南方山地水杉人工林生态系统生产力及养分循环研究

摘要

水杉是我国特有的孑遗植物和重要的速生用材林树种、沿海防护林树种、农田防护林树种和城市绿化树种，也是造船、建筑、桥梁和家具的好材料。针对目前水杉人工造林以平原地区农田防护和城市绿化为目的的居多，而在南方山地上以培育用材林为目的的人工栽培研究较少的现实，本论文在对水杉栽培生物学特性全面调查基础上，分别从林分群落特征、生长、生物量、凋落物及养分循环等方面对南方山地水杉人工林生态系统进行系统定位研究，比较不同年龄水杉人工林生态系统生产力和养分循环规律，为指导南方山地水杉人工造林提供科学依据。主要研究结果如下：
　　 1、对水杉栽培生物学特性调查研究发现，水杉为喜光树种，生长较快，适应性广，对水分要求较高，要求立地土层深厚、肥沃、湿润。
　　 2、不同林龄水杉人工林生态系统的群落特征存在差异。27a生水杉人工林林下植物种类为27科38属38种，比32a生林分多17科28属28种。不同坡位水杉林林下植物种类数量表现为中坡>下坡>上坡。不同年龄水杉林则表现为27年水杉林>32a生水杉林。27a生水杉林的多性性指数大于32a生水杉林，更有利于其林下植被发育和群落结构改善。不同林分林下植被各层次的多样性指数均表现为灌木>草本>藤本。
　　 3、不同林龄水杉人工林胸径生长存在明显差异。不同年龄水杉林胸径生长在前5a比较缓慢，32a生水杉在第12a时进入胸径生长速生期，速生期持续6a(12-17 a)，胸径平均生长量最大值出现在第27a。27a生水杉胸径在第5a时进入胸径速生期，速生期持续8a(5-12a)，其胸径平均生长量最大值出现在第11a。27a生水杉胸径速生期出现时间比32a生水杉提前4a，持续时间延长2a。
　　 不同林龄水杉人工林树高生长过程差异明显。32a生水杉树高生长在第15a时进入树高速生期，速生期持续6a(15a-20a)，平均生长量最大值出现在第32a。27a生水杉树高生长在第4a时进入树高速生期，速生期持续6a(4-9a)，平均生长量最大值出现在第14a，27a生水杉人工林树高速生期出现时间比32a生林分提前11a。
　　 不同林龄水杉材积生长存在差异明显。32a生水杉材积连年生长量峰值出现在第25a，比27a生林分峰值出现时间推迟4a。27a生和32a生林分均未达数量成熟。不同林分年均蓄积量表现为27a生>32a生。因此可在我国南方水湿条件较好的山地上推广水杉人工用材林造林。
　　 4、不同林龄水杉人工林平均木和乔木层生物量存在明显差异。虽然27a生水杉人工林平均木生物量是32a生林分的2.04倍，但32a生水杉人工林乔木层生物量比27a生林分高83.46t/hm2。乔木层生物量在各器官的分配表现为干>根>枝>叶>枯枝，干生物量的分配比例表现为27a生水杉林>32a生水杉林，说明干材是林分乔木层生物量的主体，27a生水杉林的林分结构更有利于其干材生物量积累。32a生水杉林年净生产量是27a生林分的1.28倍，叶、枝、干、皮、根的年净生长量也表现出随林龄增加而增加的趋势，年净生产量的分配比例表现为干>根>枝>皮>枯枝>叶。27a生水杉人工林林下活地被物生物量大小排序为上坡>中坡>下坡，死地被物生物量大小排序为中坡>上坡>下坡。
　　 5、不同林龄水杉人工林生态系统的总生物量存在明显差异。32a生水杉林总生物量是27a生林分的1.44倍，其中乔木层生物量大小排序为32a生林分>27a生林分，林下地被物层表现为27a生林分>32a生林分。32a生水杉林养分总积累量是27a生林分的1.51倍；其乔木层养分积累量大小排序为32a生林分>27a生林分；但27a生林分地被物层养分积累量是32a生林分的1.65倍。
　　 6、不同林龄水杉林各器官养分浓度无明显规律。各器官N、P、K浓度均以叶为最高，枝和皮其次，干最小。不同年龄水杉林下地被物养分浓度变化较大，但N、P、K浓度均表现为27a生林分>32a生林分；灌木及草本的N、P、K浓度均高于林下植被凋落物的相应元素浓度。27a生水杉人工林活地被物养分浓度表现为上坡>中坡>下坡。
　　 7、不同林龄水杉林乔木层养分积累存在较大差异。32a生水杉林乔木层N、P、K积累量分别比27a生林分增加116.09％、13.04％和19.19％。随林龄增加，林下地被物的养分积累量呈下降趋势，27a生水杉人工林林下活地被物养分积累是32a生林分的15倍，表现出与其乔木层养分积累量相反的趋势。死地被物养分积累量表现为27a生林分>32a生林分。27a生水杉林活地被物养分积累量排序为上坡>中坡>下坡，而林下死地被物养分积累量则表现为下坡>中坡>上坡。
　　 不同林龄水杉人工林乔木层的养分利用效率存在明显差异。27a生水杉人工林乔木层的养分利用效率是32a生林分的1.03倍，表现为27a生林分>32a生林分。水杉人工林乔木层干材的养分利用效率Ⅰ表现为27a生林分<32a生林分，前者比后者少20.56％；干材养分利用效率Ⅱ则表现为27a生林分>32a生林分。
　　 8、27和32a生水杉人工林凋落物年产量分别为4.01 t/hm2和4.04 t/hm2，说明水杉人工林的生态系统的凋落物年产量比较稳定。32a生水杉林的凋落物组成大小排序为：叶>枝>果，27a生水杉林则表现为叶>果>枝。水杉人工林凋落物年凋落节律表现为双峰型，两个凋落高峰分别在12-1月和7-8月。水杉枯枝有宿存特性，其枝枯死后，会在树干上保留一段时间，不易脱落。水杉人工林每年通过凋落物归还林地的养分表现为27a生林分>32a生林分，在凋落物归还中N和P的年归还量表现为叶>果>枝。
　　 9、不同林龄水杉人工林养分循环存在一定差异。32a生水杉人工林养分年存留量是27a生林分的1.51倍，表现为32a生林分>27a生林分。但27a生水杉林年养分归还量是32a生林分的1.67倍，即随林龄的增加，林分年养分归还量呈递减趋势。32a生水杉林分年养分吸收量是27a生林分的1.48倍，表现为32a生林分>27a生林分，即随林龄增加，林分养分年吸收量呈增加趋势。27a生水杉林的养分归还比是32a生林分的2.1倍，说明27a生水杉林比32a生林分更有利于林地养分归还。