定，對中國北方東部落葉松人工林生態系統養分循環進行分析。

關鍵詞：落葉松;植物營養元素;生物循環

中圖分類號：S718.5

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215025

前言

落葉松人工林在我國的森林面積中占有很大的比重，然而在經營落葉松人工林的過程中我國卻面臨著很多問題，這必將影響到落葉松人工林綜合效益的開發和利用[1]。生態系統中營養元素的生物附著是指生態系統中植物群落與土壤之間的生物附著，它是生物地球化學CVC的1個分支，具有高的SPCCD和INTCNSITV特性。營養型的生物與森林生產力相關，植物對THC營養元素的吸收和利用直接或間接地受到各種環境因素的影響，并對其生長發育和物質生產過程進行了調控。因此，通過研究生態系統中元素的積累、分布和轉化過程，并揭示其過程、機制及其相互關系，可知，落葉松是很有潛力的森林更新和荒山造林樹種[2]。

1實驗區概況

實驗基地場地海拔350m，位于山體南部，坡度70°，試驗林為人工栽植的大興安嶺落葉松人工林，土壤是一種深褐色的土壤。通過生物自肥過程，實現系統的自我調節，從而維持長期穩定的土壤肥力和生物生產力[3]。在生產力測定過程中采集的分析樣地植物樣地：選擇樣地具有代表性的樣地，用土鉆分層采集，深度分別為0.20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm。在實驗室重新自然干燥。通過測量降雨量、林分內降雨量和樹干流量，在標準土地（20m×50m）內進行水樣采集。方法：對植物和土壤樣品進行粉碎、篩選、水樣濃縮后，對其營養元素（N、P、K、Ca、Mg）進行分析。

2植物體內元素積累

落葉松人工林土壤N、P、K、Ca、Mg的累積量為268946kg/hm2，幾乎占總累積量的98%以上。土壤中積累的營養元素具有很大的潛力為植物提供營養，而土壤中營養元素的豐富度是在植物生長中發揮作用的基礎。土壤中養分的儲存不受植物吸收和木材輸出的影響，因此，森林土壤在森林生態系統物質循環中起著重要作用。土壤養分的空間分布規律：N、P主要分布在土壤上部，當其總儲量較大時，隨土壤深度的增加而減小。K、Ca、Mg在不同土壤深度條件下的貯藏是由土壤中的元素和土壤性質造成的。

3土壤中元素的積累

落葉松人工林生態系統生物量累積量為1134.43kg/hm2，含量順序為N>Ca>K>Mg>P，落葉松人工林蒸騰過程中元素積累的順序為N>Ca>K>Mg>P，樹蒸騰過程中元素積累的順序為N>Ca>K>P>Pg，蒸騰過程中元素積累的順序為Ca>K>Mg。根際土壤中的積累低于表層;樹干中的積累高于葉片。樹干中的養分密度使樹干具有巨大的生物量;相反，由于生物量少，葉片積累量低。K含量以枝條最高，達34.47%。生態系統中營養元素的生物循環營養元素的年貯量取決于植物群落的年凈生物量的增加及其生產器官中的元素含量和問題。落葉松人工林生態系統年蓄積量為76.183kg/hm2。其中N、Ca含量最高，分別占31.07%和30%。K為22.97%，Mg和P含量很低。落葉松人工林生態系統養分年貯量以喬木層最高，達86%，元素順序為Ca>N>Mg>P;灌木層為17.36%，元素順序為K>N>Ca>Mg>P;草本層為2.78%，草本層元素順序與灌木層相同。不同層次器官間的存儲是不同的，以喬木層為例，養分貯存順序為樹干>枝條>根系>樹皮。生態系統養分年歸還量無明顯變化，包括凋落物和樹冠淋失養分。凋落物中的養分在不分解凋落物的情況下被返回;淋溶后的養分可以直接輸送到土壤中。凋落物的養分返回包括所有植物（樹木和草本植物）養分返回土壤。落葉松人工林生態系統凋落物總歸還量為14.877kg/hm2，林草對土壤的歸還率分別為61.39%和33.98%;樹木根系養分含量極低，僅占4.63%;凋落物歸還中元素的順序為N>Ca>K>Mg>P?？梢钥闯?，返回量是儲存量的18倍。降雨淋溶過程中的養分回流是降雨通過樹冠時會發生一系列的物理化學變化，包括降雨和樹干流的養分密度變化。根據降雨分布的質量和數量，計算降雨淋溶過程中的養分。冠層淋溶的元素順序為K>Ca>Mg>P，元素N直接被葉片吸收。K很容易在植物中移動，這反映了它的溶解性。淋溶后林內降水中K含量明顯高于林外。為5.852kg/hm2·a，占總量的85.24%。降雨通過淋溶作用加速了K的生物循環。Ca的浸出率較高，但其濃度（浸出量占總養分的比例）很低，僅為5%，低于Mg（10%）和P（15%）。Ca的浸出率高于紅松（0.34kg/hm2）、油松（0.39kg/hm2），低于馬尾松（1.54kg/hm2）。對N的吸收高于油松人工林（0.19kg/hm2），低于杉木人工林和馬尾松人工林（22.33kg/hm2）。

4結果與分析

植物各器官營養元素含量差異顯著。針葉樹葉片營養含量高，枝條營養含量低，樹干和根系營養含量最低。其中細根中最高，其次是根頸，厚根最低。不同器官營養成分的差異取決于其功能和結構。葉片是同化器官，是新陳代謝最活躍的部位，營養含量最高;枝條是運輸或貯存營養的通道，細根是吸收營養的主要器官，因此，其塊莖含量較高;根粗、根頸和莖主要由木質素組成，主要功能是支撐，營養成分含量較低。營養成分隨樹齡和分布而變化。高層中元素N、P、K、Mg含量均高于低層，Ca含量則相反;樹枝中的N、P、K含量隨樹齡的增加而減少，Mg含量變化不大，Ca含量隨樹齡的增加而增加，并導致積累。營養成分順序為：葉>根>枝>干>皮。對草本植物而言，N、P、Mg元素含量為：莖>莖>根;K、Ca元素含量為：莖>葉>根。灌叢或草本器官的營養含量高于樹木器官。土壤中的多種營養元素的分布和含量的變化直接受自然因素（水、熱條件、母質和形成過程）、生物活動（動植物生活過程）和人類活動的影響。落葉松人工林土壤養分元素含量隨土層的變化而變化。土壤深度越大，P含量越低，但變化緩慢，它們在c'層（20～30cm）中幾乎穩定;元素K則相反，隨著土壤深度的增加而增加。這是深棕壤母巖中含有大量K元素的母質，也是淋溶作用的結果。K通過浸出帶下10個累積量。土壤養分元素的含量和分布是元素遷移和生物循環的結果。對植物生長至關重要。生態系統中營養生物循環規律給出了5種主要元素的微生物循環及其指標。年吸收量為197094kg/hm2·a，元素順序為Ca>N>K>Mg>P，年歸還量121.211kg/hm2，占吸收量的61.41%。其中k元素含量最高，占總返回量的30.33%，其余元素含量依次為Ca>N>Mg>P。與其它森林類型相比，K.Ca年循環低于櫟樹。塞爾瓦和紅樹林，但高于山毛櫸。云杉，蘇格蘭松和杉木。氮與樺樹、云杉和杉木中的氮幾乎沒有區別。鎂的循環與柞木和杉木接近，高于山毛櫸、云杉和油松，但低于杉木和紅松?？梢钥吹?，每年的吸收、儲存和回收都是相對的，只有P元素的年貯量和年歸還量略有差異，其它元素的年歸還量均遠高于歐洲橡木。究其原因，主要是干、根養分含量低，葉、小枝、覆蓋植物養分含量高。植物營養元素含量的變化與其品種、器官、年齡分布層有關。一般而言，地下層和地表布層有機養分含量高于地上。樹葉和樹枝中的含量高于樹枝和樹枝中的含量。土壤養分的變化與土壤層深度有關。

參考文獻

[1] 李亞洲.落葉松人工林天然化改造模式初探[J].農業與技術，2015（11）：83，85.

[2]王彬， 魏天興， 劉釗. 黃土丘陵區華北落葉松人工林生態系統生物量與養分循環特征[J].水土保持研究，2017，24（6）：45-51.

[3]劉世榮，李春陽. 落葉松人工林養分循環過程與潛在地力衰退趨勢的研究[J].東北林業大學學報，1993（2）：19-24.

作者簡介：

馬秀剛（1975-），男，本科，高級工程師。研究方向：林學。