人工林生物循环特点

养分循环是森林生态系统中重要的功能过程之一，是系统生产力及持久性的决定因素，并直接关系到生态系统的连续与稳定［1］。系统地研究人工林生态系统中养分元素的含量、积累和循环规律，不仅对人工林生态系统的稳定性、可持续性以及生物生产力的提高具有重要意义，同时也有利于揭示森林经营对森林土壤肥力的影响，探索维持林地生产力的机理和生态学过程。枫香(LiquidambaformosanaHance)为金缕梅科(Hamamelidaceae)枫香亚科(HamamelidaceaeHarms)枫香属(LiquidambarL．)的高大落叶乔木［2］，别名枫木、黑饭木、三角枫、香枫等，是我国重要的乡土树种，也是亚热带地区优良速生落叶阔叶树种。其适应性广、生长迅速、抗风、抗大气污染、对土壤要求不高、耐干旱瘠薄、耐火烧、采伐迹地能天然更新恢复成林、生态效益好，是人工林树种结构调整的首选树种之一［3］，在观赏、药用、用材方面都有重要作用。国内外目前对森林生态系统养分的研究很多，但对人工林养分循环研究相对较少，对枫香人工林养分循环特性的研究尚未见系统报道。笔者通过对枫香人工林养分积累分布与循环特征进行研究，旨在为促进枫香人工林管理和可持续经营提供参考和依据。

1研究区概况

试验地设在湖南省林业科学研究院天际岭林场内，位于东经113°01'30″，北纬28°06'40″，林场总面积267hm2。试验林场属长沙市南郊低山丘陵地貌，海拔50－108m，地势较为平缓，坡度在20°以下。该区属亚热带季风湿润气候，四季分明，雨量充足，年平均气温17．2℃，极端最高气温40．6℃，极端最低气温－9．5℃，年无霜期约272d，年平均降水量1411．4mm，土壤主要类型为第四纪网纹层母质发育的酸性红壤，pH4．5－5．5，砾石含量中等。试验林场森林资源丰富，覆盖率达76%，共有100多个物种，以枫香、杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)、樟树(Cinnamomumcamphora)、湿地松(Pinuselliottii)、桤木(AlnusCremasto-gyne)等10多个树种为主的纯林和混交林，林分质量较好。枫香人工林于1986年炼山造林，初植密度均约2000株•hm－2，营林和管理措施相同。笔者所选的样地均位于林场北向中坡，2007年8月调查时枫香林相整齐，2样地保留密度分别为1500、1475株•hm－2，林下植被有木荷(Schimasuperba)、苦槠(CastanopsissclerohyllaSchottky)、山矾(SymplocoscaudataWall．EtA．DC．)、五节芒(Miscanthusflo-ridulusWarb)，林冠下层有少量樟树(Cinnamomumcamphora)。试验地林分基本情况见表1。

2研究方法

2．1样地的设置与调查

2007年10月，在对天际岭林场内枫香人工林进行全面调查的基础上，依据典型性和代表性原则选取枫香林固定样地2块，样地面积均为30m×20m，并进行每木调查。根据胸径、树高和冠幅等测树因子，在每样地选取3株平均木，共选6株平均样木并伐倒，按2m区分段，测定各区分段的干、皮、枝、叶各器官的鲜重，同时按树高不同层次分别采集伐倒木的分析样品，带回室内烘干测定其含水量。地下部分采用“挖掘法”分别测定根头、大根(＞0．5cm)、粗根(0．2－0．5cm)、细根(≤0．2cm)的鲜重，同时采集分析样品(在80℃烘干至恒重，计算出各器官干物质重)。因枫香人工林各径阶分化不明显，故用平均木法对全林生物量进行估测，考虑到同龄人工林特点，采用年平均生物量作为净生产力的估算指标［4］。由于枫香是落叶乔木树种，树叶的生物量是当年新萌发的，因此枫香人工林树叶净生产力就是当年的生物量。在每个固定样地的对角线上离4个角各1m处和样地中心设1m×1m小样方5个，记录每个小样方内的植物种类、林下植被和枯落物，采用“全挖实测法”分别测定其鲜重，同种植物的相同器官取混合样品，枯落物全部测定生物量，取混合样品，80℃烘干至恒重后再估算干重。

2．2样品采集与分析方法

2008年，在枫香林固定样地内选择生长中等的立木4株作为样木(不伐倒)，当年4月(春季)，7月(夏季)，10月(秋季)，以及2009年的1月(冬季)，分别采集干、皮、枝、叶、根系(根系营养元素含量为根头、大根、粗根和细根养分含量平均值)、林下植被和枯落物分析样品。土壤分0－15cm、15－30cm、30－60cm三个层次，随机采集3－4个样点来测定土壤养分含量。分层测定土壤容重，根据容重计算单位面积土壤重量，根据养分含量推算土壤中养分含量。对所采植物及土壤样品进行分析，全N含量用半微量凯氏测定法，全P含量用钼锑抗比色法测定，K、Ca、Mg(均为全量)含量用HP3510原子吸收分光光度计测定［5］。采用养分利用系数、循环系数和周转时间来分析养分循环特征［5］，其中现存量为乔木层养分积累量，存留量为净生产力与元素浓度之积，归还量为凋落物元素浓度与凋落量之积，吸收量为存留量和归还量之和，周转时间为养分元素经历一个循环周期所需的时间，由养分的总贮存量除以归还量，养分利用系数和循环系数分别为吸收量与现存量、归还量与吸收量的比值。在Excel中建立数据库，运用SPSS软件进行数据分析。

3结果与分析

3．1枫香人工林营养元素含量特征

枫香人工林各组分营养元素含量见表2。由表2可以看出，枫香树叶和树根的营养元素含量呈现N＞Ca＞K＞Mg＞P的趋势，树枝中营养元素含量大小排序为Ca＞N＞K＞Mg＞P，树干和树皮的营养元素含量呈现Ca＞N＞Mg＞K＞P的趋势，营养元素含量中P的含量均为最低。各器官之间的营养元素含量存在较大差异，其中树叶的N、P、K、Mg含量均最高，树皮的Ca含量最高，而树干的各种营养元素含量均最低。枫香林下植被层的营养元素含量均较丰富，与乔木层各器官相比，除低于树叶(Ca、Mg也低于树枝)外，均明显高于其它器官，可见林下植被层对于森林生态系统的养分循环是非常重要的。林下植被营养元素含量大小排序为N＞K＞Ca＞Mg＞P。枯落物中的营养元素含量呈N＞Ca＞K＞Mg＞P的趋势，与树叶中营养元素含量排序一致;与树叶相比，枯落物中的Ca含量较高，而N、P、K和Mg含量较低;与树枝相比，枯落物中的N、P含量较高，K、Mg含量较低。枯落物主要由落叶和枯枝构成，可以推断，在凋落和分解过程中，枯落物的Ca含量呈增加趋势，而K、Mg的含量不断减少，这与Ca的移动性差，K、Mg的移动性强有关。枫香人工林土壤层营养元素含量见表3。由表3可知，枫香林地土壤各层均以K的含量最高，N含量次之。其中N、P含量随土层增加而下降，而K含量随土层的加深而增加，Mg含量变化为30－60cm＞0－15cm＞15－30cm，Ca含量变化为0－15cm＞30－60cm＞15－30cm。土壤中各元素平均含量排序依次为K＞N＞Ca＞Mg＞P。