坡位對油松人工林地上生物量分配格局的影響

孫巧玉，劉 勇，李國雷，張 碩，許 飛，王巍偉

(北京林業(yè)大學 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室, 北京 100083)

坡位對油松人工林地上生物量分配格局的影響

孫巧玉，劉 勇，李國雷，張 碩，許 飛，王巍偉

(北京林業(yè)大學 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室, 北京 100083)

油松是華北地區(qū)重要的造林樹種，研究油松人工林地上部分生物量的空間分配格局對北方地區(qū)人工林培育具有重要意義。以河北省平泉縣34年生油松人工林為調查對象，通過比較不同坡位的林木生長量、地上生物量及土壤養(yǎng)分含量的差異，研究坡位對土壤養(yǎng)分分配及林木生長狀況的影響。結果表明：胸徑和樹高均隨坡位由上到下的變化而增加；就單株喬木各器官而言，不同坡位林木枝、干的生物量分配表現(xiàn)為上坡＜中坡＜下坡，而葉的生物量則是隨著坡位由上而下逐漸減小；油松人工林分的喬木層、凋落物層、草本層分別占地上部分生物量的92.2%～95.1%，3.5%～6.3%，1.2%～1.5%；各土層的土壤有機質含量在不同坡位上均表現(xiàn)為下坡＞中坡＞上坡。

油松；人工林；生物量；坡位；土壤有機質

油松Pinus tabulaeformisCarr.是我國華北地區(qū)的重要造林樹種，適應性強，抗瘠薄，其保持水土和美化環(huán)境的功能在山地植被恢復中占有極其重要的位置[1]。

林分生物量是衡量林地生產(chǎn)力和經(jīng)營效果的重要指標，同時也能反映森林與環(huán)境間的物質循環(huán)和能量流動的關系[2]。隨著林業(yè)科學技術的發(fā)展，對深入研究森林生態(tài)系統(tǒng)生物的地球化學循環(huán)、碳匯功能，評價人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力與環(huán)境因子之間的關系顯得極為迫切[3]。目前對人工林生物量的研究，主要集中在不同林型、不同林齡、不同密度的人工林現(xiàn)存生物量、林木生產(chǎn)力及喬木不同器官生物量的分配率等方面[4-12]。

在山地森林生態(tài)系統(tǒng)中，已有研究表明坡位對土壤養(yǎng)分空間分布有影響[13-14]，國內外在坡位對林分生長與土壤養(yǎng)分空間分布的研究主要集中于闊葉人工林[15-17]，而關于坡位對華北地區(qū)針葉人工林生物量與土壤養(yǎng)分影響的研究很少。本研究以華北山區(qū)不同坡位上的油松人工林為對象，研究坡位與林木生長間的關系，意在揭示地形對針葉林分植被生長的影響，為該地山區(qū)造林及生態(tài)公益林的經(jīng)營管理提供科學依據(jù)。

1 研究地概況

試驗地位于河北省承德市平泉縣黃土梁子林場，屬燕山山脈末端，海拔700～800 m，經(jīng)緯度分別為 118°40′E，41°13′N，年平均氣溫 7.3℃，年平均無霜期135 d，年平均降水量為542mm，屬溫帶大陸性季風氣候。土壤類型為褐土，pH值為6.8。主要林下植被有木本香薷Elsholtzia stauntoniL.、 繡 線 菊Spiraea salicifoliaL.、 薔 薇Rosa multif l oraL.、披針葉苔草Carex lanceolataBoott L.、菊葉委陵菜Potentilla tanacetifoliaL.、錦雞兒Caragana sinicaL.等。

試驗林分為生態(tài)公益林，1976年播種造林，播種距離為1m×2m，初始造林密度為5 000株/hm2，播種后連續(xù)2a進行補植活動，然后封山育林，至今尚未進行撫育間伐。土壤肥力較差，存在巖石裸露現(xiàn)象。不同坡位油松人工林地的土壤各層次氮、磷、鉀含量見表1。

表1 不同坡位油松林地土壤氮、磷、鉀含量Table 1N, P, K contents in different slope position soil of P. tabulaeformis

2 研究方法

2.1 試驗地設置

在連續(xù)坡面林分內，按照上、中、下3個坡位，在每個坡位分別設置4個30 m×30 m標準地，共12塊標準地。

調查并記錄標準地的地點、海拔、坡向、坡度和坡位，并且對標準地活立木進行每木檢尺，實測并記錄其樹號、胸徑、樹高。

2.2 生物量的測定

2.2.1 喬木層地上生物量的測定

采用標準木法，根據(jù)林分平均胸徑和樹高，每個標準地內選取4株標準木，伐倒后，地上部分采用分層切割法。將樹干按照1m長度分段截斷，稱量干的總鮮質量。每段截取2～5 cm厚圓盤作為抽取樣品，并稱量抽取樣品鮮質量。將樹冠分上、中、下3層，對枝和針葉分別稱量鮮質量，并取樣。將所有樣品帶回實驗室并置于烘箱內，在85℃條件下烘干至恒質量。根據(jù)所測樣品的含水率和總鮮質量計算各器官生物量。

喬木層地上生物量（W）采用標準木法中的平均標準木法推算[18-19]，即用標準木地上部分質量W′乘單位面積上的立木株數(shù)N，即W=NW′。

2.2.2 凋落物層生物量的測定

林下凋落物的厚度為1～3cm，將其分為分解層和未分解層，在標準地內按照S形路線設置5個1m×1m的樣方，收集樣方內凋落物。將收集的凋落物置于烘箱內85℃烘干至恒質量，稱量烘干樣品即為凋落物生物量。

2.2.3 草本層地上生物量的測定

標準地內林下草本主要有披針葉苔草Carex lanceolata、紫菀Aster tataricusL.、匍匐委陵菜Potentilla reptansL.、木本香薷、卷柏Selaginellae tamariscinaP.等。在標準地的4個頂角及中心位置設置5個1m×1m的樣方，記錄樣方內草本名稱、覆蓋率，并收集小樣方內草本地上莖葉部分。將草本樣品置于烘箱內85℃烘干至恒質量，稱量烘干草本樣品，即為草本地上生物量。

2.2.4 土壤有機質的測定

在每個標準地按S型線路選取5個點，在每個點分0～10、10～20、20～30 cm 3層，將同一樣地相同土層5個點的土樣混合后裝入土壤袋，帶回實驗室。采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法[20]測定土壤有機質含量。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析和LSD多重比較法，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計在SPSS16.0中完成，圖表在Excel2007中完成。

3 結果與分析

3.1 不同坡位油松生長狀況的比較

從表2可以看出，油松的胸徑和樹高在不同坡位上表現(xiàn)出隨著坡位由上到下均逐漸增大的趨勢。方差分析檢驗結果表明胸徑和樹高在不同坡位上的生長情況均表現(xiàn)出極顯著性差異（p＜0.01）。下坡位胸徑比上坡位和中坡位胸徑分別增加了1.2cm和0.5 cm，下坡位樹高比上坡位和中坡位樹高分別增加了1.2m和0.8 m。

表2 不同坡位胸徑和樹高均值的比較?Table 2Comparison between DBH and height in different slope position

3.2 油松單株立木各器官地上生物量的比較

油松單株各器官及單株地上生物量在坡位上的變化見圖1?？偟膩碚f，單株各器官生物量在不同坡位的表現(xiàn)不同。就單株地上總生物量而言，生物量在不同坡位上的分配為上坡＜中坡＜下坡，且方差分析結果顯示，單株地上生物量在不同坡位間差異性極顯著（p＜0.01），下坡和中坡的生物量分別是上坡生物量的1.78倍、1.18倍。就各器官而言，枝、干的生物量在不同坡位均表現(xiàn)出隨著坡位從上到下生物量逐漸增大的趨勢，但各器官的生物量在不同坡位上差異不顯著。枝和干的生物量下坡位比上坡位和中坡位分別增加了0.46倍、0.024倍和0.42倍、0.24倍。然而葉的生物量則隨著坡位由上而下逐漸減小。

圖1 不同坡位單株地上生物量和各器官生物量的比較Fig.1Comparison of aboveground biomass and all organs among different slope position

3.3 油松人工林不同坡位地上部分生物量的比較

調查地的上、中、下3個坡位的地上部分總生物量為352.78 t/hm2，不管是喬木層、凋落物層還是地上部分總生物量，都是隨著坡位從上到下逐漸增大（見表3）。

3.3.1 喬木層地上生物量

喬木層地上生物量在坡位上的分配為下坡＞中坡＞上坡。上坡、中坡、下坡的喬木層地上生物量分別占地上部分總生物量的百分率分別為92.2%、93.8%、95.1%。干、枝、葉生物量占喬木層地上生物量的比例在不同坡位分別為72%～76%，16%～19%，8%～11%。喬木層的干物質主要積累在樹干部分，是林分生物量的主要儲存部位。

3.3.2 凋落物層生物量

油松人工林內的凋落物主要是針葉、枯枝、球果、草本枯死物等。從表3中可看出凋落物的分解層生物量大于未分解層生物量，且2個層次的生物量都是隨著坡位從上到下依次減小。方差分析結果顯示未分解層的生物量在不同坡位間差異顯著。上坡、中坡、下坡的凋落物層生物量分別占地上部分生物量的6.3%、5%、3.5%。在闊葉混交林中的研究也表明上坡凋落物的分解速度低于中坡和下坡[21]。凋落物分解層與土壤有機質含量有直接的關系，下坡位的未分解層和分解層生物量少說明凋落物分解速度快，轉化為土壤表層，土壤有機質高，有利于下坡植被的生長。

表3 不同坡位地上部分生物量的比較Table 3Comparison of aboveground biomasses at different slope position

3.3.3 草本層地上生物量

油松人工林下草本植物種類較少，蓋度小，中、上坡長勢差，從數(shù)據(jù)分析看，草本地上生物量排序為中坡＜上坡＜下坡。上坡、中坡、下坡的草本層生物量分別占地上部分生物量的1.5%、1.4%、1.2%。中坡位的巖石裸露程度大，不利于草本植物的萌發(fā)生長；上坡位喬木密度大，透光性差，土壤養(yǎng)分含量低于下坡位。

3.4 不同坡位土壤有機質的比較

從圖2中看出，3個土層的土壤有機質含量在不同坡位上均表現(xiàn)出隨著坡位由上到下逐漸增加，且在0～10 cm的土層，土壤有機質含量在不同坡位間差異性極顯著（p＜0.01）。在同一坡位上，不同土壤深度的土壤有機質含量從表層到深層出現(xiàn)降低的趨勢。

圖2 不同坡位土壤有機質的垂直分布Fig. 2Vertical distribution of soil organic matter on different slope position

4 結論與討論

油松人工林在不同坡位上表現(xiàn)出生長差異，胸徑和樹高隨著坡位由上到下逐漸增加，下坡位和中坡位的胸徑是上坡位胸徑的1.2倍和1.1倍，下坡位和中坡位的樹高比上坡位樹高增加18%和10%。這一結果與水曲柳、胡桃楸、杉木、厚樸、馬褂木等樹種上的研究結果是一致的[22-24]。

油松枝、干、單株的地上生物量在不同坡位均隨著坡位從上到下逐漸增大。單株地上生物量在不同坡位上差異顯著，下坡位分別是中坡位和上坡位的1.17倍和1.38倍。而葉的生物量則表現(xiàn)出隨著坡位由上而下逐漸減小，各坡位間差異不顯著。葉的生物量大小與冠幅有著密切的關系[25]，而筆者選擇標準木的依據(jù)是胸徑和樹高，這就可能出現(xiàn)單株地上生物量和其他器官生物量表現(xiàn)不一致的情況。油松人工林喬木層和凋落物層的地上生物量是下坡位＞中坡位＞上坡位，草本層是下坡位＞上坡位＞中坡位，且喬木層、凋落物層、草本層分別占地上部分生物量的92.2%～95.1%，3.5%～6.3%，1.2%～1.5%。

造成林分地上生物量隨坡位下降而增大的原因可能主要是兩個方面：第一，土壤肥力的差異。土壤有機質含量隨著坡位從上到下逐漸增大，研究發(fā)現(xiàn)，0～10 cm土層中，中坡和下坡的土壤有機質含量是上坡位的1.2倍和1.5倍；10～20 cm土層中，中坡和下坡的土壤有機質含量是上坡位的1.3倍和1.4倍；20～30 cm土層中，中坡和下坡的土壤有機質含量是上坡位的2.4倍和3.1倍，且各坡位間差異顯著。森林土壤有機質是土壤肥力的一個重要方面，它主要來自動植物、微生物以及他們的分泌物和排泄物，土壤有機質能夠改善土壤的物理結構和化學性質，能夠促進養(yǎng)分吸收和植物的生長[19]。有研究表明土壤有機質與地上植被生長有著密切的關系，且在不同林型不同樹種中的表現(xiàn)也不同[15]。第二，坡位能夠顯著影響土壤含水量。梁淑娟、張益望等的研究表明，隨著坡位由上到下變化，土壤含水量呈增加趨勢[22,26]。本地區(qū)年平均降水量僅為542mm，土壤水分含水量是影響林木生長的一個重要因子，隨著坡位降低土壤水分的增加將更有利于林分生長。

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Effect of slope position on above-ground biomass distribution pattern in Pinus tabulaeformis plantation

SUN Qiao-yu, LIU Yong, LI Guo-lei, ZHANG Shuo, XU Fei, WANG Wei-wei
(Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Pinus tabulaeformisis one of important tree species in north China and is necessary to study its above-ground biomass distribution pattern of the plantations. By taking 34-year-old forest plantations ofPinus tabulaeformisin Pingquan county, Hebei province as the object, the effect of slope position on soil nutrient distribution and tree growth conditions were studied through comparing the differences of forest increment, above-ground biomass, soil nutrient content. The results show that the DBH and height increased as the slope position changed from the up-slope to middle-slope to down-slope; as far as all organs of a single tree are concerned, the biomasses of branches and stems on different slope positions ranked by magnitude as followings: biomass on the upslope, biomass on the middle-slope and biomass on the down-slope; while the biomass of leaves decreased from upslope to middle-slope to down-slope; the arbor-layer biomass, litter layers biomass, shrub biomass occupied 92.2%～95.1%，3.5%～6.3%，1.2%～1.5% of total stand, respectively; the soil organic matter contents in different layer ordered from high to low as following: in the bottom soil＞middle＞upper.

Pinus tabulaeformisCarr.; plantation; biomass; slope position; soil organic matter

S718.55+6

A

1673-923X(2012)09-0102-04

2012-06-06

高等學校博士學科點專項科研基金(20090014110011)；國家自然科學基金(30972353)

孫巧玉（1987-），女，山東平度人，碩士研究生，主要從事人工林培育研究；E-mail：xinxinbawang7733@163.com

劉 勇（1962-），男，云南威信縣人，教授，博士，主要從事種苗培育理論與技術、人工林栽培理論與技術研究；

E-mail：lyong@bjfu.edu.cn

[本文編校：謝榮秀]