平朔露天煤矿复垦区刺槐油松混交林凋落物分解特性

卢 宁，李晋川，岳建英，郭春燕，王 翔，董 娟

（山西省生物研究所，山西 太原 030006）

平朔露天煤矿复垦区刺槐油松混交林凋落物分解特性

卢 宁，李晋川，岳建英，郭春燕，王 翔，董 娟

（山西省生物研究所，山西 太原 030006）

采用凋落物分解袋野外埋置法，对平朔露天煤矿复垦区刺槐油松混交林凋落物分解过程及其养分动态进行了分析。结果表明，凋落叶年分解速率表现为刺槐（51.27%）＞混合（39.48%）＞油松（29.05%）；由Olson模型拟合的年分解系数表现为刺槐（0.71）＞混合（0.46）＞油松（0.33）；分解50%和95%所需时间均表现为油松＞混合＞刺槐；各类型凋落叶分解95%所需时间约为分解50%所需时间的4倍；在1 a的分解过程中，各类型凋落叶的C，K均表现为直接释放模式，刺槐的N和P表现为富集模式，油松的N和P表现为淋溶—富集—释放模式，混合叶的N表现为富集模式，P表现为淋溶—富集模式。刺槐和油松凋落叶的混合分解较油松凋落叶单独分解表现出明显的促进作用。

平朔露天煤矿；复垦区；刺槐油松混交林；凋落物；分解速率；养分动态

森林凋落物是森林植被在其生长发育过程中，通过新陈代谢产生并归还到林地表面的产物[1]，包括森林内乔木和灌木的枯枝、落叶、落皮和繁殖器官，野生动物的残骸及其代谢产物，以及林下枯死的草本植物及枯死植物的根。凋落物作为养分的基本载体，是连接植物与土壤的重要“纽带”，在维持土壤肥力、促进森林生态系统物质循环和养分平衡等方面发挥了重要作用[2]。作为森林生态系统碳库的重要组成部分，在森林生态系统碳储存和碳转移中发挥着重要作用，凋落物产量、动态及其分解过程的研究已成为全球变化相关研究的重要内容之一[3]。

我国学者自20世纪60年代初开展森林凋落物研究，目前已对全国多种类型森林凋落物的分解特征进行了研究，并取得了丰硕的研究成果[4-9]。但对露天煤矿复垦区人工林凋落物分解过程还缺乏研究。

本试验选择平朔露天煤矿南排土场刺槐油松混交林为研究对象，通过凋落叶野外埋置试验及实验室分析，掌握凋落叶分解速率及分解过程中的养分动态，为平朔矿刺槐油松混交林养分循环、林地培肥、生态恢复效果评价提供理论依据。

1 研究区和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于平朔矿区南排土场内，地处山西省朔州市平鲁区境内，东经 112°11′～113°30′，北纬39°23′～39°37′。平朔矿区属典型的温带半干旱大陆性季风气候，降雨集中在夏、秋两季，冬春干旱少雨。矿区年平均气温4.8～7.8℃，夏季最高温度37.9℃，冬季最低温度-32.4℃。年平均降雨量428.2～449.0 mm，年蒸发量1 786.6～2 598.0 mm。无霜期为115～130d。矿区年平均风速为2.5～4.2m/s，最大风速为20 m/s。矿区地带性植被属于干草原类型，覆盖率低。矿区土壤为栗钙土与栗褐土的过渡类型，风化强烈且土质偏砂。

平朔矿区是我国最大的露天煤矿，经过20多年的生态修复，目前已形成约2 000 hm2的生态恢复区。山西省生物研究所土地复垦与生态修复课题组在对平朔矿区排土场复垦地20余年跟踪调查研究的基础上，根据复垦植被类型、立地条件、海拔、地貌、坡向、林龄等因素，于2010年利用全站仪建设了固定监测样地，面积1 hm2。将样地划分为100个10 m×10 m的样方，对每个样方内胸径＞1 cm的乔木进行定位并挂牌，同时测定其胸径、高度、冠幅、枝下高，并对灌木、草本进行高度、多度、盖度、生活力调查。

所选刺槐油松混交林样地，植被类型为刺槐、油松混交，零星分布有榆树，立地条件为土石混排，海拔 1 360 m，地形为阳坡，坡度为 20°～22°，树龄为21 a，平均树高6.84 m，平均胸径8.75 cm，凋落物层厚度5 cm，林下优势草本植物有披碱草、阿尔泰狗娃花、大籽蒿、无芒雀麦。

1.2 研究方法

1.2.1 凋落叶分解野外埋置试验 2013年10月底在样地内收集当年凋落叶，在80℃下烘干至恒质量，用精度为0.001 g的电子天平，分别称取待分解的刺槐、油松和混合凋落叶试验样品18份，每份15 g（混合凋落叶样品中，刺槐、油松各7.5 g），分别装入尼龙网分解袋内，分解袋孔径为0.5 mm，规格为20 cm×20 cm，装入样品后的厚度不超过1 cm。按随机布设法，在样地内埋置分解袋，分解袋位于土层下5 cm。2014年5—10月按月分6次进行取样，每次取出3个刺槐、油松和混合样品分解袋。将取出的凋落叶分解袋放在装有冰袋的临时保温箱内带回实验室，去除表面杂物后在80℃下烘干至恒质量并称质量，计算分解速率。然后将凋落物粉碎，制成待分析样品。

1.2.2 分解速率和模型

式中，DWT为某一时间内实测的分解速率，ΔW为每月所取样品的失质量（g），W0为埋置时分解袋内样品的初始质量（g）。

用Olson模型[10]，凋落物分解指数模型为如下。

式中，y为凋落物的残留率（%），a为拟合参数，t为分解时间，k为凋落物的分解系数。

由分解模型可以计算，凋落物分解50%时间为t0.5＝ln0.5/-k；分解 95%的时间为 t0.95＝ln0.05/-k。

1.2.3 养分元素测定 有机碳测定采用硫酸-重铬酸钾外稀释法，全氮测定采用凯氏定氮蒸馏法，全磷测定采用钒钼黄比色法，全钾测定采用原子吸收分光光度计法。

2 结果与分析

2.1 凋落叶分解速率

由表1可知，2014年5月（分解209 d）第1次取样，林地内气候干燥，降水量小，土壤微生物活动弱，凋落叶仅有少量分解；其后（分解209～303 d）由于气温逐渐升高，降水增加，微生物活动加剧，凋落叶分解过程逐渐加快；分解303～367 d，气温降低，降水减少，环境条件不利于微生物活动，凋落叶分解速率放缓。在整个埋置期，各类型凋落叶分解均呈逐步加速趋势，经过367 d的分解，分解速率表现为刺槐（51.27%）＞混合（39.48%）＞油松（29.05%）。

表1 刺槐油松混交林凋落叶分解速率 %

2.2 凋落叶分解过程模型

由表2可知，各类型凋落叶分解模型的相关系数均很高，与试验数据拟合效果很好（R2＞0.8），凋落叶年分解系数表现为刺槐（0.71）＞混合（0.46）＞油松（0.33）。分解50%和95%所需时间均表现为油松＞混合＞刺槐。各类型凋落叶分解95%所需时间约为分解50%所需时间的4倍，这充分体现了凋落叶前期的分解速率快而后期慢的特点。

表2 刺槐油松混交林凋落叶分解模型

2.3 凋落叶分解过程中养分元素动态

由表3可知，在1 a的分解过程中，各类型凋落叶的C含量持续降低，表现为直接释放模式。各类型凋落叶N含量动态，刺槐、混合整体表现为富集模式；油松表现为淋溶—富集—释放模式。P含量动态，刺槐整体表现为富集模式；油松表现为淋溶—富集—释放模式；混合叶表现为淋溶—富集模式。各类型凋落叶的K含量持续降低，表现为直接释放模式。刺槐、混合叶的C/N波动变化，整体表现为降低；油松的C/N没有较明显的变化规律。

表3 刺槐油松混交林凋落叶分解过程中养分含量动态变化

3 结论与讨论

3.1 凋落叶分解速率

森林凋落物的分解过程是一个包含物理、化学和生物过程的复杂的复合过程，影响因素主要包括气候条件、凋落物性质、土壤状况、土壤动物和微生物活动等。凋落物年分解速率实际就是凋落物的年失重率，是描述凋落物分解过程的重要指标之一[5]。

本研究中刺槐、油松和混合凋落叶的年分解速率分别为51.27%，29.05%，39.48%。而胡肄慧等[6]研究发现，北京西郊刺槐凋落叶年分解速率为54%。赵勇等[11]研究表明，太行山刺槐年分解率超过20%。刘勇等[7]研究发现，北京延庆县21，29，36年生油松林年分解率分别为26.97%，26.10%，23.96%。郭芳琴等[12]研究表明，沈阳城市和城郊油松凋落叶年分解速率分别为18.4%，35%。何帆等[13]研究表明，秦岭火地塘林区油松年分解率为25.2%。孟玉珂等[14]研究表明，小陇山林区油松年分解率为18.4%。以上研究结果说明，同一树种的凋落叶分解速率受气候条件、立地条件、林龄、林分结构、生长状况、土壤类型等因素的影响而不同。

本研究表明，刺槐、油松凋落叶混合分解较油松凋落叶单独分解表现出明显的促进作用。这与我国报道的针阔叶树种混合分解的研究结果较为一致，即针阔叶树种混合分解有明显的促进作用[4，9，15-16]。

3.2 凋落叶分解过程模型

在一个完整的凋落物分解过程中，分解速率随分解过程的进行而不断变化，而基于Olson模型的分解速率指标是稳定的，较其他模型有更强的可比性[5]。本研究采用Olson模型来拟合凋落物分解过程并获得其分解系数（k），k值的大小可以反映凋落物分解过程的基本特征。华北地区k值的经验值一般在 0.209～0.990[6，8]，本研究的刺槐、油松和混合凋落叶的k值分别为0.71，0.33，0.46，总体上符合凋落物分解速率的气候地带性规律。

3.3 凋落叶分解过程中养分动态变化

森林凋落物在分解过程中的养分释放模式主要有淋溶—富集—释放模式、富集—释放模式、直接释放模式[17]等3种。

本研究中，各类型凋落叶在1 a的分解过程中，C，K均表现为直接释放模式。刺槐的N和P表现为富集模式。油松的N和P表现为淋溶—富集—释放模式。混合叶的N表现为富集模式，P表现为淋溶—富集模式。赵勇等[11]研究发现，太行山刺槐在1 a分解过程中，N，P元素均呈现富集—释放模式。贾黎明等[18]研究发现，北京大兴刺槐纯林凋落叶在1 a分解过程中，N，P元素呈现富集—释放模式，K呈现释放模式。郭芳琴等[12]研究发现，沈阳城郊油松凋落叶在分解过程中，N，P含量保持总体上升的富集趋势。何帆等[13]研究发现，秦岭火地塘林区油松凋落叶C元素在分解2 a中呈逐步下降趋势，N，P元素在分解第1年均表现出富集现象。邵玉琴等[19]研究发现，内蒙古皇甫川流域油松针叶在441 d的分解过程中，N，P元素呈小幅度的缓慢释放。以上研究表明，相同树种的凋落叶在不同样地分解过程中，养分含量动态变化不一致，除受气候条件影响外，还与该树种的林龄、生长状况、林地的立地条件、土壤肥力状况等因素密切相关。

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Decomposition Characteristics of Litter Fall inRobinia pseudoacacia×Pinus taebelaefolius Mixed Forest in Reclamation Region of Pingshuo Opencast Coal Mine

LUNing，LI Jinchuan，YUE Jianying，GUOChunyan，WANGXiang，DONGJuan
（BiologyInstitute ofShanxi，Taiyuan 030006，China）

Byburyingthe field little fall decomposition bags,the paper analyzed the decomposition process and nutrient dynamic of litter fall in Robinia pseudoacacia×Pinus taebelaefolius mixed forest in reclamation region in Pingshuo opencast coal mine.The results showed that the annual decomposition rate was in the order:Robinia pseudoacacia（51.27%）＞mixed（39.48%）＞Pinus taebelaefolius（29.05%）.The decomposition coefficient fitting by Olson's model,was in the order:Robinia pseudoacacia（0.71）＞mixed（0.46）＞Pinus taebelaefolius（0.33）,the time of decomposition 50%（t0.5）and 95%（t0.95）were in the order:Pinus taebelaefolius＞mixed＞Robinia pseudoacacia,t0.5was about four times the size of t0.95.In one year decomposition period,C and K appeared to release immediateness.N and P appeared to enrichment in Robinia pseudoacacia,leaching-enrichment-release in Pinus taebelaefolius.In the mixed,N appeared to enrichment,P appeared to leaching-enrichment.The mixed decomposition of Robinia pseudoacacia and Pinus taebelaefolius showed obvious promotion compared with the individuallydecomposition ofPinus taebelaefolius.

Pingshuo opencast coal mine;reclamation region;Robinia pseudoacacia×Pinus taebelaefolius mixed forest;litter;decomposition rate；nutrient dynamic

S714

A

1002-2481（2017）11-1810-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.11.19

2017-09-20

国家“十二五”科技支撑计划课题（2012BAC10B04）；山西省科技重大专项（20121101007）；山西省青年科技研究基金项目（2013021030-4）

卢 宁（1984-），男，山西阳城人，助理研究员，主要从事矿区土地复垦与生态修复研究工作。李晋川为通信作者。