列志旸 ，李 潔 ，許建新 ,2，侯曉麗 ，薛 立 ，曾曙才

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040)

冰雪災(zāi)害對(duì)粵北杉木林樹(shù)干殘?bào)w的影響

列志旸1，李 潔1，許建新1,2，侯曉麗1，薛 立1，曾曙才1

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040)

2008年1～2月嚴(yán)重的冰雪災(zāi)害襲擊了廣東粵北地區(qū)，導(dǎo)致杉木林產(chǎn)生大量的折干殘?bào)w，增加林地的碳和養(yǎng)分輸入。折干殘?bào)w中的難分解物質(zhì)直接影響生態(tài)系統(tǒng)的碳和養(yǎng)分循環(huán)，然而還不了解冰雪災(zāi)害后杉木林折干殘?bào)w的儲(chǔ)量和養(yǎng)分動(dòng)態(tài)規(guī)律。分析了粵北冰雪災(zāi)害后的杉木林折干殘?bào)w的儲(chǔ)量和養(yǎng)分動(dòng)態(tài)，結(jié)果表明：從2008年到 2011 年，折干殘?bào)w的質(zhì)量從 6.86 t·hm-2減少到 6.11 t·hm-2，N 含量從 1.99 g·kg-1增加到 2.33 g·kg-1，P 含量從 0.19 g·kg-1增加 0.23 g·kg-1，而 K 含量從 0.88 g·kg-1下降到 0.75 g·kg-1。折干殘?bào)w N 累積量從 13.65 kg·hm-2增加到 14.22 kg·hm-2，P 累積量從 1.30 kg·hm-2增加到 1.40 kg·hm-2，而 K 累積量從 6.04 kg·hm-2減少到 4.58 kg·hm-2。折干殘?bào)w緩慢的分解特點(diǎn)對(duì)于碳的儲(chǔ)存有重要作用。

杉木；冰雪災(zāi)害；儲(chǔ)量；養(yǎng)分；折干殘?bào)w

冰雪災(zāi)害是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害，在我國(guó)東北時(shí)有發(fā)生。但是，2008年1～2月我國(guó)南方地區(qū)發(fā)生了50 a來(lái)最大的冰雪災(zāi)害, 造成19個(gè)省區(qū)森林受災(zāi)面積達(dá)0.209×108hm2，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害[1]。冰雪災(zāi)害造成大量樹(shù)木折斷，形成林冠殘?bào)w，其中的折干為木質(zhì)殘?bào)w,是構(gòu)成森林地表有機(jī)物的主要組成部分,影響森林碳貯量和養(yǎng)分循環(huán)[2]。國(guó)外對(duì)粗木質(zhì)殘?bào)w（CWD） 的研究主要集中在歐洲溫帶針葉林，如歐洲山毛櫸Fagus sylvatica[3-4]、雪嶺云杉 Picea sitchensis[5]、黑云杉black Picea mariana[6]、歐洲赤松 Pinus sylvestris[7]、美洲溫帶針闊混交林[8]和闊葉林[9-10]、地中海松樹(shù)林[11]、桉樹(shù)Eucalypt[12]和新西蘭輻射松 Pinus radiate[13-14]以及澳大利亞的熱帶雨林[15]。我國(guó)的森林木質(zhì)殘?bào)w的研究主要集中在溫帶和亞熱帶地區(qū)的天然林中，如大興安嶺興安落葉松林[16]、小興安嶺闊葉紅松林[17-18]、長(zhǎng)白山暗針葉林[19]和紅松林[20]、西藏原始冷杉林[21]、武夷山格氏栲林[22]、哀牢山中山濕性常綠闊葉林[23]、西雙版納熱帶季節(jié)雨林[24]、大明山常綠闊葉林[25]以及鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林[26-27]等森林類型，而對(duì)占到我國(guó)森林面積32 %的人工林卻鮮有報(bào)道[28]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我國(guó)重要的速生和商業(yè)用材樹(shù)種之一, 廣泛分布于我國(guó)南方17 個(gè)省區(qū),其面積約占我國(guó)人工林面積的24%, 因而受到廣泛的關(guān)注[29-30]。2008年的冰雪災(zāi)害嚴(yán)重破壞了杉木林[31]，大量樹(shù)冠折斷后覆蓋于林地,其中折干殘?bào)w占較大比例[32]。盡管有少量冰雪災(zāi)害對(duì)杉木林冠影響的研究[31-35]，尚未見(jiàn)到冰雪災(zāi)害后杉木殘干的儲(chǔ)量和養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的報(bào)道。本研究以一個(gè)受嚴(yán)重冰雪災(zāi)害的粵北杉木人工林為研究對(duì)象，探討其折干殘?bào)w貯量及養(yǎng)分動(dòng)態(tài)特征，可以為災(zāi)后杉木人工林木質(zhì)殘?bào)w的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的研究和杉木人工林的恢復(fù)提供數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地為于廣東省北部的樂(lè)昌市樂(lè)昌林場(chǎng), 屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均降水量2 522.3 mm，年平均蒸發(fā)量1 417.9 mm。年平均溫度19.6 ℃，7月平均氣溫28.2 ℃，極端高溫38.4 ℃，1月平均氣溫9.3 ℃，極端低溫-4.6 ℃，無(wú)霜期270 d；相對(duì)濕度70%～84%。土壤為花崗巖發(fā)育成的中厚腐殖質(zhì)層厚土層山地黃紅壤。

2008年3月在冰雪災(zāi)害后的杉木人工林內(nèi)建立3個(gè)面積為20 m×20 m的固定標(biāo)準(zhǔn)地。試驗(yàn)林地處西南坡，坡度約30 °，海拔約為700 m。試驗(yàn)林的林齡為17 a，密度為1 667株/hm2，林下植被主要為樓梯草和狗脊，蓋度分別占林地面積的15%～20%和10%～15%。樣地內(nèi)的杉木林個(gè)體全部折干，殘干的平均胸徑為17.99 cm，平均高度為12.69 m。

1.2 研究方法

2008年3月在在林冠殘?bào)w仍然保持新鮮狀態(tài)時(shí)，在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置面積為5 m×5 m的固定樣方6個(gè)。調(diào)查時(shí)樣方內(nèi)的樹(shù)干殘?bào)w（包含干和皮），測(cè)定樣方內(nèi)折干殘?bào)w的鮮重。折干的一部分在樣方內(nèi)時(shí), 用鋸將樣方內(nèi)外的樹(shù)干鋸斷分開(kāi), 將樣方內(nèi)林的樹(shù)干全部稱重[32]。2008—2011年的每年3月對(duì)樣方內(nèi)的折干殘?bào)w進(jìn)行調(diào)查。

取殘干樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在80 ℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量，用粉碎機(jī)磨成粉末供分析用。N用重鉻酸鉀—濃硫酸消化后以半微量凱氏法測(cè)定；P和K分析待測(cè)液用三酸消化法制備，試液中的P用鉬蘭比色法，K用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定[36]。

2 結(jié)果與分析

2008年雪災(zāi)后，杉木林地輸入了大量的林冠殘?bào)w，包括枝、葉、干和皮（見(jiàn)表1）。由表1可知， 2008年林冠殘?bào)w達(dá)19.11 t·hm-2，其中折干殘?bào)w中的干和皮分別為 5.35 t·hm-2和 1.51 t·hm-2，二者合計(jì)占林冠殘?bào)w儲(chǔ)量的36%。

表1 2008年林冠殘?bào)w和正常凋落物的儲(chǔ)量Table 1 Stem debris and litter mass in 2008

2008—2011年折干殘?bào)w的干質(zhì)量分別為6.86、6.52、6.31、6.11 t·hm-2，逐年減少，2011 年折干殘?bào)w的質(zhì)量?jī)H為2008年的89 % （見(jiàn)圖1）。

圖1 折干殘?bào)w的儲(chǔ)量變化Fig. 1 Changes of woody debris amounts

折干殘?bào)w的養(yǎng)分含量大小呈現(xiàn)為N＞K＞P。2008—2011年N含量分別為 1.99、2.09、2.21、2.33 g·kg-1，P 含量分別為 0.19、0.20、0.21、0.23 g·kg-1，均不斷上升；K含量分別為0.88、0.84、0.79、0.75 g·kg-1，不斷下降（見(jiàn)圖 2）。

折干殘?bào)w的養(yǎng)分累積量呈現(xiàn)為N＞K＞P。2008—2011年，折干殘?bào)wN累積量分別為13.65、13.62、13.95、14.22 kg·hm-2，呈不斷增加趨勢(shì)；P累積量分別為 1.30、1.31、1.36 、1.40 kg·hm-2，呈現(xiàn)逐年增加； K累積量分別為6.04、5.47、4.99、4.58 kg·hm-2，呈現(xiàn)逐年下降（見(jiàn)圖2）。

圖2 折干殘?bào)w的養(yǎng)分含量和儲(chǔ)量Fig. 2 Nutrients content and amount of stem debris

3 討 論

折干殘?bào)w的生物量從2008年的6.86 t·hm-2下降到2011年的6.11 t·hm-2，這些數(shù)值小于或接近于除了格氏栲天然林（1.32 t·hm-2)[22]和西雙版納熱帶季雨（1.62 t·hm-2)[24]外的大多數(shù)天然林的木質(zhì)殘?bào)w的生物量（5.17 ～ 111.53 t·hm-2）[16,19-20,23,25-27,21,37-39]，卻大于廣州馬尾松林（0.59 t·hm-2）[38]、三明市格氏栲人工林（0.47 t·hm-2）和杉木人工林（0.23 t·hm-2）[22]。與天然林相比，人工林通常林齡較小，密度合理，并且定期撫育采伐，正常情況下很難產(chǎn)生大量木質(zhì)殘?bào)w。另外，與氣候寒冷北方森林或氣溫低的高海拔的南方森林相比，試驗(yàn)林的氣候溫暖，雨水充沛，使得腐殖質(zhì)基質(zhì)適合微生物的生長(zhǎng)，木質(zhì)殘?bào)w的分解較快，不利于其生物量的積累[40]。格氏栲天然林和西雙版納熱帶季雨林所在地點(diǎn)海拔低，雨水充沛，溫度高，木質(zhì)殘?bào)w分解快，所以生物量低。一般而言，粗木質(zhì)殘?bào)w的干物質(zhì)含碳率為0.5[41]，所以殘干構(gòu)成受冰雪災(zāi)害杉木林重要的碳庫(kù)組成部分。同時(shí)由于木質(zhì)殘?bào)w的分解速率相對(duì)緩慢，在林地滯留時(shí)間比較長(zhǎng)，在森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和碳平衡中具有重要作用[2]。

2008―2011年，N和P含量變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。由于N、P 是不容易分解淋失的元素, 在折干殘?bào)w分解過(guò)程中, 降雨可以增加折干殘?bào)w的N輸入, 一些真菌可以借助菌絲把林地中一些N 素轉(zhuǎn)移到折干中。另外，折干殘?bào)w中某些細(xì)菌有固氮作用，折干中的昆蟲的糞便也可使N富集[19]。P是一種不易溶脫的元素,有利于其在折干殘?bào)w中的積累[19]。N和P的富集與長(zhǎng)白山苔蘚紅松暗針葉林中臭冷杉Abies nephrolpis 倒木分解過(guò)程中N和P 的變化規(guī)律相同[21]。K含量在折干殘?bào)w中不斷減少, 可能與其在有機(jī)體內(nèi)易移動(dòng)有關(guān)[42]。K元素極不穩(wěn)定，可以從凋落葉中淋溶[43]。所以當(dāng)?shù)蚵湮锫涞降孛嬉院?，凋落物中的鉀通過(guò)淋溶作用大量轉(zhuǎn)移到土壤中[44]。

2008―2011年，杉木林折干殘?bào)w的N和P累積量不斷增加，這主要是由于折干殘?bào)w的N和P含量逐年上升造成的。盡管折干殘?bào)w的儲(chǔ)量逐年減少，但是折干殘?bào)w分解緩慢，所以N和P的富集養(yǎng)分累積量由于N和P的富集而逐年增加。折干殘?bào)w的分解與樹(shù)皮關(guān)系密切。折干殘?bào)w的樹(shù)皮含有高濃度的丹寧酸和木質(zhì)素[13]，而丹寧酸和木質(zhì)素限制微生物的活動(dòng)，因而阻礙折干殘?bào)w的分解[45]。樹(shù)皮中高濃度的多酚和烷基也是分解緩慢的重要影響因素[13]。另外，杉木樹(shù)干殘?bào)w的N含量低，導(dǎo)致其C/N 比高，這也是導(dǎo)致其分解速度較慢的原因之一[46]。樹(shù)干殘?bào)w的緩慢分解及N和P的緩慢釋放有利于保持林地的養(yǎng)分。因?yàn)橹θ~殘?bào)w分解快，短期內(nèi)養(yǎng)分大量釋放, 土壤養(yǎng)分供過(guò)于求,容易造成流失。樹(shù)干殘?bào)w的N和P緩慢釋放到土壤中后，儲(chǔ)存于土壤有機(jī)質(zhì)中，維持了森林土壤肥力，有利于在杉木林在整個(gè)恢復(fù)生長(zhǎng)過(guò)程中的養(yǎng)分供應(yīng)[32]。杉木林折干殘?bào)w的K累積量不斷減少，是由折干殘?bào)w的儲(chǔ)量逐年減少和K含量的不斷下降共同引起的。

由上可知，折干殘?bào)w作為養(yǎng)分儲(chǔ)存庫(kù)，其緩慢分解而釋放出的養(yǎng)分對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的保持具有重要作用。由于中亞熱帶溫度高和降雨量大，冰雪災(zāi)害后大量的林冠殘?bào)w中的枝葉會(huì)快速分解，可能造成養(yǎng)分的流失[32]，而冰雪災(zāi)害引起的大量枝葉損失會(huì)導(dǎo)致林分若干年內(nèi)正常凋落物數(shù)量的減少。樹(shù)干殘?bào)w不但儲(chǔ)藏豐富的有機(jī)物，還儲(chǔ)藏較為豐富的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，在其腐爛過(guò)程中具有固氮的能力[2]，可以緩慢釋放養(yǎng)分到土壤中,提供了土壤微生物的生長(zhǎng)發(fā)育所需的養(yǎng)分，維持了森林土壤肥力, 有利于維護(hù)杉木林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和能量供應(yīng)的穩(wěn)定性，可以促進(jìn)杉木林的恢復(fù)。

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Effect of ice-storm damage on stem debris in a Cunninghamia lanceolata stand in northern Guangdong

LIE Zhi-Yang1, LI Jie1, XU Jian-Xin1,2, HOU Xiao-Li1, XUE Li1,*, ZENG Shu-Cai1
(1.College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China)2.Shenzhen Tech and Ecology＆Environment CO., LTD, Shenzhen 518040, Guangdong, China)

The severe ice storms that occurred in early 2008 in northern Guangdong province, China, resulted in a lot of stem debris in a Cunninghamia lanceolata stand. Due to its recalcitrant chemical composition and slow decomposition, stem debris can have direct effects on ecosystem carbon and nutrient turnover. However, stem debris dynamics of mass and nutrients have not yet been well-understood.This study analyzed the impacts of the early 2008 ice storm on stem debris dynamics of mass and nutrients in a Cunninghamia lanceolata stand. From 2008 to 2011 stem debris mass decreased gradually, ranging from 6.86 to 6.11 t·hm-2, N and P contents increased gradually,ranging from 1.99 to 2.33 and 0.19 to 0.23 g·kg-1, respectively, whereas K content decreased gradually, ranging from 0.88 to 0.75 g·kg-1.N and P accumulation of stem debris increased gradually, ranging from 13.65 to 14.22 and 1.30 to 1.40 kg·hm-2, respectively, whereas K accumulation of stem debris decreased gradually, ranging from 6.04 to 4.58 kg·hm-2. This is the first quantitative determination of the effects of ice storms on stem debris in Cunninghamia lanceolata stands. The long term storage of C and slow rate of decomposition of stem debris make it become a major controller of forest ecosystem C-retention.

Cunninghamia lanceolata; ice storm; mass; nutrient; stem debris

S718.5

A

1673-923X(2016)08-0039-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.008

2015-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金“污泥重金屬在林地土壤中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：凋落物的影響”（31270675）；深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（GCZX20120618100801416）

列志旸，碩士研究生

薛 立，教授，博士；E-mail：forxue@scau.edu.cn

列志旸，李 潔，許建新,等. 冰雪災(zāi)害對(duì)粵北杉木林樹(shù)干殘?bào)w的影響 [J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(8): 39-43.

[本文編校：文鳳鳴]