桂西北杉木成熟林营养元素积累及其分布格局

Nutrient Accumulation and Distribution of Mature Cunninghamia lanceolata Plantation Ecosystem in Northwestern Guangxi

摘要: 为了探究桂西北杉木人工林成熟林的营养元素积累及其分布格局，为该区域杉木人工林的经营管理提供依据。以广西南丹县30年生杉木林为研究对象，对其5种营养元素(N、P、K、Ca和Mg)含量、积累及其分配格局进行了研究。结果表明：1) 杉木中不同器官营养元素含量因器官不同而存在差异，以树叶最高，其次是树枝、干皮和树根，干材最低；林木中不同器官营养元素含量为N > K 或 Ca > Mg > P。2) 杉木成熟林营养元素总储量为955.06 kg•hm⁻²，其中乔木层占91.15%，灌草层和凋落物层分别占0.98%和7.89%。3) 杉木成熟林乔木层营养元素年净积累量为29.01 kg•hm⁻²•a⁻¹，每积累1 t干物质需要5种营养元素5.10 kg。

Abstract: In order to understand the nutrient accumulation and distribution of the mature Cunninghamia lanceolata plantation in northwestern Guangxi, and to provide scientific basis for the management of the C. lanceolata plantation, the field nutrition content, accumulation amount, annual net accumulation and distribution characteristics of five nutrient elements (N, P, K, Ca and Mg) on the mature C. lanceolata plantation were studied. The results show that the contents of the five nutrient elements in different organs of C. lanceolata. The results show that: 1) The nutrient contents in various organs of C. lanceolata was in the order of leaves > branch, bark or root > stem. The content of N was the highest among the five elements, followed by Ca and K and Mg, while P was the lowest in various organs of C. lanceolata. 2) The total storage of five nutrient elements in the mature C. lanceolata plantation was 955.06 kg•hm⁻², of which arbor layer, overstorey (shrub and herb layer) and litter layer accounted for 91.15%, 0.98%, 7.89% and 4.58% respectively. 3) The annual net accumulation of nutrients of the C. lanceolata plantation was 29.01 kg•hm⁻²•a⁻¹, and for every ton of dry matter production needed 5.10 kg of the five elements.

1. 引言

林木营养元素积累规律和分配格局是森林生态系统的基本特征，其研究对指导森林经营与管理、提高森林生物生产力具有重要的意义 [1]。N、P、K、Ca和Mg是林木生长所必需的大量矿质元素，研究其积累及分布特征，对进一步揭示其生物循环特点及其与各种因素的相互关系，指导林业生产管理和提高森林生产力都具有重要意义，并已成为世界各国生态学家、土壤学家和林学家所关注的研究热点 [2]。近些年来，国内外许多学者先后对各种森林尤其是人工林生态系统N、P、K、Ca和Mg积累及其分布格局开展了大量研究工作，取得大量的研究成果，研究树种涉及杉木 [3]、杨树 [4]、马尾松 [5]、落叶松 [6]、桉树 [7]、相思树 [8] 等主要用材林树种，这些研究为相关人工林林地养分管理提供了科学依据。

杉木(Cunninghamia lanceolata)具有适应性强、生长迅速、木材单产高和材质优良等优点 [9]，是我国南方重要的优良速生商品用材林树种之一。目前，国内有关杉木人工林营养元素积累方面的研究已有较多报道 [7] [8] [9] [10]，但主要集中在高密度经营的中小径材方面，涉及大径材培育或杉木成熟林的研究较少。桂西北是我国杉木人工林的重要产区，同时也是全国最大的杉木大径级用材林基地之一。为此，本研究以南丹县山口林场杉木成熟林为研究对象，通过对30年生杉木人工林营养元素含量、积累量及其分布格局，以揭示其对营养元素的吸收和积累能力，为杉木大径材的经营管理尤其是林地养分管理提供科学依据。

2. 材料与方法

2.1. 研究区自然概况

研究区位于广西西北部的南丹县山口林场，属我国杉木中心产区。南丹县(107˚1'E~107˚55'E、24˚42'N~25˚37'N)地处云贵高原边缘，属中亚热带气候类型，地貌以中低山为主，海拔高度多数在500~1 000 m ，具有高原山区的气候特点和变化规律。年平均气温16.9℃，年平均降水量1 498 mm ，降雨多集中在4~10月；年平均蒸发量1 135 mm ，年均相对湿度83% [10]。试验地设在该林场拉堡分场，海拔750~850 m，东南坡，坡度28˚~33˚，土壤母质(母岩)为砂页岩，风化程度较深，平均土层厚度 80 cm 以上，土壤肥力水平较高。

研究林分为杉木成熟林，于1989年3月采用杉木实生苗(融水种源)定植，造林密度为2500株·hm⁻² (行株距2 m × 2 m)，造林后前2年的春季各进行1次铲草抚育，并分别于造林后的第9、14和19年分别进行间伐。2019年5月调查时杉木成熟林林分密度为690株/hm²，郁闭度0.75%，平均树高 22.6 cm ，平均胸径 26.5 m 。林下植物发育较差，主要有八角枫(Alangium chinense)、粉叶爬山虎(Parthenocissus thomsonii)、广东蛇葡萄(Ampelopsis cantoniensisi)、贵州毛柃(Eurya kweichowensis)、垂穗石松(Lycopodium cernuum)和南方紫萁(Osmunda cinnamomes)等，覆盖度30%，凋落物层平均厚度约 2.5 cm ，

2.2. 研究方法

2.2.1 . 标准地的设置与林分生物量的测定

在经过对南丹山口林场的30年生杉木成熟林进行全面踏查并分析其生长状况的基础上，于2019年5月在杉木成熟林中选择生长良好的林分，按上坡、中坡和下坡各设置1块20 m × 30 m (600 m²)标准样地。调查测定样地内林木的胸径、树高、冠幅和枝下高，根据调查结果计算林分平均胸径和平均树高。然后，在每块样地内选择1株平均木并伐倒 [11]，采用“Monsic分层切割法”测定树叶、树枝、干皮、干材即地上部分鲜质量，采用“全根挖掘法”测定根系即地下部分鲜质量。同时在各样地内按对角线分别设置小样方3个，面积均为 2 m × 2 m ，对样方内灌木、草本的种类、个体数、高度和覆盖度等进行调查，然后采用“样方收获法”测定灌木层、草本层和凋落物层鲜质量 [10]。按“混合取样法”分别采集乔木层各器官、灌木层、草本层和凋落物层样品500~1000 g，带回实验室后放入烘箱内于80℃烘至恒，测定各样品的含水率和干质量，计算各组分生物量 [2]。

2.2.2 . 植物营养元素含量测定

选取不同结构层次植物各组分样品于80℃下烘干后粉碎过0.5 mm尼龙筛后装入自封袋内。参照文献 [12] [13] 分别测定N、P、K、Ca和Mg含量。

2.2.3 . 数据统计与处理

利用Excel2013软件进行相关数据处理，采用SPSS 22.0软件对杉木成熟林乔木层不同器官各营养元素含量、积累量和年净积累量差异性等进行单因素方差分析(ANOVA)。

3. 结果与分析

3.1. 营养元素含量

从表1可知，杉木中营养元素含量因器官或元素不同而存在差异，不同器官中各营养元素含量均表现为树叶最高，为1.19~10.82 g·kg⁻¹；其次是K或Ca，分别为0.64~7.13 g·kg⁻¹或0.25~4.75 g·kg⁻¹；P或Mg最低，分别为0.08~1.04 g·kg⁻¹或0.10~1.33 g·kg⁻¹。不同器官中营养元素含量以树叶最高，其次是干皮、树枝和树根，干材最低，同一元素在不同器官间的差异多数达到显著水平(P < 0.05)。

3.2. 营养元素储量及其分配

从表2可知，杉木成熟林营养元素总储量为955.06 kg/hm²，其中乔木层营养元素储量(870.36 kg·hm⁻²)占91.15%，灌草层(9.34 kg·hm⁻²)和凋落物层(75.36 kg·hm⁻²)分别占0.98%和7.89%；乔木层各器官营养元素储量大小排列为干材(284.57 kg·hm⁻²) > 树叶(196.55 kg·hm⁻²) > 树根(158.98 kg·hm⁻²) > 干皮(156.04 kg·hm⁻²) > 树枝(74.22 kg·hm⁻²)。

如果将乔木层按其垂直分布分为树冠(树叶 + 树枝)、树干(干材 + 干皮)和树根3个部分，则树冠养分储量(270.77 kg·hm⁻²)占31.10%，树干(440.61 kg·hm⁻²)占50.62%、树根(158.98 kg·hm⁻²)占18.27%。在乔木层不同营养元素储量中，N储量(364.13 kg/hm²)最大，占41.84%；其次是K(261.80 kg·hm⁻²)、Ca (202.64 kg·hm⁻²)和(42.28 kg·hm⁻²)，分别占39.10%、20.30%和4.86%，Mg(33.95 kg/hm²)最小，仅占3.90%。

Table 1. Nutrients contents in different organs of mature C. lanceolata plantation (g·kg−1)

表1. 杉木不同器官营养元素含量(g·kg⁻¹)

Table 2. Nutrients accumulation and distribution of mature C. lanceolata plantation (kg/hm2)

表2. 杉木成熟林营养元素储量及其分配(kg/hm²)

3.3. 乔木层营养元素年净积累量

从表3可见，桂西北杉木成熟林营养元素年净积累量为29.01 kg·hm⁻²·a⁻¹)，不同器官营养元素年净积累量以干材(9.49 kg·hm⁻²·a⁻¹)最高，其次是树叶(6.55 kg·hm⁻²·a⁻¹)、树根(5.30 kg·hm⁻²·a⁻¹)和干皮(5.20 kg·hm⁻²·a⁻¹)，树枝(2.47 kg·hm⁻²·a⁻¹)。不同营养元素在乔木层中年净积累量以N (12.14 kg·hm⁻²·a⁻¹)最大，占乔木层年净积累量的41.84%；其次为K (8.44 kg·hm⁻²·a⁻¹)、Ca (5.89 kg·hm⁻²·a⁻¹)和P (1.41 kg·hm⁻²·a⁻¹)，依次占29.10#、20.30%和4.85%；Mg (1.13 kg·hm⁻²·a⁻¹)最小，仅占3.90%。

3.4. 林木营养元素利用效率

营养元素利用效率是林木对养分环境的适应及其利用状况的反映，且利用Chapin指数作为指标来衡量森林营养元素利用效率的高低。从表4可知，杉木成熟林每积累1 t干物质仅需要5种养分元素(N、P、K、Ca和Mg) 5.11 kg，略高于福建三明市33年生杉木人工林 [14]，与相近区域广西宁明县34年生米老排人工林基本一致 [15]，但明显低于相近区域广西武宣县38年生马尾松人工林 [16]、福建三明市33年生福建柏人工林 [14] 和甘肃正宁县28~32年生油松人工林 [14]，表明研究区杉木成熟林对营养元素利用效率较高。杉木成熟林不同营养元素的利用效率又高到低排序为P、Mg、Ca、K、N，与上述其他树种人工林相一致。

Table 3. Nutrient annual net accumulation of mature C. lanceolata plantation (kg·hm−2·a−1)

表3. 杉木成熟林营养元素年净积累量(kg·hm⁻²·a⁻¹)

Table 4. Comparison of nutrient utilization efficiency among different plantation

表4. 不同人工林的营养元素利用效率比较

4. 讨论与结论

桂西北杉木成熟林营养元素总储量为955.06 kg·hm⁻²，其中乔木层营养元素储量(870.36 kg·hm⁻²)占91.15%，灌草层(9.34 kg·hm⁻²)和凋落物层(75.36 kg·hm⁻²)仅分别占0.98%和7.89%，其中凋落物层营养元素储量均低于相同区域的28年生秃杉人工林 [18] 和广西宁明县34年生米老排人工林 [15]，因此不利于林地地力的恢复和维持。而从林木各器官营养元素贮存量所占林分和乔木层营养元素贮存量所占比例看，干材仅分别占25.73%和32.70%，且林木其余器官则分别占74.27%和67.30%。因此，如果此时采伐秃杉林时，且仅取走干材，其余器官均作为采伐剩余物留在林地中自行分解，则损失的林木养分较少，将有利于维持林地土壤养分水平和林地持久生产力。

杉木成熟林营养元素年净积累量为29.01 kg/(hm²·a)，其中以N年净积累量(12.14 t·hm⁻²·a⁻¹)最大，其次为K (8.44 t·hm⁻²·a⁻¹)、Ca (5.89 t·hm⁻²·a⁻¹)、P (1.41 t·hm⁻²·a⁻¹)，Mg (1.13 t·hm⁻²·a⁻¹)最小。乔木层每生产1 t有机物质需要5种营养元素5.11 kg，明显低于相近区域广西武宣县38年生马尾松人工林(9.88 kg) [16]、甘肃正宁县28~32年生油松人工林(9.76 kg) [17] 和福建三明市33年生福建柏人工林(5.61 kg) [14]，表明研究区杉木成熟林具有较高的营养元素利用效率。而每生产1 t有机物质需要营养元素量为P < Mg < Ca < K < N，说明P、Mg的利用效率最高，其次是Ca和K，N最低，与相近林龄的米老排、马尾松的研究结果基本一致。因此，在桂西北地区合理经营和发展杉木大径材商品林，有利于充分利用土地资源，发挥林地生产潜力，提高木材产量和经济、生态效益，促进林业可持续健康发展。

基金项目

广西重点研发计划项目(桂科AB17292008)；广西创新驱动发展专项资金项目(桂科AA17204087-11)；国家自然科学基金资助项目(31760201, 31560206)。

NOTES

^*通讯作者。