羅 達(dá), 史作民, 王衛(wèi)霞, 劉世榮, 盧立華, 明安剛, 于浩龍

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 憑祥 532600 3 廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站, 憑祥 532699

南亞熱帶格木、馬尾松幼齡人工純林及其混交林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量

羅 達(dá)1, 史作民1, *, 王衛(wèi)霞1, 劉世榮1, 盧立華2, 3, 明安剛2, 3, 于浩龍2, 3

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 憑祥 532600 3 廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站, 憑祥 532699

研究比較了南亞熱帶6年生格木(Erythrophleumfordii)、馬尾松(Pinusmassoniana)幼齡人工純林及馬尾松與格木混交林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量及其分配特征。結(jié)果表明，生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量依次為馬尾松-格木混交林(137.75 t/hm2)>格木純林(134.07 t/hm2)>馬尾松純林(131.10 t/hm2)，總氮儲(chǔ)量則為格木純林(10.19 t/hm2)>馬尾松-格木混交林(8.68 t/hm2)>馬尾松純林(7.01 t/hm2)。3種人工林生態(tài)系統(tǒng)碳氮庫(kù)空間分布基本一致，絕大部分儲(chǔ)存于0—100 cm土壤層，平均占生態(tài)系統(tǒng)總儲(chǔ)量的81.49%和96.91%，其次為喬木層(分別占17.52%和2.69%)，林下植被和凋落物層所占比例最小。林地土壤碳主要集中于表土層，其中0—30 cm土層平均碳儲(chǔ)量為52.52 t/hm2，占土壤總碳儲(chǔ)量(0—100 cm)的47.99%，土壤氮的分布則無(wú)明顯規(guī)律。相比于純林，與固氮樹(shù)種混交的營(yíng)林方式表現(xiàn)出更大的碳儲(chǔ)存能力。3種幼齡人工林生態(tài)系統(tǒng)較低的地上與地下部分碳氮分配比，表明其仍具有較強(qiáng)的碳氮固持潛力。

碳氮儲(chǔ)量; 幼齡林; 固氮樹(shù)種; 人工林經(jīng)營(yíng); 南亞熱帶

森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)二氧化碳的固持作用被認(rèn)為是恢復(fù)自然生態(tài)系統(tǒng)碳平衡，減緩全球氣候變暖趨勢(shì)的一個(gè)重要機(jī)制[1]。然而，森林碳庫(kù)大小與碳固持能力因林分年齡、樹(shù)種組成、土壤類(lèi)型、氣候條件及經(jīng)營(yíng)管理方式而異[2-3]。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，通過(guò)造林、再造林和人工林經(jīng)營(yíng)管理提高森林生態(tài)系統(tǒng)的碳固持能力已被人們廣泛的接受[4]。

人工林正逐步成為世界森林資源的關(guān)鍵組分，并在整個(gè)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)的人工林能降低天然林日益減少帶給人類(lèi)的壓力，補(bǔ)償部分本由天然林所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，并能通過(guò)有效的碳固存來(lái)緩解全球氣候變化[5]。在我國(guó)亞熱帶地區(qū)，造林、再造林已成為商業(yè)林生產(chǎn)的重要手段。然而，隨著大規(guī)模、持續(xù)的單一人工針葉林(如馬尾松(Pinusmassoniana)和杉木(Cunninghamialanceolata)等)或桉樹(shù)(Eucalyptussp.)等外來(lái)樹(shù)種短周期工業(yè)用材林的發(fā)展，造成了我國(guó)人工林存在的諸如生物多樣性喪失，土壤肥力退化，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低等問(wèn)題[6]。因此，許多不同功能型的樹(shù)種(如鄉(xiāng)土珍貴闊葉樹(shù)種和固氮樹(shù)種等)被用于人工林的營(yíng)建[7]。前人研究表明，與固氮樹(shù)種混交可實(shí)現(xiàn)諸如加快土壤養(yǎng)分循環(huán)速率[8-9]，改善土壤肥力[10]，提高林分生產(chǎn)力[11-12]和碳儲(chǔ)量[13-14]的目的。Johnson[15]的研究也證實(shí)固氮樹(shù)種的引入顯著提高了土壤的碳儲(chǔ)存能力。

目前，有關(guān)不同人工林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量的研究國(guó)內(nèi)外已有較多報(bào)道[16-19]。然而，這些報(bào)道大多是基于不同林分、不同林齡或不同經(jīng)營(yíng)管理方式而開(kāi)展，如王衛(wèi)霞等[16]研究了廣西熱林中心白云實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)平均林齡為32a的格木(Erythrophleumfordii)、紅錐(Castanopsishystrix)和馬尾松3種人工純林生態(tài)系統(tǒng)平均碳氮儲(chǔ)量及其空間分布特征；不同林齡的長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)和不同林齡的紅椎人工林喬木層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量均隨著林齡的增長(zhǎng)而持續(xù)增加[17-18]；樟樹(shù)(Cinnamomumcamphor)人工林林下植被撫育增加了植被碳儲(chǔ)量，但降低了土壤和生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量[19]。然而，對(duì)固氮樹(shù)種營(yíng)建幼齡人工純林和混交林后，其生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量及其分配特征的研究卻相對(duì)缺乏。為此，本文以南亞熱帶具有相同經(jīng)營(yíng)歷史與立地條件的3種不同類(lèi)型人工林生態(tài)系統(tǒng)(格木純林，馬尾松-格木混交林，馬尾松純林)為對(duì)象，研究比較不同經(jīng)營(yíng)模式下人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮儲(chǔ)量及其分配特點(diǎn)，旨在為該地區(qū)人工林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中如何提高生產(chǎn)力和碳氮固持能力的樹(shù)種選擇與經(jīng)營(yíng)方式提供科學(xué)參考。

1 研究地點(diǎn)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于廣西西南邊陲的中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心大青山實(shí)驗(yàn)場(chǎng)(22°10′ N，106°42′ E)，地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的西南部，屬濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候。境內(nèi)光照、水熱資源豐富，干濕季節(jié)明顯。年均氣溫20.5—21.7 ℃，極端高溫40.3 ℃，極端低溫-1.5 ℃；≥10 ℃活動(dòng)積溫6000—7600 ℃。年均降雨量1200—1500 mm，年蒸發(fā)量1261—1388 mm，相對(duì)濕度80%—84%。地貌類(lèi)型以低山丘陵為主，坡度25°左右。土壤為磚紅壤性紅壤，土層深100 cm，腐殖質(zhì)厚1 cm[20]。

選擇該區(qū)域2006年?duì)I建的格木純林、馬尾松純林及馬尾松與格木混交林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象。格木、馬尾松均為該區(qū)域主要的造林、再造林樹(shù)種，且格木為該地區(qū)主要的鄉(xiāng)土固氮珍貴闊葉樹(shù)種，可通過(guò)自身固氮根瘤將大氣氮轉(zhuǎn)化為可利用含氮化合物。研究區(qū)造林地均為馬尾松采伐跡地，立地條件基本一致。混交林為隔行隔株混交，即一行馬尾松、一行馬尾松與格木隔株種植，混交比例為3∶1，長(zhǎng)方形配置。格木林林下草本以海金沙(Lygodiumjaponicum)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)和鐵芒萁(Dicranopterisdichotoma)為優(yōu)勢(shì)種，極少見(jiàn)灌木，林下植被總蓋度為25%；馬尾松與格木的混交林林下草本以海金沙、蔓生莠竹(Microstegiumvagans)和弓果黍(Cyrtococcumpatens)為優(yōu)勢(shì)種，灌木優(yōu)勢(shì)種為杜莖山(Maesajaponica)，灌木草本總蓋度為80%；馬尾松林林下草本優(yōu)勢(shì)種為蔓生莠竹、弓果黍和淡竹葉(Lophatherumgracile)，灌木優(yōu)勢(shì)種為杜莖山，灌木草本總蓋度為85%。試驗(yàn)林分基本情況見(jiàn)表1。

表1 研究樣地林分基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

按坡位上、中、下于每種林分內(nèi)分別設(shè)置5個(gè)大小為20 m × 20 m的樣方。在每個(gè)20 m × 20 m樣方中按對(duì)角線方向設(shè)置5個(gè)2 m × 2 m的小樣方用于林下灌木生物量的調(diào)查，同樣的方法設(shè)置1 m × 1 m的草本和枯落物生物量小樣方各5個(gè)。

1.2.2 喬木、灌木、草本及枯落物生物量測(cè)定

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)格木進(jìn)行每木檢尺，根據(jù)每木檢尺結(jié)果，按徑級(jí)選取26株標(biāo)準(zhǔn)木(樣方外)進(jìn)行生物量測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)木伐倒后，地上部分分別測(cè)定樹(shù)葉、樹(shù)枝和樹(shù)皮鮮重，樹(shù)干以2 m為區(qū)分段，分段測(cè)定鮮重，地下部分采用“全挖法”測(cè)定樹(shù)根鮮質(zhì)量[16]。同時(shí)，按不同器官采集伐倒木各器官的分析樣品，實(shí)驗(yàn)室80 ℃下烘干至恒重，測(cè)定含水率并按器官計(jì)算干重。最終根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)木的各器官干重生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立格木各器官生物量方程(表2)。馬尾松則根據(jù)張仕光等[21]所建立的生物量預(yù)測(cè)模型直接估算各器官生物量。

采用“收獲法”實(shí)測(cè)小樣方中灌木和草本地上、地下兩部分及枯落物現(xiàn)存量鮮重，并取混合樣，實(shí)驗(yàn)室烘干計(jì)算含水率和干重。

表2 格木人工林單株生物量回歸方程

1.2.3 樣品采集與分析

在設(shè)置的每個(gè)20 m × 20 m樣方內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)土壤剖面，沿剖面按0—10 cm、10—30 cm、30—50 cm、50—75 cm和75—100 cm將土壤分為5層，100 cm3的環(huán)刀取樣，105 ℃下烘干至恒重測(cè)定各層土壤容重。此外，取各層土壤混合樣和林下植被及枯落物各組分混合樣，土樣去根系與粗石，風(fēng)干、磨碎過(guò)100目篩；植物樣品80 ℃下烘干、粉碎過(guò)60目篩。

所有土壤和植物樣品的有機(jī)碳含量均采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定；全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定[22]。格木和馬尾松喬木各器官碳氮含量直接引用王衛(wèi)霞等[16]的分析結(jié)果。

1.2.4 碳氮儲(chǔ)量計(jì)算

植被層各組分(包括喬木、灌木、草本和枯落物)碳氮儲(chǔ)量由各自碳氮含量與干重生物量之積計(jì)算而得。

土壤總有機(jī)碳和總氮儲(chǔ)量計(jì)算公式如下[23]：

(1)

(2)

式中，TC和TN分別為總有機(jī)碳和總氮儲(chǔ)量(t/hm2)；Ci和Ni分別為第i層土壤有機(jī)碳和氮含量(g/kg)；Li為第i層土壤厚度(cm)；BDi為第i層土壤容重(g/cm3)；0.1為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

人工林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量根據(jù)植被層各組分與土壤各層碳氮儲(chǔ)量之和計(jì)算。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)不同人工林各組分碳氮含量和儲(chǔ)量間的差異性，并用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較。所有方差分析均在統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 16.0中進(jìn)行，顯著性差異均在P0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層碳氮儲(chǔ)量及空間分布

根據(jù)植被層各組分碳氮含量計(jì)算出各人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層各組分有機(jī)碳氮儲(chǔ)量(表3)。格木純林植被層有機(jī)碳儲(chǔ)量為18.25 t/hm2，顯著低于馬尾松-格木混交林(27.99 t/hm2)和馬尾松純林(28.31 t/hm2)(P<0.05)。格木純林植被層氮儲(chǔ)量(0.35 t/hm2)則明顯高于馬尾松混交林(0.26 t/hm2)和馬尾松純林(0.19 t/hm2)(P<0.05)(表3)。

格木、混交林和馬尾松林喬木層碳儲(chǔ)量分別為17.61、26.26 t/hm2和26.69 t/hm2；氮儲(chǔ)量則分別為0.33、0.22 t/hm2和0.15 t/hm2。格木人工林林下灌草碳氮儲(chǔ)量分別為0.253 t/hm2和0.009 t/hm2，明顯低于馬尾松-格木混交林(分別為1.177 t/hm2和0.029 t/hm2)和馬尾松純林(分別為1.219 t/hm2和0.031 t/hm2)(P<0.05)。3種人工林枯落物層碳儲(chǔ)量無(wú)顯著差異，而氮儲(chǔ)量則是格木人工林(0.016 t/hm2)明顯高于馬尾松混交林(0.011 t/hm2)和馬尾松純林(0.008 t/hm2)(P<0.05)(表3)。

3種人工林植被層各組分空間分配格局表明，植被層碳儲(chǔ)量主要集中在喬木層，占植被層總儲(chǔ)量的95.2%，林下灌草和枯落物碳儲(chǔ)量所占比例非常小，二者總量約為植被層總儲(chǔ)量的5.0%。喬木各器官中，樹(shù)干作為主體部分，占喬木層碳儲(chǔ)量的54.04%，其次為樹(shù)根(16.61%)，其他部分(樹(shù)葉、樹(shù)枝和樹(shù)皮)占29.35%。植被層氮儲(chǔ)量同樣主要集中在喬木層，占植被層總儲(chǔ)量的85.6%。喬木層各器官氮儲(chǔ)量的分布與碳儲(chǔ)量有所不同，樹(shù)葉占主要部分(占喬木層的37.7%—42.5%)，樹(shù)干、樹(shù)根、樹(shù)枝和樹(shù)皮所占比例相當(dāng)。

表3 不同人工林植被層碳氮儲(chǔ)量

2.2 人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤層碳氮儲(chǔ)量及空間分布

2.2.1 土壤層碳氮含量

不同林分土壤各層碳氮含量分析結(jié)果見(jiàn)表4。從3種林分看，土壤各層有機(jī)碳和氮含量依次均為格木純林>混交林>馬尾松純林。方差分析結(jié)果表明，固氮樹(shù)種格木純林和非固氮樹(shù)種馬尾松純林土壤氮含量差異顯著(P<0.05)；而3種人工林土壤有機(jī)碳含量差異不顯著。

從林分各層土壤有機(jī)碳和氮含量看，0—10 cm表層土壤碳氮平均含量均最高，分別為17.84 g/kg和1.06 g/kg，明顯高于其它各層(P<0.05)，并呈現(xiàn)隨土層深度增加含量明顯降低的規(guī)律(表4)。

2.2.2 土壤層碳氮儲(chǔ)量及分配格局

根據(jù)土壤各層碳氮含量計(jì)算出各人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤各層和總碳氮儲(chǔ)量(表5)。不同人工林中，土壤各層有機(jī)碳儲(chǔ)量差異不顯著，氮儲(chǔ)量則為格木純林顯著高于馬尾松純林(P<0.05)。格木純林0—100 cm土壤有機(jī)碳和氮儲(chǔ)量分別為115.82 t/hm2和9.84 t/hm2，高于馬尾松-格木混交林(分別為109.76 t/hm2和8.42 t/hm2)，顯著高于馬尾松純林(分別為102.79 t/hm2和6.82 t/hm2)(P<0.05)(表5)。

3種人工林土壤碳儲(chǔ)量的空間分布基本一致，均隨土層深度增加而降低。格木、混交林和馬尾松林林地0—10 cm土壤碳儲(chǔ)量分別占土壤總碳儲(chǔ)量(0—100 cm)的19.21%、18.60%和19.04%，0—30 cm土壤碳儲(chǔ)量分別為55.43、52.37 t/hm2和49.76 t/hm2，占土壤總碳儲(chǔ)量的47.86%、47.71%和48.41%，對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)最大。土壤氮的空間分布則無(wú)明顯規(guī)律，格木、混交林和馬尾松林林地0—30 cm土壤氮儲(chǔ)量分別占土壤總氮儲(chǔ)量的38.72%、37.77%和40.03%(表5)。

表4 不同人工林土壤碳氮含量

表5 不同人工林土壤碳氮儲(chǔ)量

2.3 人工林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量及空間分布格局

根據(jù)3種人工林植被層和土壤層碳氮儲(chǔ)量計(jì)算得出人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳氮儲(chǔ)量。結(jié)果表明，馬尾松-格木混交林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量最高，達(dá)到137.75 t/hm2，比格木純林(134.07 t/hm2)增加了2.67%，與馬尾松純林(131.10 t/hm2)相比則提高了4.83%。生態(tài)系統(tǒng)全氮儲(chǔ)量則為固氮樹(shù)種格木純林高于混交林和馬尾松純林，具體表現(xiàn)為格木純林(10.19 t/hm2)>馬尾松-格木混交林(8.68 t/hm2)>馬尾松純林(7.01 t/hm2)。

3種人工林生態(tài)系統(tǒng)總有機(jī)碳與全氮儲(chǔ)量的空間分布格局基本相似，絕大部分集中于0—100 cm土壤層，格木純林、混交林和馬尾松純林平均土壤碳氮儲(chǔ)量分別占生態(tài)系統(tǒng)總儲(chǔ)量的81.49%和96.91%，其次為喬木層(分別為17.52%和2.69%)，林下植被和枯落物層所占比例最小(表6)。

3 討論

森林植被碳氮儲(chǔ)量受眾多因素影響，如生物量、碳氮含量和樹(shù)種生物學(xué)特性等[24]。本研究中，馬尾松純林和格木-馬尾松混交林喬木層碳儲(chǔ)量顯著高于格木純林(表3)，主要因不同林分的喬木層生物量差異而引起。與非速生樹(shù)種格木相比，速生樹(shù)種馬尾松生長(zhǎng)快，同等時(shí)間內(nèi)積累的生物量更多，碳儲(chǔ)量也越高。在絕大多數(shù)森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤氮素通常作為一種限制營(yíng)養(yǎng)元素而存在[25]，其有效性直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[26-27]。固氮樹(shù)種格木可改善土壤氮素有效性，促進(jìn)自身與其他植物生長(zhǎng)(混交林和純林中馬尾松的平均胸徑分別為7.5 cm和7.3 cm)(表1)，間接提高了喬木層生物量和碳儲(chǔ)量。格木人工林喬木層氮儲(chǔ)量顯著高于馬尾松純林和混交林(表3)，主要與樹(shù)種生物學(xué)特性有關(guān)。固氮樹(shù)種格木可有效提高各器官氮素含量，因而具有更高的喬木層氮儲(chǔ)量。

表6 3種人工林生態(tài)系統(tǒng)碳氮分布格局

3種人工林林下植被碳氮儲(chǔ)量高低不同，這種差異可歸結(jié)于不同樹(shù)種的生物學(xué)特性以及各自林下的微環(huán)境特征。闊葉格木林郁閉度高(表1)，極少有光照到達(dá)林下，灌木和草本稀疏(蓋度25%)，生物量低。針葉馬尾松純林和混交林則林冠開(kāi)闊(表1)，陽(yáng)光可直達(dá)林下層，林下灌木和草本植被豐富(蓋度大于80%)，生物量高。因而格木人工林林下植被碳氮儲(chǔ)量顯著低于馬尾松純林和混交林。3種人工林地表枯落物層碳儲(chǔ)量無(wú)顯著差異，而氮儲(chǔ)量則是格木人工林明顯高于馬尾松混交林和純林(表3)，主要原因在于闊葉固氮樹(shù)種格木林下枯落物生物量大(表1)、氮含量高，因而氮儲(chǔ)量也越高。

林地土壤碳主要集中在0—30 cm土層，并隨深度增加而降低，氮儲(chǔ)量的分布則無(wú)明顯規(guī)律，表明土壤深度對(duì)土壤碳氮儲(chǔ)量有較大影響[24]。森林土壤有機(jī)碳和氮儲(chǔ)量主要受動(dòng)植物殘?bào)w、凋落物與根系周轉(zhuǎn)、土壤養(yǎng)分、樹(shù)種與微生物組成等多種因素影響，但歸根結(jié)底取決于碳、氮素的輸入與輸出量的相對(duì)大小[28]。前人研究表明，有機(jī)碳的輸入量主要取決于有機(jī)殘?bào)w歸還量的多少及腐殖化系數(shù)，而氮素的輸入量則主要依賴(lài)于植物殘?bào)w的歸還量及生物固氮作用[29]。本研究中，不同人工林樹(shù)種生物學(xué)特性和土壤養(yǎng)分狀況的差異是造成格木人工林土壤有機(jī)碳和氮儲(chǔ)量(0—100 cm)顯著高于馬尾松林的主要原因。闊葉格木輸送到林地的枯落物量多(表1)，加上固氮作用可促進(jìn)器官氮素的積累，高氮條件下(低C/N比)，基質(zhì)質(zhì)量較優(yōu)的枯落物分解較快[13]，其輸入到土壤中的有機(jī)質(zhì)和氮高于馬尾松。格木人工林土壤具有較高的氮素有效性，土壤肥力較高，相對(duì)肥沃的土壤形成的有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體能借助物理機(jī)制保護(hù)來(lái)源于分解過(guò)程進(jìn)入土壤中的有機(jī)質(zhì)，從而儲(chǔ)存更多的有機(jī)碳和氮[30-31]。盡管格木人工林林下凋落物碳儲(chǔ)量低于格木-馬尾松混交林(表3)，但格木凋落葉和細(xì)根分解速率快于馬尾松(格木凋落葉和細(xì)根分解系數(shù)分別為0.98 a-1和0.65 a-1，馬尾松凋落葉和細(xì)根分解系數(shù)分別為0.62 a-1和0.47 a-1[32]，而格木-馬尾松混交林中土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源主要為馬尾松凋落葉和細(xì)根分解(格木與馬尾松混交比為1∶3)，較慢有機(jī)質(zhì)輸入使得格木-馬尾松混交林土壤碳儲(chǔ)量低于格木人工林。

本研究中，3種人工林喬木層平均碳儲(chǔ)量低于江漢平原同齡楊樹(shù)(Populussp.)人工林喬木層碳儲(chǔ)量(28.32 t/hm2)[33]，碳氮儲(chǔ)量均明顯高于川西地區(qū)同齡岷江柏(Cupressuschengiana)人工林喬木層碳儲(chǔ)量(0.70 t/hm2)和氮儲(chǔ)量(0.01 t/hm2)。3種人工林0—100 cm土壤層平均碳儲(chǔ)量均高于黃土丘陵區(qū)9生年和17年生刺槐(Robiniapseudoacacia)人工林相同深度土壤層碳儲(chǔ)量(分別為55.2 t/hm2和65.7 t/hm2)[34]，高于中國(guó)科學(xué)院會(huì)同森林生態(tài)試驗(yàn)站22年生杉木、火力楠(Micheliamacclurei)人工純林及其混交林相同深度土壤層碳儲(chǔ)量(分別為90.21、100.59 t/hm2和104.85 t/hm2)[35]，低于廣西熱林中心白云實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)32年生格木、紅椎、馬尾松3種人工純林相同深度土壤層碳儲(chǔ)量(分別為236.22、267.84 t/hm2和200.57 t/hm2)[16]；林地0—100 cm土壤層平均氮儲(chǔ)量則低于中國(guó)科學(xué)院會(huì)同森林生態(tài)試驗(yàn)站16年生杉木-榿木(Alnuscremastogyne)混交林和杉木-刺楸(Kalopanaxseptemlobus)混交林相同深度土壤層平均氮儲(chǔ)量(分別為10.06 t/hm2和9.07 t/hm2)[36]。研究同時(shí)表明，3種人工林生態(tài)系統(tǒng)平均碳氮儲(chǔ)量分別高于黃土丘陵區(qū)9年生和17年生刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲(chǔ)量(分別為69.7 t/hm2和78.9 t/hm2)和氮儲(chǔ)量(分別為3.97 t/hm2和4.32 t/hm2)[33]，分別低于廣西白云實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)3種人工林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲(chǔ)量(234.88 t/hm2)和氮儲(chǔ)量(13.63 t/hm2)[16]。這表明森林生態(tài)系統(tǒng)各組分的碳氮儲(chǔ)量受諸多因素的綜合影響，如土壤類(lèi)型、樹(shù)種生物學(xué)特性、林齡以及氣候條件等[37-38]。與王衛(wèi)霞等的研究結(jié)果對(duì)比進(jìn)一步表明，隨著林齡的增長(zhǎng)，植被積累的有機(jī)碳和氮增加，長(zhǎng)期的枯落物周轉(zhuǎn)使得輸入到土壤中的有機(jī)碳和氮增多，因而生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量增加。

3種人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究結(jié)果表明，馬尾松-格木混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量高于其它兩種人工純林，混交林表現(xiàn)出更高的碳儲(chǔ)存能力。因此，若將森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)考慮在內(nèi)，與固氮樹(shù)種混交在該區(qū)域是一種更好的人工林經(jīng)營(yíng)方式。3種幼齡人工林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量空間分布基本一致，地上與地下部分碳氮儲(chǔ)量分配比分別為：格木純林1∶6.3和1∶28.5、馬尾松-格木混交林1∶3.9和1∶32.6、馬尾松純林1∶3.6和1∶35.7，遠(yuǎn)低于其他成熟林的同類(lèi)研究結(jié)果[16, 39]，表明隨著林齡的增長(zhǎng)，3種人工林生態(tài)系統(tǒng)仍具有較大的碳氮固持潛力，特別是喬木層。

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Carbon and nitrogen storage in monoculture and mixed young plantation stands ofErythrophleumfordiiandPinusmassonianain subtropical China

LUO Da1, SHI Zuomin1,*, WANG Weixia1, LIU Shirong1, LU Lihua2,3, MING Angang2,3, YU Haolong2,3

1KeyLaboratoryonForestEcologyandEnvironmentalSciencesofStateForestryAdministration,InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2ExperimentalCenterofTropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Pingxiang532600,China3GuangxiYouyiguanForestEcosystemResearchStation,Pingxiang532699,China

Carbon sequestration in forest ecosystems is recognized as a key mechanism for mitigating the accumulation of atmospheric carbon dioxide. However, both forest carbon pools and sequestration vary according to tree species, age of the stand, soil types, climate, environmental disturbances, and management practices. Tree species composition and management practices are important tools for increasing carbon storage in forest ecosystems. Plantation is becoming a key component of the world′s forest resources and is playing an important role in sustainable forest management. Well-designed, multi-purpose plantations can reduce the pressure on natural forests and complement some ecological resources provided by natural forests in addition to mitigating climate change through direct carbon sequestration. Afforestation and reforestation are important measures for managing commercial forests in subtropical China. However, the large-scale development of monoculture plantations of coniferous species (e.g.,PinusmassonianaandCunninghamialanceolata) and exotic species (Eucalyptusspp.) has caused a number of problems, such as the loss of biodiversity, degradation of soil fertility, reduction of ecosystem stability, and loss of ecological resources. Thus, some broad-leaved tree species with different functions (e.g., indigenous valuable broad-leaved species and nitrogen-fixing species) have been developed for restructuring the plantations. In this study, three young plantation stands (monoculture ofErythrophleumfordii, monoculture ofP.massonianaand a mixed stand of the two species) were selected to study carbon and nitrogen storage in these ecosystems and their spatial distribution. The results showed that the total carbon storage of the mixed plantation stand was 137.75 t/hm2, higher than that of monoculture stands ofE.fordii(134.07 t/hm2) andP.massoniana(131.10 t/hm2). Nitrogen storage was highest inE.fordii(10.19 t/hm2), followed by the mixed plantation (8.68 t/hm2), and thenP.massonianastands (7.01 t/hm2). The spatial distribution of carbon and nitrogen was identical in the three plantation stands, with the majority found in the 0—100 cm soil (occupying an average 81.49% and 96.91% of the total storage, respectively), followed by the above-ground biomass represented by the trees (17.52% and 2.69%, respectively), and the understory vegetation and litterfall. Soil organic carbon was mainly distributed in the top-soil, while soil nitrogen was irregularly distributed. Average organic carbon storage in 0—30 cm soil was 52.52 t/hm2(47.99% of the total 0—100 cm soil storage). The mixed plantation stands showed a greater capacity for carbon storage in comparison to the other two monoculture stands. The above-/underground ratio of carbon and nitrogen suggested that these three young plantation stands had a high potential for carbon and nitrogen sequestration. The results are significant in that they provide scientific references for tree species selection and plantation management to enhance productivity and carbon sequestration in subtropical China.

carbon and nitrogen storage; young forest; nitrogen-fixing tree species; plantation management; subtropical China

中國(guó)科學(xué)院碳專(zhuān)項(xiàng)(XDA05060100); 林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201104006)

2014-01-03;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401030018

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shizm@caf.ac.cn

羅達(dá), 史作民, 王衛(wèi)霞, 劉世榮, 盧立華, 明安剛, 于浩龍.南亞熱帶格木、馬尾松幼齡人工純林及其混交林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(18):6051-6059.

Luo D, Shi Z M, Wang W X, Liu S R, Lu L H, Ming A G, Yu H L.Carbon and nitrogen storage in monoculture and mixed young plantation stands ofErythrophleumfordiiandPinusmassonianain subtropical China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):6051-6059.