冰雪災(zāi)害對(duì)粵北杉木林凋落物儲(chǔ)量及養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的影響

許建新 侯曉麗 薛 立

(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)

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冰雪災(zāi)害對(duì)粵北杉木林凋落物儲(chǔ)量及養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的影響

許建新1，2侯曉麗1薛 立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)

為明確冰雪災(zāi)害對(duì)粵北杉木林凋落物層儲(chǔ)量及其養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的影響，2008—2011年于冰雪災(zāi)害后的杉木人工林內(nèi)建立樣方，測定樣方內(nèi)N、P、K養(yǎng)分的變化情況。結(jié)果表明：冰雪災(zāi)害后1～4 a衫木林凋落物層的儲(chǔ)量分別為15.97、9.96、11.20和12.43 t/hm2，表現(xiàn)為先降后升，凋落物層N含量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，P含量為升—降—升，K含量急劇下降后又波動(dòng)；冰雪災(zāi)害后1～4 a的凋落物層N累積量分別為107.80、91.38、99.67和136.84 kg/hm2，P累積量分別為7.83、6.05、6.21和7.74 kg/hm2，均為先降后升，K儲(chǔ)量分別為69.95、9.06、14.81和14.23 kg/hm2，呈現(xiàn)為顯著下降后波動(dòng)；凋落物層的養(yǎng)分含量和累積量為N>K>P。冰雪災(zāi)害后1 a輸入了大量的林冠殘?bào)w到杉木林地，增加了土壤肥力，加快了養(yǎng)分循環(huán)速度。

冰雪災(zāi)害；杉木林；凋落物層；儲(chǔ)量；養(yǎng)分動(dòng)態(tài)

全球氣候變化加劇背景下，極端氣候事件增加[1]已經(jīng)成為目前人類面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一[2]，也是森林干擾的一個(gè)重要因素[3]，引起了廣泛的關(guān)注[4]。2008 年1—2月，我國南方持續(xù)冰雪天氣，嚴(yán)重破壞了19個(gè)省區(qū)的森林植被[5]，面積達(dá)1 860萬hm2[6]。粵北是此次冰雪災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，海拔500～1 000 m的森林受到嚴(yán)重?fù)p害[7]。目前，對(duì)森林冰雪災(zāi)害進(jìn)行了較多的研究，包括冰雪災(zāi)害對(duì)森林的損害[8-9]、森林演替[10]、土壤[11]和森林經(jīng)營管理[12]的影響等方面，而對(duì)冰雪災(zāi)害引起的森林凋落物儲(chǔ)量及其養(yǎng)分動(dòng)態(tài)鮮見報(bào)道。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國重要的速生用材樹種[13]，廣泛分布于我國南方17個(gè)省區(qū)， 面積約占我國人工林面積的24%[14]，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境和維持碳循環(huán)平衡方面具有重要的作用。目前有關(guān)冰雪災(zāi)害對(duì)杉木群落影響的研究，主要集中于杉木林的冠層損害[15-16]，以及對(duì)土壤特性[11]、林冠殘?bào)w養(yǎng)分[17-18]和持水特性[14]影響等方面，未見冰雪災(zāi)害后杉木林凋落物動(dòng)態(tài)的相關(guān)報(bào)道。森林凋落物是指在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)地上植物產(chǎn)生并最終進(jìn)入到地表的有機(jī)質(zhì)總稱，是分解者的物質(zhì)和能量來源，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要意義。冰雪災(zāi)害增加了森林非正常凋落物的數(shù)量，其中包括大量植物器官的新鮮殘?bào)w[19]，將影響到森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與養(yǎng)分的循環(huán)過程。本文對(duì)受冰雪災(zāi)害影響后粵北杉木林森林凋落物儲(chǔ)量和養(yǎng)分動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，能夠?yàn)樯寄玖秩郝涞纳鷳B(tài)恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究地位于廣東省北部的樂昌市樂昌林場，地處南嶺山脈南側(cè)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，春季低溫陰雨，夏季高溫多濕，冬季寒冷干燥。年平均溫度19.6 ℃，月均最高氣溫(7月)28.2 ℃，極端高溫38.4 ℃，月均最低氣溫(1月)9.3 ℃，極端低溫-4.6℃，年平均降水量2 522.3 mm，無霜期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。

試驗(yàn)林的林齡為17 a，密度為1 667株/hm2。試驗(yàn)林地處西南坡，坡度約30°，海拔約700 m。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，林下植被主要為樓梯草(Elatostemaumbellatum)和狗脊(Rhizomacibotii)。冰雪災(zāi)害后林地的平均光照、氣溫、土壤溫度和土壤濕度分別為9.2 mol/(m-2·d)、17.1 ℃、17.4 ℃和47%。

2 研究方法

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，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)置6個(gè)面積為2 m ×2 m的樣方，調(diào)查樣方內(nèi)林冠殘?bào)w的枝和綠葉及凋落物的鮮質(zhì)量。凋落物取未分解層(L層) ，半分解層(F層)和已分解層(Y層)的樣品。L層為未分解的枯枝落葉層，由新凋落的葉、細(xì)枝、莖、樹皮、果實(shí)等凋落物及動(dòng)物殘?bào)w組成；F層為半分解的枯枝落葉層，其動(dòng)植物殘?bào)w已經(jīng)部分分解， 但它們的部分結(jié)構(gòu)尚可分辨；H層為粗腐殖質(zhì)化的枯枝落葉層。采集各組分的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在80 ℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量。冰雪災(zāi)害后1 a時(shí)調(diào)查發(fā)現(xiàn),林冠殘?bào)w的枝、葉和正常凋落物混雜在一起，無法區(qū)分，所以2009—2011年的每年3月調(diào)查樣方內(nèi)的混合凋落物鮮質(zhì)量。為了保持樣方內(nèi)凋落物不受干擾，取樣方附近的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在80 ℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量。取各年的樣品用于測定N、P、K含量。

各樣品經(jīng)重鉻酸鉀-濃硫酸消化后用半微量凱氏法測定氮；將H2SO4-H2O2消煮后取試液，用鉬蘭比色法測磷；火焰光度法測鉀[20]。每個(gè)樣品做3次重復(fù)測定，結(jié)果取重復(fù)測定的算術(shù)平均值。

測定數(shù)據(jù)利用Excel 2003進(jìn)行初處理并作圖。數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003整理后，采用SAS 8.1軟件系統(tǒng)進(jìn)行多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木林地凋落物層儲(chǔ)量的變化

冰雪災(zāi)害后1～4 a林地凋落物層儲(chǔ)量見圖1。

由于冰雪災(zāi)害后，杉木林地輸入了大量的非正常凋落物，2008年凋落物層包括林冠殘?bào)w的斷枝和殘葉。經(jīng)過1 a的分解后，冰雪災(zāi)害后1 a的林冠殘?bào)w中的枝和葉同正常凋落物混合在一起構(gòu)成凋落物層。冰雪災(zāi)害后1～4 a的凋落物層干質(zhì)量分別為15.97、9.96、11.20 t/hm2和12.43 t/hm2，表現(xiàn)為先降后增，其中冰雪災(zāi)害后2年比1年下降了38%。

3.2 杉木林凋落物層養(yǎng)分含量和累積量的變化

冰雪災(zāi)害后1～4 a的凋落物層N含量分別為6.75、9.17、8.90 g/kg和11.01 g/kg，呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)；P含量分別為0.49、0.61、0.55 g/kg和0.62 g/kg，呈現(xiàn)為升—降—升的變化趨勢(shì)；K含量分別為4.38、0.91、1.32 g/kg和1.14 g/kg，呈現(xiàn)先急劇下降后波動(dòng)的變化趨勢(shì)(圖2)。冰雪災(zāi)害后1～4 a的凋落物層養(yǎng)分含量為N>K>P。

冰雪災(zāi)害后1～4 a的凋落物層N累積量分別為107.80、91.38、99.67 kg/hm2和136.84 kg/hm2，P累積量分別為7.83、6.05、6.21 kg/hm2和7.74 kg/hm2，均為先降后升；K儲(chǔ)量分別為69.95、9.06、14.81 kg/hm2和14.23 kg/hm2，呈現(xiàn)為顯著降低后波動(dòng)的變化趨勢(shì)。冰雪災(zāi)害后各年凋落物層的養(yǎng)分累積量呈現(xiàn)N>K>P。

4 結(jié)論與討論

凋落物是森林土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源，它可以通過分解釋放植物所需養(yǎng)分，影響土壤有機(jī)物的組成和養(yǎng)分含量[21]。凋落物也是森林生態(tài)系統(tǒng)主要的碳源之一[22]，對(duì)于保持微生物數(shù)量有重要作用。林地凋落物儲(chǔ)量是一個(gè)動(dòng)態(tài)值，受氣候、地形、土壤、林分特征、生物區(qū)系及經(jīng)營活動(dòng)等因素的影響[23]。冰雪災(zāi)害后，最直接的變化是非正常凋落物大量增加，杉木林地輸入了大量的林冠殘?bào)w。葉是光合作用的場所，生理代謝活動(dòng)旺盛，養(yǎng)分的濃度高，故養(yǎng)分積累在葉片中的含量往往是最高的[13]。大量枝葉凋落物的直接輸入會(huì)影響?zhàn)B分的循環(huán)[24]，尤其是林冠殘?bào)w比正常凋落物含有的養(yǎng)分濃度高，可以增加土壤肥力，加快森林的養(yǎng)分循環(huán)速度，提高森林土壤的儲(chǔ)碳功能。

冰雪災(zāi)害后1 a與其后的凋落物層的組成結(jié)構(gòu)有所不同。冰雪災(zāi)害后杉木林地輸入了大量的林冠殘?bào)w，其中枝、葉部分經(jīng)過慢慢分解與正常凋落物層混合起來，共同組成之后幾年的凋落物層。由于冰雪災(zāi)害后的大量林冠殘?bào)w輸入到林地，冰雪災(zāi)害后1 a的凋落物層儲(chǔ)量高達(dá)15.97 t/hm2。冰雪災(zāi)害后2 a杉木林地的凋落物層儲(chǔ)量急劇減少，原因可能是：

1) 冰雪災(zāi)害引起了杉木林窗的產(chǎn)生，導(dǎo)致林內(nèi)整體太陽輻射水平提高，林下的氣溫和土溫增加、加速凋落物的分解[25-27]。

2) 冰雪災(zāi)害后1 a林地存在大量新鮮枝葉，易分解的碳水化合物損失較多，凋落物的分解加快[28]。

3) 2008年的杉木林林冠受損，幾乎沒有凋落物量回歸，也影響了凋落物的積累。另一方面，林冠疏開引起林下植物的種類和數(shù)量不斷增加，林下植物輸入的凋落物增加，因而2009年開始林地的凋落物量持續(xù)增加。

凋落物養(yǎng)分含量是凋落物的重要特征之一。冰雪災(zāi)害后1～4 a的凋落物層N和P含量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，原因是N和P為不容易分解淋失的元素，主要以有機(jī)物形式存在于冰雪災(zāi)害形成的林冠殘?bào)w中，須經(jīng)微生物降解后才能大量釋放[26]。在分解前期，凋落葉中N和P含量的相對(duì)不足，限制了微生物的生長和發(fā)育，導(dǎo)致N和P被強(qiáng)烈固持于凋落葉中[29]。在分解后期，由于降雨及來自微生物的N和P補(bǔ)充，森林昆蟲的活動(dòng)使得凋落物中的N和P含量出現(xiàn)上升趨勢(shì)[30]。凋落物中的N和P含量波動(dòng)性上升與徐涵湄等[26]、Knorr等[31]和Peter等[32]的研究結(jié)論相似。冰雪災(zāi)害后1～2 a的K含量急劇下降，可能與其易于從凋落葉[33]，特別是從林冠殘?bào)w的枝葉中淋溶有關(guān)。Krankina等[34]發(fā)現(xiàn)，凋落物中的鉀通過淋溶作用大量轉(zhuǎn)移到土壤中。冰雪災(zāi)害后2～3 a的凋落物層的K含量上升，可能是由于 K 質(zhì)量不夠高，不能滿足微生物分解活動(dòng)的要求，因而暫時(shí)出現(xiàn)累積，也可能與富集土壤動(dòng)物、微生物或降雨輸入的K元素有關(guān)[26]。2010—2011年雨水對(duì)凋落物層的鉀淋溶作用占主導(dǎo)地位，引起K含量下降，這與曹群根等[35]的研究結(jié)果相同。

冰雪災(zāi)害后1 a，杉木林凋落物層的N、P和K累積量均急劇下降，這與凋落物儲(chǔ)量的顯著下降有關(guān)。林冠受損后，光照增強(qiáng)引起的溫度上升及土壤水分增加能促進(jìn)凋落物的分解[36]，特別是綠葉的分解速度比正常的凋落葉快[28]，大量的林冠殘?bào)w在溫度高和降雨量大的中亞熱帶會(huì)快速分解[11]。冰雪災(zāi)害后2年的凋落物儲(chǔ)量穩(wěn)步上升，其中N和P含量呈波動(dòng)性上升，所以N和P累積量上升。凋落物層K積累量上升后小幅下降與其凋落物層K含量的變化趨勢(shì)相同，表明后者對(duì)K積累量的影響占主導(dǎo)地位。

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(責(zé)任編輯 張 坤)

Effect of Ice-Storm Damage on Mass Accumulation and Nutrient Dynamics of Litter Layer in a Cunninghamia lanceolata Stand in the Northern Guangdong

Xu Jianxin1,2，Hou Xiaoli1，Xue Li1

(1.College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong 510642, China 2.Shenzhen Techand Ecology & Environment Co. Ltd., Shenzhen, Guangdong 518040, China)

In order to research the effect of snow and ice disaster on the litter layer storage and nutrient of aCunninghamialanceolatastand in the north of Guangdong province in 2008-2011 year, some quadrates ofCunninghamialanceolatastand were established after snow storm disturbance, and then was measured the variation of N, P and K. The results showed that the mass of litter layer was 15.97 t/hm2, 9.96 t/hm2, 11.20 t/hm2and 12.43 t/hm2, respectively in four years, with a trend of decrease followed by an increase. N contents appeared rising trend in four years,P contents increased firstly and then decreased followed by an increase. In contrast, K contents sharply decreased followed by a fluctuation in four years. N accumulation was 107.80 kg/hm2, 91.38 kg/hm2, 99.67 kg/hm2and 136.84 kg/hm2in four years, respectively. P accumulation was 7.83 kg/hm2, 6.05 kg/hm2, 6.2 kg/hm2and 7.74 kg/hm2in four years, respectively. K accumulation was 69.95 kg/hm2, 9.06 kg/hm2, and 14.81 kg/hm2in four years, respectively. The nutrient content and nutrient amount in litter layer were in the order of N > K > P. After snow storm disturbance, large of crown debris were input in the stand in one year after snow and ice disaster, which improved soil fertility and accelerated nutrient cycling.

ice storm damage;Cunninghamialanceolata; litter layer； litter amount; nutrient dynamics

2015-03-20

深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(GCZX20120618100801416)資助。

薛立(1958—)，男，博士，教授。研究方向：森林生態(tài)學(xué)。Email：forxue@scau.edu.cn。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.005

S714.2

A

2095-1914(2015)05-00027-05

第1作者：許建新(1982—)，男，博士，工程師。研究方向：植物生態(tài)學(xué)。Email：63930048@qq.com。