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Characteristics of nutrient cycling in first and second rotations of Chinese fir plantations

连栽第1和第2代杉木人工林养分循环的比较



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 17 期摇 摇 2011 年 9 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
海洋生态资本理论框架下海洋生物资源的存量评估 任大川,陈摇 尚,夏摇 涛,等 (4805)………………………
内生真菌对羽茅生长及光合特性的影响 贾摇 彤,任安芝,王摇 帅,等 (4811)……………………………………
基于遥感图像处理技术胡杨叶气孔密度的估算及其生态意义 荐圣淇,赵传燕,赵摇 阳,等 (4818)……………
水文变异下的黄河流域生态流量 张摇 强,李剑锋,陈晓宏,等 (4826)……………………………………………
黄河三角洲重度退化滨海湿地盐地碱蓬的生态修复效果 管摇 博,于君宝,陆兆华,等 (4835)…………………
浙江省某 PCBs废物储存点对其邻近滩涂生态系统的毒性风险 何闪英, 陈昆柏 (4841)………………………
鄱阳湖苔草湿地甲烷释放特征 胡启武,朱丽丽,幸瑞新,等 (4851)………………………………………………
三峡库区银鱼生长特点及资源分析 邵晓阳,黎道峰,潭摇 路,等 (4858)…………………………………………
低温应激对吉富罗非鱼血清生化指标及肝脏 HSP70 基因表达的影响 刘摇 波,王美垚,谢摇 骏,等 (4866)…
Cd2+对角突臂尾轮虫和曲腿龟甲轮虫的急性毒性和生命表统计学参数的影响
许丹丹,席贻龙,马摇 杰,等 (4874)
…………………………………
……………………………………………………………………………
圈养梅花鹿 BDNF基因多态性与日常行为性状的关联分析 吕慎金,杨摇 燕,魏万红 (4881)…………………
华北平原玉米田生态系统光合作用特征及影响因素 同小娟,李摇 俊,刘摇 渡 (4889)…………………………
长期施肥对麦田大型土壤动物群落结构的影响 谷艳芳 ,张摇 莉,丁圣彦,等 (4900)…………………………
蚯蚓对湿地植物光合特性及净化污水能力的影响 徐德福,李映雪,王让会,等 (4907)…………………………
三种农药对红裸须摇蚊毒力和羧酸酯酶活性的影响 方国飞 (4914)……………………………………………
六星黑点豹蠹蛾成虫生殖行为特征与性趋向 刘金龙,宗世祥,张金桐,等 (4919)………………………………
除草剂胁迫对空心莲子草叶甲种群的影响及应对策略 刘雨芳,彭梅芳,王成超,等 (4928)……………………
荒漠植物准噶尔无叶豆结实、结籽格局及其生态适应意义 施摇 翔,王建成,张道远,等 (4935)………………
限水灌溉冬小麦冠层氮分布与转运特征及其对供氮的响应 蒿宝珍,姜丽娜,方保停,等 (4941)………………
准噶尔盆地梭梭、白梭梭植物构型特征 王丽娟,孙栋元,赵成义,等 (4952)……………………………………
基于地表温度鄄植被指数关系的地表温度降尺度方法研究 聂建亮,武建军,杨摇 曦,等 (4961)………………
岩溶区不同植被类型下的土壤氮同位素分异特征 汪智军,梁摇 轩,贺秋芳,等 (4970)………………………
施氮量对麻疯树幼苗生长及叶片光合特性的影响 尹摇 丽,胡庭兴, 刘永安, 等 (4977)………………………
黄土丘陵区燕沟流域典型植物叶片 C、N、P化学计量特征季节变化 王凯博,上官周平 (4985)………………
克隆整合提高淹水胁迫下狗牙根根部的活性氧清除能力 李兆佳, 喻摇 杰, 樊大勇, 等 (4992)………………
低覆盖度固沙林的乔木分布格局与防风效果 杨文斌,董慧龙,卢摇 琦,等 (5000)………………………………
东灵山林区不同森林植被水源涵养功能评价 莫摇 菲,李叙勇,贺淑霞,等 (5009)………………………………
11 种温带树种粗木质残体分解初期结构性成分和呼吸速率的变化 张利敏,王传宽,唐摇 艳 (5017)…………
连栽第 1 和第 2 代杉木人工林养分循环的比较 田大伦,沈摇 燕,康文星,等 (5025)……………………………
最优化设计连续的自然保护区 王宜成 (5033)……………………………………………………………………
基于自然地理特征的长江口水域分区 刘录三,郑丙辉,孟摇 伟,等 (5042)………………………………………
煤电一体化开发对锡林郭勒盟环境经济的影响 吴摇 迪,代方舟,严摇 岩,等 (5055)……………………………
专论与综述
生态条件的多样性变化对蜜蜂生存的影响 侯春生,张学锋 (5061)………………………………………………
研究简报
胶州湾潮间带大型底栖动物次级生产力的时空变化 张崇良,徐宾铎,任一平,等 (5071)………………………
湿地公园研究体系构建 王立龙,陆摇 林 (5081)……………………………………………………………………
基于生态足迹的半干旱草原区生态承载力与可持续发展研究———以内蒙古锡林郭勒盟为例
杨摇 艳,牛建明,张摇 庆,等 (5096)
…………………
……………………………………………………………………………
学术信息与动态
恢复与重建自然与文化的和谐———2011 生态恢复学会国际会议简介 彭少麟,陈蕾伊,侯玉平,等 (5105)…
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*302*zh*P* ¥ 70郾 00*1510*37*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄09
封面图说: 相当数量的降雪与低温严寒是冰川发育的主要因素,地球上的冰川除南北两极外,只有在高海拔的寒冷山地才能存
在。 喜马拉雅山造山运动使中国成为了世界上中低纬度冰川最为发育的国家,喜马拉雅山地区雪峰连绵、冰川四
溢,共有现代冰川 17000 多条,是世界冰川发育的中心之一。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 17 期
2011 年 9 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 17
Sep. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家重点野外台站资助项目(2000鄄076); 国家林业局重点科研资助项目(2001鄄07)
收稿日期:2010鄄07鄄31; 摇 摇 修订日期:2011鄄08鄄01
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: KWX1218@ 126. com
田大伦,沈燕,康文星,项文化,闫文德,邓湘雯.连栽第 1 和第 2 代杉木人工林养分循环的比较.生态学报,2011,31(17):5025鄄5032.
Tian D L,Shen Y, Kang W X, Xinag W H,Yan W D, Deng X W. Characteristics of nutrient cycling in first and second rotations of Chinese fir plantations.
Acta Ecologica Sinica,2011,31(17):5025鄄5032.
连栽第 1 和第 2 代杉木人工林养分循环的比较
田大伦1,2,3,沈摇 燕1,2,康文星1,2,3,*,项文化1,3,闫文德1,2,邓湘雯1,3
(1. 中南林业科技大学,长沙摇 410004;2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室,长沙摇 410004;
3. 国家野外科学观测研究站,会同摇 418307)
摘要:森林生态系统的养分循环是生态系统的重要功能过程之一,直接影响着森林的生产力,很大程度上影响和制约着林地的
肥力水平,而且人工林连栽地力衰退和生产力下降现象普遍存在,寻求杉木林连栽两代杉木人工林养分循环差异与连栽林分生
产力下降的关系,无疑具有重要的现实意义。 利用 30 多年连续定位的测定数据,分析了连栽第 1、2 代杉木人工林在物质生产
养分利用有效性、生物地球化学循环、地球化学循环的差异。 结果表明,杉木速生阶段,第 2 代林每生产 1 t 干物质需要的养分
比第 1 代林多 1. 58—3. 29 kg,干材生长阶段,第 2 代林每生产 1t所需养分比第 1 代林多 4. 23—5. 92kg;速生阶段生物地球化学
循环的养分利用系数第 2 代林比第 1 代林分下降 19. 7%—22. 8% ,养分循环系数下降 12. 8%—15. 6% ,干材生长阶段养分利用
系数比第 1 代林分下降 35. 3%—36. 2% ,养分循环系数下降 23. 2%—27. 0% ,养分周转利用的生物地球化学循环功能第 2 代林
比第 1 代林差;由干材生长进入成熟阶段的生长期内,伴随水文学过程的养分地球化学循环中,第 2 代杉木人工林生态系统的
养分积累的地球化学循环的能力下降,养分流失率是第 1 代林的 2 倍左右,养分的积累率还不到第 1 代林的 60% ,对森林地力
的维持和林木生长都是不利的。 从生态系统水平上定位研究,定量分析了杉木连栽两代人工林养分循环功能过程,研究成果为
我国南方人工林持续经营措施的制定提供了理论指导和科学依据。
关键词:杉木人工林;连栽;养分利用;生物地球化学循环;地球化学循环
Characteristics of nutrient cycling in first and second rotations of Chinese
fir plantations
TIAN Dalun1,2,3,SHEN Yan1,2, KANG Wenxing1,2,3,*, XINAG Wenhua1,3,YAN Wende1,2, DENG Xiangwen1,3
1 Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China
2 National Engineering Lab for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha, 410004, China
3 National Field Station for Scientific Observation & Experiment in Huitong Hunan, Huitong 418307, China
Abstract: Nutrient cycling is one of the most important functional processes in forest ecosystems. Nutrient contents and its
biogeochemistry cycle directly affect forest productivity and soil fertility. It has been widely reported that timber yield was
apparently declined and soil fertility was greatly degraded on the successive rotations of Chinese fir plantations. Therefore,
it is a significance to examine the relationships between the characteristics of nutrient cycling and the decline of site
productivity in the successive rotations of Chinese fir plantations. The pattern of nutrient biogeochemical cycle and nutrient
utilizations efficiency were investigated and compared in the first and second rotations of Chinese fir plantations using the
data collected from long term projects over past 30 years. The results showed that about 1. 58—3. 29kg and 4. 23—5. 92kg
more nutrients were required to produce every one tons dry matter in the fast鄄growing stage and timbering stage,
respectively, in the second rotations than in the first rotations. Nutrient utilizations coefficient and nutrient cycling
coefficient reduced 19. 7%—22. 8% , 12. 8%—15. 6% and 35. 3%—36. 2% ,23. 2%—27. 0% , respectively in the
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second rotations when comparing with those in the first rotations. When the stands reached in the mature stage, the ability
of nutrient accumulation declined in the second rotations. The nutrient loss rate through runoff in the second rotations was
about two times high as in the first rotations. The nutrient accumulation rate decreased about 40% in the second rotations
than in the first rotations. The results suggest that the changes in nutrient biogeochemical cycling in the second rotations had
negative effects on tree growth and site productivity. The research provides scientific references in making reasonable
management practices and policies on the plantations in Southern China.
Key Words: Chinese fir plantation; successive rotations; nutrient utilization; biochemical cycle; biogeochemical cycle
养分循环是森林生态系统最为重要的功能过程之一,不仅直接影响林分的生产力,而且在很大程度上影
响着森林地力变化的方向和强度。 有关森林生态系统养分循环的研究,最早测定人工林养分含量的是德国学
者 E·Ebermayer[1]。 Bazilevich等[2]首次提出了建立在枯落物及其转化水平上的植被类型中养分循环的分
类。 其后,生物地球化学循环和地球化学循环之间的定量关系[3],系统水平上的水文循环和养分循环的定量
测定的研究[4],推动了矿物质循环从生物循环向地球化学循环的研究发展[5鄄8]。
在养分循环方面的研究我国起步较晚,直到 20 世纪 80 年代后,有关养分循环的研究才得以迅速展开,王
战[9]、冯宗炜[10]、潘维俦[11]、沈国舫[12]、董世仁[13]和聂道平[14]等人分别对杉木( cunninghamia lanceolata
(lamb) Hook)和油松(Pinus tabulaeformis Carr)等人工林的养分循环进行了较深入的研究。 进入 20 世纪 90
年代,对人工林养分循环的研究更深入,更广泛。 湿地松(Pinus elliottii)人工林养分循环及其密度关系[15]、刺
槐(Robinia pseudoacacia)人工林生态系统的养分循环与动态模拟[16]、杉木人工林生产力与养分循环[17]、林木
成熟林阶段养分循环规律[18]、不同立地杉木人工林生产力与养分循环的比较[19]、尾叶桉 ( Eucalyptus
urophylla)养分动态与养分循环[20]、雨水淋溶作用对养分循环的影响[21]和杉木人工林微量元素积累分布与循
环[22]等研究方面都具有重要的理论和实践意义。
以往对养分循环的研究主要集中在树体中养分的积累、分布及时间的变化,林分养分的吸收量、存储量和
归还量等几个方面。 除了这些养分生物循环和生物地球化学循环进行研究外,一些学者对养分的地球化学循
环进行了初步的研究。 大多数研究主要集中在地上部分,地下部分养分循环的研究较少。 此外,以往的研究
主要着重于养分循环在数量上的反映,而对它们的形成机制的研究仍是一个非常薄弱的环节[23]。
由于杉木林轮伐期长,目前有关杉木人工林养分循环的研究多数以 1 代杉木人工林为主,对多代连栽杉
木人工林养分循环的研究较少,而且为数不多的不同栽植代数杉木人工林养分循环的研究大都是以“空间换
时间冶的方法[23鄄25],缺乏在同一林地连栽多代长期定位观测资料,得出的研究结论缺乏一定的说服力。 本研
究在第 1 代杉木人工林采伐后,立即营造第 2 代杉木人工林,利用 30 多年的定位连续测定数据,研究杉木连
栽两代杉木人工林养分循环的差异,探讨杉木人工林连栽两代林养分循环差异与连栽生产力下降的关系,为
我国南方人工林持续经营措施的制定提供理论指导和科学依据。
1摇 研究地概况和研究方法
1. 1摇 研究地概况
研究是在湖南省会同杉木林生态系统国家野外科学研究站第 3 集水区(面积 1. 9 hm2)进行的,该集水区
位于湖南省会同县广坪林区,地理位置 E109毅45忆,N26毅50忆,海拔 300—500 m,年平均温度 16. 9 益,年相对湿
度 80%以上,年降水量 1000—1500 mm,属中亚热带湿润气候区。 该区地层古老,以震旦纪板溪系变质板岩、
页岩为主,风化程度甚深,土壤为中有机质厚层山地森林黄壤。 林下代表性植被有杜茎山(Maesa japonica)、
柃木(Eurya japonica)、狗脊(Woodwardia japonica) 等。
1966 年在第 3 集水区(荒山)炼山、全垦挖穴营造杉木人工林(密度 3000 株 / hm2)。 杉木栽上后前 3a 春
秋两季抚育两次,以后任其自然生长(在 8 个杉木人工林集水区的间伐试验系列中,第 2 和第 3 集水区作为没
6205 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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有间伐的对照样区,因此,研究的集水区营造杉木人工林后没有间伐)。 1987 年冬,皆伐了第 3 集水区杉木人
工林(林龄 21a)。 1988 年春,按照营造第 1 代林的造林模式营造第 2 代杉木林(密度 2400 株 / hm2),而且第 2
代林的经营管理措施与第 1 代均相同。 到 2007 年底,第 2 代杉木林林龄为 20a,密度 2310 株 / hm2,林分平均
高度 15. 4 m,平均胸径 15. 8 cm,叶面积指数 7. 63,郁闭度 0. 9 左右。
1. 2摇 研究方法
1. 2. 1摇 杉木林水文学过程测定方法
采用集水区小径流场法,即在集水区的天然分水界线上修筑水墙,准确控制汇水面积,在集水区口最低
处,从不透水的基岩层上建筑截水墙封闭起来,修建地表、地下水测流堰口。 用 SW鄄40 型日记水位计每天自
动测定地表、地下径流量。
在集水区山洼和山坡分别建立观测铁塔(高于林冠),每座铁塔上安置一台 SL鄄1 型遥测雨量计和标准雨
量筒,测定大气降水。
在林分内分地形部位共设计 3 个 18—20 m2的穿透水承接装置,用 SW鄄40 型日记水位计自动测定穿过林
冠层的穿透水量。
采用聚乙烯塑料管蛇形缠绕于树干基部,其下端插入一个特制的瓷罐中,测定树干流,同时,另将 10 株杉
木为 1 组,将所有导管插入 SL鄄1 型遥测雨量计中,自动记录树干流量。
林冠截留水量用测定的大气降水量减去林冠穿透水量和树干流量求得。
1. 2. 2摇 林分生物量测定
第 1 代和第 2 代杉木人工林生长 7 a后,每隔 2 a进行 1 次杉木林生物量测定。 在第 1,2 代杉木人工林
每代林内设置 4 块固定标准地,样地面积 667 m2。 样地内树木均按克拉夫特分级法进行每木调查。 然后根据
林木各生长级的玉至吁级和平均木的测树因子,各选择其标准木 1—2 株,用分层截取法在现场测定标准木
枝、叶、干(包括树皮)和根 4 个组分的鲜重。 再分别于各组分中抽取 5 个样本,置于 85 益烘箱中烧至恒重,求
出各组分的干物质重。 再用相对生长法,建立回归方程,通过检验后,估算全林分生物量。 各次测定生物量的
林分状况见以往发表的文章[26鄄29]。
1. 2. 3摇 营养元素测定
各种植物组织样品和水样样品的营养元素测定,N含量用半微量 凯氐法,P含量用磷钼兰比色法,K、Ca、
Mg含量用原子吸收分光光度计测定。
1. 2. 4摇 养分生物地球化学循环
在林分内布置 3 个 20 m2左右长方形形状的凋落物收集器,每个月收集 1 次凋落物,由此求出一年内林分
产生的凋落物量。 测定凋落物中养分含量,得出林分每年的养分归还量。 林分每年吸收的养分量,依据每年
净增加的生物量及其养分含量求得。 用养分归还量与养分吸收量的比值求出养分循环系数,用养分吸收量与
养分积累量的比值求出养分利用系数。
1. 2. 5摇 养分地球化学循环
每年由系统外输入林分内的养分量由水文学过程测定的每年大气降水量乘上降水中营养物质的含量求
得,林分系统每年输出系统外的养分量由每年输出的径流量(地表和地下)与其中的营养物质含量相乘得到。
林分每年净吸收系统外养分量用每年系统外输入养分量减去每年输出系统外的养分量求算,每年林分吸收系
统外输入的养分效率是以每年净吸收系统外的养分量与每年输出系统外的养分量比值来估算。
2摇 结果与分析
2. 1摇 养分利用效率
早在 1948 年,Shear等人就报道过,植物的生长是养分量和养分平衡这两个变数的函数。 也就是植物在
物质生产过程中需要大量的营养元素,而且这些营养元素的有效性、分布与组成处于良好的平衡状态时,才能
获得最好的产量。
7205摇 17 期 摇 摇 摇 田大伦摇 等:连栽第 1 和第 2 代杉木人工林养分循环的比较 摇
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通过连续测定,查明了连栽两代杉木人工林各生长阶段物质生产过程中的养分利用效率(表 1)。 速生阶
段(7—11a),第 1 代杉木人工林每生产 1 t有机物质(生物产量)需要营养元素 8. 94—9. 42kg,第 2 代杉木人
工林则需要 11. 00—12. 23 kg。 干材生长阶段(14—18a),第 1 代林分每生产 1t 有机物质需要营养元素
6郾 74—8. 04 kg,第 2 代杉木人工林则需要 11. 47—13. 96 kg。 也就是说,杉木林分每生产 1 t干物质,速生阶段
第 2 代林分比第 1 代多需要营养元素 1. 58—3. 29 kg,干材生长阶段则多需要 4. 23—5. 92 kg。
表 1摇 生产 1t干物质所需要的营养元素
Table 1 摇 Requirement of nutrient element for 1ton of biomass
生长阶段
Growth stage
代数
Generation
N
/ (kg / t)
P
/ (kg / t)
K
/ (kg / t)
Ca
/ (kg / t)
Mg
/ (kg / t)
合计 Total
/ (kg / t)
7 年生 7鄄year鄄old 1 2. 95 0. 27 2. 14 2. 84 0. 72 8. 94
2 4. 40 0. 40 2. 81 3. 52 1. 10 12. 23
9 年生 9鄄year鄄old 1 2. 93 0. 26 2. 17 2. 85 0. 74 8. 95
2 4. 16 0. 37 2. 56 3. 27 0. 93 11. 29
11 年生 11鄄year鄄old 1 3. 06 0. 29 2. 26 2. 99 0. 82 9. 42
2 3. 96 0. 36 2. 58 3. 19 0. 91 11. 00
14 年生 14鄄year鄄old 1 2. 92 0. 23 1. 55 2. 04 0. 74 7. 48
2 5. 19 0. 38 1. 96 2. 89 1. 29 11. 71
16 年生 16鄄year鄄old 1 2. 62 0. 21 1. 39 1. 84 0. 68 6. 74
2 5. 08 0. 35 1. 95 2. 83 1. 26 11. 47
18 年生 18鄄year鄄old 1 3. 15 0. 25 1. 66 2. 19 0. 79 8. 04
2 6. 18 0. 43 2. 37 3. 45 1. 53 13. 96
换一种形式表达,即第 1 代杉木人工林在速生阶段每吸收 1 kg 营养元素,在光合成的参与下,可生产有
机物质 107—110 kg,第 2 代林只能生产 85—87 kg;干材生长阶段,第 1 代林分每吸收 1 kg营养元素在光合成
的参与下可生成有机物质 124—147 kg,第 2 代只能生产 78—91 kg。 由此可见,第 1 代杉木人工林的营养元
素利用效率(或生产效率)比第 2 代林高。
从表 1 看出,平均而言,第 1 代杉木人工林干材生长阶段每生产 1 t物质所需的养分量比速生阶段要少,
这符合一般的生物学规律,即随林木生长发育阶段的提高,生产 1 t物质所需的养分量呈下降趋势。 第 2 代杉
木人工林则不相同,干材生长阶段每生产 1 t干物质所需的养分量比速生阶段略多(平均多 4. 96% ),究竟是
什么原因造成的,有待进一步研究。
在森林生态系统中,养分的利用效率是一个复杂的生理生态过程,它受树种特性、地力条件、有效养分的
供应量、水分应力以及其它许多外界环境因子的影响与制约。 曾研究过会同和朱亭这两个不同地域同一年栽
的同一世代的杉木林的养分利用情况[11],朱亭杉木人工林在有机物质生产过程中,养分利用效率比会同杉木
人工林低。 这是由于会同和朱亭这两个地区的气候条件、土壤环境不相同,导致了这两个地区同一世代、同一
树种的林分在物质生产过程中养分利用效率上的差异。
本研究的林分,第 1 代和第 2 代都是杉木人工林,树种相同,种源都来自于当地,种源也相同;第 2 代杉木
人工林是在第 1 代林采伐后随即营造的,也就是说两代林营造在同一块山地上,周围的环境条件是相同的;两
代林的造林模式和营林管理措施也基本相同。 虽然,第 1 代和第 2 代的太阳辐射、大气降水和温湿度等气象
因子发生了变化,但是有理由认为,第 2 代杉木人工林物质生产过程中养分利用率低下,更多的可能是杉木连
栽,第 2 代杉木人工林物质生产过程中的养分利用上与第 1 代相比已发生了变化,其变化机制应是今后研究
的重点。
有研究这两代林的生物量和生产力[26鄄29],在各个生长阶段,第 2 代林的单株生物量比第 1 代林少
5郾 27%—16. 44% ,林分生物量也比第 1 代林少 4. 66%—15. 63% ,也就是说连栽第 2 代杉木人工林的生产力
是下降的。 从表 2 看出,18 年生第 1 代林积累在有机体内的养分量 1026. 50 kg / hm2(用 18 年生林分生物量和
8205 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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测定 18 年生杉木各组分的营养元素含量求算),比第 2 代林 1593. 69 kg / hm2少 567. 19 kg / hm2。 积累在林木
有机体内的养分是林木根系从土壤中吸收来的。 以上分析表明,尽管第 2 代林的生物量和生产力比第 1 代林
低,但是在物质生产过程中从土壤中吸收的养分比第 1 代林多。 连栽第 2 代杉木林生产力的维持是以消耗地
力为代价取得的,杉木连栽能造成地力衰退。
2. 2摇 养分生物地球化学循环
森林生态系统中植物根系从土壤中摄取大量营养元素并把它固定在自身有机体内,从而完成了养分的积
累和分配。 新陈代谢过程中,每年又有部分器官枯落,经过分解把营养元素归还给土壤。 这种森林生态系统
养分生物地球化学循环体现了森林生态系统的养分利用效率和养分周转利用的功能或新陈代谢的能力。
从表 2 看出,第 1 代林速生阶段(7—11a),每年林木从土壤吸收的养分 87. 60—126. 10 kg·hm-2·a-1,积累
在有机体的养分量 74. 47—100. 48 kg·hm-2·a-1,每年通过凋落物归还土壤的养分量 12. 73—25. 62 kg·hm-2·
a-1,养分的利用系数为 0. 173—0. 195,养分生物地球化学循环系数为 0. 145—0. 203。 相比之下,第 2 代林在
速生阶段的养分利用系数为 0. 139—0. 156,比第 1 代减少了 19郾 7%—22. 8% ,养分循环系数是 0. 123—
0郾 173,养分生物地球化学循环功能比第 1 代下降 12. 8%—15. 6% 。
从表 2 还可看出,杉木干材生长阶段(14—18a),第 1 代林生态系统养分生物地球化学循环中,养分利用
系数 0. 199—0. 204,养分循环系数 0. 728—0. 760,第 2 代林生态系统养分生物地球化学循环养分利用系数和
养分循环系数分别为 0. 127—0. 132 和 0. 555—0. 562。 第 2 代林的养分生物地球化学循环中的养分利用功能
比第 1 代下降了 35. 3%—36. 2% ,养分循环功能下降 23. 2%—27. 0% 。
第 2 代 18 年生林分积累在林木有机体内养分量比第 1 代林多,这意味着第 2 代杉木人工林生态系统较
多的养分以有机态的形式固定在林木体内,在较长的时间内不能再投入杉木人工林生态系统的物质生产过
程。 第 2 代林养分生物地球化学循环系数比第 1 代林小,这里虽然有造林密度效应的原因,第 1 代林栽植密
度(3000 株 / hm2)比第 2 代林(2400 株 / hm2)大,林分密度大,产生的枯枝落叶凋落物也可能会多。 但仔细分
析起来,第 1 代和第 2 代林干材生长阶段的养分循环系数的差值要大于它们的密度效应差值。 刘爱琴[25]等
研究过不同栽植代数杉木人工林的养分循环,其结果认为,随着栽植代数增加,林分养分年归还量、年吸收量
和养分循环系数均呈递减趋势,而营养元素的周转期则呈增加趋势。 本研究结果也相同,说明栽植代数对杉
木人工林养分年归还量及吸收量有较大影响,在同一林地连栽杉木不利于林地肥力的恢复。
表 2摇 杉木林的生物地球化学循环
Table 2摇 Biogeochemical cycling of Fir plantation
生长阶段
Growth stage
代数
Generation
积累量
Storage
/ (kg / hm2)
吸收量
Absorption
/ (kg·hm-2·a-1)
存留量
Retention
/ (kg·hm-2·a-1)
归还量
Return
/ (kg·hm-2·a-1)
利用系数
Utilization
coefficient
循环系数
Cycling
coefficient
7 年生 7鄄year鄄old 1 506. 12 87. 60 74. 47 12. 73 0. 173 0. 145
2 591. 93 82. 37 72. 25 10. 12 0. 139 0. 123
9 年生 9鄄year鄄old 1 568. 27 105. 20 85. 64 19. 56 0. 185 0. 187
2 756. 36 108. 46 90. 53 17. 93 0. 143 0. 165
11 年生 11鄄year鄄old 1 645. 33 126. 10 100. 48 25. 62 0. 195 0. 203
2 897. 48 139. 83 115. 57 24. 26 0. 156 0. 173
14 年生 14鄄year鄄old 1 776. 79 154. 55 42. 04 112. 51 0. 199 0. 728
2 1273. 24 161. 54 70. 71 90. 83 0. 127 0. 562
16 年生 16鄄year鄄old 1 915. 41 183. 12 45. 58 137. 54 0. 200 0. 751
2 1462. 12 186. 79 81. 24 105. 55 0. 128 0. 565
18 年生 18鄄year鄄old 1 1026. 50 209. 15 50. 11 159. 04 0. 204 0. 760
2 1593. 69 210. 02 93. 34 116. 68 0. 132 0. 555
9205摇 17 期 摇 摇 摇 田大伦摇 等:连栽第 1 和第 2 代杉木人工林养分循环的比较 摇
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2. 3摇 养分地球化学循环
1983 年(第 1 代林 17 年生时),修建了杉木人工林小集水区径流场,连续定位测定杉木人工林生态系统
的水文学过程,并研究杉木人工林水文学过程中养分地球化学循环规律。
由于 1987 年冬季第 1 代林进行采伐,采伐作业对系统的养分输入与输出过程有很大的影响,此外,第 2
代杉木人工林第 1 至 16 年生时虽然都有观测数据,但是第 1 代林这个林龄阶段没有测定数据,无法进行比较
分析,因此,本文仅对第 1 代林(17—20a)和第 2 代林(17—20a)由干材生长进入成熟阶段的数据进行分析。
森林生态系统的养分来源主要有 3 种途径,一是人工施肥,二是土壤母岩矿物质风化,再是大气中的尘降
和伴随大气降水中的养分进入系统。 营造第 1 代和第 2 代杉木人工林时,以及后来的抚育管理都没有施肥,
母岩矿物质风化是一个地质变化过程,往往需要几百年乃至几个世纪,几十年内由矿物质风化的养分进入系
统不会很多,因此,第 1 代和第 2 代杉木人工林生态系统的养分来源主要依靠大气中的尘降和伴随大气降水
中的养分输入。
从表 3 可以看出,第 1 代林 17—20 年生时,每年伴随大气降水输入的养分量 27. 23—36. 41 kg·hm-2·a-1,
年平均 32. 89 kg·hm-2·a-1;第 2 代林 17—20a时,每年伴随大气降水输入的养分量 36. 39—44. 82kg·hm-2·a-1,
年平均 39. 19kg·hm-2·a-1。 伴随大气降水中的养分输入量不仅与降水性质有关,而且还受许多别的因素如雷
电、风向风速、空气污染以及久晴或久雨等天气状况的影响,但总的变化趋势是,养分输入量的变化基本上与
大气降水量大小变化一致。 从表 3 中看出,第 1 代林在林龄 17—20a 阶段中年平均降水量 1089. 0 mm,第 2
代林为 1146. 5 mm,第 2 代林年平均降水量比第 1 代多 5. 28% ,伴随大气降水中养分的输入量第 2 代林年平
均比第 1 代多 19. 15% 。
表 3摇 杉木人工林生态系统水文学过程的养分特性
Table 3摇 Nutrient characteristics in hydrological processes in Chinese Fir plantation ecosystem
年份
Year
代数
Generation
生长阶段
Growth stage
降水量
Precipitation / mm
径流量
Run off
/ mm
养分输入量
Nutrient put
/ (kg / hm2)
养分输出量
Nutrient utput
/ (kg / hm2)
净积累
Net accumulation
/ (kg / hm2)
1983 1 17 年生 17鄄year鄄old 1174. 5 240. 8 36. 41 10. 25 26. 16
1984 1 18 年生 18鄄year鄄old 1110. 6 222. 1 33. 32 9. 05 24. 27
1985 1 19 年生 19鄄year鄄old 972. 6 186. 6 27. 23 8. 16 19. 07
1986 1 20 年生 20鄄year鄄old 1098. 5 218. 6 34. 60 8. 82 25. 78
2003 2 17 年生 17鄄year鄄old 1325. 2 364. 4 44. 82 26. 38 18. 44
2004 2 18 年生 18鄄year鄄old 1079. 3 262. 2 37. 02 19. 93 17. 09
2005 2 19 年生 19鄄year鄄old 1089. 2 245. 0 36. 39 21. 13 15. 26
2006 2 20 年生 20鄄year鄄old 1092. 5 238. 1 38. 54 21. 95 16. 59
第 1 代林 17—20 年生时,每年伴随径流(地表与地下)输出系统外的养分量 8. 16—10. 25 kg·hm-2·a-1,由
系统的养分输入(伴随大气降水中的养分输入)减去系统的养分输出,每年净积累系统外输入的养分量
19郾 07—26. 16 kg·hm-2·a-1。 相比之下,第 2 代林每年伴随径流的养分输出量 19. 93—26. 38 kg·hm-2·a-1,年平
均养分输出量是第 1 代的 1. 46 倍(年平均径流量只比第 1 代林多 27. 36% ),系统每年净积累的养分量
15郾 26—18. 44 kg·hm-2·a-1,年平均净积累 16. 85 kg·hm-2·a-1,比第 1 代林年平均 23. 82 kg·hm-2·a-1少 6. 97
kg·hm-2·a-1,只有第 1 代林的 70. 73% 。
可以从另一个角度即系统的养分输出占输入的比例和净积累率,来分析第 1 代和第 2 代杉木人工林由干
材生长进入成熟阶段的养分地球化学循环功能。 第 1 代杉木人工林每年养分输出占输入的比例为
25郾 49%—28. 15% ,净积累的养分量占输入量的 71. 85%—74. 51% ,也就是说,每年从系统外输入到第 1 代杉
木人工林系统内的养分中有 3 / 4 系统截留利用,只有 1 / 4 流失到系统外。 第 2 代杉木人工林生态系统每年有
占输入量的 53. 83%—58. 85%的养分量随径流输出到系统外,净积累的养分只有输入量 41. 15%—46. 17% 。
0305 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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从中不难看出,第 2 代杉木人工林生态系统的养分流失率是第 1 代林的 2 倍左右,养分的积累率还不到第 1
代林的 60% 。
从上面分析看出,第 2 代杉木人工林生态系统养分积累的地球化学循环比第 1 代林低。 意味着,每年输
入到第 2 代杉木人工林生态系统的养分中又流出了系统外的养分量,比第 1 代林多,截留利用的养分量,又比
第 1 代林少。 第 2 代杉木人工林系统的这种养分积累的地球化学循环功能对土壤肥力水平的维持和林木生
长都是不利的。
3摇 结论与讨论
连栽第 2 代杉木人工林在物质生产过程中的养分利用效率比第 1 代林低,在生物量形成的过程中,需要
消耗更多的土壤养分,降低了土壤的肥力水平。 在生物地球化学循环中,第 2 代杉木人工林生态系统的养分
利用系数和养分循环系数均比第 1 代林少,揭示着第 1 代杉木人工林生态系统营养元素的周转量或新陈代谢
的能力比第 2 代林强。 由干材生长进入成熟阶段的生长期内,第 2 代林截留利用系统外输入的养分(伴随大
气降水输入)的截留率还不到第 1 代林的 60% 。 流失到系统外(伴随径流输出)的养分损失率却是第 1 代林
的 2 倍左右,第 2 代杉木人工林系统的养分积累的地球化学循环功能比第 1 代弱,不利于土壤肥力水平的维
持和林木的生长。
本项研究是 30 多年连续定位研究的成果,在项目研究设计的整体性、综合性、研究方法与测试手段的严
谨性和一致性,获取数据的系统性和连续性,数据的可靠性等方面,在国内同类研究中是较少见的。 在系统研
究第 1 代杉木林养分循环功能的基础上,林木采伐后紧接营造第 2 代林,接着开展第 2 代杉木人工林养分循
环研究,从而保证空间尺度上的一致性和时间尺度的连续性,突破了国内以往同类研究中大都采用“空间换
时间冶的研究方法,克服了不同空间立地条件的异质性疵点,使研究的结果更加逼近实际。 本研究以连续定
位测定的林木不同生长阶段的数据来分析它的动态过程,同时在生态系统水平上,从生物地球化学循环和地
球化学循环的角度研究杉木人工林连栽第 1 代和第 2 代林养分的循环与利用问题,在国内同类研究中也
不多。
杉木人工林连栽生产力下降和地力衰退问题的研究在我国已长达半个多世纪,众多学者从连栽第 2、第 3
代林的生物产量、木材蓄积量,林地化学性质指标的变化,不同代数杉木人工林土壤组成及结构的差异,不合
理的栽培制度和营林措施等方面探求杉木人工林连栽生长力下降和地力衰退的原因与机制。 虽然本研究只
分析了杉木林连栽第 1 和第 2 代林分物质生产过程中养分利用效率和养分生物地球化学循环与地球化学循
环功能,但是,研究的结果可为杉木人工林连栽生产力下降和地力衰退问题的研究提供思路和依据。
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2305 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 17 September,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Marine ecological capital: valuation of standing stock of marine living resources
REN Dachuan,CHEN Shang,XIA Tao, et al (4805)
………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Effect of Endophytic fungi on growth and photosynthetic characteristics of Achnatherum sibiricum
JIA Tong,REN Anzhi,WANG Shuai,et al (4811)
………………………………………
…………………………………………………………………………………
Based on image processing technology estimatingleaves stomatal density of Populus euphratica and analysis of its ecological
significance JIAN Shengqi, ZHAO Chuanyan, ZHAO Yang, et al (4818)………………………………………………………
Evaluation of the ecological instream flow in the Yellow River basin with hydrological alterations
ZHANG Qiang, LI Jianfeng, CHEN Xiaohong, et al (4826)
………………………………………
………………………………………………………………………
The ecological effects of Suaeda salsa on repairing heavily degraded coastal saline鄄alkaline wetlands in the Yellow River Delta
GUAN Bo, YU Junbao, LU Zhaohua, et al (4835)
………
…………………………………………………………………………………
Toxicity risks to the closed tidal flat ecosysten of a PCBs waste savepoint at the coast of Zhejiang
HE Shanying,CHEN Kunbai (4841)
……………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Methane emission from a Carex鄄dominated wetland in Poyang Lake HU Qiwu, ZHU Lili, XING Ruixin, et al (4851)………………
The study on Ice鄄fish Resources in the Three Gorges Reservoir SHAO Xiaoyang,LI Daofeng, TAN Lu,et al (4858)…………………
Effects of acute cold stress onserum biochemical and immune parameters and liver HSP70 gene expression in GIFT strain of Nile
tilapia (Oreochromis niloticus) LIU Bo, WANG Meiyao, XIE Jun, et al (4866)…………………………………………………
Acute toxicityand effect of Cd2+ on life table demography of Brachionus angularis and Keratella valga
XU Dandan, XI Yilong, MA Jie, et al (4874)
…………………………………
……………………………………………………………………………………
The association of BDNF gene polymorphisms with normal behavior traits in house鄄hold sika deer (Cervus nippon)
L譈 Shenjin, YANG Yan, WEI Wanhong (4881)
……………………
……………………………………………………………………………………
Characteristics and controlling factors of photosynthesis in a maize ecosystem on the North China Plain
TONG Xiaojuan, LI Jun, LIU Du (4889)
………………………………
……………………………………………………………………………………………
The soil macrofaunal community structure under a long鄄term fertilization in wheat field
GU Yanfang, ZHANG Li, DING Shengyan, et al (4900)
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Effect of earthworms on the photosynthetic characteristics of wetland plants and their capacity to purify wastewater
XU Defu, LI Yingxue, WANG Ranghui, et al (4907)
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Toxicity of three pesticides and their effects on carboxylesterase activity of Propsilocerus akamusi FANG Guofei (4914)………………
Reproductive behavior character and sexual tendency of the adult Zeuzera leuconotum Butler (Lepidoptera: Cossidae)
LIU Jinlong, ZONG Shixiang, ZHANG Jintong, et al (4919)
………………
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Effects of herbicides stress on the population of alligator weed flea beetles, Agasicles hygrophila (Col. : Chrysomelidae) and
corresponding strategies LIU Yufang, PENG Meifang, WANG Chengchao, et al (4928)…………………………………………
Patterns of fruit and seed production and ecological significance in desert species Eremosparton songoricum (FABACEAE)
SHI Xiang,WANG Jiancheng,ZHANG Daoyuan,et al (4935)
…………
………………………………………………………………………
Effect of different nitrogen supply on the temporal and spatial distribution and remobilization of canopy nitrogen in winter wheat
under limited irrigation condition HAO Baozhen, JIANG Lina, FANG Baoting, et al (4941)……………………………………
Plant architecture characteristics of Haloxylon ammodendron and Haloxylon persicum in Zhungar Basin
WANG Lijuan,SUN Dongyuan, ZHAO Chengyi,et al (4952)
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Downscaling land surface temperature based on relationship between surface temperature and vegetation index
NIE Jianliang,WU Jianjun,YANG Xi, et al (4961)
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Differential characteristics of soil 啄15N under varying vegetation in karst areas
WANG Zhijun, LIANG Xuan, HE Qiufang, et al (4970)
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Effect of nitrogen application rate on growth and leaf photosynthetic characteristics of Jatropha curcas L. seedlings
YIN Li, HU Tingxing, LIU Yongan, et al (4977)
…………………
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Seasonal variations in leaf C, N, and P stoichiometry of typical plants in the Yangou watershed in the loess hilly gully region
WANG Kaibo, SHANGGUAN Zhouping (4985)
………
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Clonal integration enhances the ability to scavenge reactive oxygen species in root of Cynodon dactylon subjected to submergence
LI Zhaojia,YU Jie,FAN Dayong,et al (4992)
……
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Pattern oflow鄄covered sand鄄fixing woodland and its windbreak effect YANG Wenbin, DONG Huilong, LU Qi, et al (5000)…………
Evaluation of soil and water conservation capacity of different forest types in Dongling Mountain
MO Fei, LI Xuyong, HE Shuxia, et al (5009)
………………………………………
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Changes in structural components and respiration rates of coarse woody debris at the initial decomposition stage for 11 temperate
tree species ZHANG Limin,WANG Chuankuan, TANG Yan (5009)………………………………………………………………
Characteristics of nutrient cycling in first and second rotations of Chinese fir plantations
TIAN Dalun,SHEN Yan, KANG Wenxing, et al (5025)
………………………………………………
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The optimal design of a connected nature reserve network WANG Yicheng (5033)……………………………………………………
Sub鄄areas compartmentalization of Changjiang Estuary based on the natural geographical characteristics
LIU Lusan, ZHENG Binghui, MENG Wei, et al (5042)
………………………………
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The environmental and economic influence of coal鄄electricity integration exploitation in the Xilingol League
WU Di, DAI Fangzhou, YAN Yan, et al (5055)
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Review and Monograph
The influence of diversity changes of ecological conditions on the survival of honey bees
HOU Chunsheng, ZHANG Xuefeng (5061)
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Scientific Note
The spatio鄄temporal change in the secondary production of macrozoobenthos in the intertidal zone of Jiaozhou Bay
ZHANG Chongliang, XU Binduo, REN Yiping, et al (5071)
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The studying system construction of wetland parks WANG Lilong, LU Lin (5081)……………………………………………………
Ecological footprint analysis of a semi鄄arid grassland region facilitates assessment of its ecological carrying capacity: a case study
of Xilinguole League YANG Yan, NIU Jianming, ZHANG Qing,et al (5096)……………………………………………
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 17 期摇 (2011 年 9 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA

(Semimonthly,Started in 1981)

Vol郾 31摇 No郾 17摇 2011
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