太行山低山丘陵區(qū)外來種火炬樹群落生物量與碳貯量

高喜榮 ，趙 輝 ，楊海青 ，凌曉明，樊 巍

（1. 河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州450008；2. 河南省生態(tài)林業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州450008）

太行山低山丘陵區(qū)外來種火炬樹群落生物量與碳貯量

高喜榮1，趙 輝1，楊海青2，凌曉明1，樊 巍1

（1. 河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州450008；2. 河南省生態(tài)林業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州450008）

為全面了解外來種火炬樹的生態(tài)服務(wù)功能，研究了太行山南端低山丘陵區(qū)巖石裸露地和自然荒坡二種生境營(yíng)造的11年生火炬樹人工林的生物量與碳貯量。主要結(jié)果為：建立了火炬樹各器官生物量和基徑、樹高的回歸方程，回歸系數(shù)均在0.92以上，都達(dá)到極顯著水平，可以用于研究地區(qū)火炬樹生物量的測(cè)算；石裸地和荒坡地火炬樹群落生物量分別達(dá)到13.395 4 t·hm-2和29.106 4 t·hm-2，高于同地區(qū)鄉(xiāng)土灌叢的生物量；火炬樹平均含碳率44.56%，石裸地和荒坡地火炬樹群落植物層碳貯量分別達(dá)5.915 5 t·hm-2和12.975 1 t·hm-2，荒坡0～20 cm土壤碳密度為2.172 2 kg·m-2，荒坡11年生火炬樹群落總碳貯量達(dá)34.697 1 t·hm-2。從物質(zhì)生產(chǎn)和碳存貯能力來看，外來種火炬樹優(yōu)于當(dāng)?shù)赝车泥l(xiāng)土灌木樹種。

火炬樹；生物量；碳貯量；太行山低山丘陵區(qū)；外來種

外來樹種火炬樹Rhus typhina作為干旱石質(zhì)山地植被恢復(fù)和水土保持林營(yíng)造植物材料，已在各地廣泛應(yīng)用。圍繞其生物學(xué)特性、造林技術(shù)、克隆繁殖和擴(kuò)散能力[1-6]等相繼進(jìn)行了大量的研究，還有一些關(guān)于火炬樹是入侵種問題的質(zhì)疑[7]。但對(duì)火炬樹群落結(jié)構(gòu)和功能，特別是對(duì)其群落生物量、碳存貯方向的研究較少。為此，我們?cè)谔猩侥隙说蜕角鹆陞^(qū)開展了火炬樹生物量和碳貯量的研究，以期為科學(xué)評(píng)價(jià)火炬樹的作用，篩選太行山南端低山丘陵區(qū)水土保持林營(yíng)造模式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究是在國(guó)家林業(yè)局黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站植被恢復(fù)試驗(yàn)研究基地進(jìn)行的。中心位于河南省濟(jì)源市黃河小浪底庫(kù)區(qū)，地理坐標(biāo)為：北緯 35°01′，東經(jīng) 112°28′。地帶性植被屬暖溫帶落葉闊葉林，年平均氣溫14.3 ℃，年平均降雨量641 mm，≥0℃年積溫5 282 ℃，≥10℃年積溫 4 629 ℃，太陽(yáng)輻射量 494.1 kJ·m-2a-1。

1.2 試驗(yàn)材料

2009年7月～10月，在廣泛踏查的基礎(chǔ)上，選擇了二種生境11年生火炬樹純林為研究對(duì)象。一種是在紫色砂頁(yè)巖裸露地經(jīng)爆破整地營(yíng)造的火炬樹林，以下稱石裸地，基本上沒有表土；另一種為自然荒坡，以下簡(jiǎn)稱荒坡，土壤為紫色砂頁(yè)巖形成的山地褐土，土層厚度10～30 cm。兩生境均為陽(yáng)坡，坡度相當(dāng)，初植密度均為1 660株·hm-2，林分基本情況及火炬樹測(cè)樹因子列于表1。

表1 二種生境11年生火炬樹群落基本情況Table 1 Information of 11 year Rhus typhina community in different sites

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 生物量測(cè)定

采用標(biāo)準(zhǔn)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)株分層切割法測(cè)定生物現(xiàn)存量[8]。分別在二種生境上，選擇坡度、坡位基本相同的地點(diǎn)各設(shè)置了3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每株檢尺，區(qū)分基株和分株，測(cè)定火炬樹地徑和樹高，確定平均標(biāo)準(zhǔn)株和徑階標(biāo)準(zhǔn)株，將標(biāo)準(zhǔn)株全株挖出，采用分層切割法測(cè)定林木生物量的現(xiàn)存量。挖根時(shí)盡量做到完全、徹底。若基株和分株相連時(shí)，則自中間分開。

1.3.2 凋落物測(cè)定和分析樣品采集

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按“品”字形布設(shè)了3個(gè)1 m×1 m小樣方，測(cè)定灌、草層生物現(xiàn)存量和火炬樹枯落物量。采集火炬樹葉、根、干、枝及灌草、枯落物樣品，荒坡地采集0～20 cm土壤樣品。

1.3.3 試驗(yàn)儀器

意大利產(chǎn)EA3000 CHNS/0元素分析儀測(cè)定植物和土壤碳素含量。測(cè)定范圍100×10-6～100%。

1.3.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003和SPSS16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 火炬樹相對(duì)生長(zhǎng)方程的建立

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查資料，利用通用的生物量模型[8]Lgw=Lga+bLg (D2H)，建立了火炬樹各器官與全株生物量與地徑（D）、樹高（H）的回歸方程（表2）。各方程相關(guān)系數(shù)均在0.926 6以上，都達(dá)到極顯著水平，說明這些方程可以很好地用于研究地區(qū)火炬樹生物量的測(cè)算。

表2 火炬樹生物量相對(duì)生長(zhǎng)方程Table 2 Exponential equations of biomass of Rhus typhina

2.2 火炬樹群落生物量及其分配

2.2.1 火炬樹單株生物量分配特征

兩種生境11年生火炬樹平均標(biāo)準(zhǔn)木單株及各器官生物量列于表3。從表中可以看出，生于石裸地和荒坡地11年生火炬樹單株生物量分別為7 331.63 g和13 282.60 g，后者是前者的1.8倍多。兩生境火炬樹各器官生物量也達(dá)到極顯著差異。比較兩種生境火炬樹各器官生物量所占比例的差異可以看出，石裸地根系生物量所占比例高于荒坡，而荒坡地上部所占比例略高于石裸地，但差異不顯著。就根系而言，石裸地中根和小細(xì)根比例達(dá)到49.65%，高于荒坡地，而荒坡地粗根達(dá)到54.85%，高于石裸地。這可能是火炬樹生長(zhǎng)對(duì)立地條件的一種反應(yīng)。

但在兩種生境中火炬樹分株生物量地上和地下部分的分配比例和基株正好相反，如表4。在石裸地中，火炬樹分株地下部分所占比例低于荒坡分株所占比例，而地上部分則高于荒坡火炬樹分株地上部分的比例，說明石裸地的火炬樹的克隆生長(zhǎng)，是依靠盡快擴(kuò)大地上部的生存戰(zhàn)略[9]。

表3 不同生境11年生火炬樹基株單株生物量分配特征?Table 3 Biomass distribution of single maim tree of Rhus typhina /g

表4 不同生境火炬樹基株、子株地上、地下部分生物量分配比例?Table 4 Above ground and below ground biomass allocation ratio of main tree and sub tree of Rhus typhina in different sites

2.2.2 火炬樹群落生物量及其分配

利用表2的生物量回歸方程，采用分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)株法推算了兩種生境中11年生火炬樹群落生物量（如表5）。石裸地火炬樹群落總生物量為13.395 4 t·hm-2，其中火炬樹生物量10.432 6 t·hm-2占群落總生物量的77.88%；枯落物量1.388 2 t·hm-2，占群落總生物量的10.36 %；灌草生物量1.574 6 t·hm-2，占總生物量的11.75%?；钠禄鹁鏄淙郝淇偵锪窟_(dá)29.106 4 t·hm-2，其中火炬樹生物量24.371 7 t·hm-2，占群落總生物量的83.73%，枯落物生物量和灌草生物量分別占總生物量的6.35%和9.92%。

兩生境類型火炬樹群落生物量相比較，荒坡地火炬樹群落總生物量是石裸地生物量的2倍多，

表5 不同生境11年生火炬樹群落生物現(xiàn)存量Table 5 Existing biomass of 11 year Rhus typhina community in different sites (t·hm-2)

而且各組分所占比例不同，石裸地群落火炬樹生物量占總生物量77.88%，遠(yuǎn)低于荒坡中的83.33%。而兩生境中火炬樹基株和分株生物量占火炬樹生物量的比例也不盡相同，石裸地分株生物量占群落火炬樹生物量的35.52%，基株占64.48%，荒坡中分株占45.12%，基株占54.48%，分株所占比例遠(yuǎn)高于石裸地，說明荒坡較好的立地條件可以通過產(chǎn)生更多的克隆植株去占有資源。

2.3 火炬樹群落的碳貯量

2.3.1 火炬樹不同器官含碳量及植物層碳貯量

分析了火炬樹不同器官的含碳量（表6），各器官中以樹干含碳量最高為46.04%，以根最低為43.51%，依次為干＞枝＞葉＞根，平均為44.56%，數(shù)值介于文獻(xiàn)10中所列喬木與灌木各器官含碳量的中間，低于豫南地區(qū)灌木樹種平均含碳量，和甘肅小隴山地區(qū)喬灌草含碳量基本相當(dāng)[12]。

表6 火炬樹各器官及群落其它組分含碳量Table 6 Carbon content of Rhus typhina organs and the other components /%

利用火炬樹群落生物量測(cè)定數(shù)據(jù)，計(jì)算了二種生境11年生火炬樹群落植物層碳存貯量（如表7）。從表中可以看出，石裸地11年生火炬樹群落植物層碳存貯量5.915 5 t·hm-2，其中火炬樹為4.657 0 t·hm-2，占78.73%，灌草植被和枯落物分別占11.33%和9.94%，荒坡地11年生火炬樹群落植物層的碳存貯量達(dá)12.975 1 t·hm-2，其中火炬樹為10.963 2 t·hm-2，占84.49%，灌草植被和枯落物碳貯量分別占9.48%和6.03%。兩生境相比較，荒坡火炬樹群落碳存貯量是石裸地的2倍多。

表7 11年生火炬樹群落植物層碳存貯量Table 7 Carbon storage of plant layer of Rhus typhina community （t·hm-2）

2.3.2 火炬樹群落土壤有機(jī)碳密度和碳貯量

測(cè)定了荒坡11年生火炬樹群落土壤有機(jī)碳含量、碳密度列于表8，從表中可以看出，11年生火炬樹群落0～20 cm土壤有機(jī)碳貯量可達(dá)21.722 0 t·hm-2。

表8 荒坡11年生火炬樹群落土壤碳密度Table 8 Soil carbon density of Rhus typhina community of desolate sloping field

2.3.3 火炬樹群落碳貯量

通過以上計(jì)算和分析，可以得出太行山南端荒坡地11年生火炬樹群落碳貯量可達(dá)34.697 1 t·hm-2，其中植物層碳貯量為12.975 1 t·hm-2，占37.40%，0～20 cm土壤有機(jī)碳貯量為21.722 0 t·hm-2，占62.60%。

3 結(jié)論和討論

利用相對(duì)生長(zhǎng)關(guān)系建立了火炬樹單株及各器官生物量回歸模型，相關(guān)系數(shù)均在0.92以上，具有很好的相關(guān)性，可以在實(shí)際中應(yīng)用。

石裸地和荒坡11年生火炬樹基株單株生物量分別達(dá)到7 331.63 g 和13 282.60 g。兩種不同生境火炬樹基株、分株單株生物量分配表現(xiàn)出一定的差異。條件惡劣的石裸地中火炬樹基株地下根系所占比例高于荒坡地；就根系而言，石裸地中根和細(xì)、小根比例高于荒坡地，而荒坡地粗根比例明顯高于石裸地。分株地上和地下生物量的分配和基株正好相反，在石裸地中火炬樹分株地上部分比例高于荒坡基株地上部分所占比例，充分說明克隆植物火炬樹對(duì)不同生境的反應(yīng)。和現(xiàn)有的兩篇火炬樹生物量的研究文獻(xiàn)相比，遠(yuǎn)高于渭北黃土高原9年生火炬樹單株生物量為0.352～2.422 kg[13]的水平。和太行山中段平山縣6年生單株4271 g[14]大體相當(dāng)。

石裸地和荒坡地11年生火炬樹群落生物量分別達(dá) 13.395 4 t·hm-2和 29.106 4 t·hm-2，其中火炬樹生物量分別為 10.432 6 t·hm-2和 24.371 7 t·hm-2。兩種生境相比較，荒坡火炬樹群落生物量是石裸地火炬樹群落的2倍多。群落生物量和生產(chǎn)力是決定生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)成功與否的重要指標(biāo)[15]和目前太行山低山丘陵區(qū)已有的研究結(jié)果比較來看[16]，在荒破地同等立地條件下火炬樹群落生物量高于酸棗（23.858 8 t·hm-2）、 荊 條（17.168 5 t·hm-2），胡枝子（11.468 t·hm-2）和杠柳（14.745 6 t·hm-2）等鄉(xiāng)土灌叢生物量，若按年生物量增量計(jì)算，也高于同立地相近年齡的側(cè)柏、黃連木和栓皮櫟等鄉(xiāng)土喬木樹種生物量，充分說明，從群落生物量這一指標(biāo)來看，火炬樹在這些困難立地可以形成較高的生產(chǎn)能力，是生態(tài)恢復(fù)的優(yōu)良植物種。

火炬樹平均含碳率為44.56%，以樹干最高為46.04%，根最低為43.51%，各器官含碳率差異不大。石裸地11年生火炬樹群落植被層碳貯量5.915 5 t·hm-2，其中火炬樹為 4.657 0 t·hm-2，占 78.73%；荒坡11年生火炬樹群落植物層碳貯量達(dá)12.975 1 t·hm-2，其中火炬樹為 10.963 2 t·hm-2，占 84.49%。從植被層碳貯量來看，高于同地區(qū)同生境酸棗（9.51 t·hm-2）荊條（7.01 t·hm-2）等自然灌叢的碳貯量[13]。

荒坡11年生火炬樹群落0～20 cm土壤碳密度為2.1722 kg·m-2，整個(gè)火炬樹群落碳貯量為34.6971 t·hm-2，其中植物層碳貯量占37.40%，土壤碳貯量占62.60%。

從群落生物量和碳貯量能力來看，火炬樹在這些困難立地可以形成較高的生產(chǎn)能力和較高的碳截存能力，是太行山南端低山丘陵區(qū)生態(tài)恢復(fù)和水土保持林建設(shè)的優(yōu)良植物材料。

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Biomass and carbon storage of Rhus typhina in hilly area of Taihang Mountain

GAO Xi-rong1, ZHAO Hui1, YANG Hai-qing2, LING Xiao-ming1, FAN Wei1
(1. Henan Academy of Forestry, Zhengzhou 450008, Henan, China; 2. Ecological Forestry Engineering Research Center of Henan Province, Zhengzhou 450008, Henan, China)

In order to comprehensively understand the service function ofRhus typhina(an exotic species), the biomass and carbon storage of eleven-year-oldR. typhinacommunity in bare land and desolate sloping field in the hilly area of Taihang Mountain were investigated.The results were as follows: The exponential equations of biomass of different components about the basal diameter and tree height were established, and the regression coefficient reached more than 0.92, which achieved significantly positive levels. It was calculated that the biomass ofR. typhinacommunity in bare land and desolate sloping fi eld were 13.395 4 t·hm-2and 29.106 4 t·hm-2respectively, and higher than that of native shrub in this area. The average carbon content ofR. typhinawas 44.56% and the vegetation carbon stock in these two kinds ofR.typhinacommunity were 5.915 5 t·hm-2and 12.975 1 t·hm-2respectively. In addition, the top soil (0 ～ 20 cm) carbon stock in barren sloping fi eld was 2.172 2 kg·m-2and the total carbon stock of eleven-year-oldR. typhinacommunity achieved at 34.697 1 t·hm-2, so it was obvious thatR.typhinawas superior to native shrub in the aspects of material production and carbon sequestration ability.

Rhus typhina; biomass; carbon storage; hilly area in Taihang Mountain; exotic species

S718.54

A

1673-923X(2012)12-0172-04

2012-06-13

國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目（2011BAD3813B0604）“華北低山丘陵區(qū)低效保持林改造與調(diào)控技術(shù)研究與示范”

高喜榮（1961-），女，河北石家莊人，教授級(jí)高工，本科，主要從事林業(yè)工程與生態(tài)工程研究

樊 巍（1964-），男，河南商丘人，研究員，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事林業(yè)生態(tài)工程研究；E-mail:fanw2004@163.com

[本文編校：吳 彬]