遼東山區(qū)紫椴、花曲柳碳素積累及主要營養(yǎng)元素分布特征1)

毛沂新　尤文忠　張慧東　王睿照　魏文俊　顏廷武

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，沈陽，110032)

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遼東山區(qū)紫椴、花曲柳碳素積累及主要營養(yǎng)元素分布特征1)

毛沂新尤文忠張慧東王睿照魏文俊顏廷武

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，沈陽，110032)

摘要以遼東山區(qū)天然闊葉混交林重要組成樹種紫椴和花曲柳為研究對象，通過生物量實(shí)測法，探究紫椴和花曲柳的碳素積累的變化特征以及不同器官氮(N)、磷(P)、鉀(K)元素的分配格局。結(jié)果表明：花曲柳樹干的平均固碳量和連年固碳量整體上高于紫椴，隨林齡的增長差距有逐漸增大的趨勢；40年生花曲柳樹干平均碳素密度為322.18 kg·m(-3)，36年生紫椴為272.63 kg·m(-3)。在養(yǎng)分分配方面，紫椴和花曲柳單株N、P、K元素的積累量順序一致(N>K>P)，但在不同器官中各元素積累順序有些差異。紫椴各器官養(yǎng)分積累總量順序?yàn)椋簶涓?樹根>樹枝>樹葉；花曲柳各器官養(yǎng)分積累總量順序?yàn)椋簶涓?樹干>樹枝>樹葉。紫椴與花曲柳樹葉的養(yǎng)分歸還量占各自總體的比例分別為4.11%和17.32%，而樹葉、樹枝與根的養(yǎng)分積累比重合計(jì)分別為57.07%和75.31%，三者在生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中占有重要作用。

關(guān)鍵詞紫椴；花曲柳；固碳量；碳密度

分類號S718.55+4.2

Carbon Accumulation and Distribution of Main Nutrient Elements ofFraxinusrhynchophyllaandTiliaamurensisin the Mountainous Region of Eastern Liaoning Province, China

Mao Yixin, You Wenzhong, Zhang Huidong, Wang Ruizhao, Wei Wenjun, Yan Tingwu

(Liaoning Academy of Forestry, Shenyang 110032, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(3)：21-25.

Based on the biomass data ofFraxinusrhynchophyllaandTiliaamurensisin broad-leaf mixed forest in the mountainous region of eastern Liaoning Province, we studied the features of carbon accumulation and nutrient distribution (N, P, K) in organs of these two species. The average stem carbon sequestration and the annual stem carbon sequestration ofF.rhynchophyllawere both higher than those ofT.amurensis, and there were a gradually increasing gap of the average stem carbon sequestration and the annual stem carbon sequestration between two species during the growing age. Average stem carbon density of 40-yearF.rhynchophyllawas 322.18 kg·m-3, and that of 36-year-oldT.amurensiswas272.63 kg·m-3. Nutrients accumulation descending order of two species was N, K, and P, but there were some variations of nutrients accumulation order in different organs of two species. The total accumulation of N, P and K between organs ofT.amurensiswas decreased as follows: stem, root, branch, and leaf, and those ofF.rhynchophyllawere listed in descending order of root, stem, branch, and leaf. The proportions of nutrients accumulation in leaves annually released to soil byF.rhynchophyllaandT.amurensisaccounted for 4.11% and 17.32%, respectively. Total proportions of nutrients accumulation in leaves, branches and roots of two species were 57.07% and 75.31%, respectively.

KeywordsTilia amurensis; Fraxinus rhynchophylla; Carbon sequestration; Carbon density

林木的固碳釋氧與營養(yǎng)物質(zhì)積累是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分[1-3]。通過對森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行準(zhǔn)確評估，以應(yīng)對全球氣候變化、土壤養(yǎng)分流失等諸多生態(tài)環(huán)境問題[4-6]。同時(shí)，為我國制定林業(yè)政策及森林經(jīng)營管理等方面提供科學(xué)依據(jù)，為國家生態(tài)文明建設(shè)發(fā)揮重要的支撐作用[7-9]。

天然闊葉混交林是遼東山區(qū)主要森林類型之一，天然闊葉林具有生長速度快、林分蓄積量大等特點(diǎn)[10-11]?；ㄇ?Fraxinusrhynchophylla)和紫椴(Tiliaamurensis)作為該地區(qū)天然闊葉混交林重要的組成樹種，也是我國東北地區(qū)重要的、具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的硬闊樹種[12-14]。由于對木材長期依賴和不合理采伐等歷史原因，致使這些珍貴闊葉樹種資源急劇下降[11]。國內(nèi)外多在大尺度上對森林碳儲量研究較多，而對于林分以下等小尺度以及某一特定樹種的固碳能力、養(yǎng)分積累與分配的研究相對較少。本文以遼東山區(qū)天然闊葉混交林中紫椴和花曲柳為研究對象，對二者樹干碳素積累過程及不同器官的營養(yǎng)元素積累與分配格局進(jìn)行對比分析。旨在探索紫椴和花曲柳固碳能力與養(yǎng)分積累的規(guī)律，為制定科學(xué)的林業(yè)政策和天然林保護(hù)工程的實(shí)施、實(shí)現(xiàn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1研究地概況

試驗(yàn)地設(shè)置于遼寧白石砬子國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，該區(qū)域在遼東山區(qū)寬甸縣北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)124°44′～124°57′，北緯40°50′～40°57′。該研究區(qū)屬長白山余脈，平均海拔866.5 m，最高海拔1 270.5 m。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，由于受地形條件的影響，具有典型的山地氣候。年平均氣溫5.3 ℃，最高溫度33.7 ℃，最低溫度-32.5 ℃；年均日照時(shí)間1 841 h，無霜期132 d，年均降水量1 349 mm，年均蒸發(fā)量885 mm；年均相對濕度73%，雨熱同季，集中于7—9月份。植物資源豐富，組成樹種有花曲柳、蒙古櫟(Quercusmongolica)、紫椴、胡桃楸(Juglansmandshurica)、色木槭(Acermono)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、黃檗(Phellodendronamurense)等。林分郁閉度為0.7～0.9，灌、草層蓋度分別為0.32～0.67和0.50～0.81。土壤主要為暗棕色森林土和棕色森林土。

2研究方法

2.1樣地設(shè)置與野外調(diào)查

在研究區(qū)內(nèi)選擇有代表性的、擾動少的天然闊葉混交林。設(shè)置20 m×30 m樣地3塊，對樣地內(nèi)樹木進(jìn)行每木檢尺，同時(shí)調(diào)查樣地立地因子和各項(xiàng)生長因子(見表1)。在3塊樣地中分別選取紫椴和花曲柳標(biāo)準(zhǔn)木各3株，總計(jì)18株。前期已通過方差分析結(jié)合差異顯著性多重比較分別對紫椴與花曲柳同一樹種的不同地區(qū)的樣品進(jìn)行分析，結(jié)果并沒有出現(xiàn)顯著性差異，說明樣地的選擇和取樣對同一樹種在不同地區(qū)之間并沒有造成實(shí)質(zhì)性的影響，以避免由樣地而引起的差異。紫椴和花曲柳生長情況見表2。

表1　研究樣地基本情況

表2　紫椴、花曲柳的生長概況

2.2樣品采集與制備

將標(biāo)準(zhǔn)木從根頸處伐倒，分別在樹干的底部、1.3、3.6 m處分別截取5 cm厚的圓盤，剩余梢頭每2 m處分段，截取5 cm厚的圓盤，帶回實(shí)驗(yàn)室對其進(jìn)行樹干解析。同時(shí)，對樹干、樹枝、樹葉采用全收獲法在現(xiàn)場稱取各部分鮮質(zhì)量。在樹冠上、中、下3層分別對枝、葉取樣。對標(biāo)準(zhǔn)木樹干在各分段底部進(jìn)行取樣。采用全挖法收獲全部樹根，稱取鮮質(zhì)量，隨機(jī)截取根鮮樣，密封保存帶回實(shí)驗(yàn)室，用流動水浸泡、漂洗。將以上各植物器官樣品分別進(jìn)行等比例混合，65 ℃恒溫烘干至恒質(zhì)量，稱取各組分生物量。對紫椴和花曲柳樹葉、樹枝、樹干和樹根樣品，分別烘干、粉碎、過篩后，進(jìn)行有機(jī)碳和營養(yǎng)元素測定。碳(C)采用濃H2SO4-K2CrO4水合熱法測定，氮(N)采用凱氏法測定，磷(P)采用鉬銻抗比色法測定，鉀(K)采用火焰光度計(jì)法測定。

2.3數(shù)據(jù)處理

根據(jù)樹干碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和木材密度將樹木解析得出的材積連年生長量、平均生長量和總生長量轉(zhuǎn)換為樹干平均固碳量(Cθ)、連年固碳量(CZ)和碳素總儲量(C)。連年固碳量為樹木在齡階內(nèi)(2 a)的平均碳儲量；平均固碳量為樹木生長至某一年齡時(shí)的平均碳儲量，總碳素儲量為林木生長至某一年齡時(shí)的實(shí)際碳儲量。平均碳素密度是用來表征單位材積樹干碳素儲量的高低。其中：ρ=B/V；C=V×ρ×c；Cθ=θ×ρ×c；CZ=Z×ρ×c；D=C/V。式中：ρ為木材密度；B為樹干生物量；V為樹干材積；C為樹干總固碳量；Cθ為樹干平均固碳量；CZ為樹干連年固碳量；θ為材積平均生長量；Z為材積的連年生長量；c為樹干碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D為樹干碳密度。

養(yǎng)分積累量為各器官養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其生物量的乘積[7]。各器官養(yǎng)分積累量為不同高度各段養(yǎng)分積累量之和。采用SPSS16.0軟件對各樹種養(yǎng)分分布的差異性進(jìn)行方差分析(ANOVA)，同時(shí)進(jìn)行差異顯著性多重比較(LSD)。

3結(jié)果與分析

3.1紫椴和花曲柳空間生物量與碳儲量分配狀況

由表3可知，紫椴和花曲柳生物量與固碳量在空間上的分布規(guī)律較為一致。兩樹種單株各器官生物量與固碳量由大到小的順序均為：干、根、枝、葉。其中，二者的干材生物量與碳儲量所占比重最大，達(dá)50%以上；枝、葉所占比重較小，合計(jì)在20%以下。

表3　紫椴和花曲柳空間生物量與樹干碳儲量分配狀況

3.2紫椴和花曲柳樹干碳素積累過程

由圖1可知，紫椴在前10 a單株碳儲量增長趨勢比較平緩(固碳量為0.21 kg，貢獻(xiàn)率為0.01%)；>10～20 a間，單株固碳增速逐步加快(固碳量為3.02 kg，貢獻(xiàn)率為12.62%)；>20～36 a間，單株固碳增速進(jìn)一步提升(固碳量為20.67 kg，貢獻(xiàn)率為86.48%)。因此，36年生的紫椴90.79%的固碳儲量主要集中在生長期第18 a以后。

花曲柳在前12 a單株碳儲量變化不大(固碳量為0.55 kg，貢獻(xiàn)率為0.01%)；>12～22 a期間單株碳儲量增速逐步加快(固碳量為5.40 kg，貢獻(xiàn)率為8.62%)；>22～40 a期間單株碳儲量增速明顯提升(固碳量為56.68 kg，貢獻(xiàn)率為90.50%)。因此，40年生的花曲柳90.50%的固碳儲量主要集中在生長期第22 a以后。

紫椴和花曲柳單株樹干固碳能力與碳儲量為各樹種標(biāo)準(zhǔn)木的平均結(jié)果，由于各標(biāo)準(zhǔn)木的林木年齡略微有所差異，故對于各樹種固碳能力的計(jì)算均取最短林齡的年限，即紫椴為36 a內(nèi)的平均值，花曲柳為40 a內(nèi)的平均值。

圖1紫椴和花曲柳樹干碳儲量

由圖2可知，在0～36 a間，紫椴單株樹干連年固碳量為0.002～2.085 kg，固碳速度隨林齡增長逐漸增大。在10 a以前，碳積累速度變化不大，使得總固碳量增長緩慢；>10～22 a間，固碳速率逐步提高，連年固碳量達(dá)到0.858 kg；>22～36 a間，前期固碳量增長幅度有所下降，之后隨林齡的增長再次明顯增大，連年固碳量達(dá)到2.085 kg。紫椴單株樹干平均固碳量在前10 a中比較穩(wěn)定，>10～36 a間，平均固碳量逐步穩(wěn)定增加，其增長幅度總體低于連年固碳量。

0～40 a間，花曲柳單株樹干連年固碳量為0.001～5.578 kg。在前12 a花曲柳連年固碳量積累緩慢，使得總固碳量增長緩慢；在>12～32 a中，連年固碳量迅速增高，由0.123 kg達(dá)到3.264 kg；在>32～40 a間，連年固碳量開始變緩，達(dá)到5.058 kg?；ㄇ鴨沃陿涓善骄烫剂壳?0 a期間緩慢上升，在>10～40 a期間，平均固碳量逐步平穩(wěn)上升達(dá)到1.566 kg。

圖2　紫椴和花曲柳樹干碳素積累過程

3.3各器官主要營養(yǎng)元素分布與積累

由表4可知，紫椴不同器官中(N、P、K)各營養(yǎng)元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小的順序均為：樹葉、樹枝、樹根、樹干；花曲柳不同器官中(N、P、K)各營養(yǎng)元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小的順序均為：樹葉、樹根、樹枝、樹干。除花曲柳樹干中的K質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高外，紫椴和花曲柳各養(yǎng)分元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各器官中分布總體一致(N最高、K次之、P最低)。

表4紫椴和花曲柳各器官營養(yǎng)元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)

g·kg-1

注：表中數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”；同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

由表5可知，3種主要養(yǎng)分元素(N、P、K)在紫椴和花曲柳單株中總積累量分別為(555.01±128.00)g和(1 724.37±252.06)g，地上各器官養(yǎng)分積累量分別為(350.55±85.37)g和(1 061.84±106.75)g，占各自總積累量的63.16%和61.58%；紫椴葉、枝、干、根養(yǎng)分積累量所占比重分別為4.11%、16.12%、42.93%、36.84%；花曲柳葉、枝、干、根養(yǎng)分積累量所占比重分別為17.32%、19.57%、24.69%、38.42%。

紫椴和花曲柳單株各養(yǎng)分元素積累量由大到小順序均為：N、K、P。兩樹種地上部分、地下部分與單株中各元素積累量大小順序一致。養(yǎng)分元素的積累順序在兩樹種各器官中，除花曲柳樹干中N元素積累量低于K外，總體也呈N積累量始終最高，K次之，P最低。

同種養(yǎng)分元素的積累量在不同器官中的分配情況：P和K元素的積累量在紫椴和花曲柳中均為樹干>樹根>樹枝>樹葉；N元素的積累量在紫椴中為樹根>樹干>樹枝>樹葉；在花曲柳中，N元素在樹干中積累量顯著低于根部。紫椴中同種養(yǎng)分元素積累量與積累總量在不同器官中的分配特征為樹干與樹根之間，樹枝與樹葉之間均無顯著性差異(p<0.05)；在花曲柳中，樹枝與樹葉之間無顯著性差異(p<0.05)。

表5　紫椴和花曲柳各器官營養(yǎng)元素積累量　g

注：表中數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”；同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

4討論

林木生物量是林地生產(chǎn)力與養(yǎng)分積累的基礎(chǔ)，是反映林分結(jié)構(gòu)與功能的主要標(biāo)志之一，也是估算森林固碳能力的重要參數(shù)[15-19]。本研究中紫椴與花曲柳地下生物量占全株生物量的比重分別為21%和24%，與前人研究成果較為一致[20]?；ㄇ鴺涓傻钠骄烫剂亢瓦B年固碳量整體上高于紫椴，且隨林齡的增長這種差距有逐漸增大的趨勢，這是由于花曲柳的單株木材密度、樹干碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和樹干材積均高于紫椴。在第36 a時(shí)，花曲柳樹干總碳儲量為43.22 kg，紫椴樹干碳儲量為23.90 kg，花曲柳樹干總碳儲量是紫椴的1.81倍。干材作為喬木最主要的固碳組成部分，紫椴與花曲柳的樹干碳儲量分別占其單木碳儲量的75%和58%?；ㄇ鴺涓善骄妓孛芏?322.18 kg·m-3)是紫椴(272.63 kg·m-3)的1.18倍，表明單位材積花曲柳的固碳量比紫椴大。兩樹種的樹干碳素積累的快速增長期大致在10～12 a后，而90%的碳儲量主要集中在18～20 a以后，說明在幼齡的中后期與中齡前期是兩樹種生長發(fā)育與碳素積累的關(guān)鍵階段。所以，在森林資源可持續(xù)經(jīng)營與管理的過程中，要格外重視兩樹種生長的關(guān)鍵階段，通過適時(shí)的林分撫育(如：適度定株修枝、撫育間伐、科學(xué)合理地改善林地水肥條件)，促進(jìn)目標(biāo)樹種生長，有效提高林木品質(zhì)與固碳能力[21-26]。由于歷史原因，選擇該地區(qū)混交林的林齡結(jié)構(gòu)多為近熟林，不能完整的反映出兩樹種在整個(gè)生命周期中碳素積累的整體趨勢，所以不能夠?qū)蓸浞N的固碳成熟年齡準(zhǔn)確預(yù)測。

森林生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)空范圍內(nèi)，光照、水、熱等外界影響因子通常變化不大或者呈一定的規(guī)律性，系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)對于森林生態(tài)系統(tǒng)的影響更為突出[27-30]。不同樹種對養(yǎng)分元素的吸收與利用是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)研究的重點(diǎn)。由于受植物本身的生理特性和不同養(yǎng)分元素對植物生理作用的影響，使得不同樹種間及其各營養(yǎng)器官對所需營養(yǎng)元素種類和數(shù)量均存在差異[31]。紫椴與花曲柳單株N、P、K各元素的積累量順序一致，但在不同器官中各元素積累有一定差異。本研究對養(yǎng)分積累量的計(jì)算是根據(jù)各器官中養(yǎng)分含量與生物量的乘積得出的，所以養(yǎng)分積累量受不同器官的生物量及其養(yǎng)分含量的共同作用[32-33]。盡管養(yǎng)分含量在樹干、樹根中偏低，但樹干、樹根生物量卻高于其他各器官，使得樹干與樹根養(yǎng)分積累總量高于樹枝、樹葉。作為落葉闊葉樹種，紫椴和花曲柳樹葉中的養(yǎng)分積累量為當(dāng)年積累形成，在生長季后期以落葉分解形式將養(yǎng)分回歸到土壤層[34-36]。其中，紫椴和花曲柳樹葉的主要養(yǎng)分歸還量占各自總體的比例為4.11%和17.32%，而樹葉、樹枝與根的養(yǎng)分積累比重合計(jì)分別為57.07%和75.31%，三者在森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中的作用不可低估[37]。因此，不合理的森林采伐與利用，將從森林生態(tài)系統(tǒng)中的帶走大量養(yǎng)分，造成植物對土壤養(yǎng)分歸還量的損失，降低土壤養(yǎng)分的有效供給與林地肥力。在采伐過程中，將樹根、枝、葉保留在林地內(nèi)，最大限度的減小因采伐造成的養(yǎng)分輸出，這對保持地力、維持林地生產(chǎn)力穩(wěn)定是十分必要的[38]。在森林資源有限的前提下，從而實(shí)現(xiàn)森林的社會、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)綜合效益的最大化。

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收稿日期：2015年9月16日。

第一作者簡介：毛沂新，男，1985年11月生，遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，工程師。E-mail：dmoomoo@163.com。通信作者：尤文忠，遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，教授級高級工程師。E-mail:wzhyou2002@163.com。

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201204101、201404303)；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD22B04)；遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(2014015)。

責(zé)任編輯：王廣建。