冰雪災害對粵北杉木林樹干殘體的影響

列志旸 ，李 潔 ，許建新 ,2，侯曉麗 ，薛 立 ，曾曙才

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學 林學院，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)

冰雪災害對粵北杉木林樹干殘體的影響

列志旸1，李 潔1，許建新1,2，侯曉麗1，薛 立1，曾曙才1

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學 林學院，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)

2008年1～2月嚴重的冰雪災害襲擊了廣東粵北地區(qū)，導致杉木林產(chǎn)生大量的折干殘體，增加林地的碳和養(yǎng)分輸入。折干殘體中的難分解物質(zhì)直接影響生態(tài)系統(tǒng)的碳和養(yǎng)分循環(huán)，然而還不了解冰雪災害后杉木林折干殘體的儲量和養(yǎng)分動態(tài)規(guī)律。分析了粵北冰雪災害后的杉木林折干殘體的儲量和養(yǎng)分動態(tài)，結(jié)果表明：從2008年到 2011 年，折干殘體的質(zhì)量從 6.86 t·hm-2減少到 6.11 t·hm-2，N 含量從 1.99 g·kg-1增加到 2.33 g·kg-1，P 含量從 0.19 g·kg-1增加 0.23 g·kg-1，而 K 含量從 0.88 g·kg-1下降到 0.75 g·kg-1。折干殘體 N 累積量從 13.65 kg·hm-2增加到 14.22 kg·hm-2，P 累積量從 1.30 kg·hm-2增加到 1.40 kg·hm-2，而 K 累積量從 6.04 kg·hm-2減少到 4.58 kg·hm-2。折干殘體緩慢的分解特點對于碳的儲存有重要作用。

杉木；冰雪災害；儲量；養(yǎng)分；折干殘體

冰雪災害是一種常見的自然災害，在我國東北時有發(fā)生。但是，2008年1～2月我國南方地區(qū)發(fā)生了50 a來最大的冰雪災害, 造成19個省區(qū)森林受災面積達0.209×108hm2，對森林生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重的損害[1]。冰雪災害造成大量樹木折斷，形成林冠殘體，其中的折干為木質(zhì)殘體,是構(gòu)成森林地表有機物的主要組成部分,影響森林碳貯量和養(yǎng)分循環(huán)[2]。國外對粗木質(zhì)殘體（CWD） 的研究主要集中在歐洲溫帶針葉林，如歐洲山毛櫸Fagus sylvatica[3-4]、雪嶺云杉 Picea sitchensis[5]、黑云杉black Picea mariana[6]、歐洲赤松 Pinus sylvestris[7]、美洲溫帶針闊混交林[8]和闊葉林[9-10]、地中海松樹林[11]、桉樹Eucalypt[12]和新西蘭輻射松 Pinus radiate[13-14]以及澳大利亞的熱帶雨林[15]。我國的森林木質(zhì)殘體的研究主要集中在溫帶和亞熱帶地區(qū)的天然林中，如大興安嶺興安落葉松林[16]、小興安嶺闊葉紅松林[17-18]、長白山暗針葉林[19]和紅松林[20]、西藏原始冷杉林[21]、武夷山格氏栲林[22]、哀牢山中山濕性常綠闊葉林[23]、西雙版納熱帶季節(jié)雨林[24]、大明山常綠闊葉林[25]以及鼎湖山季風常綠闊葉林[26-27]等森林類型，而對占到我國森林面積32 %的人工林卻鮮有報道[28]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我國重要的速生和商業(yè)用材樹種之一, 廣泛分布于我國南方17 個省區(qū),其面積約占我國人工林面積的24%, 因而受到廣泛的關(guān)注[29-30]。2008年的冰雪災害嚴重破壞了杉木林[31]，大量樹冠折斷后覆蓋于林地,其中折干殘體占較大比例[32]。盡管有少量冰雪災害對杉木林冠影響的研究[31-35]，尚未見到冰雪災害后杉木殘干的儲量和養(yǎng)分動態(tài)的報道。本研究以一個受嚴重冰雪災害的粵北杉木人工林為研究對象，探討其折干殘體貯量及養(yǎng)分動態(tài)特征，可以為災后杉木人工林木質(zhì)殘體的動態(tài)變化規(guī)律的研究和杉木人工林的恢復提供數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地為于廣東省北部的樂昌市樂昌林場, 屬中亞熱帶季風氣候,年平均降水量2 522.3 mm，年平均蒸發(fā)量1 417.9 mm。年平均溫度19.6 ℃，7月平均氣溫28.2 ℃，極端高溫38.4 ℃，1月平均氣溫9.3 ℃，極端低溫-4.6 ℃，無霜期270 d；相對濕度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。

2008年3月在冰雪災害后的杉木人工林內(nèi)建立3個面積為20 m×20 m的固定標準地。試驗林地處西南坡，坡度約30 °，海拔約為700 m。試驗林的林齡為17 a，密度為1 667株/hm2，林下植被主要為樓梯草和狗脊，蓋度分別占林地面積的15%～20%和10%～15%。樣地內(nèi)的杉木林個體全部折干，殘干的平均胸徑為17.99 cm，平均高度為12.69 m。

1.2 研究方法

2008年3月在在林冠殘體仍然保持新鮮狀態(tài)時，在每個樣地內(nèi)設置面積為5 m×5 m的固定樣方6個。調(diào)查時樣方內(nèi)的樹干殘體（包含干和皮），測定樣方內(nèi)折干殘體的鮮重。折干的一部分在樣方內(nèi)時, 用鋸將樣方內(nèi)外的樹干鋸斷分開, 將樣方內(nèi)林的樹干全部稱重[32]。2008—2011年的每年3月對樣方內(nèi)的折干殘體進行調(diào)查。

取殘干樣品帶回實驗室，在80 ℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量，用粉碎機磨成粉末供分析用。N用重鉻酸鉀—濃硫酸消化后以半微量凱氏法測定；P和K分析待測液用三酸消化法制備，試液中的P用鉬蘭比色法，K用原子吸收分光光度計測定[36]。

2 結(jié)果與分析

2008年雪災后，杉木林地輸入了大量的林冠殘體，包括枝、葉、干和皮（見表1）。由表1可知， 2008年林冠殘體達19.11 t·hm-2，其中折干殘體中的干和皮分別為 5.35 t·hm-2和 1.51 t·hm-2，二者合計占林冠殘體儲量的36%。

表1 2008年林冠殘體和正常凋落物的儲量Table 1 Stem debris and litter mass in 2008

2008—2011年折干殘體的干質(zhì)量分別為6.86、6.52、6.31、6.11 t·hm-2，逐年減少，2011 年折干殘體的質(zhì)量僅為2008年的89 % （見圖1）。

圖1 折干殘體的儲量變化Fig. 1 Changes of woody debris amounts

折干殘體的養(yǎng)分含量大小呈現(xiàn)為N＞K＞P。2008—2011年N含量分別為 1.99、2.09、2.21、2.33 g·kg-1，P 含量分別為 0.19、0.20、0.21、0.23 g·kg-1，均不斷上升；K含量分別為0.88、0.84、0.79、0.75 g·kg-1，不斷下降（見圖 2）。

折干殘體的養(yǎng)分累積量呈現(xiàn)為N＞K＞P。2008—2011年，折干殘體N累積量分別為13.65、13.62、13.95、14.22 kg·hm-2，呈不斷增加趨勢；P累積量分別為 1.30、1.31、1.36 、1.40 kg·hm-2，呈現(xiàn)逐年增加； K累積量分別為6.04、5.47、4.99、4.58 kg·hm-2，呈現(xiàn)逐年下降（見圖2）。

圖2 折干殘體的養(yǎng)分含量和儲量Fig. 2 Nutrients content and amount of stem debris

3 討 論

折干殘體的生物量從2008年的6.86 t·hm-2下降到2011年的6.11 t·hm-2，這些數(shù)值小于或接近于除了格氏栲天然林（1.32 t·hm-2)[22]和西雙版納熱帶季雨（1.62 t·hm-2)[24]外的大多數(shù)天然林的木質(zhì)殘體的生物量（5.17 ～ 111.53 t·hm-2）[16,19-20,23,25-27,21,37-39]，卻大于廣州馬尾松林（0.59 t·hm-2）[38]、三明市格氏栲人工林（0.47 t·hm-2）和杉木人工林（0.23 t·hm-2）[22]。與天然林相比，人工林通常林齡較小，密度合理，并且定期撫育采伐，正常情況下很難產(chǎn)生大量木質(zhì)殘體。另外，與氣候寒冷北方森林或氣溫低的高海拔的南方森林相比，試驗林的氣候溫暖，雨水充沛，使得腐殖質(zhì)基質(zhì)適合微生物的生長，木質(zhì)殘體的分解較快，不利于其生物量的積累[40]。格氏栲天然林和西雙版納熱帶季雨林所在地點海拔低，雨水充沛，溫度高，木質(zhì)殘體分解快，所以生物量低。一般而言，粗木質(zhì)殘體的干物質(zhì)含碳率為0.5[41]，所以殘干構(gòu)成受冰雪災害杉木林重要的碳庫組成部分。同時由于木質(zhì)殘體的分解速率相對緩慢，在林地滯留時間比較長，在森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和碳平衡中具有重要作用[2]。

2008―2011年，N和P含量變化呈現(xiàn)上升趨勢。由于N、P 是不容易分解淋失的元素, 在折干殘體分解過程中, 降雨可以增加折干殘體的N輸入, 一些真菌可以借助菌絲把林地中一些N 素轉(zhuǎn)移到折干中。另外，折干殘體中某些細菌有固氮作用，折干中的昆蟲的糞便也可使N富集[19]。P是一種不易溶脫的元素,有利于其在折干殘體中的積累[19]。N和P的富集與長白山苔蘚紅松暗針葉林中臭冷杉Abies nephrolpis 倒木分解過程中N和P 的變化規(guī)律相同[21]。K含量在折干殘體中不斷減少, 可能與其在有機體內(nèi)易移動有關(guān)[42]。K元素極不穩(wěn)定，可以從凋落葉中淋溶[43]。所以當?shù)蚵湮锫涞降孛嬉院?，凋落物中的鉀通過淋溶作用大量轉(zhuǎn)移到土壤中[44]。

2008―2011年，杉木林折干殘體的N和P累積量不斷增加，這主要是由于折干殘體的N和P含量逐年上升造成的。盡管折干殘體的儲量逐年減少，但是折干殘體分解緩慢，所以N和P的富集養(yǎng)分累積量由于N和P的富集而逐年增加。折干殘體的分解與樹皮關(guān)系密切。折干殘體的樹皮含有高濃度的丹寧酸和木質(zhì)素[13]，而丹寧酸和木質(zhì)素限制微生物的活動，因而阻礙折干殘體的分解[45]。樹皮中高濃度的多酚和烷基也是分解緩慢的重要影響因素[13]。另外，杉木樹干殘體的N含量低，導致其C/N 比高，這也是導致其分解速度較慢的原因之一[46]。樹干殘體的緩慢分解及N和P的緩慢釋放有利于保持林地的養(yǎng)分。因為枝葉殘體分解快，短期內(nèi)養(yǎng)分大量釋放, 土壤養(yǎng)分供過于求,容易造成流失。樹干殘體的N和P緩慢釋放到土壤中后，儲存于土壤有機質(zhì)中，維持了森林土壤肥力，有利于在杉木林在整個恢復生長過程中的養(yǎng)分供應[32]。杉木林折干殘體的K累積量不斷減少，是由折干殘體的儲量逐年減少和K含量的不斷下降共同引起的。

由上可知，折干殘體作為養(yǎng)分儲存庫，其緩慢分解而釋放出的養(yǎng)分對森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的保持具有重要作用。由于中亞熱帶溫度高和降雨量大，冰雪災害后大量的林冠殘體中的枝葉會快速分解，可能造成養(yǎng)分的流失[32]，而冰雪災害引起的大量枝葉損失會導致林分若干年內(nèi)正常凋落物數(shù)量的減少。樹干殘體不但儲藏豐富的有機物，還儲藏較為豐富的氮、磷等營養(yǎng)元素，在其腐爛過程中具有固氮的能力[2]，可以緩慢釋放養(yǎng)分到土壤中,提供了土壤微生物的生長發(fā)育所需的養(yǎng)分，維持了森林土壤肥力, 有利于維護杉木林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和能量供應的穩(wěn)定性，可以促進杉木林的恢復。

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Effect of ice-storm damage on stem debris in a Cunninghamia lanceolata stand in northern Guangdong

LIE Zhi-Yang1, LI Jie1, XU Jian-Xin1,2, HOU Xiao-Li1, XUE Li1,*, ZENG Shu-Cai1
(1.College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China)2.Shenzhen Tech and Ecology＆Environment CO., LTD, Shenzhen 518040, Guangdong, China)

The severe ice storms that occurred in early 2008 in northern Guangdong province, China, resulted in a lot of stem debris in a Cunninghamia lanceolata stand. Due to its recalcitrant chemical composition and slow decomposition, stem debris can have direct effects on ecosystem carbon and nutrient turnover. However, stem debris dynamics of mass and nutrients have not yet been well-understood.This study analyzed the impacts of the early 2008 ice storm on stem debris dynamics of mass and nutrients in a Cunninghamia lanceolata stand. From 2008 to 2011 stem debris mass decreased gradually, ranging from 6.86 to 6.11 t·hm-2, N and P contents increased gradually,ranging from 1.99 to 2.33 and 0.19 to 0.23 g·kg-1, respectively, whereas K content decreased gradually, ranging from 0.88 to 0.75 g·kg-1.N and P accumulation of stem debris increased gradually, ranging from 13.65 to 14.22 and 1.30 to 1.40 kg·hm-2, respectively, whereas K accumulation of stem debris decreased gradually, ranging from 6.04 to 4.58 kg·hm-2. This is the first quantitative determination of the effects of ice storms on stem debris in Cunninghamia lanceolata stands. The long term storage of C and slow rate of decomposition of stem debris make it become a major controller of forest ecosystem C-retention.

Cunninghamia lanceolata; ice storm; mass; nutrient; stem debris

S718.5

A

1673-923X(2016)08-0039-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.008

2015-04-07

國家自然科學基金“污泥重金屬在林地土壤中的遷移轉(zhuǎn)化機制及其環(huán)境風險：凋落物的影響”（31270675）；深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項資金資助項目（GCZX20120618100801416）

列志旸，碩士研究生

薛 立，教授，博士；E-mail：forxue@scau.edu.cn

列志旸，李 潔，許建新,等. 冰雪災害對粵北杉木林樹干殘體的影響 [J].中南林業(yè)科技大學學報，2016, 36(8): 39-43.

[本文編校：文鳳鳴]