海南島典型地區(qū)桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量及其分配格局

朱美玲　王旭　王帥　王文蕾　鄒耀進　梁卿雅

摘 要 對海南島儋州、屯昌和瓊海3個地區(qū)的2、4和6齡桉樹人工林進行調查，研究桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量的變化動態(tài)及分配格局。結果表明：不同林齡桉樹人工林林下植被碳含量為430.5～439.6 g/kg，氮含量為13.3～15.2 g/kg；枯落物碳含量為427.7～475.2 g/kg，氮含量為16.2～18.9 g/kg。0～100 cm土層碳含量為3.11～47.99 g/kg，氮含量為0.34～2.34 g/kg。土壤碳含量和氮含量均有隨土壤深度的增加而減小，其中0～10 cm土層的碳含量和氮含量最高。3個地區(qū)桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量分別為83.98、158.13和189.58 t/hm2，總氮儲量分別為9.61、11.59、和13.08 t/hm2。桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量均隨林齡的增加而增加，瓊海地區(qū)碳、氮儲量均高于儋州和屯昌。土壤層是桉樹人工林主要的碳庫和氮庫，碳、氮儲量分別占生態(tài)系統(tǒng)的54.93%～98.54%和94.53%～99.65%，其次是喬木層。就3個地區(qū)林齡平均水平相比而言，土壤層碳占生態(tài)系統(tǒng)的比例大小為：瓊海>屯昌>儋州，而喬木層碳占系統(tǒng)的比例大小為：儋州>屯昌>瓊海。土壤層氮占生態(tài)系統(tǒng)的比例大小為：屯昌>瓊海>儋州。

關鍵詞 桉樹人工林；碳儲量；氮儲量；林齡；分配格局

中圖分類號 S718.5 文獻標識碼 A

Abstract The 2， 4 and 6 years old Eucalyptus plantations in Danzhou，Tunchang and Qionghai of Hainan Island were investigated to study the dynamics and allocation patterns of carbon and nitrogen storage. The results showed that the ranges of carbon and nitrogen contents were 430.5-439.6 g/kg and 13.3-15.2 g/kg in the undergrowth layer of different age Eucalyptus plantations， 427.7-475.2 g/kg and 16.2～18.9 g/kg in the litter layer， 3.11-47.99 g/kg and 0.34-2.34 g/kg in the 0～100 cm soil layer. The soil carbon and nitrogen content decreased with the soil depth. The total carbon storage of Eucalyptus plantation in the three regions was 83.98， 158.13 and 189.58 t/hm2； and the total nitrogen storage was 9.61， 11.59 and 13.08 t/hm2. The total carbon and nitrogen storage in Eucalyptus plantation increased with the increase of forest age， and the carbon and nitrogen storage in Qionghai were higher than those of Danzhou and Tunchang. The soil layer was the major carbon pool and nitrogen pool in Eucalyptus plantation ecosystem， accounting for 54.93%～98.54% and 94.53%～99.65%， the second was the tree layer. In terms of the average forest age in the three regions， the size of carbon storage of soil layer accounted for the proportion of ecological system was： Qionghai>TunChang>Danzhou， while the tree layer： Danzhou>TunChang>Qionghai. The size of nitrogen storage of soil layer accounted for the proportion of ecological system was： TunChang>Qionghai>Danzhou.

Key words Eucalyptus plantation；Carbon storage；Nitrogen storage；Forest age；Allocation pattern

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.11.005

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其變化是全球氣候變化研究中的重要問題，對全球碳循環(huán)以及二氧化碳濃度的變化都起著重要的作用。其中，森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫，森林面積雖只占陸地面積的27%，森林碳儲量卻占陸地碳儲量的60%，對大氣二氧化碳濃度的變化有著巨大的影響[1]。碳循環(huán)是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能過程之一，具有維持和調節(jié)生態(tài)系統(tǒng)生產力和穩(wěn)定性的作用[2]。同時，陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)會受養(yǎng)分元素尤其是氮元素的限制[3-5]。森林生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮循環(huán)具有相互耦合的作用[6-7]。目前國內外對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分配的研究很多，但對森林生態(tài)系統(tǒng)氮儲存功能的研究不多，而對人工林生態(tài)系統(tǒng)的氮儲存功能的研究更加少見。

桉樹原產于澳大利亞，自1917年引種至海南已有90多年的歷史，但是桉樹的大規(guī)模種植是20世紀90年代中后期。海南桉樹人工林面積現(xiàn)有約2×105 hm2，蓄積量約1.2×107 m3，桉樹現(xiàn)已成為海南人工林的第一大樹種[8]。桉樹林生態(tài)系統(tǒng)是海南重要的人工林生態(tài)系統(tǒng)，不僅具有很大的經濟價值，而且還具有很強的固碳能力，對海南地區(qū)經濟發(fā)展和生態(tài)服務有著重要貢獻。目前，對于桉樹人工林的研究是一個非常熱門的話題，主要包括：造林密度對桉樹人工林碳儲量影響[9]，桉樹林下植被多樣性分析[10-14]，不同林齡桉樹林土壤有機碳的變化[15]，不同林齡桉樹人工林固碳的研究[16-19]。盡管對其他森林類型的碳氮分配格局的研究已有少量報道[20-22]，但對桉樹林碳氮儲量分配格局的研究較少。對海南不同林齡桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)進行碳儲量和氮儲量的分配格局進行研究，找出桉樹人工林碳、氮儲量及其分配規(guī)律，有助于更好地把握和認識桉樹的碳匯量及其植株碳、氮的分布格局，可為準確評價海南地區(qū)桉樹人工林的生態(tài)效益提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

海南地處熱帶，位于東經108°37′～111°5′，北緯18°10′～20°10′之間，全年暖熱，雨量充沛，干濕季節(jié)明顯，常風較大，熱帶風暴和臺風頻繁，氣候資源多樣。海南島年太陽總輻射量約110～140 kc/cm2，年日照時數(shù)為1 750～2 650 h，光照率為50%～60%。日照時數(shù)按地區(qū)分，西部沿海最多，中部山區(qū)最少；按季節(jié)分，依夏、春、秋、冬順序，從多到少。各地年平均氣溫為23～25 ℃，中部山區(qū)較低，西南部較高。全年沒有冬季，1～2月為最冷，平均溫度16～24 ℃，平均極端低溫大部分在5 ℃以上。夏季從3月中旬至11月上旬，7～8月為平均溫度最高月份，在25～29 ℃。海南島大部分地區(qū)降雨充沛，全島年平均降雨量在1 600 mm以上，東濕西干明顯。多雨中心在中部偏東的山區(qū)，年降雨量2 000～2 400 mm，西部少雨區(qū)年降雨量1 000～1 200 mm。降雨季節(jié)分配不均勻。冬春干旱，旱季自11月至翌年4、5月，長達6～7個月。夏秋雨量多，5～10月是雨季，雨季總降雨量1 500 mm左右，占全年降雨量的70%～90%。海南島全年濕度大，年平均水汽壓約2 300 Pa（瓊中）～2 600 Pa（三亞）。中部和東部沿海為濕潤區(qū)，西南部沿海為半干燥區(qū)，其它地區(qū)為半濕潤區(qū)[23]。土壤主要是磚紅壤和山地黃壤，其中磚紅壤面積最大。

桉樹人工林林下灌木層不發(fā)達，以草本植物為主，林下植物主要有山麻黃（Trema tomentosa）、飛機草（Eupatorium odoratum）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、肖梵天花（Urena lobata）、鐵芒萁（Dicranopteris linearis）、 假臭草（Eupatorium catarium）、斑茅（Saccharum arundinaceum）、飛蓬（Erigeron tianschanicus）、 露籽草（Ottochloa nodosa）等。

1.2 方法

1.2.1 樣地選擇 根據海南氣候、自然地理和植被類型空間分布的實際情況，對海南桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)進行抽樣和野外調查標準地的布設。將采樣點劃分為3個區(qū)域，即西部濕潤區(qū)（儋州）、中部半山區(qū)（屯昌）、東部海洋濕潤氣候區(qū)（瓊海），經實地踏查后，選擇立地條件基本一致的2、4、6齡林分（因桉樹人工林的輪伐期為5～7 a）設置樣地（桉樹品種均為巨尾桉），每個林齡樣地設3個重復。各調查樣地記錄：地點、植被類型、林齡、品系、地理坐標、海拔、坡向、坡度和坡位等，調查人工林的基本情況見表1。

1.2.2 生物量的測定 喬木生物量：按照典型選樣的方法，在各林分類型的每個樣地內分別設置3個40 m×20 m的樣方，測定樣方內的所有樹木的胸徑（D）、樹高（H）、枝下高和冠幅，記錄、生長狀況。利用文獻[24]桉樹生物量與測樹因子（胸徑、樹高）之間的相對生長方程（表2），計算不同林齡桉樹人工林喬木層的生物量。

林下植被和枯落物：灌木、草本和枯落物的生物量采用收獲法。在每個喬木樣方內，分別設置8個10 m×10 m小樣方，同時隨機選取3個小樣方，并在其中設置2 m×2 m的灌木調查單元，用于灌木層的調查。在灌木的調查單元內分成4個1 m×1 m草本調查單元，隨機選取一個草本調查單元，收獲草本?？萋湮锊蓸优c草本調查同時進行，收集每一個草本調查樣方內的枯落物。對收集的灌木、草本和枯落物分別進行稱重，其中灌木分根、莖、葉分別稱重，草本分地上部分和地下部分稱重，將樣品帶回實驗室，置于烘箱中（80 ℃）烘干至恒重，稱其干重，分別換算成單位面積灌木、草本和枯落物生物量。

1.2.3 土壤樣品采集與測定 在每個樣地分別設置3個土壤取樣點，在每個樣方內按1 m×1 m×1 m的標準挖取土壤剖面，每個剖面按I層（0～10 cm）、Ⅱ層（10～20 cm）、Ⅲ層（20～30 cm）、Ⅳ層（30～50 cm）、Ⅴ層（50～100 cm）用100 cm3環(huán)刀取土樣，測定其容重。在各層取新鮮土樣，風干和過100目篩后用于碳、氮含量的測定。

1.2.4 碳、氮含量的測定 喬木采用國際常用轉換系數(shù)（0.5），用于代表所有樣地喬木碳含量，而林下植被和枯落物的碳、氮含量僅測定儋州地區(qū)。將烘干的林下植被和枯落物剪細并通過植物粉碎機粉碎，過80目篩。在各層取新鮮土樣，風干和過100目篩。所有植物和土壤樣品的有機碳含量均采用重鉻酸鉀硫酸氧化法測定，全氮含量采用凱氏法測定。

1.2.5 碳、氮儲量的計算方法 喬木、林下植被、枯落物的碳、氮儲量通過其生物量和碳、氮含量計算得到，土樣碳、氮儲量通過土壤容重和其碳、氮含量計算見式：

1.3 數(shù)據分析

原始數(shù)據的合成、統(tǒng)計計算以及圖表制作使用Microsoft Excel 2007軟件處理；采用SAS 9.1分析檢驗不同林齡土壤和植被碳、氮含量和碳、氮儲量的差異顯著性處理（Duncan法多重比較），顯著性水平設定為p<0.05。

2 結果與分析

2.1 林下植被、枯落物和土壤的碳、氮含量

2.1.1 桉樹人工林枯落物層和林下植被層碳、氮含量 由表3可知，桉樹林下植被碳含量為430.5～439.6 g/kg，林下植被碳含量彼此間差異沒有達到顯著水平?？萋湮锾己繛?27.7～475.2 g/kg，2、4、6齡桉樹林枯落物碳含量隨年齡增加而增加。桉樹林林下植被和枯落物的氮含量為13.3～18.9 g/kg，均表現(xiàn)為6齡>4齡≈2齡。

2.1.2 桉樹人工林土壤碳、氮含量 由表4可知，儋州地區(qū)桉樹人工林不同林齡土壤氮含量為3.11～9.41 g/kg，屯昌地區(qū)桉樹人工林不同林齡土壤碳含量為5.05～47.99 g/kg，瓊海地區(qū)桉樹人工林不同林齡土壤碳含量為5.43～23.45 g/kg；儋州地區(qū)桉樹人工林不同林齡土壤氮含量為0.34～1.63 g/kg，屯昌地區(qū)桉樹人工林不同林齡土壤氮含量為0.38～2.34 g/kg，瓊海地區(qū)桉樹人工林不同林齡土壤氮含量為0.41～2.00 g/kg；各地區(qū)不同林齡土壤碳含量和氮含量均有隨土壤深度的增加而減小的趨勢，其中0～10 cm土層的碳含量和氮含量最高；不同地區(qū)的土壤平均碳含量有所不同，屯昌地區(qū)桉樹人工林土壤碳含量最高，儋州地區(qū)最??；各地區(qū)土層碳含量受林齡影響變化幅度也不同，屯昌地區(qū)桉樹林2齡林的不同層次土壤碳含量均大于其他地區(qū)和林齡的，該地區(qū)可能受到的人為干擾比較大；儋州地區(qū)不同林齡按樹人工林氮含量表現(xiàn)為6齡>2齡>4齡，屯昌和瓊海地區(qū)0～20 cm土層的氮含量均表現(xiàn)為2齡>4齡>6齡。

2.2 桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量及其分配

2.2.1 喬木層碳、氮儲量分析 就林分水平而言，桉樹人工林喬木層碳、氮儲量因地點和林齡而不同。由表5可知，3個地區(qū)的桉樹林喬木層碳儲量在不同林齡間存在顯著差異，而且隨林齡的增大而增大，均在6齡時達到最大值；儋州地區(qū)6齡桉樹喬木層平均碳儲量為40.52 t/hm2，分別是2、4齡的23.7倍和3.2倍；屯昌地區(qū)6齡桉樹喬木層平均碳儲量為55.61 t/hm2，分別是2、4齡的35.0倍和4.1倍；瓊海地區(qū)6齡桉樹喬木層平均碳儲量為51.00 t/hm2，分別是2、4齡的25.6倍和3.1倍；瓊海地區(qū)的各林齡喬木層碳儲量均大于儋州和屯昌，原因可能是瓊海地區(qū)所選取的樣地立地條件較好，土壤有機質豐富，種植密度比其他兩地大，另外3個地區(qū)的桉樹品系不同也導致喬木層碳儲量具有一定的差異。

由表6可知，3個地區(qū)不同林齡喬木層氮儲量的變化與碳儲量變化規(guī)律相似，變化范圍分別是：儋州地區(qū)0.010～0.330 t/hm2，屯昌地區(qū)0.004～0.460 t/hm2，瓊海地區(qū)0.014～0.480 t/hm2。喬木層氮儲量的整體水平表現(xiàn)為2齡<4齡<6齡，各林分間達到顯著差異，這與隨著林齡的增大，喬木的生物量增加有直接關系。3個地區(qū)各林齡除2年齡外的喬木層氮儲量均表現(xiàn)為：瓊海>屯昌>儋州，由于桉樹人工林氮儲量變化趨勢和桉樹人工林生物量的變化趨勢相同，瓊海地區(qū)的樣地種植密度較其他兩地大，故喬木層生物量較高，氮儲量最大。屯昌地區(qū)2年齡的氮儲量最小，主要是因為該樣地經營管理較差，平均胸徑明顯低于其他地區(qū)同林齡樣地。

2.2.2 林下植被層碳、氮儲量分析 桉樹人工林林下植被以草本為主。由表5～6可知，海南3個地區(qū)桉樹人工林林下植被層的碳儲量為0.23～1.37 t/hm2，氮儲量為0.025～0.053 t/hm2；瓊海地區(qū)桉樹各生長階段下的林下植被碳儲量均大于儋州和屯昌；儋州和瓊海地區(qū)各林齡桉樹林下植被碳儲量達到顯著性差異（p<0.05），屯昌地區(qū)3個齡級無顯著差異，與各地的林下經營方式有關；3個地區(qū)桉樹人工林林下植被氮儲量均表現(xiàn)為：4齡>6齡>2齡，4齡時達到最大值，只有屯昌地區(qū)林下植被各林齡氮儲量無顯著差異，其余2個地區(qū)2齡與其他林齡達到顯著差異（p<0.05）。

2.2.3 枯落物層碳、氮儲量分析 由表5～6可知，3個地區(qū)的枯落物碳儲量為0.49～1.62 t/hm2，氮儲量為0.018～0.065 t/hm2；隨著林齡的增大，各地區(qū)桉樹林的枯落物碳、氮儲量均有增大的趨勢；不同林齡下，各地區(qū)的差異性也不同，經多重比較結果顯示：儋州和瓊海地區(qū)的各林齡間碳儲量無顯著差異，儋州地區(qū)2齡林枯落物氮儲量與4齡和6齡林的差異顯著（p<0.05），屯昌地區(qū)6齡林枯落物氮儲量大于2齡和4齡，瓊海地區(qū)不同林齡間氮儲量達到顯著差異（p<0.05）。屯昌地區(qū)桉樹林各林齡枯落物碳、氮儲量明顯小于其他兩地，可能與該地區(qū)的林下管理頻繁有關。

2.2.4 土壤層碳、氮儲量分析 由圖1～2可知，3個地區(qū)不同深度土壤的碳儲量分別為：儋州地區(qū)6.05～29.23 t/hm2，屯昌地區(qū)17.58～39.87 t/hm2，瓊海地區(qū)19.20～58.44 t/hm2；氮儲量分別為：儋州地區(qū)0.96～3.76 t/hm2，屯昌地區(qū)1.40～3.11 t/hm2，瓊海地區(qū)1.48～4.76 t/hm2。不同地區(qū)的不同深度土壤碳、氮儲量的變化程度不同，0～10、10～20、20～30 cm的土壤碳儲量的變化與碳含量的變化情況一致，即隨著土層深度的增加而降低。瓊海地區(qū)的不同層次土壤碳、氮儲量均高于儋州和屯昌，并且不同地區(qū)土壤總碳、氮儲量存在顯著差異（p<0.05）。儋州6齡和瓊海4齡土壤總氮儲量明顯高于同地區(qū)其他林齡的，可能原因是2個樣地的人工經營強度大，土壤有機質豐富。3個地區(qū)人工林土壤平均總碳儲量分別為63.88、133.50、163.79 t/hm2，平均氮儲量分別為9.37、10.68、12.81 t/hm2。3個地區(qū)桉樹人工林土壤碳、氮儲量的分配格局基本一致，林分表層（0～10 cm）土壤的碳、氮儲量分別占總碳、氮儲量的13.41%～19.98%和13.37%～16.66%，0～30 cm土層的碳、氮儲量分別占總碳、氮儲量的35.03%～51.08%和35.49%～45.28%。由此可以看出，0～30 cm土壤層的碳、氮占土壤碳、氮儲量的比例很高。

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