第一章 绪论
1.1引言
人工林的快速发展在很大程度上满足了人类对林产品的需求，但人工林栽培带来的树种单一、森林生态系统失衡、生产力下降等问题，逐渐引起各国对林分长期生产力和维持地力问题的关注（杨玉盛等，2002）。森林生态系统发育过程具长期性和复杂性，其养分吸收和分配过程存在很多不确定因素，尤其在人工林生态系统中，由于人类经营活动的影响，周期性采伐，大量的养分随着木材及其他器官的收获而被移出，导致系统养分的净消耗，也使得林地养分过程变得更为复杂（Turner et al，2008）。速生、短轮伐期人工林在收获时会带走大量养分，了解养分循环与维持地力和长期生产力的关系至关重要（Ma et al，2007）。
森林生态系统的养分循环规律和特点在很大程度上制约着森林地力变化的方向和强度，研究其一定条件养分循环规律和特点以及与各因素的相互关系，不仅能阐明生态系统物质循环机制，对指导生产实践，调节和改善各种限制因素，提高养分元素的循环速率和利用效率、最大限度地提高生态系统的生产力也具有重要作用。日本落叶松（Larix kaempferi）是适应范围最广、生产潜力最大的一种落叶松，具有生长快、抗性强、高产优质等特性。自 19 世纪末引入我国以来，一直受到林业研究人员的普遍关注和重视，已成为温带、暖温带和北亚热带高山区营造短周期工业用材林的主要树种（孙晓梅等，2007；马常耕等，2008）。已有学者对我国东北林区重要造林树种的长白落叶松（Larix olgensis）、适生于山西、河北北部的华北落叶松（Larixprincipis-rupprechtii）以及分布在大兴安岭林区的兴安落叶松（Larix gmelinii）人工林的土壤性质变化及养分循环进行了研究，认为在我国北方落叶松纯林经营中由于凋落物分解缓慢、养分吸收与实际归还量不协调，导致土壤养分含量下降，土壤物理性质恶化，存在着地力衰退的趋势。
对于引种的日本落叶松在整个生长发育过程是否存在地力衰退、凋落物层养分的积累和释放规律、养分生物循环特征等研究至今未见报导。因此，本文以甘肃小陇山林区不同发育阶段日本人工林为研究对象，分析人工林林分养分含量、积累及分配特征，并对凋落物量及分解速率、土壤性质的变化规律进行研究，以揭示养分在植物-土壤-凋落物的流动规律，阐明维持日本落叶松人工林生产力的机理和生态过程，为物质循环、能量交换等研究提供基础资料，也为维护日本落叶松人工林生态系统的稳定和其可持续发展提供可寻依据。
1.2研究概述
Liebig 于 1840 年在其所著的《有机化学及其在农业和生理学中的应用》一书中，分析了土壤营养元素与植物生长的关系，提出了养分最小定律。1876 年， Ebermayer 测定了德国巴伐利亚地区阔叶林和针叶林的养分含量，首次阐述了森林凋落物在养分循环中的重要性。1967 年，Bazilevich 和 Bobin 根据森林生物量大小、凋落物组成、分解速率等特征将世界植被类型进行分类，推动了矿质循环研究从植物养分学扩展到生物地球化学领域。Borman 等（1981）采用小集水区技术进行了系统水平上的水文循环和养分循环的定量测定，极大地简化了地球化学循环中气象与水分因素养分输出与输入的测定与分析。之后，养分循环的研究成为了各国学者研究的重要领域，瑞典、美国、前苏联、日本、英国等对各类生态系统的养分循环进行了大量的研究，内容涉及森林各组分养分含量的静态分布、动态特征、养分生物循环等（Turner et al，1986；Vitousek et al，1984、1995；Berger et al，2009）。
第二章 日本落叶松人工林植被层养分特征
森林生态系统中进行初级生产，既是能量的固定过程，亦是营养元素的积累过程。植物的种类、生长发育期、生存环境、群落的组成和结构、土壤的特性等因子都直接或间接地影响着植物营养元素含量（张希彪等，2005）。由于器官的生理机能不同，对养分的需求量也不同；不同营养元素在植物体内的功能不同，因此营养元素在植物不同器官及不同营养元素在同一器官中的含量存在很大的差异。养分的积累与分配，决定着收获时林地所消耗的养分量，因此本章对不同发育阶段日本落叶松人工林的乔木层、灌木层、草本层中养分（N、P、K、Ca、Mg）含量、积累与分配进行研究，为物质的循环与流动提供基础资料。
2.1 研究区概况及研究方法
2.1.1 研究区概况研究
地位于甘肃小陇山林区李子园林场（105°48′～106°05′ E，34°09′～34°16′ N），地处秦岭西部，海拔在 700～2 500 m 之间，相对高差 500～1 000 m。该区处于我国暖温带南缘与北亚热带的过渡地带，气候温暖湿润，大多数地域属于暖温带-中温带半湿润大陆性季风气候类型，年均温 7～12 ℃，极端最高气温 39.2 ℃，极端最低气温-23.2 ℃，≥10℃积温 2 444～3 825 ℃，年降水量 460～800 mm，降水量主要集中分布在 7、8、9 月，一般春秋降雨量占年降雨量的 70～80 %，年蒸发量 989～1 658 mm，相对湿度 68～78 %，无霜期 120～218 d。小陇山属于中深度切割的中山地貌类型，山体陡峭严峻，坡度平均在 30°左右，土壤类型为山地褐色森林土。落叶松人工林林下主要植被有平榛（Corylusheterophylla）、栓翅卫矛（Euonymus phellomanus）、黄蒿（Artemisia annua）、牡蒿（Artemisiaeriopoda ）、草木犀（Melilotus officinalis）、疏刺悬钩子（Rubus pileatus ）、羊胡子草（Eriophorum scheuchzeri）等。
第二章 日本落叶松人工林植被层养分特征........................................................10
2.1 研究区概况及研究方法 ........................................................................... 10
2.1.1 研究区概况.............................. 10
2.1.2 研究方法.................................. 11
2.2 结果与分析 ................................. 12
2.2.1 落叶松林分养分含量................................................................. 12
2.2.2 落叶松林分养分积累........................................................................ 16
2.2.3 植被层养分含量与积累........................................................................ 19
2.3 小结 ......................................22
第三章 日本落叶松人工林凋落物量及养分特征................................................25
3.1 研究方法 ..............................25
3.2 结果与分析 ................................. 27
第四章 日本落叶松人工林土壤理化性质.........................................................43
4.1 研究方法 ..............................43
4.1.1 样地的选择.............................. 43
4.1.2 样品的采集与测定....................................................... 43
4.1.3 数据处理.................................. 44
4.2 结果与分析 ................................. 44
结论
（1）不同发育阶段日本落叶松林分不同器官的养分含量整体表现为：绿色部分（针叶、灌木叶、草本地上部分）最高，林下植被地下部分（草本地下部分、灌木根）次之，灌木枝再次之，树皮、树枝、树根、树干最低。随着林龄的增加，植被层养分积累量不断的增大，4 个发育阶段养分积累总量分别为 562.83 kg•hm-2、842.24 kg•hm-2、1020.46kg•hm-2、1317.38 kg•hm-2，幼龄阶段养分的积累主要集中在林下植被中，占总积累量的79.5%，其余 3 个阶段养分积累主要集中在乔木层中，乔木层养分积累量所占比例分别为77.8%、79.1%、79.2%。表明在幼龄林阶段，林下植物生长旺盛，积累了大量的养分，虽然其易分解、循环速度快，但也需要很长的时间才能经过微生物作用而归还于土壤，所以应及时对幼龄林进行抚育，促进幼龄林早期旺盛生长，加速郁闭成林，并且在抚育时应尽量不要将割下的灌木和杂草移除，避免养分的损失。
（2）林分年凋落量随着林龄的增加呈倒“V”字形，在幼龄林阶段凋落物最少为 1260.8kg•hm-2，中龄林阶段达到最大为 3911.7 kg•hm-2，随后降低，近熟林和成熟林年凋落物量分别为 3728.7 kg•hm-2和 3314.2 kg•hm-2。养分年归还量随着林龄的增加而增大，分别为46.52 kg•hm-2、100.89 kg•hm-2、126.77 kg•hm-2、142.37 kg•hm-2。凋落物现存量随林龄的增加与年凋落量的变化相似也呈倒“V”字形变化，但有滞后现象，幼龄林阶段最低为2370 kg•hm-2、中龄林阶段为 8340 kg•hm-2、在近熟林阶段达到最大为 12260 kg•hm-2，成熟林又降低为 5820 kg•hm-2，凋落物层养分积累量与凋落物现存量变化趋势相同，4 个阶段分别为 88.11 kg•hm-2、319.31 kg•hm-2、501.53 kg•hm-2、297.43 kg•hm-2。5 种元素无论是在凋落物年归还量还是凋落物层贮量，均是以 N 和 Ca 的积累量为最大，K 和 Mg 居中，P 最小。日本落叶松具有早期速生的特性，一般在 10～15 a 时树高和胸径进入速生期，这阶段林木迅速生长，林冠高度郁闭，林下植被相对稀少，并且林分对养分的需求越来越多，而林下阴湿的环境条件不利于土壤微生物的繁殖和活动，凋落物分解量小于归还量，导致土壤养分含量降低，因此为维持土壤肥力，应适当对林分进行间伐。此外可考虑营造针阔混交林，改变凋落物组分，以达到加快凋落物分解、提高养分的归还的目的。