施 欽， 殷云龍， 華建峰，①， 丁次平， 張凌云， 楊紅明

〔1. 江蘇省中國科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園) 江蘇省落羽杉屬樹木種質(zhì)創(chuàng)新與繁育工程研究中心， 江蘇 南京 210014；2. 湖北省林業(yè)科學(xué)研究院荊州分院， 湖北 荊州 434020； 3. 昆明市林業(yè)科學(xué)研究所， 云南 昆明 650223〕

碳和氮是陸地森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，其循環(huán)過程及相互作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力以及穩(wěn)定性起著重要作用。近年來，國內(nèi)外研究人員對(duì)不同區(qū)域乃至全球森林土壤的碳、氮儲(chǔ)量和循環(huán)進(jìn)行了大量研究，其中，有關(guān)碳、氮儲(chǔ)量估算方面的研究較多[1-3]。人工林正逐步成為森林總量的關(guān)鍵組成部分，并在森林可持續(xù)經(jīng)營管理過程中發(fā)揮著重要作用。研究人工林碳庫和氮庫的儲(chǔ)量及調(diào)控機(jī)制是了解和預(yù)測全球氣候變化的重要工作。

為了恢復(fù)與重建長江流域生態(tài)功能，目前已在造林技術(shù)選擇、目的樹種篩選和經(jīng)營管理措施等[4]方面做了大量工作。落羽杉屬(TaxodiumRich.)雜交樹種‘中山杉’(T. ‘Zhongshanshan’)具有生長快、耐水濕、耐鹽堿、適宜性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為平原地區(qū)林業(yè)部門主推樹種[5-7]。隨著‘中山杉’的造林面積日益擴(kuò)大，其培育和推廣效益研究已成為森林資源經(jīng)營管理及可持續(xù)發(fā)展的重要后續(xù)工作?！猩缴肌鷳B(tài)服務(wù)功能尤其是土壤碳、氮庫及其積累特征，對(duì)于‘中山杉’人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

本研究對(duì)云南省昆明市滇池?fù)茲O河濕地公園‘中山杉118’ (T. ‘Zhongshanshan 118’)人工林及土壤的碳、氮儲(chǔ)量和分配格局進(jìn)行研究，以期為探明‘中山杉118’人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、固碳潛力與養(yǎng)分元素間的關(guān)系提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市滇池?fù)茲O河濕地公園(東經(jīng)102°47′04″、北緯24°49′40″)，屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年均氣溫15 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 200 h左右，無霜期240 d以上。該地區(qū)于2010年?duì)I建‘中山杉118’人工林，面積約473 hm2，造林時(shí)‘中山杉118’苗木株齡均為2 a，株距和行距均為2 m，造林地立地條件一致，栽植后只進(jìn)行常規(guī)水分管理。

1.2 研究方法

1.2.1 人工林各組分樣品采集及生物量計(jì)算 2018年10月，選擇研究區(qū)內(nèi)面積約2 hm2的10 a‘中山杉118’人工林為研究對(duì)象，該人工林郁閉度為0.76，林中‘中山杉118’平均樹高12.7 m，平均胸徑22.3 cm。在林內(nèi)設(shè)置4個(gè)面積50 m×50 m的固定樣地用于‘中山杉118’生長參數(shù)調(diào)查。對(duì)樣地內(nèi)‘中山杉118’進(jìn)行每木檢尺，使用胸徑尺(精度0.1 cm)測量胸徑，使用CGQ-1型直讀式測高器(哈爾濱光學(xué)儀器廠，精度0.1 m)測量樹高，每株測量1次；統(tǒng)計(jì)各樣地內(nèi)的株數(shù)。以平均胸徑±1 cm為標(biāo)準(zhǔn)選取標(biāo)準(zhǔn)木，每個(gè)樣地選取5株。采集健康無病害的葉片、枝條和樹干，每株各部位樣品分別裝入透明自封袋中，標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室。所有樣品分別用蒸餾水沖洗干凈后裝入信封，于溫度85 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量后稱量，然后采用標(biāo)準(zhǔn)木法分別計(jì)算其生物量。

在樣地內(nèi)沿對(duì)角線方向設(shè)置5個(gè)面積5 m×5 m小樣方。由于林下只有極少量草本植物，因此只采集凋落物。收集小樣方內(nèi)全部凋落物并帶回實(shí)驗(yàn)室，于溫度85 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量后稱量，然后計(jì)算凋落物生物量。

上述樣品的干樣分別粉碎后過60目篩，備用。

1.2.2 土壤樣品采集 在每個(gè)取樣點(diǎn)以“S”型隨機(jī)選取4個(gè)典型土樣采集點(diǎn)，沿土壤剖面按0～15、15～30和30～45 cm土層進(jìn)行取樣，每層取約500 g土樣，各采集點(diǎn)按土層混合均勻后放入無菌自封袋。隨后用100 cm3環(huán)刀在每層取1個(gè)土樣，單獨(dú)裝袋用于土壤容重測定。土樣帶回后風(fēng)干，去除根系和石礫，依次過20和100目篩，備用。

1.2.3 碳、氮含量測定及其儲(chǔ)量計(jì)算 所有樣品碳含量以總有機(jī)碳含量計(jì)算，采用重鉻酸鉀硫酸氧化法[8]166-167進(jìn)行測定；氮含量以總氮含量計(jì)算，采用凱氏法[8]123-125進(jìn)行測定，2個(gè)指標(biāo)均重復(fù)測定4次?！猩缴?18’人工林、葉片、枝條、樹干和凋落物的碳、氮儲(chǔ)量分別根據(jù)其有機(jī)碳、總氮含量與生物量之積進(jìn)行計(jì)算；土壤碳、氮儲(chǔ)量的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[9]。分別根據(jù)‘中山杉118’人工林葉片、枝條和樹干的生物量(M)與胸徑(DBH)和樹高(H)擬合異速生長方程M=a(DBH2·H)b[10]。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

采用EXCEL 2007軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 ‘中山杉118’人工林生物量及分配

云南滇池‘中山杉118’單株的葉片、枝條和樹干干質(zhì)量及總干質(zhì)量分別為6.4、31.2、72.8和110.4 kg，‘中山杉118’人工林葉片(ML)、枝條(MB)和樹干(MS)的生物量，分別為16、78和182 t·hm-2，與胸徑(DBH)和樹高(H)的異速生長方程分別為ML=0.191(DBH2·H)0.431、MB=0.529(DBH2·H)0.486和MS=0.264(DBH2·H)0.515。

2.2 ‘中山杉118’人工林各組分碳、氮含量和儲(chǔ)量

云南滇池‘中山杉118’人工林各組分碳、氮含量和儲(chǔ)量見表1。結(jié)果顯示：‘中山杉118’人工林各組分碳含量由高到低依次為葉片、凋落物、枝條、樹干，氮含量由高到低依次為葉片、枝條、樹干、凋落物，其中，葉片碳、氮含量最高，分別為520和5.22 g·kg-1?！猩缴?18’人工林各組分碳、氮儲(chǔ)量由高到低依次為樹干、枝條、葉片、凋落物，其中，樹干中碳、氮儲(chǔ)量明顯高于葉片和枝條，分別為51.1和0.601 t·hm-2，分別占喬木層(包括葉片、枝條和樹干)碳、氮儲(chǔ)量的60.9%和57.1%。

2.3 ‘中山杉118’人工林土壤碳、氮含量和儲(chǔ)量及分配格局

云南滇池‘中山杉118’人工林土壤碳、氮含量和儲(chǔ)量見表2。結(jié)果顯示：‘中山杉118’人工林土壤碳、氮含量隨著土層深度增加而降低，30～45 cm土層土壤碳、氮含量分別僅為0～15 cm土層土壤的54.2%和45.9%。0～45 cm土層土壤碳、氮儲(chǔ)量分別為41.24和1.73 t·hm-2，其中，0～15 cm土層土壤占比最高，分別為44.7%和49.1%。0～15、15～30和30～45 cm土層土壤碳氮比分別為21.6、26.1和25.6，表明‘中山杉118’人工林0～45 cm土層土壤的養(yǎng)分供應(yīng)良好。

表1 云南滇池‘中山杉118’人工林各組分碳、氮含量和儲(chǔ)量

表2 云南滇池‘中山杉118’人工林土壤碳、氮含量和儲(chǔ)量

3 討論和結(jié)論

通常根據(jù)人工林喬木層和土壤碳、氮儲(chǔ)量評(píng)價(jià)人工林生態(tài)系統(tǒng)吸收和固碳功能。云南滇池10 a‘中山杉118’人工林葉片、枝條和樹干中碳含量為439～520 g·kg-1，與國際上計(jì)算森林碳儲(chǔ)量時(shí)通用的碳含量(450～500 g·kg-1)接近[11]。 ‘中山杉118’人工林葉片、枝條和樹干中氮含量為3.34～5.22 g·kg-1，高于落葉松〔Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.〕的3.20 g·kg-1[12]。‘中山杉118’人工林凋落物碳、氮含量分別為510和1.16 g·kg-1，低于葉片碳、氮含量，這可能是由于試驗(yàn)林中‘中山杉118’的栽植密度和郁閉度較高，林下植被種類和數(shù)量較少，沒有足夠的地表植被補(bǔ)充被分解的營養(yǎng)元素。

中國溫性針葉林、暖性針葉林和森林植被平均碳儲(chǔ)量分別為43.2、47.9和57.1 t·hm-2[13]。云南主要森林植被估算的碳儲(chǔ)量為67.0 t·hm-2[14]。本研究中，‘中山杉118’人工林喬木層(包括葉片、枝條和樹干)碳儲(chǔ)量為80.6 t·hm-2，表明滇池地區(qū)‘中山杉118’人工林固碳能力高于云南省平均水平?！猩缴?18’人工林喬木層的氮儲(chǔ)量為1.055 t·hm-2，且樹干是氮庫的主體，這與刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)[15]類似。盆栽實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：‘中山杉’對(duì)土壤的適應(yīng)性較強(qiáng)，但比較偏向于氮元素充足的土壤，因?yàn)橥寥乐械枯^高促進(jìn)其光合作用[16]，而且‘中山杉’對(duì)富營養(yǎng)化水體中的氮也有較強(qiáng)的吸收能力[17]。

‘中山杉118’人工林0～45 cm土層土壤碳、氮含量和儲(chǔ)量均隨著土層深度增加而降低，0～15 cm土層土壤碳、氮儲(chǔ)量分別占0～45 cm土層土壤碳、氮儲(chǔ)量的44.7%和49.1%。冷杉〔Abiesfabri(Mast.) Craib〕和紫果云杉(PiceapurpureaMast.)林地0～20 cm土層土壤中碳儲(chǔ)量占0～60 cm土層土壤總碳儲(chǔ)量的46.0%以上[18]。這主要是由于植物根系大多分布在土壤表層，枯落物和腐殖質(zhì)層的分解導(dǎo)致碳儲(chǔ)量增加。中國土壤平均碳氮比為10～12[19]，‘中山杉118’人工林土壤碳氮比為21.6～26.1，表明‘中山杉118’在滇池地區(qū)具有較好的養(yǎng)分供應(yīng)。

綜上所述，‘中山杉118’是固碳能力較強(qiáng)的優(yōu)良造林樹種。由于人工林生態(tài)系統(tǒng)受土壤類型、凋落物數(shù)量和質(zhì)量以及撫育方式等影響，‘中山杉118’人工林碳、氮儲(chǔ)量的變化規(guī)律，如林齡、造林密度和管理方式等有待進(jìn)一步研究。