全 文 ：杉木根桩分解过程及几种主要营养元素的变化 3
黄志群 3 3 　廖利平　高　洪　汪思龙　于小军　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
【摘要】　基于以空间代替时间的原则 ,初步研究了杉木树桩在分解过程中边桩和心桩密度的变化及根桩分解
过程中几种养分元素的释放过程. 结果表明 ,边桩每年密度损失率 k 为 2. 767 ×10 - 2 ,而心桩为 2. 255 ×10 - 2 ;
不同采伐年代的根系和边桩中 N、P 含量随分解年限的增加而下降 ,而心桩中 N、P 含量随分解年限的增加而出
现先增加后下降的的趋势 ,根桩中 K浓度在分解过程中的前两年有较大幅度的下降 ,根桩中有机质含量在其分
解过程中都是单调降低的 ,对根系和树桩中养分元素含量进行比较发现 ,在分解初期 ,根系中 N、P、K含量都高
于边桩和心桩 ,而有机质含量边桩和心桩高于根系.
关键词 　根桩 　密度 　损失率 　分解
Decomposition process of Chinese f ir stump roots and changes of nutrient concentration. HUAN G Zhiqun , L IAO
liping , GAO Hong , WAN G Silong and YU Xiaojun ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences ,
S henyang 110015) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (1) :40～42.
With space as a substitute for time ,the changes of the density of stump sapwoods and heartwoods ,and the releasing
process of major nutrients during the decomposition of Chinese fir stump roots were investigated. The yearly loss rate of
the densities of sapwoods and heartwoods was 2. 767 ×10 - 2 and 2. 255 ×10 - 2 respectively during decomposition. The
contents of N and P in sapwoods and roots decreased continually , while those in heartwoods increased during the first
stage of decomposition ,and then decreased. The K concentration in stump roots decreased remarkably during first two
years , and the content of organic substances decreased during the whole decomposition process. The N ,P and K con2
centrations in roots were higher than those in stump sapwoods and heartwoods at the beginning of decomposition ,but
bet content of organic substance was opposite.
Key words 　Stump roots , Density , Loss rate , Decomposition.
　　3 国家自然科学基金资助项目 (39700115) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 06 - 10 收稿 ,1999 - 07 - 23 接受.
1 　引 　　言
森林生态系统中有机物质的分解是近几年来森林
生态学研究的热点之一 ,但目前对森林生态系统中有
机物分解的研究多集中在枯枝落叶和细根分解的研
究[6 ,8 ,13 ] ,而对树桩和整个根系分解过程的研究还十
分鲜见 ,特别对于我国南方最主要的人工林树种杉木
根桩分解的研究还是空白. 相对于枯枝落叶而言 ,根桩
分解和养分释放比较缓慢 ,这和迅速分解的物质比较 ,
可以提供一个稳定的供肥作用.
根桩系指树桩和根系两个部分 ,目前杉木人工林
采伐的传统作业方式都是将根桩保留在林地上. 根桩
的生物量占树木总生物量的很大一部分比例 ,杉木人
工林根桩生物量一般占总生物量的 10～25 %. N、P、
K、Ca、Mg 贮量为总量的 16 %左右[2 ] ,足见其重要性.
这些养分元素将伴随着更新林木的生长而分解、释放 ,
但其在养分循环中的作用在以往的研究中几乎被忽
视. Newell 等[10 ]也只注重树桩的分解而忽视了地下部
分 ,希尔等[5 ]对长白山地区落叶松和红松树桩的分解
和养分动态进行了较详细的研究 ,但缺陷同样是忽视
了地下部分 ,因此森林中采伐剩余根桩分解过程和养
分动态的研究对完整理解森林生态系统的生物地球化
学循环过程和土壤有机质的形成是不可缺少的. 本文
将主要报道杉木人工林采伐剩余根桩分解和几种主要
养分元素的变化过程.
2 　自然概况和研究方法
2. 1 　自然概况
本研究在中国科学院会同森林生态实验站 (约 110°8′E ,
27°9′N)进行 ,该地海拔 200～500m 左右 ,为低山丘陵地貌类
型 ,气候属亚热带湿润气候 ,平均温度 16. 5 ℃,年降雨量约
1200 mm ,年平均相对湿度 80 %以上. 土壤为红壤 ,原始常绿阔
叶林被破坏贻尽 ,取而代之的是马尾松和杉木人工林. 本研究
对象为杉木纯林中 0～14 年的采伐剩余根桩.
2. 2 　研究方法
2. 2. 1 取样 　基于以空间代替时间的原则 ,根据采伐年代记录
档案 ,分别选取 1984、1986、1987、1991、1993、1996 年采伐后次
年所营造的林分及 1998 年刚间伐后的林分 ,在选取林分时尽
量使其所处的坡向和坡位大致相同. 然后在各林分中顺等高线
走“S”形等距离采取根桩样品 ,每个年代分别根、边桩和心桩
(靠近髓心 ,颜色较深的部分) 采取 6 个样品 ,1984～1998 年共
应 用 生 态 学 报 　2000 年 2 月 　第 11 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2000 ,11 (1)∶40～42
126 个样品.
2. 2. 2 杉木边桩和心桩密度的计算 　样品体积由水置换法测
定 ,再测定样品含水率 ,最后得出样品密度 (干重/ 体积) [5 ] .
2. 2. 3 杉木根、边桩和心桩的化学分析 　样品取回实验室后 ,
清除泥土等杂物后 ,在 70 ℃下烘干、粉碎 ,过 1mm 筛 ,备用. 全
N、全 P、全 K、有机质的测定按国家标准 GB 7888287 进行[4 ] .
3 　结果与分析
3. 1 　杉木树桩密度变化
基于 Olson (1963) 的分解模型[11 ] ,采用下式计算
树桩的分解速率 :
K = (L n ( Yo) - L n ( Y t) ) / t
K 为分解速率 , t 为树桩保留在林地上的时间 ,
Yo 为当年采伐树桩的密度 , Yt 为 t 时的树桩密度.
　　从上式得到边桩在 1984～1998 年共 14 年的分解
过程中 k 值为 2. 767 ×10 - 2 ,而心桩 k 值为 2. 255 ×
10 - 2 ,这就意味着在前 14 年中 ,边桩的分解速率比心
桩来得快 (图 1) . 有机质分解实质上是生物分解过程.
其中主要是微生物的作用 ,当然分解初期某些土壤动
物也起一定作用 ,尤其是在切割、粉碎有机质方面起着
重要作用[12 ] . 因此在考虑影响分解的因素时 ,最终必
然归结到微生物生长与发育的影响因子 ,这些影响因
子包括有机质本身的质地和外界理化环境. 有机质本
身的质地包括化学属性 (C、能源、养分和调节因子) 和
物理属性 (表面性质、硬度、大小等) 两个主要方面 ,理
化环境包括温度、湿度、p H、淋洗及其它因子等. 因此 ,
杉木树桩中边桩和心桩分解速率的差异与它们本身的
化学性质、物理结构及所处的外界环境有关. 边桩中有
利于植物分解的养分元素 N、P、K和有机质的含量都
高于心桩 ,而不利于植物分解的多酚类物质含量又低
于心桩[1 ] ,这可能是边桩分解速度要快于心桩的重要
原因[3 ,7 ] . 另外 ,边桩受到雨水淋洗比心桩更强烈 ,这
也是边桩分解速度要快于心桩的原因之一.
图 1 　树桩分解过程中密度的变化
Fig. 1 Change of density of Chinese fir stakes during their decomposition.
Ⅰ. 心桩 Heartwood of stumps , Ⅱ. 边桩 Sapwood of stumps.
3. 2 　根桩分解过程中养分元素动态
3. 2. 1 N、P、K在分解过程中的变化 　在分解过程中 ,
杉木根桩中各种营养元素的含量都发生了很大的变
化. 由于各种元素在根桩中的含量及存在形式不同 ,另
外根系、边桩和心桩中不同部分的分解速率和养分含
量及所处的微环境差异也较大 ,因此各种养分元素的
分解释放过程亦不同. 从表 1 可以看出 ,分解初期 ,根
系中 N 含量最高 ,其次是边桩 ,心桩中 N 含量最低 ,仅
0. 37g·kg - 1 . 根系和边桩中 N 含量在分解的前几年迅
速下降 ,随分解程度的加深 ,N 含量下降幅度也趋缓.
而心桩中 N 含量随分解年限的增加而出现先增加后
下降的的趋势.
杉木根桩中 P 随分解年代增加而变化的趋势大
致与 N 的变化相似 ,但根系中 P 含量在分解的前两年
下降幅度很大 ,两年以后根系中 P 含量随分解年代增
加而下降的幅度趋缓 (表 1) . 在植物有机残体的分解
过程中 ,不同有机成分的分解速率并不相同[9 ] . 按组
成根桩的有机物质和它们在土壤中被微生物分解的情
况 ,可以概略地将其组成中的有机物质分为以下几类 :
有机酸、单糖、双糖及淀粉类有机质 ;半纤维素、果胶和
树脂类多糖 ;脂肪、腊、磷脂、甾醇类化合物 ;纤维素类
多糖 ;木质素及其衍生物 ;蛋白质类含氮有机物质 ;生
物碱和有机碱. 蛋白质类含氮有机物质和脂肪、腊、磷
脂、甾醇类含磷有机化合物虽然在根桩中含量很少 ,但
其分解速度相当快 ,明显快于组成根桩的主要有机物
质半纤维素、果胶、纤维素和木质素[9 ] . 这部分含 N、P
高的物质的迅速分解可能是造成整个根桩中 N、P 含
量迅速下降的原因之一. 另外 ,对于根系而言 ,其细根
(直径 < 2mm)中的 N、P 含量比粗根高 ,而细根的分解
速度远比粗根快 ,因此在细根分解后 ,对根系的取样只
剩较难分解的粗根. 这可能是造成整个根系中 N、P 含
量下降的重要原因.
根系中 N 含量的损失速率大于边桩 ,这可能与两
者的物理环境有关 ,杉木根系和树桩分解速度和无脊
椎动物和真菌的繁殖 ,强烈地受树桩和根系温度和水
分的影响. 另外 ,对杉木根桩周围微生物区系调查发
现 ,根际土壤中各种微生物数量明显高于树桩中微生
物数量.
杉木心桩中 N 和 P 含量随心桩分解年限的增加
而增大的现象表明 ,在杉木树桩的分解过程中 ,由于边
桩和心桩 N、P 的初始浓度不同 ,通过雨水淋溶或真菌
的作用 ,N 和 P 会出现从边桩转移到心桩的现象[5 ] .
湖南省会同县杉木树桩中 K 浓度在分解过程中
的前两年有较大幅度的下降 . 这应该是 K素溶解度
141 期 　　　　　　　　　　　　　黄志群等 :杉木根桩分解过程及几种主要营养元素的变化 　　　　　　　　　
表 1 　根桩中 N、P、K含量变化( g·kg - 1)
Table 1 Change of N, P and K contents in Chinese f ir stump and roots
1998 年
N P K
1996 年
N P K
1993 年
N P K
A 3. 71 ±0. 50 0. 240 ±0. 025 1. 29 ±0. 17 2. 01 ±0. 37 0. 085 ±0. 019 0. 57 ±0. 04 1. 71 ±0. 56 0. 084 ±0. 010 0. 58 ±0. 06
B 1. 52 ±0. 33 0. 157 ±0. 021 0. 93 ±0. 20 1. 09 ±0. 11 0. 137 ±0. 026 0. 48 ±0. 06 0. 87 ±0. 15 0. 129 ±0. 017 0. 44 ±0. 11
C 0. 37 ±0. 12 0. 032 ±0. 006 0. 69 ±0. 05 0. 53 ±0. 05 0. 036 ±0. 010 0. 21 ±0. 05 0. 54 ±0. 08 0. 045 ±0. 010 0. 28 ±0. 02
1991 年
N P K
1987 年
N P K
1986 年
N P K
1984 年
N P K
A 1.32±0.31 0.084±0.020 0.71±0.22 1.01±0.22 0.078±0.005 0.69±0.21 0.99±0.21 0.076±0.012 0.90±0.08 0.94±0.2 0.074±0.005 0.69±0.13
B 0.42±0.06 0.099±0.021 0.48±0.10 0.30±0.08 0.095±0.010 0.25±0.05 0.28±0.01 0.089±0.020 0.37±0.03 0.23±0.03 0.076±0.009 0.28±0.04
C 0.65±0.11 0.075±0.010 0.35±0.09 0.63±0.13 0.058±0.003 0.25±0.09 0.52±0.10 0.053±0.009 0.23±0.08 0.46±0.06 0.050±0.011 0.27±0.08
注 :A. 根系 Root ,B. 边桩 Sapwood of stumps ,C. 心桩 Heartwood of stumps. 置信度为 95 % ,n = 6. Fiducial degree is 95 % ,n = 6. 下同 The same below.
表 2 　根桩中有机质、C/ N在分解过程中的变化
Table 2 Change of organic matter content and C/ N in stump and roots during decomposition
1998 年
有机质 O. M (g·kg - 1) C/ N
1991 年
有机质 O. M (g·kg - 1) C/ N
1984 年
有机质 O. M (g·kg - 1) C/ N
A 495. 1 ±58. 3 133. 4 453. 4 ±38. 6 342. 7 427. 9 ±37. 4 454. 2
B 563. 8 ±29. 4 370. 4 512. 3 ±42. 3 1219. 0 459. 8 ±24. 9 1995. 7
C 557. 0 ±61. 0 1505. 3 490. 1 ±33. 1 753. 8 443. 4 ±57. 1 963. 0
大 ,降水等的淋溶作用的结果 ,但两年后 K 浓度没有
明显规律性变化. 根系中 K元素在分解最初两年也有
一个迅速释放过程 ,其原因之一可能与 K含量高的细
根迅速分解而无法取样有关 (表 1) .
3. 2. 2 杉木根桩有机质、C/ N 在分解过程中的变化 　
从表 2 可看出 ,杉木根桩中有机质含量在其分解过程
中是单调降低的 ,根系中有机质含量刚采伐 (1998 年)
时为 495. 1g·kg - 1 ,经过 14 年的分解 ,1984 年根系中
有机质含量降低为 427. 9g·kg - 1 . 树桩中有机质含量
也有类似的变化趋势. 另外 ,从表 2 也可看出 ,树桩中
有机质含量比根部高. 就C/ N而言 ,杉木根部和边桩中
C/ N 在其分解过程中不断增大 ,而心桩中 C/ N 在其分
解过程中出现先下降后增加的趋势 ,这与心桩中 N 含
量变化趋势有关.
4 　结 　　语
杉木是亚热带地区的地带性树种 ,其根桩分解过
程反映了该地区的亚热带气候特征 ,和其它气候带的
树种根桩分解过程相比 ,无论是密度变化还是养分释
放过程都相差较大. 如长白山落叶松树桩的分解速度
大约为每年 1 % ,而杉木远高于长白山的落叶松 ,大约
为每年 2. 5 %. 当然 ,由于在取样过程存在一些可能的
误差 (样品主要为分解较慢的部分 ,因为分解最快的部
分已经粉碎不能取样 ,尤其是老桩) ,本研究的结论和
根桩现实的分解过程还存在一定偏差 ,但基本上能反
映杉木根桩分解过程中密度和养分元素的变化趋势 ,
为杉木人工林生态系统的养分循环的研究提供依据.
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作者简介 　黄志群 ,男 ,26 岁 ,研究实习员 ,硕士 ,主要从事森林
生态学研究 ,发表论文 3 篇.
24 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷