天然胡杨林龄对营养元素空间分配格局的影响.pdf
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1、第42卷 第5期 生 态 科 学 42(5):3140 2023 年 9 月 Ecological Science Sep.2023 收稿日期:2021-03-15;修订日期:2021-07-26 基金项目:自治区科研机构创新发展专项(2016D0403);自治区公益性科研院所科研业务基本费专项(KY2019047)作者简介:白丽丽(1990),女,在读博士,助理研究员,主要从事草地生态学研究,E-mail:*通信作者:史军辉(1965),男,博士,研究员,主要从事荒漠化防治,E-mail:junhui_ 白丽丽,史军辉,刘茂秀,等.天然胡杨林龄对营养元素空间分配格局的影响J.生态科学,202
2、3,42(5):3140.BAI Lili,SHI Junhui,LIU Mao xiu,et al.Effect of the age of natural Populus euphratica forest on the spatial distribution pattern of nutrient elementsJ.Ecological Science,2023,42(5):3140.天然胡杨林龄对营养元素空间分配格局的影响 白丽丽1,2,3,史军辉1,2,*,刘茂秀1,2,王新英1,2 1.新疆林业科学院,乌鲁木齐 830046 2.新疆塔里木河胡杨林生态系统定位观测研究站,乌鲁木
3、齐 830046 3.青海师范大学地理科学学院,西宁 810008 【摘要】为了解胡杨林生长过程对主要营养元素在土壤全库、有效库及植被库之间运移规律的影响,以新疆轮台县轮南镇 5 个不同林龄(幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林)典型天然胡杨林为研究对象,采用时空替代方法,分析林下土壤和植被中 C、N、P、K 的空间分配特征。结果表明:(1)总体而言,土壤营养元素全库中全钾含量较富积,有机质、全氮、全磷相对缺乏。土壤有机质及全量养分受林龄影响较显著。土壤全氮量随着林龄的增长显著升高,至近熟林时达到最大值,然后下降。幼龄林土壤有机质、全钾含量较低,中龄林和近熟林含量较高。幼龄林、成熟林和过熟林
4、土壤全磷含量相对较高。土壤垂直层中,土壤有机质、全钾含量深层土壤浅层土壤,而全氮含量随着土壤深度的增加呈现下降趋势。全磷含量受土壤垂直层影响较小。(2)土壤有效养分库中碱解氮、速效磷含量较低,速效钾含量较高。土壤速效养分受林龄影响较大,碱解氮含量随着林龄的发育,呈现先显著升高到近熟林达到最大值,然后下降的趋势。速效钾、速效磷含量均呈现幼龄林和中龄林显著低于其它龄林。不同土壤垂直层显示,碱解氮、速效钾、速效磷含量均呈现浅层深层土壤。速效钾、速效磷有明显的表层聚集现象。(3)从土壤养分有效性占全量比率分析,氮钾磷。氮素在不同龄级中有效率均较高。钾和磷有效率受林龄影响,呈现出成熟林过熟林近熟林中龄林
5、幼龄林。土壤垂直层中 010 cm、4060 cm 氮素有效率较高。钾和磷有效率随着土层深度的增加呈现递减的变化趋势,其中 010 cm 钾和磷有效率显著高于其他土层。(4)植被库中主要矿质养分积累量由大到小依次为 NKP。除叶外,N、K、P 积累量在胡杨各器官中均呈现随着林龄的增长而增加,到成熟林达到最大值,在过熟林降低。对树木不同器官,N、P 累积量依次为干根枝,但 K 累积量依次为根干枝。关键词:关键词:天然胡杨林;林龄;土层;器官;营养元素 doi:10.14108/ki.1008-8873.2023.05.005 中图分类号:Q945 文献标识码:A 文章编号:1008-8873(2
6、023)05-031-10 Effect of the age of natural Populus euphratica forest on the spatial distribution pattern of nutrient elements BAI Lili 1,2,SHI Junhui1,2,*,LIU Mao xiu1,2,WANG Xinying1,2 1.Xinjiang Acadeny of Forestry Science,Urumqi 830046,China 2.Xinjiang Tarim Poplus euphratica Riparian Forest Ecos
7、ystem Research Station,Urumqi 830046,China 3.College of Geographical Science,Qinghai Normal University,Xining 810008,China Abstract:In order to understand effect of the growth process of Populus euphratica on the migration of main nutrient elements in soil available and total reservoir and vegetatio
8、n reservoir,we investigated five typical natural P.euphratica forests with different ages(i.e.,young,mid-age,near-mature,mature,and over-mature forest).The spatial distribution characteristics of C,N,P,K in both soil and vegetation were analyzed,using the time-space substitution method.Results 32 生
9、态 科 学 42 卷 showed that:(1)In general,total K content in the soil nutrient element pool was relatively rich,while organic matter,total N and P contents were relatively poor.Soil organic matter and total nutrients were significantly affected by the forest age.Total soil N content increased significant
10、ly with the increasing of the forest age,with the maximum value occurring in near-mature forest.Organic matter and total P content were lower in young forests than in middle-age forests and near-mature forests.Total P content in soil was relatively high in young,mature,and over-mature forests.Organi
11、c matter and total K content was larger in deep soil layer than shallow soil.Total N content decreased with the increase of soil depth,while total P content was less affected by the soil layer.(2)The contents of alkali hydrolyzable N and available P were much lower than the content of available K in
12、 soil.Soil available nutrients were greatly affected by the age of the forest.With the increase of the age of the forest,the content of alkali hydrolyzable N increased continuously,reaching the maximum value in the near-mature forest,and then decreased.The contents of available K and P were signific
13、antly lower in young and middle-age forests than other forests.The content of alkali-hydrolyzable N,available K and P decreased with increasing of soil depth.The content of available K and P were mainly accumulated in the surface soil.(3)For the ratio of soil available nutrients to total amount,we f
14、ound the pattern of NKP.The ratio of soil available N to total amount was relatively high in each class of forest age.The ratios of soil available K and P to total amount were significantly affected by the age of forest,following the rank:mature forestover-mature forestnear-mature forestmiddle-age f
15、orestyoung forest.Among the different soil layers,ratios of soil available N to total amount in 0-10 cm and 40-60 cm were relatively high.The ratios of soil available K and P to total amount decreased with the increase of soil depth,and were significantly higher in surface(0-10cm)than those in other
16、 soil layers.(4)The highest accumulation of N in the vegetation reservoir was found,followed by K and P.Except for leaves,the accumulation of N,K,and P in various organs of P.euphratica plants increased with the increase of forest age,but decreased in the over-mature forest.Among the different organ
17、s in plants,the largest N and P accumulated in stem,followed by root and branch;while the largest K accumulated in root,followed by stem and branch.Key words:Populus euphratica forest;forest age;soil layer;organ;nutrient elements 0 前言 土壤圈与生物圈的物质循环过程是森林生态系统基础性研究热点1。土壤是森林定居、生长和发挥生态功能的基础,其矿物营养元素特征影响并控制
18、着森林群落的健康状态2。土壤养分在森林群落发育进程不断发生变化。植物群落的发育过程将导致土壤理化性质不同,而土壤养分状况又会作用于植物群落内的许多过程,并直接影响地上植被的演替。在一定程度上,植物群落的发育过程也是土壤养分不断积累、物理性能不断改善的过程3。近年来,土壤与植被的互动过程成为生态学研究的热点问题之一4。森林生态系统中土壤和植物养分含量变化共同影响着森林的生产力5。土壤中,营养元素全库是反映为植被提供养分的潜在能力,是构成土壤肥力的重要指标;营养元素有效库是指处于水溶态和交换态易被植物吸收的养分,其表征土壤肥力状态。植被库是指植被体中矿质养分累积量。植物体中养分含量由土壤养分供应与
19、植物养分需求的动态平衡共同决定的6。由于植被与土壤相互作用的复杂性,对特定环境条件下森林群落发育过程中矿质养分在土壤、植物被中的分配格局的研究,为了解森林生态系统土壤植被养分存储、潜在吸收利用及养分循环规律具有重要意义7。塔里木河流域(塔河)胡杨林是干旱荒漠区重要的生态屏障。天然胡杨林恢复与保育将直接关系塔河生态系统的改善与重建,对维持环境脆弱区态平衡具有重要的生态作用8。迄今为止,已有大量对塔河不同龄组胡杨林土壤理化性质9、碳储量10等方面研究,但胡杨林群落发育过程对土壤养分全库、土壤养分有效库及植被库的影响的系统研究尚未报道。本文以新疆轮台县典型天然胡杨林为研究对象,选取胡杨5个龄级(幼龄
20、林过熟林),土壤垂直5个土层(0100 cm),分析 C、N、P、K 在土壤中的全量和有效量及其在胡杨不同器官中的分布特征,探究天然胡杨林不同林龄和垂直土层的养分全库、有效库及其转化规律以及地上植被(胡杨)不同器官中的养分含量分配格局。本研究通过揭示天然胡杨林生态系统发育过程中的养分现状、养转律,为天然胡杨林营养元素的科学管理及经营关键技术的制定提供理论依据。1 材料和方法 1.1 研究区概况 试验区位于新疆巴音郭楞蒙古自治州轮台县轮南镇塔河胡杨林自然保护区。该区是全球胡杨林面积最大、分布最集中、保存最完整的地区,东西长109.7 km,南北宽 47.1 km。该区属典型温带荒漠气候,年平均气
21、温 10.9,夏季平均气温 26.8;10 年积温39004300,无霜期180224 d;多年平均降水量 65.5 mm,集中在 58 月,占全年降水总量的94.4%;年平均蒸发量 2024 mm,年平均相对湿度5 期 白丽丽,等.天然胡杨林龄对营养元素空间分配格局的影响 33 35%55%。该地区土壤类型主要为风沙土。1.2 样品的采集 以不同林龄的天然胡杨林为研究对象,龄组分别为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林。胡杨龄组的划分参照王世绩等对胡杨的研究结果8。每个龄组设置 3 个标准样地,共 15 块标准样地。标准样地规格为 100 m100 m。于 2013 年 9月胡杨生长盛期在
22、标准样地中采集植物和土壤样品。在每个标准样地中选取标准株 35 株,采集适量胡杨不同器官(叶、枝、干、根)样品置入信封袋,标记好,带回实验室备用。土壤样品采用“S”形布点法,在每个标准样地中设置 8 个土壤采样点。每个采样点按照土壤剖面法,分别采集 010 cm、1020 cm、2040 cm、4060 cm、60100 cm 的 5 层土样。将同一样地相同土层土样等量混合均匀,每层次均为 3 个重复。采集的土样标记好,装入密封袋备用。1.3 样品的处理及测定 将收集到的植物样品(叶、枝、干、根)于烘箱中 105 下杀青,65 恒温条件下烘干至恒重,然后使用样品粉碎机粉碎并过 0.25 mm
23、的孔径筛。粉碎后的样品用于测定植物样品的氮、磷和钾含量。将收集到的土壤样品风干后,去除杂质,研磨并过孔径0.25 mm网筛,装入密封袋内用于测定土壤碳、全氮、全磷、全钾含量和土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量。土壤样品碳含量采用重铬酸钾外加热法测定,植物和土壤样品的全氮含量用半微量凯氏定氮法测定,全磷含量用钼锑抗比色法测定,全钾含量用火焰光度法 测定。土壤碱解氮采用碱解蒸馏法测定,速效磷用盐酸氟化铵法测定,速效钾用醋酸铵浸提火焰光度法测定。1.4 研究方法 1.4.1 土壤养分质量含量转换为体积含量 土壤营养元素的体积含量=土壤营养元素质量含量土壤体积土壤容重,式中:土壤体积=底面积(S)高(H)
24、。为统一体积,底面积均选取一亩胡杨林地(a)高各垂直土层均用 10 cm 做标准单位。1.4.2 土壤养分有效率 土壤营养元素全库是反映为植被提供养分的潜在能力;有效库是指处于水溶态和交换态被植物利用的养分,本文用不同龄组胡杨林中土壤全库和有效库比值代表土壤有效率,其表征胡杨林在不同发育阶段土壤肥力的动态变化。土壤某一营养元素有效率=该元素有效库值该元素全库值100%1.4.3 单位面积胡杨林不同器官养分净积累量估算 根据乔木各器官与总生物量的相对生长模型W=a(D2H)b对标准木实测数据进行拟合,得出树木各组份的回归方程,再对单株各器官(根、干、枝、叶)的生物量进行估测与其含氮量、含磷量及含
25、钾量的乘积得到单株养分积累量,再根据林分密度计算出1 亩胡杨林不同器官养分积累量11。1.5 数据分析 使用 Excel 2010 进行数据处理,SPSS 20.0 进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比较(LSD),用 sigmaplot14.0 绘图。2 结果与分析 2.1 土壤有机碳及全量养分随林龄和土层的变化特征 2.1.1 土壤有机碳含量特征 土壤有机碳含量随着土壤深度的增加呈现上升的变化趋势(图 1)。幼龄林土壤有机碳含量显著低于其他 4 个林龄胡杨林(P成、过熟林幼龄林(P0.05)。2.1.2 土壤全量养分含量特征 胡杨林土壤中全氮含量较低,土壤全氮含量随着土
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