千烟洲试区人工林营养元素生物积累的研究

千烟洲试区人工林营养元素生物积累的研究^*

陈永瑞

（中国科学院自然资源综合考察委员会北京 100101）

提　要　对千烟洲试验区人工林的植物和土壤中 15 种营养元素的含量、分布和生物积累特征进行了研究。结果表明，两块人工林土壤中缺乏 N、P、Ca 3 种元素，微量营养元素未发现亏缺现象。草本层的养分含量高于乔木层的养分含量。两块人工林的生物吸收系数均以 P、Ca、N 的吸收系数最大，Ti 元素的生物吸收系数最低，其余的养分元素均属弱积累中等摄取的营养元素。

关键词　人工林营养元素生物积累

分　类　中图法 Q946.91 S153.6

　　本研究以中国科学院千烟洲试验区的湿地松人工林和马尾松人工林为对象，对两块人工林的矿质营养元素的含量、分布和生物积累进行了研究。这一研究的结果将为红壤丘陵地区人工林的持续发展提供一些科学理论依据。

1 试验区概况

　　调查样地设在江西省泰和县中国科学院千烟洲试验站内，为红壤丘陵地貌，属中亚热带湿润气候地带，年平均温度为 18.6℃，年平均无霜期 290 天，多年平均降雨量为 1460mm, 年平均降雨日为 158 天，雨量十分充沛，但季节分配不太均匀。林分全是 1985 年营造的纯林。湿地松林样地海拔为 75m，坡向为东南，坡度为 10°，坡位中部，土层一般都在 100cm 以上，造林前为荒山草坡，林木平均高为 10.1m，平均胸径 15.6cm，立木密度为 1736 株/hm²。马尾松林样地海拔为 60m，坡向为西北，坡度为 15°，坡位中下部，母岩为红色砂砾岩，土层一般都在 100cm 左右，造林前为荒山草坡，立木平均高为 8.0m，平均胸径 11.5cm，立木密度为
2187 株/hm²。两块林地的土壤均为红色砂砾岩上风化物发育而成的红壤。

　　林地上层为湿地松 (Piuns ellioteii) 纯林，由于林分基本郁闭，林下的植被很少，基本上是一些发育不良的植物，如山芝麻 (Holicterss angulifolia)、算盘子 (Glochidion puberun)、刺芒野古草 (Arundine selosa)、细毛鸭嘴草 (Lschaemum indicum) 等。亦有少量的美丽胡枝子 (Lespedeza formosa)、映山红 (Hododen dronsinsii) 等小灌木在林间空地上零星分布。

　　马尾松人工林的标准地选在坡地的中下部，坡向为西北向，坡度 10°以下，海拔高度为 60m。样地上的乔木以马尾松 (Pinus massoniana) 为主，亦有少量的木荷 (Schima superba) 零星分布。林下植被主要有金茅 (Eulalia specicsa)、刺芒野古草。亦有少量的美丽胡枝子、映山红等小灌木在林间空地零星分布。

2 研究方法

　　在湿地松人工林和马尾松人工林地上，运用机械抽样方法各设置 10 块
10m×10m、且相互毗邻的小样方，而 10 块小样方又构成一个完整的 1000m² 的标准样地，尔后对样地进行全面调查和采样。

2.1 样品的采集方法

　　根据对样地的调查结果，计算出两块样地的平均样木，然后分别在湿地松林和马尾松林样地上伐倒标准样木各 3 株，再从伐倒样木的不同部位中的树干、树枝、树叶等器官上采集乔木样品；草本样品是在每块样地设置若干块 1m×1m 小样方采混合样；土壤样品的采样方法是在各样方的左下方挖 60cm×60cm×50cm 土坑各 3 个，尔后分层（每层 10cm）分别采样。

2.2 样品的分析方法

　　植物样品的测定方法是：首先将采集回来的植物样品自然风干后磨成粉，然后分别用 HNO₃ 加 HCLO₄ 消化后，再用 HCL 定溶，用 ICP－AES（即等离体发射光谱法）测定 N、P、K、Ca、Mg、Fe、Na、Zn、Mn、Cr、Ti、Cu、Pb、Ba、Sr 等 15 种营养元素。

　　土壤样品的测定方法是：将样品自然风干后，挑除石块和残落物磨碎过筛，用 HF 加 HCO₄ 再加 HNO₃ 进行消化，再用 5% 的 HNO₃ 定溶，然后用 ICP－AES 测定上述元素。植物和土壤样品中的 N 元素测定方法都是用 H₂SO₄ 消化后用凯氏半微量定 N 仪测定。

3 结果与讨论

3.1 湿地松林

　　现将千烟洲试验区湿地松人工林样地上采集的植物、土壤样品中的营养元素含量列于表 1。

表 1　湿地松人工林的植物和土壤中的养分元素含量
Table1 Nutrient element concentration in both plants and soils of artificialsl ashpine forest

	常量元素 (g／kg)						微量元素 (mg／kg)
	N	P	K	Ca	Mg	Fe	Na	Zn	Mn	Cr	Ti	Cu	Pb	Ba	Sr
乔木	7.66	0.92	2.01	2.83	0.76	0.41	17.7	17.3	246	2.11	2.03	5.24	1.03	12.9	3.53
草本	12.4	0.97	4.80	2.33	1.13	2.19	34.9	49.1	199	2.67	25.5	19.7	5.06	24.2	5.13
土壤	5.40	0.18	22.5	2.31	10.4	42.7	87.4	77.4	413	95.2	4851	27.7	37.8	1230	61.3

　　从表 1 中可以看出，土壤中缺乏 N、P、Ca 3 种元素，特别是 N 元素亏缺严重。说明了植物对上述 3 种元素需求量较大。而 Ti、Ba 两种微量元素含量较高，说明了植物对这两种元素的需求量很少。

　　土壤是营养元素的贮存库，所以营养元素种类很多，但这些元素不一定是植物所需要的，即使是植物必须的，也不一定全部被植物吸收利用，能够被植物吸收利用的元素叫有效元素，即通过植物选择性吸收，一般用生物吸收系数 (Ax) 表示。本文用两块人工林林地上的乔木层和草本层的营养元素含量与林下土壤中同层次营养元素含量之比来表示（表 2）。

表 2　湿地松人工林生物吸收系数序列
Table2 An arder of biological absorptioncoefficients of artificial slash pine forest

生物吸收系数序列 (Ax)
层次	n×10⁰	n×10^-1	n×10^-2	n×10^-3
乔木	P、N、Ca	Mn、Zn、Na、Cu	K、Mg、Sr、Pb、Cr、Fe、Ba	Ti
草本	P、N、Ca	Cu、Zn、Mn、Na、K、Pb、Mg	Sr、Fe、Cr、Ba	Ti

　　从表 2 中可以看出，乔木层中的 P、N、Ca 元素的吸收系数最大，分别达到了 1.61、1.42 和 1.23，其次是 Mn、Zn、Na、Cu 和 K、Mg、Sr、Pb、Cr、Fe、Ba 等 13 种元素，吸收系数分别为 0.59、0.22、0.20、0.19 和 0.09、0.07、0.06、0.03、0.02、0.01、0.01，Ti 元素的吸收系数少，只有 0.004。草本层中的生物吸收系数最大的也是 P、N、Ca 3 种元素，吸收系数达到了 5.39、2.30、1.01，其它的营养元素也与乔木层基本相同，但次序排列发生了变化，即 Cu、Zn、Mn、Na、K、Pb、Mg、Sr、Cr、Ba，生物吸收系数在 0.71～0.02 之间，属于弱积累和中等摄取养分元素，Ti 元素的生物吸收最少，仅得 0.005。微量元素在千烟洲试区湿地松人工林中未发现亏缺现象。

　　养分元素的生物积累和淋溶程度在土壤中可以明显反映出来（图 1）。从图 1 中可以看出，千烟洲试验区的湿地松人工林土壤剖面的常量元素从上到下分布都较均匀，只有 N 元素略有下降，Fe 元素则有逐渐增加的趋势。微量元素在土壤剖面中，除了 Cu 元素略有下降外，其余的元素基本上是随着土层加深逐渐增加，特别是 Na 元素和 Cr 元素增加的幅度较大。

图 1 湿地松人工林土壤剖面营养元素分布特征
Fig.1 Distributional characteristics of nutrient elements in soil section of artificial slash pine forest

3.2 马尾松林

　　现将马尾松人工林标准样地上植物和土壤样品中的营养元素含量列于表 3。从表 3 中可以看出，草本层中除了 Ca、Sr 和 P 元素之外，其余的均高于乔木层的养分含量。土壤中的 N、P、Ca、Na、Mn5 种元素养分含量较低，说明了在马尾松人工林土壤中缺这 5 种养分元素，个别元素亏缺严重。

表 3　马尾松人工林的植物和土壤中的养分元素含量
Table3 Nutrient element concentration in both plants and soils of artificialsl masson pine forest

	常量元素 (g／kg)						微量元素 (mg／kg)
	N	P	K	Ca	Mg	Fe	Na	Zn	Mn	Cr	Ti	Cu	Pb	Ba	Sr
乔木	10.12	0.43	2.49	3.78	0.79	0.19	22.59	22.56	644.7	2.06	2.82	7.04	1.73	24.9	11.7
草本	15.30	0.43	4.94	2.65	1.54	4.04	57.76	57.00	665.3	5.58	63.9	19.8	12.1	37.6	8.79
土壤	7.36	0.20	21.7	0.56	9.90	53.1	32.96	81.80	241.8	98.0	5571	36.9	44.3	1256	52.4

　　从图 2 中可以看到，马尾松人工林土壤剖面中的养分元素的分布趋势与湿地松人工林土壤剖面的分布趋势基本相同。说明了这两块林地的土壤都有相似的成土条件和成土过程。

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图 2 养分元素在马尾松人工林土壤剖面中的分布状况
Fig.2 Distribution of nutrient elements in soil section of artificial masson pine forest

　　森林植被与土壤之间养分物质的含量有着密切的关系，因为植物中的营养很大程度上取决于土壤成分，主要是通过植物选择性吸收，现将马尾松人工林生物吸收系数序列列于表 4。

表 4　马尾松人工林生物吸收系数序列
Table4 An arder of biological absorption coefficients of artificial masson pine forest

生物吸收系数序列 (Ax)
层次	n×10⁰	n×10^-1	n×10^-2	n×10^-3
乔木	Ca、Mn、P、N	Na、Zn、Sr、Cu、K	Mg、Pb、Ba、Fe、Cr	Ti
草本	Ca、Mn、P、N、Na	Zn、Cu、K、Pb、Mg、Sr	Fe、Ce、Ba、Ti	-

　　从表 4 中可以清楚地看到，马尾松人工林的乔木层主要富集 Ca、Mn、P、N4 种养分元素，其生物吸收系数分别为 6.75、2.67、2.00 和 1.38。养分元素 Ti 的生物吸收系数最少，只有 0.005。草本层主要富集 Ca、Mn、P、N 和 Na，其生物吸收系数分别为 4.73、2.75、2.18、2.08 和 1.72，生物吸收系数最少的是 Fe、Cr、Ba 和 Ti4 种元素，分别只有 0.08、0.06、0.03 和 0.01。两个层次其余养分元素的生物吸收系数在 0.70～0.02 之间，属弱积累和中等摄取的养分元素。在马尾松人工林的微量元素中未发现亏缺现象。

3.3 两块林地养分比较

　　从湿地松和马尾松两块人工林同层次的养分元素含量相比较，总的来看有差别，但差别不是很大。现将两块人工林各层中的养分含量列于表 5。

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表 5　湿地松和马尾松人工林中 15 种元素在各层次的比较
Table5 Comparisons of 15 nutrient elements in artificial slash pine forest and masson pine forest

		常量元素 (g／kg)						微量元素 (mg／kg)
		N	P	K	Ca	Mg	Fe	Na	Zn	Mn	Cr	Ti	Cu	Pb	Ba	Sr
乔木层	湿地松	7.66	0.29	2.01	2.83	0.76	0.41	17.3	17.7	246	2.11	2.03	5.24	1.03	12.9	3.53
	马尾松	10.1	0.43	2.49	3.78	0.79	0.19	22.3	22.6	645	2.06	2.82	7.04	1.73	24.9	11.7
	差额	-2.44	-0.14	-0.48	-0.95	-0.03	0.22	-5.00	-4.90	-399	0.05	-0.79	-1.80	-0.70	-12.0	-8.17
草本层	湿地松	12.4	0.97	4.80	2.33	1.13	2.19	49.1	34.9	199	2.67	25.5	19.7	5.06	24.2	5.13
	马尾松	15.3	0.43	4.94	2.65	1.54	4.04	57.8	57.0	665	5.58	63.9	19.8	12.1	37.6	8.79
	差额	-2.9	0.54	-0.08	-0.32	-0.41	-1.85	-8.7	-22.1	-466	-2.91	-38.4	-0.1	-7.04	-13.4	-3.66
土壤层	湿地松	5.40	0.18	22.5	2.31	10.4	42.7	77.4	87.4	413	95.2	4851	27.7	37.8	1230	61.3
	马尾松	7.36	0.20	21.7	0.56	9.90	53.1	81.8	33.0	242	98.0	5571	36.9	44.3	1256	52.4
	差额	-1.96	-0.02	0.9	1.75	0.5	-10.4	-4.4	53.4	171	-2.8	-720	-9.2	-6.5	-14	8.9

4 结论

　　通过上述分析可知，江西省泰和县中国科学院千烟洲试验区内的湿地松人工林和马尾松人工林中，土壤和植物中的养分元素含量有以下几种特点：

　　(1) 两块人工林土壤中的常量元素中以 Fe、K、Mg 元素含量较高，N、P、Ca 3 种养分元素含量偏低。说明了两块林地亏缺 N、P、Ca 元素，特别是 N 元素亏缺严重。但微量元素未发现亏缺现象。

　　(2) 两块人工林中草本层的养分元素含量普遍高于乔木层的养分元素。我们认为是与大气降雨有关，因为降雨将林冠中养分淋溶到草本层中，增加草本层的养分含量。

　　(3) 两块人工林的生物吸收系数均以 P、Ca、N 3 种元素吸收系数最大，Ti 元素吸收系数最少，其余的养分元素均属于弱积累中等摄取的的营养元素。

　　(4) 两块人工林相比，湿地松林各层次大部分养分元素的含量低于马尾松林养分含量。

参考文献

1 陈永瑞．不同类型人工林土壤肥力变化的研究．自然资源，1995(2)

2 陈永瑞．千烟洲试验区湿地松人工林凋落叶及其营养元素动态分析．自然资源，1996(5)

3 李飞．人工湿地松林矿质营养循环的研究．林业科学，1996,32(4)

第一作者简介

陈永瑞　男，1951 年生，副研究员。1978 年毕业于北京林业学院林业系林业专业，同年到中国科学院综考会工作。先后参加过多次大型野外综合考察研究和国家科技攻关项目研究。主要从事森林生态、森林生物量、森林养分循环等方面的研究。已发表论文 20 多篇。

* “九五”国家科技攻关项目 (96－004－03－06) 专题。