重慶武陵山區(qū)柏木幼、中齡林的碳、氮、磷、鉀儲量及其分配特征

王軼浩，崔云風(fēng)，薛蘭蘭

(1．重慶市林業(yè)科學(xué)研究院 重慶三峽濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，重慶 400036；2.重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，重慶 404332)

聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估報告把生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為供給、調(diào)節(jié)、文化和支持四大類，其中，支持服務(wù)功能包括光合作用、養(yǎng)分循環(huán)、土壤形成等指標[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)主體，對維護生態(tài)平衡發(fā)揮著舉足輕重和不可缺少的作用[2]，其通過光合作用、蒸騰作用等各種生理活動促進自身結(jié)構(gòu)不斷演變和完善，從而實現(xiàn)其固碳、積累氮磷鉀營養(yǎng)物質(zhì)等支持服務(wù)功能發(fā)揮。同時，碳氮磷鉀作為森林生態(tài)系統(tǒng)重要組成元素，對維持養(yǎng)分循環(huán)、影響林木生長和發(fā)揮生態(tài)功能都具有重要作用[3]，其含量和儲量存在很大的時空差異性[4]，尤其對于不同森林類型、林分結(jié)構(gòu)、林齡組的生態(tài)系統(tǒng)，這大大限制了人們對森林生態(tài)功能認識和對區(qū)域及全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷鉀儲量的準確評價。目前，開展森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)儲量功能研究較多[4-6]，但主要集中在不同森林植被類型的碳氮儲量研究[7～9]，而對于森林生態(tài)系統(tǒng)磷鉀儲量以及不同林齡組森林碳氮磷鉀儲量研究甚少[10～11]，尤其是對于不同林齡組柏木林碳氮磷鉀儲量研究還未見報道。

柏木(Cupressusfunebris)作為重慶地區(qū)主要造林樹種之一，廣泛分布于渝東北三峽庫區(qū)和渝東南武陵山區(qū)的低山丘陵區(qū)，尤其是隨著退耕還林等林業(yè)重點生態(tài)修復(fù)工程實施，其在重慶地區(qū)森林資源組成中占據(jù)著重要地位(約占該區(qū)森林面積10%左右)。因此，了解林齡組對柏木林碳氮磷鉀儲量影響和掌握不同林齡組柏木林碳氮磷鉀儲量及其分配特征對準確評估該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)固持物質(zhì)功能尤為重要。

武陵山區(qū)是我國重要的生物多樣性與水土保持生態(tài)功能區(qū)，生態(tài)區(qū)位十分特殊，而黔江區(qū)位于武陵山區(qū)腹地。本文在重慶市黔江區(qū)國有林場，對柏木幼、中齡林喬木層、枯落物層、土壤層等功能層的碳氮磷鉀含量及其儲量進行研究，旨在掌握柏木幼、中齡林的碳氮磷鉀儲量及其分配特征，為準確評價武陵山重點生態(tài)功能區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及為森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營與管理提供決策參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市黔江區(qū)國有林場，森林面積達32.45 km2。氣候為亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，并具有典型的山地氣候特征，年均氣溫15.4℃，年均降雨量為 1 300 mm。屬四川盆周山地區(qū)，以低中山為主，平均海拔變化在500 m～1 000 m。土壤以砂巖、頁巖上發(fā)育的黃壤、黃棕壤為主，厚度50 cm～80 cm。地帶性森林植被屬亞熱帶常綠闊葉林，但現(xiàn)有森林植被以馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柏木(Cupressusfunebris)、楊樹(Pterocaryastenoptera)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、華山松(Pinusarmandii)等為主，森林覆蓋率達92.4%，

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)

在研究區(qū)選擇具有代表性的柏木幼齡林、中齡林布設(shè)樣地，每個林齡組設(shè)置3個重復(fù)，樣地規(guī)格為20 m×20 m。然后對樣地內(nèi)胸徑≥5 cm或樹高≥3 m的喬木進行每木檢尺，并進行其他植被特征和地形、土壤特征調(diào)查(表1)。

2.2 樣品采集及測定

2.2.1 植物樣品采集及測定

在各樣地內(nèi)，根據(jù)樣地調(diào)查結(jié)果選擇1株標準木，然后分葉、枝、皮、干和根等器官采集樣品，同時，在各樣地內(nèi)設(shè)置3個1 m×1 m小樣方，用于采集枯落物樣品，將各樣品置于密封袋之后帶回實驗室。首先在105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在80 ℃烘箱中烘干至恒重，用于測定其有機碳、氮、磷、鉀含量，其中，有機碳測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮采用硫酸-雙氧水消煮-凱氏蒸餾法測定；全磷采用硫酸-雙氧水消煮-釩鉬黃比色法測定；全鉀采用硫酸-雙氧水消煮-火焰光度法測定。

表1柏木林樣地基本情況

Tab.1 Characteristics of sample plots for Cupressus funebris forests

2.2.2 土壤樣品采集及測定

在各樣地內(nèi)，開挖60cm深的土壤剖面，按土壤形成層分層(OA層、AB層和B層)，測量各土層厚度，然后用容積為200 cm3的環(huán)刀取樣，每層3個重復(fù)，用于測定土壤容重。同時，分層采集100 g左右土壤，帶回實驗室自然分干，用于測定其土壤有機碳、氮、磷、鉀含量，其中，有機碳測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮采用硫酸-雙氧水消煮-凱氏蒸餾法測定；全磷采用硫酸-雙氧水消煮-釩鉬黃比色法測定；全鉀采用硫酸-雙氧水消煮-火焰光度法測定。

2.3 森林積累有機碳、氮、磷、鉀量計算

2.3.1 樹木積累有機碳、氮、磷、鉀量計算

首先依據(jù)樣地調(diào)查基本資料，利用曾立雄等[12]生物量模型計算樣地柏木單株的枝、干、根、皮、葉生物量，將同一樣地所有柏木單株的枝、干、根、皮、葉生物量對應(yīng)累加，得到樣地喬木層的枝、干、根、皮、葉生物量，然后乘以標準木對應(yīng)器官的碳、氮、磷、鉀含量，即樣地喬木層各器官的碳、氮、磷、鉀儲量。喬木層不同器官的碳、氮、磷、鉀儲量加和，即樣地喬木層碳、氮、磷、鉀儲量。

枯落物生物量采用樣方收獲法測定，其生物量與其碳、氮、磷、鉀含量的乘積，即枯落物層的碳、氮、磷、鉀儲量。

2.3.2 土壤積累有機碳、氮、磷、鉀量計算

一定土層厚度的土壤有機碳、氮、磷、鉀儲量用以下公式計算：

式中：S表示一定土層的土壤有機碳、氮、磷、鉀儲量；i表示第i土壤層次；Ci表示第i層土壤有機碳、氮、磷、鉀含量；Di表示第i層土壤容重；Hi表示第i層土層厚度。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計分析軟件SPSS13.0進行數(shù)據(jù)處理，用單因素方差分析(One-way ANOVA)中LSD多重比較進行不同器官、不同土層的碳、氮、磷、鉀含量及其儲量的差異檢驗，用獨立t檢驗進行柏木幼、中齡林枯落物碳、氮、磷、鉀含量及其儲量的差異檢驗。采用Excel2010軟件進行圖和表的制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 柏木各器官碳、氮、磷、鉀含量及其儲量

由圖1可知，除樹干以外，柏木幼、中齡林間各器官碳含量差異均不顯著，它們各器官碳含量均以葉最大，分別達到467.56 g·kg-1、450.26 g·kg-1，且與其他器官碳含量差異顯著，而以樹干的碳含量最小。同樣地，柏木幼、中齡林間各器官氮、磷含量差異均不顯著，但均以葉的氮、磷含量最大，且葉的氮含量與其他器官均差異顯著，而以樹干的氮含量最??；幼齡林葉的磷含量與其他器官差異顯著，而中齡林葉的磷含量僅與根差異顯著，與其他器官的磷含量無顯著差異。柏木幼、中齡林間各器官鉀含量與碳含量類似，除樹干以外，其他器官差異不顯著。幼齡林枝、干的鉀含量顯著低于其他器官，而中齡林僅枝的鉀含量顯著低于其他器官，并且其他器官間的鉀含量差異不顯著。

柏木幼、中齡林間各器官的碳、氮、磷、鉀儲量中，除中齡林樹干的磷、鉀儲量顯著高于幼齡林外，其余器官的物質(zhì)儲量差異并不顯著(圖2)。不管是柏木幼齡林還是中齡林，其樹干的碳、磷和鉀儲量均顯著高于其他器官，根、皮、葉、枝之間的碳、磷和鉀儲量均不顯著，說明以樹干的積累碳、磷和鉀功能最強。由圖2也可知，幼齡林干、葉的氮儲量顯著高于其他器官，且干、葉之間氮儲量差異不顯著，說明幼齡林氮主要積累在干、葉器官，而中齡林干的氮儲量顯著高于根、皮和枝，葉與根、皮、枝之間的氮儲量差異均不顯著。

圖1 柏木幼、中齡林各器官的C、N、P、K含量(不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同)Fig.1 The content of C,N,P and K in organs of young and middle-aged Cupressus funebris forests

圖2 柏木幼、中齡林各器官的C、N、P、K儲量Fig.2 The reserve of C,N,P and K in organs of young and middle-aged Cupressus funebris forests

3.2 柏木林枯落物層碳、氮、磷、鉀含量及其儲量

由表2可知，柏木幼齡林枯落物的碳、氮、磷和鉀含量分別為455.08 g·kg-1、10.56 g·kg-1、0.15 g·kg-1和0.95 g·kg-1，中齡林枯落物的碳、氮、磷和鉀含量則分別為403.29 g·kg-1、9.88 g·kg-1、0.14 g·kg-1和1.06 g·kg-1，但t檢驗表明，柏木幼、中齡林之間的碳、氮、磷和鉀含量差異均不顯著。同樣地，柏木幼、中齡林之間的枯落物碳、氮、磷和鉀儲量以及它們的總儲量差異也均不顯著(表2)，說明柏木幼、中齡林枯落物層的物質(zhì)儲量功能差異并不明顯。

表2柏木幼、中齡林枯落物層的C、N、P、K含量及儲量

Tab.2 The content and reserve of C,N,P and K in litterfall of young and middle-aged Cupressus funebris forests

3.3 柏木林土壤層碳、氮、磷、鉀含量及其儲量

由圖3可知，柏木幼、中齡林之間各土層的有機碳、全氮和全鉀含量差異均不顯著，但在各土層，中齡林的有機碳、全氮和全鉀含量均高于幼齡林，并且中齡林各土層的全磷含量均顯著高于幼齡林，說明相比幼齡林，柏木中齡林能明顯改善土壤營養(yǎng)狀況。柏木幼、中齡林土壤OA層的有機碳、全氮含量均顯著高于AB層和B層，且AB層和B層差異不顯著，說明柏木林土壤有機碳和全氮依土層分異較為明顯，土壤OA層有機碳和全氮養(yǎng)分好于其它土層。柏木幼、中齡林各土層間的全磷和全鉀含量差異均不明顯(圖3)，說明柏木林土壤全磷和全鉀依土層深度的垂直變化不明顯。

由圖4可知，柏木幼、中齡林之間各土層的物質(zhì)儲量，除土壤B層氮儲量和AB層磷儲量差異顯著外，其余各層土壤的物質(zhì)儲量差異均不顯著，但總體看，中齡林各土層的物質(zhì)儲量均高于幼齡林，說明中齡林土壤物質(zhì)儲量功能強于幼齡林。從各土層來看，柏木幼、中齡林土壤B層的物質(zhì)儲量均顯著高于AB層和OA層，土壤OA層和AB層之間除鉀儲量差異顯著外，即AB層土壤鉀儲量顯著高于OA層，它們之間的其余物質(zhì)儲量差異并不明顯(圖4)，但AB層總體上物質(zhì)儲量仍高于OA層?？梢?，在柏木幼、中齡林一定土層內(nèi)，各土層物質(zhì)儲量功能大小排序為B層>AB層>OA層，這主要是與自然形成的各土層厚度有關(guān)，在柏木幼、中齡林中土壤剖面主要由B土層構(gòu)成，其厚度往往明顯大于AB層和OA層。

圖4 柏木幼、中齡林土壤層(0～60cm)C、N、P、K儲量Fig.4 The reserve of C,N,P and K in soil layers (0～60 cm)of young and middle-aged Cupressus funebris forests

3.4 柏木林碳、氮、磷、鉀儲量分配特征

由表3 可知，柏木幼齡林碳、氮、磷和鉀儲量分別為144.5997 t·hm-2、7.0839 t·hm-2、1.2261 t·hm-2和46.5130 t·hm-2，對應(yīng)的柏木中齡林分別為160.5415 t·hm-2、10.0162 t·hm-2、3.0957 t·hm-2和49.0526 t·hm-2，可見，柏木中齡林碳、氮、磷和鉀儲量均高于幼齡林，說明柏木中齡林物質(zhì)儲量功能強于幼齡林，或者說當柏木幼齡林演變?yōu)橹旋g林時，其物質(zhì)儲量能進一步增強。從各物質(zhì)儲量來看，柏木幼、中齡林均表現(xiàn)為碳儲量>鉀儲量>氮儲量>磷儲量，可見，柏木林積累物質(zhì)功能主要體現(xiàn)在碳積累，其次是鉀積累和氮積累，以磷積累功能最弱。

從其分配比例來看，柏木幼齡林喬木層物質(zhì)儲量比例變化在0.73%～24.98%之間，枯落物層變化0.02%～2.31%之間，土壤層變化在72.71%～99.25%之間。柏木中齡林喬木層物質(zhì)儲量比例變化在1.25%～17.72%之間，枯落物層變化0.01%～0.91%之間，土壤層變化在81.37%～98.74%之間(表3)?？梢姡啬居?、中齡林的碳、氮、磷、鉀等物質(zhì)主要儲存在土壤層，其次是喬木層，以枯落物層最小，說明土壤層是柏木林主要的物質(zhì)儲存庫。從表3也可知，柏木幼齡林演變?yōu)橹旋g林時，除喬木層的磷、鉀儲量外，喬木層和枯落物層的其余物質(zhì)儲量總體上都減少，而土壤層的物質(zhì)儲量都呈增加，說明隨著柏木林自然演替，其物質(zhì)儲量有更多向土壤層聚集的趨勢。

表3柏木幼、中齡林C、N、P、K儲量分配

Tab.3 Distritution patterns of C,N,P and K reseres in young and middle-agedCupressusfunebrisforests

項目功能層幼林齡中齡林儲量(t·hm-2)比例(%)儲量(t·hm-2)比例(%)碳喬木層36.127224.9828.453317.72枯落物層3.33392.311.46110.91土壤層 105.138672.71130.627181.37合計144.5997100.00160.5415100.00氮喬木層0.50837.170.45014.49枯落物層0.07861.110.03590.36土壤層 6.497091.729.530295.15合計7.0839100.0010.0162100.00磷喬木層0.180014.680.23437.57枯落物層0.00110.090.00050.02土壤層 1.045085.232.860992.41合計1.2261100.003.0957100.00鉀喬木層0.33970.730.61401.25枯落物層0.00730.020.00360.01土壤層 46.166099.2548.435098.74合計46.5130100.0049.0526100.00

4 結(jié)論與討論

總體上，本研究中柏木幼、中齡林之間各器官的碳、氮、磷、鉀含量差異不顯著，這表明作為植物器官的必要組成元素具有相對穩(wěn)定性[11]。在同一齡組中，柏木各器官間的碳含量變化不同于六盤山森林[4]，但其氮含量變化與六盤山森林[4]、岷江柏[11]的研究結(jié)果一致，其表現(xiàn)為葉的碳、氮含量顯著高于其他器官，并以樹干的碳、氮含量最小，同樣地，各器官的磷含量仍以葉最高，這與施家月等[13]的研究結(jié)果一致，這可能與各器官在生長發(fā)育過程中對營養(yǎng)物質(zhì)的需求和利用存在差異性[13]有關(guān)，說明分營養(yǎng)器官對柏木林喬木層積累物質(zhì)功能進行評估是非常必要的。本研究表明，樹干仍是喬木層積累碳、氮、磷、鉀營養(yǎng)物質(zhì)的主體，這與多數(shù)研究結(jié)果一致[10,14]，這說明柏木林以樹干的積累物質(zhì)功能最強；除氮儲量外，其他器官之間的物質(zhì)儲量差異并不顯著。

森林喬木層物質(zhì)儲量與氣候及地理區(qū)域[6,9]、森林類型及樹種[8～9]、林分特征(林齡、密度)[5,10]都密切相關(guān)。本研究柏木幼齡林喬木層碳、氮、磷、鉀儲量分別為36.1272 t·hm-2、0.5083 t·hm-2、0.1800 t·hm-2和0.3397 t·hm-2。與其相比，雖然柏木中齡林喬木層碳、氮儲量有所下降，分別為28.4533 t·hm-2、0.4501 t·hm-2，艾澤民等[10]在研究不同林齡刺槐人工林的碳、氮儲量也表明：17 a生刺槐人工林碳、氮儲量相比9 a生刺槐林都有所下降，但柏木中齡林喬木層磷、鉀儲量相比幼齡林卻都明顯增加，這一方面可能因為隨著林齡增大，其林分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，尤其是在生產(chǎn)實踐中為使得新造林能盡快郁閉成林，一般初始造林密度都比較大，隨著林木生長而增大了個體間競爭，出現(xiàn)了自然稀疏現(xiàn)象，從而使其喬木層生物量受到影響；另一方面是因為柏木幼、中齡林各器官的物質(zhì)含量存在一定差異，由圖1可知，幼齡柏木各器官碳、氮含量均高于中齡柏木，而磷、鉀含量則普遍低于中齡柏木。但普遍認為，森林喬木層碳、氮儲量隨著林齡增大而增加[6,11]。

與幼齡林相比，柏木中齡林土壤層(0～60 cm)碳、氮、磷、鉀儲量都有所增加，這與羅達等[11]、艾澤民等[10]的研究結(jié)果一致，但本研究中柏木幼、中齡林土壤層的碳、氮儲量均低于11 a生和13 a生岷江柏[11]同土層厚度的碳、氮儲量，它們分別為149.37 t·hm-2、169.24 t·hm-2和17.73 t·hm-2、18.76 t·hm-2，也低于我國森林土壤平均碳[15]、氮[16]儲量(分別為193.55 t·hm-2、34.64 t·hm-2)和世界森林土壤平均碳儲量(189.00 t·hm-2)[17]。這一方面說明柏木林土壤層物質(zhì)儲量功能隨林齡增大而增強，另一方面也說明武陵山區(qū)柏木林土壤層物質(zhì)儲量功能還較低。同樣地，柏木中齡林的碳、氮、磷、鉀儲量均高于柏木幼齡林，但它們碳、氮儲量仍然低于11 a生和13 a生岷江柏[11]，這主要與本研究未考慮林下植被層(灌木層和草本層)的碳、氮儲量有關(guān)，當然，森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)儲量差異還受到區(qū)域環(huán)境條件、自然干擾等因素影響[18]。本研究中柏木幼、中齡林的碳、氮、磷、鉀儲量分配格局均為土壤層>喬木層>枯落物層，這與黃宇等[14]、Finér等[19]的研究結(jié)果一致，且柏木幼、中齡林土壤層的碳、氮、磷、鉀儲量平均分配比例達到87.23%和91.92%，可見，土壤層是柏木林積累營養(yǎng)物質(zhì)的主要儲存庫。因此，今后若進一步提高柏木林的碳氮磷鉀物質(zhì)儲量功能時，應(yīng)注重培育中齡林甚至更高林齡組的林分，尤其應(yīng)注重土壤層物質(zhì)儲量功能的經(jīng)營和維護。