河北省太行山區(qū)10 a生核桃林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮儲量

沈會濤，王曉學，趙艷霞*，劉 欣

（1.河北省科學院地理科學研究所，石家莊 050021；2.中國國際工程咨詢公司，北京 100048）

河北省太行山區(qū)10 a生核桃林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮儲量

沈會濤1，王曉學2，趙艷霞1*，劉 欣1

（1.河北省科學院地理科學研究所，石家莊 050021；2.中國國際工程咨詢公司，北京 100048）

【目的】研究河北省太行山區(qū)核桃林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量及其分配特征，為河北省山區(qū)經(jīng)濟林碳氮平衡管理提供基礎數(shù)據(jù)?！痉椒ā窟x取10 a生的核桃林為研究對象，開展喬木層生物量取樣和土壤分層取樣，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定植物和土壤有機碳含量，采用凱氏法測定植物全氮和土壤全氮含量?！窘Y(jié)果】核桃林生態(tài)系統(tǒng)總有機碳儲量為84.328 t/hm2，其中土壤層碳儲量為75.579 t/hm2，占總有機碳儲量的89.6%；喬木層碳儲量為8.749 t/hm2，占總有機碳儲量的10.4%。核桃林生態(tài)系統(tǒng)總氮儲量為5.375 t/hm2，喬木層氮儲量和土壤層氮儲量分別占總氮儲量的3.1%和96.9%。非線性回歸分析表明，核桃樹不同器官碳氮含量呈顯著非線性負相關關系（P＜0.05），不同土壤層的碳氮含量呈極顯著非線性正相關關系（P＜0.01）?！窘Y(jié)論】土壤是核桃林碳氮的主要儲存庫。

核桃林；碳儲量；氮儲量；碳氮相關性

陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支對全球碳循環(huán)具有極為重要的影響，森林作為最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫，每年固定的碳占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3，在調(diào)節(jié)全球碳收支、減緩大氣中CO2濃度上升等方面發(fā)揮著極為重要的作用[1]。而碳與其他養(yǎng)分元素的循環(huán)過程是相互耦合的，森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程會受到其他養(yǎng)分元素的制約，其中，氮就是主要制約因素之一[2]。有研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量及其分配受到樹種、林分密度、林齡等多種因素的影響，并且空間分配格局基本一致[3-4]。

經(jīng)濟林作為重要經(jīng)營林林種，全世界面積約為0.48×109hm2，我國面積約 0.11×109hm2，占全國土地總面積1.1%，占世界經(jīng)果林總面積約23%[5]。河北省經(jīng)濟林面積約占林地（約 7.05×106hm2）的 26%[6-7]，在積極發(fā)揮經(jīng)濟效益的同時，也對維持區(qū)域碳氮平衡發(fā)揮著重要作用。經(jīng)濟林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程受地理、氣候條件，特別是周期性經(jīng)營活動的影響而十分復雜[8]。目前，有關土地利用方式對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量的影響有較多報道[9-10]。如吳志丹等[11]曾對福州地區(qū)7a生柑橘（Citrus reticulata）果園生態(tài)系統(tǒng)的碳氮儲量及分布特點進行研究；林清山等[8]對永春縣柑橘生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量及其動態(tài)變化進行研究；郭雪艷等[5]對上海地區(qū)桃（Amygdalus persica）園和橘園生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分布格局進行了研究，關于其他經(jīng)濟林碳氮儲量研究的報道較少?；诖?，本文通過對河北省太行山區(qū)10 a生的核桃林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量及其分布特征進行研究，旨在為河北省山區(qū)經(jīng)濟林碳氮平衡管理提供依據(jù)，為我國碳氮平衡研究補充基礎數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗點概況

研究區(qū)位于河北省元氏縣境內(nèi)的太行山中部低山丘陵區(qū)，該區(qū)為中國科學院太行山山地生態(tài)試驗站（114°16′E，37°53′N）的重點研究區(qū)域，屬于典型的山地-平原過渡帶。海拔高度為247～1 040 m。研究區(qū)屬于半干旱大陸性氣候，年平均氣溫13.2℃，最冷月（1月）平均溫度為－1.6℃，最熱月（7月）平均溫度為26.3℃。年均降水量570～620 mm，年均蒸發(fā)量1 934.6 mm。降水分布不均，其中雨季（7—9月）降水占全年降水量的67.8%，春季降水僅占7.69%[12]。本研究選取的核桃林樹齡為10a，種植密度為512株/hm2，平均樹高6.8 m，平均基徑15.2 cm，平均冠幅為2.7 m×2.9 m，核桃產(chǎn)量平均約為20～30 kg/株。由于人類經(jīng)營管理措施，林內(nèi)枯落物層和草本層很少，故本研究未計算在內(nèi)。

1.2 研究方法

1.2.1 生物量測定及植物樣品采集與處理

樣品采集于2016年9月進行，在實驗區(qū)內(nèi)共設置3個20 m×20 m樣地。對每個樣地進行每木檢尺，測定樹高、冠幅、基徑、胸徑，并對數(shù)據(jù)進行處理[13]，計算標準樣地內(nèi)樹木的平均基徑和平均樹高，在標準樣地中找與平均基徑、平均樹高接近并干形比較圓滿的單株樹作為解析木。3個樣地共選擇3株核桃樹伐倒，分別測定枝、葉、干等生物量（不含果實）；根系采用全挖法，由于＜5 mm樹根很難獲取，所以本文中樹根不包括此部分[5，14]。同時取部分樣品帶回實驗室于105℃殺青半小時后在80℃烘干至恒量，根據(jù)樣品鮮重和干重分別換算樣株各部分干重，并磨碎測定植物樣品碳氮含量。

1.2.2 土壤樣品的采集與處理

在每個樣地內(nèi)，按品字形選取3點挖掘土壤剖面，采用土壤環(huán)刀法，分別測定 0～10、10～20、20～40、40～60和60～100 cm 5個層次土壤容重；并同時采集相應土層土壤樣品置于自封袋中帶回實驗室，風干過篩待測。

1.2.3 樣品碳氮含量的測定

植物和土壤樣品的有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；植物全氮和土壤全氮采用凱氏法測定[11，15]。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和Sigmaplot 12.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理和作圖。喬木層和土壤層碳氮儲量[16-17]的計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃林生態(tài)系統(tǒng)碳氮含量及其相關性

由表1可見，喬木層各器官有機碳含量變化范圍在43.52%～44.62%之間，平均值為44.15%，大小順序為：樹枝＞樹干＞樹根＞樹葉；而各器官氮含量表現(xiàn)出和有機碳含量相反的順序：樹葉＞樹根＞樹干＞樹枝，其變化范圍在0.57%～2.26%之間。核桃樹各器官的平均碳氮比為40.0，其中樹干的碳/氮比最大為78.2，樹葉的碳氮比最低為19.2。各器官有機碳含量與氮含量呈顯著的對數(shù)回歸關系見圖1。

表1 核桃樹不同器官碳氮含量（平均值±標準誤）及碳氮比Table 1 Carbon and nitrogen contents(Mean±SE)and C/N ratio in different organs in Juglans regia trees

圖1 植物各器官碳氮含量之間的關系Figure 1 Relations of carbon and nitrogen contents among different organs in the plant

不同土壤層碳氮含量及碳氮比見表2，核桃林土壤有機碳平均含量為6.93 g/kg，隨土壤深度的增加而減?。徊煌寥缹拥康淖兓?guī)律與土壤有機碳變化規(guī)律一致，氮含量在0.17～0.99 g/kg之間。相關分析表明，核桃林土壤有機碳含量和全氮含量呈極顯著正相關（P＜0.01），回歸方程為：y=5.296ln(x)+11.63（R2=0.995）（圖 2），這表明土壤有機碳含量與全氮含量關系密切，土壤內(nèi)氮含量的增加，有利于土壤有機碳的積累。

圖2 不同土壤層碳氮含量之間關系Figure 2 Relations of carbon and nitrogen contents among different soil layers

表2 不同土壤層碳氮含量（平均值±標準誤）及碳氮比Table 2 Carbon and nitrogen contents(Mean±SE)and C/N ration in different soil layers

2.2 核桃林喬木層碳氮儲量及分配特征

核桃林喬木層各部分碳氮儲量見表3，喬木層生物量碳儲量為8.749 t/hm2，從碳儲量在核桃林各器官中的分配特征來看，根系和樹枝所占比例最大，分別為喬木層碳儲量的37.6%和33.4%，其次是樹干（23.1%）和樹葉（5.9%）。喬木層氮儲量為0.166 t/hm2，氮儲量在各器官分配的大小順序為：樹根（45.9%）＞樹枝（22.4%）＞樹葉（16.1%）＞樹干（15.6%）。

2.3 核桃林土壤層碳氮儲量及分配特征

土壤層碳氮儲量如表4所示。10a生核桃林土壤層有機碳儲量為75.579 t/hm2，按空間分層來看，土壤有機碳儲量隨土壤深度的增加而降低，其中0～60 cm土層是碳貯存的主要部分，占總土壤層有機碳儲量的61.4%；土壤層總氮儲量為5.209 t/hm2，與土壤有機碳儲量的變化規(guī)律相一致，0～60 cm土層氮儲量占總土壤層氮儲量的64.3%。

2.4 核桃林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量及分配特征

10a生核桃林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮儲量分別為84.328和5.375 t/hm2（表5），生態(tài)系統(tǒng)總有機碳儲量遠高于氮儲量，是氮儲量的15.7倍。其中，土壤層的有機碳儲量和氮儲量是生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量的主體，分別占89.6%和96.9%，是喬木層有機碳儲量和氮儲量的8.6和31.5倍。

表3 核桃林喬木層碳氮儲量（平均值±標準誤）及分配特征Table 3 Carbon and nitrogen storage(Mean±SE)and their distribution of tree layer in Juglans regia plantation

表4 核桃林土壤層碳氮儲量及分配特征（數(shù)值=平均值±標準誤）Table 4 Carbon and nitrogen storage and their distribution of soil layer in Juglans regia plantation(Value=Mean±SE)

表5 核桃林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量（平均值±標準誤）及分配特征Table 5 Total carbon and nitrogen storage(Mean±SE)and their distribution in Juglans regia plantation

3 討論與結(jié)論

本研究中，10a生核桃樹各器官的碳含量（43.52%～44.62%）低于國際上計算森林碳儲量時通用的碳系數(shù)（0.5或 0.45）[18-19]，可見，在計算本地區(qū)核桃林碳儲量時如果利用通用碳系數(shù)來估算將會高估其碳儲量。研究區(qū)核桃林喬木層各器官氮含量的平均值（1.10%）略低于固氮樹種刺槐（Robinia pseudacacia）和格木（Erythrophleumfordii）的氮含量（分別為1.40%和1.48%），但高于油松（Pinus tabuliformis）和馬尾松（Pinus massoniana）的氮含量（分別為0.34%和0.40%）[19-20]。從植物的C/N來看，幼嫩器官（樹葉）的C/N最小，說明植物幼嫩器官中的氮含量高于老化器官，可見氮素對幼嫩器官生長具有重要作用[4]。

土壤有機碳和氮含量主要受動植物殘體、凋落物、植物根系周轉(zhuǎn)、降雨和微生物組成以及樹種等多重因素影響，并且土壤氮素的水平也會影響土壤中有機碳的含量[3，21]。本研究中，0～10 cm土壤層的碳、氮含量（分別為11.58和0.99 g/kg）最大，隨著土層深度的增加而逐漸降低，這與劉冰燕等研究一致[19，22]，這主要是由于植物的根系集中分布在土壤表層，再加上表層枯落物層的分解與腐殖質(zhì)層的影響。核桃林各土壤層的C/N平均值為13.9，略高于我國森林土壤的 C/N 值（13.0）[10]。

本研究中核桃林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層的碳儲量和氮儲量分別為8.749和0.166 t/hm2，低于其他研究中人工林生態(tài)系統(tǒng)喬木層的碳儲量（11.7～26.3 t/hm2）和氮儲量（0.219～0.44 t/hm2）[20-21]；與其他經(jīng)濟林相比較，本研究10a生核桃林喬木層碳儲量高于福建7a 生柑橘園喬木層碳儲量（4.75 t/hm2）[11]，但低于上海7a生桃園和橘園的喬木層碳儲量（分別為15.91和23.54 t/hm2）[5]。這種差異主要受樹種類型、立地條件、氣候條件和管理措施等因素影響。此外，核桃林作為一種典型的農(nóng)用型植被類型，其碳循環(huán)過程受到人類經(jīng)營管理措施的影響，在實際生產(chǎn)過程中，隨著人們對核桃林的管理，進行除草、剪枝、翻耕和對果實的收獲等，地被雜草、枯枝落葉和果實迅速歸還土壤或被帶走[8]，這些構成核桃林生態(tài)系統(tǒng)中暫時性或流動性的植被層碳氮庫。因此，核桃林生態(tài)系統(tǒng)植被層的實際碳氮儲量將大于本研究結(jié)果。如果能改變核桃林的經(jīng)營管理方式，合理套種牧草或農(nóng)作物，增加林內(nèi)植被覆蓋度，將可提高山區(qū)經(jīng)濟林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮貯存空間。此外，就喬木層碳氮儲量分配格局表明，與其他人工林植被樹干所占比例較大不同[3，20]，核桃林樹干所占比例較小，枝條所占比例高于樹干。

核桃林土壤層碳氮儲量在生態(tài)系統(tǒng)總碳氮儲量中所占比例均較大。土壤層有機碳儲量和氮儲量分別為84.328和5.375 t/hm2，分別占生態(tài)系統(tǒng)總儲量的89.6%和96.9%，這與吳志丹等[11]所得的柑橘果園土壤層的研究結(jié)果類似，表明土壤層在固碳固氮方面發(fā)揮著重要作用。核桃林土壤層作為碳氮的主要儲存庫，除受周圍自然環(huán)境影響外，還受到強烈的人為干擾（修剪、施肥、灌溉、翻耕、高密度栽植等），對其開展碳氮儲量相關研究復雜且困難，進一步通過合理加強果園管理、改進種植技術等與自身碳氮循環(huán)之間相關研究可為保持并提高其碳氮貯存能力奠定一定基礎。本研究中，0～60 cm土層有機碳儲量占總土壤層碳儲量的61.4%，0～60 cm土壤氮儲量占總土壤氮儲量的64.3%，這與王衛(wèi)霞等[3]和艾澤民等[20]的研究結(jié)果相一致，可見土壤中的碳、氮主要集中在表層，具有明顯的表層富集作用[19]。

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Organic Carbon and Nitrogen Storage in a 10-Year-Old Juglans regia Ecosystem in the Taihang Mountain Area of Hebei Province

SHEN Hui-tao1，WANG Xiao-xue2，ZHAO Yan-xia1*，LIU Xin1
（1.Institute of Geographical Sciences,Hebei Academy of Sciences，Shijiazhuang 050021，China；2.China International Engineering Consulting Corporation，Beijing 100048，China)

【Objective】The aim of the study was to study carbon and nitrogen storage and allocation of 10-year-old walnut plantation and to provide a reference for carbon and nitrogen balance management of economic plantations in the mountain area of Hebei Province.【Method】Plant and soil samples were collected from a walnut plantation in the Taihang Mountain of Yuanshi County，Hebei Province.Organic carbon and total nitrogen of plant and soil samples were determined by potassium dichromate oxidation titration and Kjeldahl nitrogen determination，respectively.【Results】Total carbon storage of the ecosystem was 84.328 t/hm2.Carbon storage in the soil layer and tree layer were 75.579 t/hm2and 8.749 t/hm2，accounting for 89.6%and 10.4%of total carbon storage，respectively.Total nitrogen storage in the ecosystem was 5.375 t/hm2.Both tree and soil layers accounted for 3.1%and 96.9%of total nitrogen pool，respectively.According to nonlinear regression analysis，carbon content was significantly negatively correlated with nitrogen content across different components（P＜0.05）.However，soil organic carbon was significantly positively associated with soil nitrogen（P＜0.01）.【Conclusion】Soil layer is the largest carbon and nitrogen pools in the walnut plantation ecosystem.

Juglansregiaplantation；organiccarbonstorage；nitrogenstorage；carbon-nitrogenrelationship

S718.5 文獻標志碼：A 文章編號：1000-2650（2017）01-0208-05

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.02.011

2017-01-03

河北省科學院科技計劃項目(16106)；河北省自然科學基金面上項目(C2015503008)；河北省青年拔尖人才項目。

沈會濤，博士，副研究員，研究方向為碳循環(huán)研究，E-mail：shenhuitao80@126.com。*責任作者：趙艷霞，碩士，研究員，研究方向主要是土地利用研究，E-mail：hebdlxx@163.com。

（本文審稿：鮮駿仁；責任編輯：鞏艷紅；英文審稿：徐振鋒）