王軼浩，崔云風(fēng)，薛蘭蘭

(1．重慶市林業(yè)科學(xué)研究院 重慶三峽濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，重慶 400036；2.重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，重慶 404332)

聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估報(bào)告把生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為供給、調(diào)節(jié)、文化和支持四大類(lèi)，其中，支持服務(wù)功能包括光合作用、養(yǎng)分循環(huán)、土壤形成等指標(biāo)[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)主體，對(duì)維護(hù)生態(tài)平衡發(fā)揮著舉足輕重和不可缺少的作用[2]，其通過(guò)光合作用、蒸騰作用等各種生理活動(dòng)促進(jìn)自身結(jié)構(gòu)不斷演變和完善，從而實(shí)現(xiàn)其固碳、積累氮磷鉀營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等支持服務(wù)功能發(fā)揮。同時(shí)，碳氮磷鉀作為森林生態(tài)系統(tǒng)重要組成元素，對(duì)維持養(yǎng)分循環(huán)、影響林木生長(zhǎng)和發(fā)揮生態(tài)功能都具有重要作用[3]，其含量和儲(chǔ)量存在很大的時(shí)空差異性[4]，尤其對(duì)于不同森林類(lèi)型、林分結(jié)構(gòu)、林齡組的生態(tài)系統(tǒng)，這大大限制了人們對(duì)森林生態(tài)功能認(rèn)識(shí)和對(duì)區(qū)域及全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷鉀儲(chǔ)量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。目前，開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)儲(chǔ)量功能研究較多[4-6]，但主要集中在不同森林植被類(lèi)型的碳氮儲(chǔ)量研究[7～9]，而對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)磷鉀儲(chǔ)量以及不同林齡組森林碳氮磷鉀儲(chǔ)量研究甚少[10～11]，尤其是對(duì)于不同林齡組柏木林碳氮磷鉀儲(chǔ)量研究還未見(jiàn)報(bào)道。

柏木(Cupressusfunebris)作為重慶地區(qū)主要造林樹(shù)種之一，廣泛分布于渝東北三峽庫(kù)區(qū)和渝東南武陵山區(qū)的低山丘陵區(qū)，尤其是隨著退耕還林等林業(yè)重點(diǎn)生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施，其在重慶地區(qū)森林資源組成中占據(jù)著重要地位(約占該區(qū)森林面積10%左右)。因此，了解林齡組對(duì)柏木林碳氮磷鉀儲(chǔ)量影響和掌握不同林齡組柏木林碳氮磷鉀儲(chǔ)量及其分配特征對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)固持物質(zhì)功能尤為重要。

武陵山區(qū)是我國(guó)重要的生物多樣性與水土保持生態(tài)功能區(qū)，生態(tài)區(qū)位十分特殊，而黔江區(qū)位于武陵山區(qū)腹地。本文在重慶市黔江區(qū)國(guó)有林場(chǎng)，對(duì)柏木幼、中齡林喬木層、枯落物層、土壤層等功能層的碳氮磷鉀含量及其儲(chǔ)量進(jìn)行研究，旨在掌握柏木幼、中齡林的碳氮磷鉀儲(chǔ)量及其分配特征，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)武陵山重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及為森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)與管理提供決策參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市黔江區(qū)國(guó)有林場(chǎng)，森林面積達(dá)32.45 km2。氣候?yàn)閬啛釒駶?rùn)性季風(fēng)氣候，并具有典型的山地氣候特征，年均氣溫15.4℃，年均降雨量為 1 300 mm。屬四川盆周山地區(qū)，以低中山為主，平均海拔變化在500 m～1 000 m。土壤以砂巖、頁(yè)巖上發(fā)育的黃壤、黃棕壤為主，厚度50 cm～80 cm。地帶性森林植被屬亞熱帶常綠闊葉林，但現(xiàn)有森林植被以馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柏木(Cupressusfunebris)、楊樹(shù)(Pterocaryastenoptera)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、華山松(Pinusarmandii)等為主，森林覆蓋率達(dá)92.4%，

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)

在研究區(qū)選擇具有代表性的柏木幼齡林、中齡林布設(shè)樣地，每個(gè)林齡組設(shè)置3個(gè)重復(fù)，樣地規(guī)格為20 m×20 m。然后對(duì)樣地內(nèi)胸徑≥5 cm或樹(shù)高≥3 m的喬木進(jìn)行每木檢尺，并進(jìn)行其他植被特征和地形、土壤特征調(diào)查(表1)。

2.2 樣品采集及測(cè)定

2.2.1 植物樣品采集及測(cè)定

在各樣地內(nèi)，根據(jù)樣地調(diào)查結(jié)果選擇1株標(biāo)準(zhǔn)木，然后分葉、枝、皮、干和根等器官采集樣品，同時(shí)，在各樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m小樣方，用于采集枯落物樣品，將各樣品置于密封袋之后帶回實(shí)驗(yàn)室。首先在105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在80 ℃烘箱中烘干至恒重，用于測(cè)定其有機(jī)碳、氮、磷、鉀含量，其中，有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮采用硫酸-雙氧水消煮-凱氏蒸餾法測(cè)定；全磷采用硫酸-雙氧水消煮-釩鉬黃比色法測(cè)定；全鉀采用硫酸-雙氧水消煮-火焰光度法測(cè)定。

表1柏木林樣地基本情況

Tab.1 Characteristics of sample plots for Cupressus funebris forests

2.2.2 土壤樣品采集及測(cè)定

在各樣地內(nèi)，開(kāi)挖60cm深的土壤剖面，按土壤形成層分層(OA層、AB層和B層)，測(cè)量各土層厚度，然后用容積為200 cm3的環(huán)刀取樣，每層3個(gè)重復(fù)，用于測(cè)定土壤容重。同時(shí)，分層采集100 g左右土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室自然分干，用于測(cè)定其土壤有機(jī)碳、氮、磷、鉀含量，其中，有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮采用硫酸-雙氧水消煮-凱氏蒸餾法測(cè)定；全磷采用硫酸-雙氧水消煮-釩鉬黃比色法測(cè)定；全鉀采用硫酸-雙氧水消煮-火焰光度法測(cè)定。

2.3 森林積累有機(jī)碳、氮、磷、鉀量計(jì)算

2.3.1 樹(shù)木積累有機(jī)碳、氮、磷、鉀量計(jì)算

首先依據(jù)樣地調(diào)查基本資料，利用曾立雄等[12]生物量模型計(jì)算樣地柏木單株的枝、干、根、皮、葉生物量，將同一樣地所有柏木單株的枝、干、根、皮、葉生物量對(duì)應(yīng)累加，得到樣地喬木層的枝、干、根、皮、葉生物量，然后乘以標(biāo)準(zhǔn)木對(duì)應(yīng)器官的碳、氮、磷、鉀含量，即樣地喬木層各器官的碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量。喬木層不同器官的碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量加和，即樣地喬木層碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量。

枯落物生物量采用樣方收獲法測(cè)定，其生物量與其碳、氮、磷、鉀含量的乘積，即枯落物層的碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量。

2.3.2 土壤積累有機(jī)碳、氮、磷、鉀量計(jì)算

一定土層厚度的土壤有機(jī)碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量用以下公式計(jì)算：

式中：S表示一定土層的土壤有機(jī)碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量；i表示第i土壤層次；Ci表示第i層土壤有機(jī)碳、氮、磷、鉀含量；Di表示第i層土壤容重；Hi表示第i層土層厚度。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用單因素方差分析(One-way ANOVA)中LSD多重比較進(jìn)行不同器官、不同土層的碳、氮、磷、鉀含量及其儲(chǔ)量的差異檢驗(yàn)，用獨(dú)立t檢驗(yàn)進(jìn)行柏木幼、中齡林枯落物碳、氮、磷、鉀含量及其儲(chǔ)量的差異檢驗(yàn)。采用Excel2010軟件進(jìn)行圖和表的制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 柏木各器官碳、氮、磷、鉀含量及其儲(chǔ)量

由圖1可知，除樹(shù)干以外，柏木幼、中齡林間各器官碳含量差異均不顯著，它們各器官碳含量均以葉最大，分別達(dá)到467.56 g·kg-1、450.26 g·kg-1，且與其他器官碳含量差異顯著，而以樹(shù)干的碳含量最小。同樣地，柏木幼、中齡林間各器官氮、磷含量差異均不顯著，但均以葉的氮、磷含量最大，且葉的氮含量與其他器官均差異顯著，而以樹(shù)干的氮含量最?。挥g林葉的磷含量與其他器官差異顯著，而中齡林葉的磷含量?jī)H與根差異顯著，與其他器官的磷含量無(wú)顯著差異。柏木幼、中齡林間各器官鉀含量與碳含量類(lèi)似，除樹(shù)干以外，其他器官差異不顯著。幼齡林枝、干的鉀含量顯著低于其他器官，而中齡林僅枝的鉀含量顯著低于其他器官，并且其他器官間的鉀含量差異不顯著。

柏木幼、中齡林間各器官的碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量中，除中齡林樹(shù)干的磷、鉀儲(chǔ)量顯著高于幼齡林外，其余器官的物質(zhì)儲(chǔ)量差異并不顯著(圖2)。不管是柏木幼齡林還是中齡林，其樹(shù)干的碳、磷和鉀儲(chǔ)量均顯著高于其他器官，根、皮、葉、枝之間的碳、磷和鉀儲(chǔ)量均不顯著，說(shuō)明以樹(shù)干的積累碳、磷和鉀功能最強(qiáng)。由圖2也可知，幼齡林干、葉的氮儲(chǔ)量顯著高于其他器官，且干、葉之間氮儲(chǔ)量差異不顯著，說(shuō)明幼齡林氮主要積累在干、葉器官，而中齡林干的氮儲(chǔ)量顯著高于根、皮和枝，葉與根、皮、枝之間的氮儲(chǔ)量差異均不顯著。

圖1 柏木幼、中齡林各器官的C、N、P、K含量(不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同)Fig.1 The content of C,N,P and K in organs of young and middle-aged Cupressus funebris forests

圖2 柏木幼、中齡林各器官的C、N、P、K儲(chǔ)量Fig.2 The reserve of C,N,P and K in organs of young and middle-aged Cupressus funebris forests

3.2 柏木林枯落物層碳、氮、磷、鉀含量及其儲(chǔ)量

由表2可知，柏木幼齡林枯落物的碳、氮、磷和鉀含量分別為455.08 g·kg-1、10.56 g·kg-1、0.15 g·kg-1和0.95 g·kg-1，中齡林枯落物的碳、氮、磷和鉀含量則分別為403.29 g·kg-1、9.88 g·kg-1、0.14 g·kg-1和1.06 g·kg-1，但t檢驗(yàn)表明，柏木幼、中齡林之間的碳、氮、磷和鉀含量差異均不顯著。同樣地，柏木幼、中齡林之間的枯落物碳、氮、磷和鉀儲(chǔ)量以及它們的總儲(chǔ)量差異也均不顯著(表2)，說(shuō)明柏木幼、中齡林枯落物層的物質(zhì)儲(chǔ)量功能差異并不明顯。

表2柏木幼、中齡林枯落物層的C、N、P、K含量及儲(chǔ)量

Tab.2 The content and reserve of C,N,P and K in litterfall of young and middle-aged Cupressus funebris forests

3.3 柏木林土壤層碳、氮、磷、鉀含量及其儲(chǔ)量

由圖3可知，柏木幼、中齡林之間各土層的有機(jī)碳、全氮和全鉀含量差異均不顯著，但在各土層，中齡林的有機(jī)碳、全氮和全鉀含量均高于幼齡林，并且中齡林各土層的全磷含量均顯著高于幼齡林，說(shuō)明相比幼齡林，柏木中齡林能明顯改善土壤營(yíng)養(yǎng)狀況。柏木幼、中齡林土壤OA層的有機(jī)碳、全氮含量均顯著高于AB層和B層，且AB層和B層差異不顯著，說(shuō)明柏木林土壤有機(jī)碳和全氮依土層分異較為明顯，土壤OA層有機(jī)碳和全氮養(yǎng)分好于其它土層。柏木幼、中齡林各土層間的全磷和全鉀含量差異均不明顯(圖3)，說(shuō)明柏木林土壤全磷和全鉀依土層深度的垂直變化不明顯。

由圖4可知，柏木幼、中齡林之間各土層的物質(zhì)儲(chǔ)量，除土壤B層氮儲(chǔ)量和AB層磷儲(chǔ)量差異顯著外，其余各層土壤的物質(zhì)儲(chǔ)量差異均不顯著，但總體看，中齡林各土層的物質(zhì)儲(chǔ)量均高于幼齡林，說(shuō)明中齡林土壤物質(zhì)儲(chǔ)量功能強(qiáng)于幼齡林。從各土層來(lái)看，柏木幼、中齡林土壤B層的物質(zhì)儲(chǔ)量均顯著高于AB層和OA層，土壤OA層和AB層之間除鉀儲(chǔ)量差異顯著外，即AB層土壤鉀儲(chǔ)量顯著高于OA層，它們之間的其余物質(zhì)儲(chǔ)量差異并不明顯(圖4)，但AB層總體上物質(zhì)儲(chǔ)量仍高于OA層?？梢?jiàn)，在柏木幼、中齡林一定土層內(nèi)，各土層物質(zhì)儲(chǔ)量功能大小排序?yàn)锽層>AB層>OA層，這主要是與自然形成的各土層厚度有關(guān)，在柏木幼、中齡林中土壤剖面主要由B土層構(gòu)成，其厚度往往明顯大于AB層和OA層。

圖4 柏木幼、中齡林土壤層(0～60cm)C、N、P、K儲(chǔ)量Fig.4 The reserve of C,N,P and K in soil layers (0～60 cm)of young and middle-aged Cupressus funebris forests

3.4 柏木林碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量分配特征

由表3 可知，柏木幼齡林碳、氮、磷和鉀儲(chǔ)量分別為144.5997 t·hm-2、7.0839 t·hm-2、1.2261 t·hm-2和46.5130 t·hm-2，對(duì)應(yīng)的柏木中齡林分別為160.5415 t·hm-2、10.0162 t·hm-2、3.0957 t·hm-2和49.0526 t·hm-2，可見(jiàn)，柏木中齡林碳、氮、磷和鉀儲(chǔ)量均高于幼齡林，說(shuō)明柏木中齡林物質(zhì)儲(chǔ)量功能強(qiáng)于幼齡林，或者說(shuō)當(dāng)柏木幼齡林演變?yōu)橹旋g林時(shí)，其物質(zhì)儲(chǔ)量能進(jìn)一步增強(qiáng)。從各物質(zhì)儲(chǔ)量來(lái)看，柏木幼、中齡林均表現(xiàn)為碳儲(chǔ)量>鉀儲(chǔ)量>氮儲(chǔ)量>磷儲(chǔ)量，可見(jiàn)，柏木林積累物質(zhì)功能主要體現(xiàn)在碳積累，其次是鉀積累和氮積累，以磷積累功能最弱。

從其分配比例來(lái)看，柏木幼齡林喬木層物質(zhì)儲(chǔ)量比例變化在0.73%～24.98%之間，枯落物層變化0.02%～2.31%之間，土壤層變化在72.71%～99.25%之間。柏木中齡林喬木層物質(zhì)儲(chǔ)量比例變化在1.25%～17.72%之間，枯落物層變化0.01%～0.91%之間，土壤層變化在81.37%～98.74%之間(表3)。可見(jiàn)，柏木幼、中齡林的碳、氮、磷、鉀等物質(zhì)主要儲(chǔ)存在土壤層，其次是喬木層，以枯落物層最小，說(shuō)明土壤層是柏木林主要的物質(zhì)儲(chǔ)存庫(kù)。從表3也可知，柏木幼齡林演變?yōu)橹旋g林時(shí)，除喬木層的磷、鉀儲(chǔ)量外，喬木層和枯落物層的其余物質(zhì)儲(chǔ)量總體上都減少，而土壤層的物質(zhì)儲(chǔ)量都呈增加，說(shuō)明隨著柏木林自然演替，其物質(zhì)儲(chǔ)量有更多向土壤層聚集的趨勢(shì)。

表3柏木幼、中齡林C、N、P、K儲(chǔ)量分配

Tab.3 Distritution patterns of C,N,P and K reseres in young and middle-agedCupressusfunebrisforests

項(xiàng)目功能層幼林齡中齡林儲(chǔ)量(t·hm-2)比例(%)儲(chǔ)量(t·hm-2)比例(%)碳喬木層36.127224.9828.453317.72枯落物層3.33392.311.46110.91土壤層 105.138672.71130.627181.37合計(jì)144.5997100.00160.5415100.00氮喬木層0.50837.170.45014.49枯落物層0.07861.110.03590.36土壤層 6.497091.729.530295.15合計(jì)7.0839100.0010.0162100.00磷喬木層0.180014.680.23437.57枯落物層0.00110.090.00050.02土壤層 1.045085.232.860992.41合計(jì)1.2261100.003.0957100.00鉀喬木層0.33970.730.61401.25枯落物層0.00730.020.00360.01土壤層 46.166099.2548.435098.74合計(jì)46.5130100.0049.0526100.00

4 結(jié)論與討論

總體上，本研究中柏木幼、中齡林之間各器官的碳、氮、磷、鉀含量差異不顯著，這表明作為植物器官的必要組成元素具有相對(duì)穩(wěn)定性[11]。在同一齡組中，柏木各器官間的碳含量變化不同于六盤(pán)山森林[4]，但其氮含量變化與六盤(pán)山森林[4]、岷江柏[11]的研究結(jié)果一致，其表現(xiàn)為葉的碳、氮含量顯著高于其他器官，并以樹(shù)干的碳、氮含量最小，同樣地，各器官的磷含量仍以葉最高，這與施家月等[13]的研究結(jié)果一致，這可能與各器官在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求和利用存在差異性[13]有關(guān)，說(shuō)明分營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)柏木林喬木層積累物質(zhì)功能進(jìn)行評(píng)估是非常必要的。本研究表明，樹(shù)干仍是喬木層積累碳、氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主體，這與多數(shù)研究結(jié)果一致[10,14]，這說(shuō)明柏木林以樹(shù)干的積累物質(zhì)功能最強(qiáng)；除氮儲(chǔ)量外，其他器官之間的物質(zhì)儲(chǔ)量差異并不顯著。

森林喬木層物質(zhì)儲(chǔ)量與氣候及地理區(qū)域[6,9]、森林類(lèi)型及樹(shù)種[8～9]、林分特征(林齡、密度)[5,10]都密切相關(guān)。本研究柏木幼齡林喬木層碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量分別為36.1272 t·hm-2、0.5083 t·hm-2、0.1800 t·hm-2和0.3397 t·hm-2。與其相比，雖然柏木中齡林喬木層碳、氮儲(chǔ)量有所下降，分別為28.4533 t·hm-2、0.4501 t·hm-2，艾澤民等[10]在研究不同林齡刺槐人工林的碳、氮儲(chǔ)量也表明：17 a生刺槐人工林碳、氮儲(chǔ)量相比9 a生刺槐林都有所下降，但柏木中齡林喬木層磷、鉀儲(chǔ)量相比幼齡林卻都明顯增加，這一方面可能因?yàn)殡S著林齡增大，其林分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，尤其是在生產(chǎn)實(shí)踐中為使得新造林能盡快郁閉成林，一般初始造林密度都比較大，隨著林木生長(zhǎng)而增大了個(gè)體間競(jìng)爭(zhēng)，出現(xiàn)了自然稀疏現(xiàn)象，從而使其喬木層生物量受到影響；另一方面是因?yàn)榘啬居?、中齡林各器官的物質(zhì)含量存在一定差異，由圖1可知，幼齡柏木各器官碳、氮含量均高于中齡柏木，而磷、鉀含量則普遍低于中齡柏木。但普遍認(rèn)為，森林喬木層碳、氮儲(chǔ)量隨著林齡增大而增加[6,11]。

與幼齡林相比，柏木中齡林土壤層(0～60 cm)碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量都有所增加，這與羅達(dá)等[11]、艾澤民等[10]的研究結(jié)果一致，但本研究中柏木幼、中齡林土壤層的碳、氮儲(chǔ)量均低于11 a生和13 a生岷江柏[11]同土層厚度的碳、氮儲(chǔ)量，它們分別為149.37 t·hm-2、169.24 t·hm-2和17.73 t·hm-2、18.76 t·hm-2，也低于我國(guó)森林土壤平均碳[15]、氮[16]儲(chǔ)量(分別為193.55 t·hm-2、34.64 t·hm-2)和世界森林土壤平均碳儲(chǔ)量(189.00 t·hm-2)[17]。這一方面說(shuō)明柏木林土壤層物質(zhì)儲(chǔ)量功能隨林齡增大而增強(qiáng)，另一方面也說(shuō)明武陵山區(qū)柏木林土壤層物質(zhì)儲(chǔ)量功能還較低。同樣地，柏木中齡林的碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量均高于柏木幼齡林，但它們碳、氮儲(chǔ)量仍然低于11 a生和13 a生岷江柏[11]，這主要與本研究未考慮林下植被層(灌木層和草本層)的碳、氮儲(chǔ)量有關(guān)，當(dāng)然，森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)儲(chǔ)量差異還受到區(qū)域環(huán)境條件、自然干擾等因素影響[18]。本研究中柏木幼、中齡林的碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量分配格局均為土壤層>喬木層>枯落物層，這與黃宇等[14]、Finér等[19]的研究結(jié)果一致，且柏木幼、中齡林土壤層的碳、氮、磷、鉀儲(chǔ)量平均分配比例達(dá)到87.23%和91.92%，可見(jiàn)，土壤層是柏木林積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要儲(chǔ)存庫(kù)。因此，今后若進(jìn)一步提高柏木林的碳氮磷鉀物質(zhì)儲(chǔ)量功能時(shí)，應(yīng)注重培育中齡林甚至更高林齡組的林分，尤其應(yīng)注重土壤層物質(zhì)儲(chǔ)量功能的經(jīng)營(yíng)和維護(hù)。