不同坡位對琉球松人工林凋落物及其養(yǎng)分歸還量的影響-

1、不同坡位對琉球松人工林凋落物及其養(yǎng)分歸還量的影響3王勤133徐小牛1平田永二2(1安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)森林利用學(xué)院,合肥230036;2日本琉球大學(xué)農(nóng)學(xué)部,日本沖繩903-0213【摘要】對日本沖繩島北部不同坡位的琉球松人工林凋落物量及其養(yǎng)分歸還量進(jìn)行了為期3年的觀測研究.結(jié)果表明,琉球松成林年凋落物量為61548105Mg hm -2年-1,其凋落高峰出現(xiàn)在6、7月份.臺風(fēng)干擾對年凋落物量及其季節(jié)動態(tài)影響顯著.凋落物不同組分的養(yǎng)分含量差異明顯.年均養(yǎng)分歸還總量為1131415416kg hm -2年-1,其中氮素歸還量最大,占4212%;各養(yǎng)分歸還量的大小依次為N >Ca >K >

2、Mg >Na >P.兩調(diào)查林分由于立地條件的顯著差異,年均凋落物量及其相應(yīng)的養(yǎng)分歸還量亦存在明顯差異.在立地條件較好的下坡,林分P1的年均凋落物量達(dá)8105Mg hm -2年-1,高于立地條件相對較差的上坡的林分P2的2311%;其相應(yīng)的年養(yǎng)分歸還量為:N 66104,P 1163,K 17142,Ca 48131,Mg 14165和Na 6157kg hm -2年-1,分別高于林分P2的3917%、4818%、3914%、3219%、2418%和4913%.兩林分凋落物的養(yǎng)分利用效率分別是N 為122和138,P 為4934和5945,K 為462和523,林分P1明顯低于林分P

3、2,這與林分P2的立地條件較差相關(guān).可見,所調(diào)查的琉球松林是一種高效的養(yǎng)分利用系統(tǒng).關(guān)鍵詞凋落物琉球松亞熱帶松林養(yǎng)分動態(tài)養(yǎng)分利用效率文章編號1001-9332(200407-1121-05中圖分類號Q948.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼AE ffects of site condition on litterfall and related nutrient return in Pinus luchuensis plantations.WAN G Qin 1,XU Xiaoniu 1,Eiji HIRA TA 2(1College of Forest Utiliz ation ,A nhui A gricul

4、tural U niversity ,Hef ei 230036,China;2Faculty of A griculture U niversity of the Ryukyus ,Okinaw a 903-0213,Japan .2Chin.J.A ppl.Ecol .,2004,15(7:11211125.Over three years study on the dynamics of litterfall and related nutrient return in Pinus luchuensis plantations at different sites of northern

5、 Okinawa Island ,Ja pan showed that the annual litterfall biomass ranged from 6.54to 8.05Mg hm -2yr -1,with a peak from J une to J uly.Typhoons had a strong influence on the timing and mass of litterfall.There were significant differences in nutrient concentrations among the different components of

6、litter 2fall.The annual total nutrient in put from litterfall ranged from 113.4to 154.6kg hm -2yr -1,of which ,N in 2put was the greatest and contributed 42.2%of the total.The nutrient in put was in order of N >Ca >K >Mg >Na >P.Due to the significantly different site conditions ,there

7、 were significant differences in annual litterfall mass and related nutrient in puts between the two sam pling stands.The annual mean litterfall mass of the sam pling stand P1onthe lower slope reached 8.05Mg hm -2yr -1,which was 23.1%greater than that of P2on the u pper slope.The an 2nual mean nutri

8、ent in puts were N 66.04,P 1.63,K 17.42,Ca 48.31,M g 14.65and Na 6.57kg hm -2yr -1,and were 39.7%,48.8%,39.4%,32.9%,24.8%and 49.3%hi gher in P1than in P2,res pectively.The nutrient use ef 2ficiency in litter production was higher in P2(e.g.,N 138,P 5945and K 523than in P1(e.g.,N 122,P 4934and K 462,

9、which should be attributed to the relatively lower fertility of s oil in P2.The results from the stud y suggested that Pinus luchuensis plantation in Okinawa was a high efficiency system.K ey w ords Litterfall ,Pinus luchuensis ,Subtropical pine forest ,Nutrient dynamics ,Nutrient use efficiency.3教育

10、部留學(xué)回國人員科研啟動基金資助項目(200314.33通訊聯(lián)系人.2003-02-25收稿,2004-03-24接受.1引言凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)第一性生產(chǎn)力的重要組成部分,在維持系統(tǒng)土壤肥力,促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)方面具有極其重要的作用.同時,凋落物量的測定也是評價森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、生物量轉(zhuǎn)化的一種標(biāo)準(zhǔn)的非破壞性的技術(shù)17.為此,自1960年代以來,世界范圍內(nèi)廣泛地開展了森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物的調(diào)查研究15,19,24,推動了森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)研究的不斷深入.琉球松(Pi nus l uchuensis 是亞熱帶重要的速生用材樹種,其自然分布范圍狹窄,僅限于日本琉球群島8.但是由于該樹種具有良好的速生豐

11、產(chǎn)性能,被引種至日本九州地區(qū),成為九州及其以南島嶼的重要造林樹種.此外,琉球松還被引種到我國的臺灣,其造林規(guī)模達(dá)數(shù)萬公頃27.有關(guān)琉球松林的研究已有一些報道,都集中于樹種生理特性極其速生應(yīng)用生態(tài)學(xué)報2004年7月第15卷第7期CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul.2004,15(711211125豐產(chǎn)技術(shù)27、干擾后的演替規(guī)律4等.有關(guān)琉球松人工林養(yǎng)分循環(huán)的研究至今未見報道.為此,我們就琉球松人工林生態(tài)系統(tǒng)凋落物的生產(chǎn)量及其化學(xué)組成的變化規(guī)律進(jìn)行了為期3年的定位觀測,為琉球松人工林地力維持和可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù).2研究地區(qū)與研究方法211試驗

12、地自然概況本項研究是在日本國立琉球大學(xué)與那演習(xí)林內(nèi)進(jìn)行的.試驗地位于沖繩島北部丘陵地區(qū)(26°4530N,128°05E,屬亞熱帶海洋性兼季風(fēng)氣候,溫暖濕潤,年平均降雨量2680 mm,年平均氣溫是2116.試驗地海拔為100300m,系第三紀(jì)砂巖母質(zhì)上發(fā)育起來的黃壤10.調(diào)查地區(qū)的天然植被為亞熱帶天然闊葉林,其優(yōu)勢樹種為栲樹(Castanopsis sieboldii、紅荷木(Schim a w allichii和蚊母樹(Dy race2 m um,樹種豐富,多樣性較高.調(diào)查林分是1960年代營造的琉球松.根據(jù)地形、坡位的不同,設(shè)置了兩塊20m×20m的調(diào)查樣地

13、,實測樣地內(nèi)的所有林木(DB H310cm的胸徑和樹高,并對林地土壤的特性進(jìn)行了分析測定.調(diào)查林分的基本情況詳見表1和表2. 212研究方法21211凋落物量測定在各調(diào)查樣地內(nèi)機(jī)械隨機(jī)地設(shè)置5個口徑為112m的圓形凋落物收集器,收集網(wǎng)的孔徑為1 mm.自1996年8月開始至1999年7月止,連續(xù)觀測3年.逐月收集網(wǎng)內(nèi)的凋落物,帶回室內(nèi)風(fēng)干分類,按枝、針葉、其他落葉、花、球果和雜物分別稱重,再在70下烘干稱重,然后粉碎進(jìn)行化學(xué)分析.表1調(diào)查林分的結(jié)構(gòu)特點T able1Structural ch aracteristics of the sampling stands樣地號Plot No1樹種Sp

14、ecies平均胸徑Mean DBH(cm平均樹高M(jìn)ean height(m密度Density(stemshm-2胸高斷面積Basal area(m2hm-2樹干材積Bole volume(m3hm-2 P1琉球松Pinus luchuensis131711162375321320815闊葉樹Broad2leaved trees10117165004111816合計Total131210192875361422711 P2琉球松Pinus luchuensis11139162625301618216闊葉樹Broad2leaved trees9177176005132117合計Total10199

15、113225351920413 21212化學(xué)分析各樣品的全氮(N采用燃燒法,用柳本M T2500型碳氮分析儀測定3.其他養(yǎng)分元素諸如磷(P、鉀(K、鈣(Ca、鎂(Mg、鈉(Na等含量的測定,采用HClO42 HNO3消煮,用島津ICPS22000型熒光分析裝置測定3.3結(jié)果與分析311年凋落物量及其組成連續(xù)3年的定位觀察結(jié)果表明,琉球松成林年均凋落物量61548105Mghm-2年-1(表3,樣地間差異明顯(t檢驗;P=01018.位于下坡的樣地P1,由于水肥條件較好,林分年凋落物量明顯高于中坡的樣地P2,前者比后者高2311%.此外,林分凋落量的年間差異亦十分明顯(表3,無論是樣地P1還是

16、樣地P2,第1年(即1996年8月至1997年7月的凋落物量顯著高于其后的兩年,這可能是由于強(qiáng)臺風(fēng)干擾所造成的.從凋落物的組成來看,針葉所占比例高達(dá)6312%6815%,其次是枝皮等木質(zhì)表2調(diào)查林分的立地特征及表層土壤化學(xué)性質(zhì)T able2Site feature and soil chemical properties of surface layer(030cmin the sampling stands樣地號Plot No1海拔高Altitude(m坡度Slope(°坡向Aspect微地形Topographicposition母巖Parentrock土層厚度Thickness(

17、cm樣地號Plot No1p H(H2O有機(jī)碳Organic C(%全氮Total N(%有效磷Available P(mgkg-1交換性養(yǎng)分(cm ol(+kg-1Exchangeable cationsK Ca Mg Na010cm土層/010cm soil layerP111523N45W下部2直線斜坡砂巖>100P14197a7126a0151a1715a0137a4137a1168a0163 P221037N60W上部2凸型斜坡砂巖76P25111b5107b0133b1213b0122b3156b1123b01541030cm土層/1030cm soil layerP1511

18、63126a0128a1015a01172115a0166a0143P251212107b0116b6134b01121109b0135b0139 t檢驗t2test,N=5;同一列中平均值后不同字母表示在P=0105時,差異顯著.Means with different letters in the same column denote significant difference at P= 0105.表3不同調(diào)查林分的年凋落物量及其組成T able3Annu al litterfall m ass(Mghm-2by tissue types in the sampling stands樣

19、地號Plot No1調(diào)查期間Period針葉Needles其他落葉Other leaves枝+皮Branches+Bark球果Cones花+種子Flower+Seeds雜物Miscellaneous總量TotalP1199619975129110211260150010901798195 199719985108019411020129010401658102199819994156016201450175011101687117年平均Annual mean4198018601910151010801718105P2199619974179014311210151010501767175 19

20、9719984136012501410128010301605193199819994107013501370142010701675195年平均Annual mean4141013401660141010501686154年平均值比較結(jié)果333ns ns3ns3 Result of comparison between annual meanst檢驗t2test;3P<0105;33P<0101;ns:沒有顯著差異Non2significance.2211應(yīng)用生態(tài)學(xué)報15卷成分占814%1013%.各組分占總凋落物總量的比例表現(xiàn)為:葉>枝>雜物>花果.312凋落

21、物的季節(jié)動態(tài)琉球松人工林生態(tài)系統(tǒng)凋落物的季節(jié)動態(tài)明顯,其變化節(jié)律受控于臺風(fēng)干擾的影響(圖1, 月凋圖1琉球松林凋落物量的季節(jié)變化動態(tài)Fig.1Seasonal variations of litterfall in Pi nus l uchuensis plantations.落量高峰值出現(xiàn)與臺風(fēng)襲擊相一致.1996年8月,由于強(qiáng)臺風(fēng)的干擾,兩林分P1和P2的凋落量分別高達(dá)3154和3123Mg hm -2,分別占年凋落物總量的3916%和4117%.可見,凋落物量及其季節(jié)動態(tài)受臺風(fēng)干擾的強(qiáng)烈影響.然而,在沒有臺風(fēng)干擾的情況下,琉球松人工林的凋落量高峰值出現(xiàn)在6、7月份.313凋落物的養(yǎng)分濃度

22、在凋落物的養(yǎng)分含量上,凋落物的不同組分間有明顯差異(表4.雜物的N 、P 含量最高,其依次為闊葉>針葉>花和種子>枝和皮>球果;至于其它養(yǎng)分元素,則闊葉落葉中含量最高,在枝、皮及球果等木質(zhì)組分中的含量相對較低.此外,兩樣地間在凋落物的養(yǎng)分含量上亦有明顯差異(表4.除枝、皮及球果等木質(zhì)組分外,凋落物的其它組分的養(yǎng)分含量特別是N 、P 和K 的含量,樣地P1顯著高于樣地P2.但凋落物各組分的養(yǎng)分平均含量,除了K 和Na ,其它養(yǎng)分元素含量樣地間差異顯著(t 檢驗,P <0105;表4.表4不同調(diào)查林分的凋落物主要養(yǎng)分元素濃度(平均值,括號內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)差T able 4Nu

23、trient concentrations in litterfall in sampling stands (mean ,SE in the p arentheses(mg g -1樣地號Plot No 1組份ComponentsN P K Ca Mg Na P1針葉/Needles7153(11330116(01072112(01575149(11461178(01650171(013其他落葉/Other leaves 11127(21450128(01113173(11367172(11392125(01321131(0148枝+皮/Branches +bark 5104(0179011

24、9(01071113(01296116(11311147(01380152(0127球果/Cones4113(01410113(01041102(01336139(11071152(01460141(0126花+種子/Flowers +seeds 9148(21210121(01092137(01384153(01811167(01570162(0123雜物/Miscellaneous 13178(21590135(01152106(01496137(11261184(01540153(0122P2針葉/Needles6162(01860114(01051179(01615111(112611

25、51(01340167(0129其他落葉/Other leaves 10147(11990125(01103137(11196195(11122108(01371128(0146枝+皮/Branches +bark 4188(01690118(01051109(01315199(11171137(01350153(0129球果/Cones4109(01370111(01041112(01316109(01971132(01410143(0128花+種子/Flowers +seeds 8198(21010118(01062127(01304113(01621171(01530156(0121雜物

26、/Miscellaneous11189(21170129(01102111(01375179(11031163(01470149(0118年平均值A(chǔ)nnual meanP18154(31700122(01082107(01986111(11061176(01280168(0132P27182(31130119(01071196(01855168(01961160(01960166(0131比較結(jié)果/Result of comparison 333ns 3333nst 檢驗t 2test ;3P <0105;33P <0101;333P <01005;ns :沒有顯著差異Non

27、 2significance.314凋落物的養(yǎng)分年歸還量凋落物中的養(yǎng)分歸還于林地,是土壤肥力的重要來源,也是地力維持的重要方面.琉球松人工林的養(yǎng)分年歸還量為1131415416kg hm -2年-1,其中N 素歸還量最大,占養(yǎng)分歸還總量的4212%(表5.各養(yǎng)分元素歸還量的大小順序為:N >Ca >K >Mg >Na >P.不同樣地由于立地條件的差異,養(yǎng)分歸還量亦存在差異.樣地P1年養(yǎng)分歸還量達(dá)15416kg hm -2,高于樣地P2的3613%(表5,差異顯著(t 檢驗;P =01008.表5不同調(diào)查林分的凋落物養(yǎng)分貯量T able 5Nutrient accu

28、mulation in litterfall annu ally in sampling stands(kg hm -2yr -1樣地號Plot No 1調(diào)查期間Period N P K Ca Mg Na P1199619977514811981919852173161937156199719986615211661719648136141766197199819995611111271413143185121255119年平均Annual mean 6610411631714248131141656157P2199619975512711381414641174131585162199719

29、984517211091215432138111083184199819994018601831014934196101563175年平均Annual mean4712811101215036136111744140年平均值的比較結(jié)果33333333333Result of comparison between annual meanst 檢驗t 2test ;3P <0105;33P <0101;333P <01005.32117期王勤等:不同坡位對琉球松人工林凋落物及其養(yǎng)分歸還量的影響4討論本研究中所調(diào)查的兩塊樣地雖然林齡相同,但立地條件的差異較大,特別是表層土壤的養(yǎng)分狀

30、況差異顯著(表2,從而導(dǎo)致兩林分在生長量、生產(chǎn)力上存在一定差異(表1,進(jìn)而造成兩林分在凋落物產(chǎn)量及其養(yǎng)分年歸還量上存在明顯差異(表3和表5.樣地P1的年凋落物量3年平均值為8105Mghm-2年-1,其養(yǎng)分年歸還量平均為15416kghm-2年-1,分別高于樣地P2的2311%和3613%. Katagiri等9研究指出,由于坡位的不同,同齡日本柳杉人工林的凋落物產(chǎn)量及其養(yǎng)分歸還量差異顯著.由此可見,立地條件特別是土壤條件對森林凋落物產(chǎn)量及其相應(yīng)的養(yǎng)分歸還量有著顯著的影響.此外,琉球松成林年均凋落物量為61548105Mghm-2年-1,凋落物養(yǎng)分歸還量則為1131415416 kghm-2年

31、-1.這一結(jié)果均高于我國亞熱帶松林(包括馬尾松、思茅松和云南松等的年凋落物產(chǎn)量及其相應(yīng)的養(yǎng)分年歸還量2,12,16.調(diào)查結(jié)果表明,琉球松人工林的凋落物產(chǎn)量年際差異較大,且具有明顯的季節(jié)性變化特點.這些結(jié)果與馬尾松16,25、日本扁柏20和白松6等的研究結(jié)果相一致.Xu等26對沖繩島北部的常綠闊葉林凋落物量的觀測結(jié)果表明,年凋落物量最大值與最小值的比達(dá)到213.可見,森林凋落物量的年間變化較大,凋落物量的準(zhǔn)確估算需要長期的定位觀測.在日本沖繩地區(qū),臺風(fēng)是影響森林生長發(fā)育的最頻繁、最重要的自然干擾因子,特別是瞬間最大風(fēng)速達(dá)50 ms-1以上的強(qiáng)臺風(fēng),會造成大量的枝葉包括活枝和綠葉脫落.本研究亦得出

32、,琉球松人工林的月凋落物量的高峰值與臺風(fēng)襲擊相一致.可見,臺風(fēng)是影響林分年凋落物產(chǎn)量及其季節(jié)動態(tài)和分布的主導(dǎo)因子之一13.琉球松人工林凋落物的季節(jié)動態(tài)變化明顯,通常情況下,其針葉的凋落高峰出現(xiàn)在67月份,這與我國南方馬尾松林的觀測結(jié)果較一致16.但是,這種季節(jié)變化規(guī)律不同于其它一些松林,如濕地松、火炬松、長葉松林等6,7,18,其落葉高峰期出現(xiàn)在10 11月份.這種季節(jié)性差異主要受控于氣候條件和樹種的生物學(xué)特性21.Vitousek22將養(yǎng)分利用效率(NU E定義為凋落物量與其相應(yīng)的養(yǎng)分歸還量的比值.從此,養(yǎng)分利用效率被廣泛用作預(yù)估林分營養(yǎng)經(jīng)濟(jì)利用水平的一個重要指標(biāo)1,14,22,23.根據(jù)本

33、項研究結(jié)果,兩樣地P1和P2的平均養(yǎng)分利用效率分別為:N122,P 4934,K462,Ca167,Mg549,Na1225;N138,P 5945,K523,Ca180,Mg557,Na1486.在調(diào)查期間,由于強(qiáng)臺風(fēng)的干擾,造成相當(dāng)數(shù)量的綠葉和活枝脫落,而這些凋落物中的養(yǎng)分含量通常比正常凋落物要高得多,特別是N、P和K的含量13.此外,由于臺風(fēng)的影響還會增加某些養(yǎng)分元素特別是Na和Mg的輸入(主要由海洋輸入5,11.如果除去因臺風(fēng)干擾影響而增加的養(yǎng)分輸入量,琉球松林凋落物的養(yǎng)分利用效率實際上比上述的計算結(jié)果還要高得多.由此可見,調(diào)查林分是一種高效的養(yǎng)分利用系統(tǒng)23,同時可以推斷,P的有效性

34、可能成為琉球松林生產(chǎn)力的重要限制因子之一.參考文獻(xiàn)1Berendse F,Aerts R.1987.Nitrogen use efficiency:A biologically meaningful definition?Funct Ecol,1:2932962Deng C2Z(鄧純章,Li S2C(李壽昌,Hou J2P(侯建萍.1993.Researches on litterfall distributed in seven forests at varied alti2 tudes on Ailao Mountain,Yunnan.Acta Phytoecol Geobot Si n(

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