黃土丘陵區(qū)刺槐、遼東櫟林碳氮密度及其分配特征

宋變蘭, 關晉宏, 杜 盛

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100;2.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

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黃土丘陵區(qū)刺槐、遼東櫟林碳氮密度及其分配特征

宋變蘭1,3, 關晉宏1,3, 杜 盛1,2

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100;2.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

選取黃土丘陵區(qū)刺槐人工林和遼東櫟天然次生林2個典型森林群落為研究對象，比較分析了各組分的有機碳和全氮含量與儲量及分配特征。結果表明：刺槐和遼東櫟林植被層的碳含量總體上呈現(xiàn)沿垂直方向的遞減趨勢，即喬木層>灌木層>草本層>凋落物層；不同器官部位的碳含量呈現(xiàn)為：葉、干>枝>根，草本層地上部碳含量高于地下部。氮含量變化趨勢不顯著。遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為165.86 t/hm2，高于刺槐林生態(tài)系統(tǒng)(138.93 t/hm2)，而兩者的氮密度差異不大。兩生態(tài)系統(tǒng)碳氮密度的各部分排序為土壤>喬木層>凋落物層>林下植被層，土壤層(0—100 cm)的碳密度占生態(tài)系統(tǒng)碳庫總量的51.1%～53.6%，而氮密度占71.4%～84.4%，表明控制水土流失對維持研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境及土壤固碳潛力至關重要。

碳氮含量; 碳氮密度; 刺槐; 遼東櫟; 生態(tài)系統(tǒng); 黃土丘陵區(qū)

黃土丘陵區(qū)是我國典型生態(tài)脆弱區(qū)，其生態(tài)環(huán)境的變化一直以來都倍受關注。近年來，隨著退耕還林還草工程的持續(xù)開展，黃土高原丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境得到較大程度改善，但是水土流失、土地退化和沙化問題依然嚴重[1]。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，不僅在涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣、保護生物多樣性等維持森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務功能方面發(fā)揮著重要的作用，而且在生長過程中從大氣吸收并貯存大量的CO2，在全球碳循環(huán)中起著舉足輕重的作用，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫[2-4]。我國森林生態(tài)系統(tǒng)的總碳庫約為28.12 Gt C，其中，植被碳庫和凋落物層分別占22.2%和3.2%，土壤碳庫占74.6%，平均碳密度為258.83 Mg C/hm2[5]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，碳和氮的耦合協(xié)同決定著生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能[6]，二者相互作用對森林生態(tài)系統(tǒng)的生產力、固碳潛力及穩(wěn)定性都有關鍵影響[7-8]。因此，準確掌握森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳氮庫動態(tài)，對于陸地增匯及緩解溫室效應具有重要意義。森林生態(tài)系統(tǒng)的人工重建(人工造林)和天然修復(天然次生)是黃土丘陵區(qū)生態(tài)恢復的重要途徑，人工林和天然次生林不僅會改善生態(tài)環(huán)境，同時也能有效發(fā)揮其增匯功能，進而影響全球碳氮循環(huán)。在全球變化背景下，研究黃土高原半干旱區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量、碳氮素及其密度的分配特征，對于黃土區(qū)植被恢復與生態(tài)環(huán)境保護政策制定，以及我國乃至全球碳平衡和人類活動對全球氣候變化的影響研究均具積極的輔助支持作用。

人工刺槐林和天然遼東櫟次生林是黃土高原半干旱區(qū)的典型森林生態(tài)系統(tǒng)[9-10]，對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復至關重要。本文選擇黃土高原半干旱區(qū)的刺槐林和遼東櫟林為研究對象，對比分析兩森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮含量、密度及其分配特征，旨在為定量評價當地及類似地區(qū)乃至全國的森林固碳和養(yǎng)分循環(huán)研究提供基礎數據，對該區(qū)植被恢復具有一定的現(xiàn)實指導意義。

1　試驗材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市南郊公路山林區(qū)，中心地理坐標為109°31.53′E，36°25.40′N，海拔約1 245～1 395 m。該區(qū)地貌屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地形復雜，溝壑縱橫；氣候屬溫帶半干旱氣候區(qū)，冬春寒冷干旱，夏秋溫暖多雨。該地區(qū)年平均降水量為515.8 mm，其中6—9月份降水量約占全年降水量的71.8%，年平均氣溫為10.3℃(1981—2010)。土壤類型以黃綿土為主，長期水土流失作用下地帶性土壤黑壚土僅零散分布，土壤保水保肥能力較差，缺乏有機質和礦物養(yǎng)分。該區(qū)屬溫帶落葉闊葉林區(qū)向溫帶草原區(qū)的過渡地帶。植物區(qū)域組成有典型的北溫帶性質，并呈現(xiàn)華北特征。

森林類型以櫟類為主，其次為松、柏、楊以及樺林。目前區(qū)內天然植被破壞較為嚴重，現(xiàn)存天然植被中遼東櫟(Quercusliaotungensis Koidz.)次生林分布最為廣泛，為該區(qū)頂級森林群落。人工林則多數營造于20世紀七、八十年代，主要造林樹種有刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、小葉楊、油松等，刺槐林種植面積最大。林下灌木包括小葉錦雞兒(CaraganamicrophyllaLam.)、水栒子(CotoneastermultiflorusBunge.)、紫丁香(SyringaoblataLindl.)、黃薔薇(RosahugonisHemsl.)等。草本植物主要有白羊草(Bothriochloaischcemum(L.)Keng)、鐵桿蒿(ArtemisiasacrorumLedeb.)等。

1.2樣地設置與調查

選擇研究區(qū)典型森林生態(tài)系統(tǒng)刺槐林和遼東櫟林為研究對象，按立地條件一致的原則，于2013年8月在研究地內設置6個面積為20 m×40 m 的樣地，刺槐和遼東櫟各3個。樣地間距至少在0.5～1.0 km 以上，樣地基本概況詳見表1。每個樣地內沿對角線設置3個2 m×2 m的灌木樣方、3個1 m×1 m的草本和凋落物樣方。調查內容包括海拔、經緯度、地形、土壤類型以及喬木層、灌木層、草本層和凋落物的生物量。同時在每個樣地內各選一個坡面穩(wěn)定并能代表樣地內最大面積坡面特征的樣點挖0—100 cm土壤剖面。

表1　研究區(qū)樣地特征

注:表中胸徑和樹高數值表示為：平均值±標準差；密度和樹干基面積按投影面積計算。

1.3樣品采集與處理

1.3.1樣品采集對喬木樣方內所有胸徑(DBH)≥5 cm立木進行每木檢尺，記錄樹高和DBH，按大、中、小徑級選擇3～5株樣木，分葉、枝、干、根4個器官取樣，同器官混合成一個樣品，各器官分別取樣(約300 g)。灌木樣方內所有灌木(DBH <5 cm，高度>50 cm植被)全部收獲后分葉、枝、根稱鮮重并記錄，將3個樣方內枝、葉、根分別混合均勻后取樣(約300 g)稱鮮重記錄。草本樣方內所有草本全部收獲后，分地上部分和地下部分稱重并記錄，并分別均勻取樣(約300 g)稱鮮重記錄。樣方內的所有凋落物收集并稱重記錄。

土壤調查采用剖面法和土鉆法。在調查樣地內選擇代表性地段挖取土壤剖面，按照0—10，10—20，20—30，30—50，50—70，70—100 cm分層進行環(huán)刀取樣以測容重；在樣地內，使用內徑6cm的土鉆，在每個草本樣方附近按0—10，10—20，20—30，30—50，50—70，70—100 cm隨機鉆取6鉆土，將同一層土樣按質量比例混合后帶回實驗室經處理后以測土壤有機碳和全氮含量，取樣時盡量保持每個小土體的完整性。

1.3.2樣品處理對采集的植物樣品及凋落物，105°C殺青后置于80°C的恒溫箱中烘至恒重，采用3次粉碎法并過0.25 mm篩，測定其碳氮含量。土壤樣品自然風干后剔除雜物，采用四分法，研磨并過0.25 mm篩，裝袋用于測定土壤有機碳和全氮含量。

所有植物及土壤樣品有機碳于2013年10月采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法(GB7857—87)測定，全氮采用凱氏法(GB7173—87)應用FOSS 8400全自動定氮儀測定。

1.4數據處理與分析

1.4.1生物量計算刺槐和遼東櫟林喬木生物量估算分別采用這一地區(qū)已建立的生物量回歸方程(表2)[11-12]。所選方程符合研究區(qū)刺槐和遼東櫟的生長特點，可較準確的估算其喬木生物量。單株喬木生物量為基于胸徑和樹高求得的單株喬木各組分(干、枝、葉和根)生物量之和，樣地喬木生物量則由樣地內所有喬木生物量求和所得。

林下植被層和凋落物生物量計算過程為：先由所取樣品干重計算出灌木和草本不同組分及凋落物層的含水率，再由含水量乘以相應的鮮重得出灌木層、草本層和凋落物單位面積的生物量。

生態(tài)系統(tǒng)的生物量為喬木層、灌木層、草本層和凋落物層4部分生物量之和。

1.4.2碳氮密度計算植被層及凋落物層碳氮庫密度為各組分生物量和相應碳氮含量的乘積。喬木層的碳氮密度按葉、枝、干、根4個組分的碳氮密度累加，灌木層的碳氮密度按葉、枝及根的累加，草本層的按地上部分和地下部分累加而成，凋落物層的按樣方凋落物生物總量與及其碳氮含量的乘積估算。土壤層碳氮密度按每層土壤碳氮含量的累加，單層土壤碳氮密度為容重、對應剖面深度及其有機碳/氮含量的三者乘積。喬木層、灌木層、草本層、現(xiàn)有凋落物以及土壤碳氮密度的總和為生態(tài)系統(tǒng)的碳氮密度。生態(tài)系統(tǒng)碳氮密度計算公式如下：

CT=Ct+Cb+Ch+Cl+Cs

式中:CT為生態(tài)系統(tǒng)碳氮密度(t/hm2)；Ct為喬木碳氮密度(t/hm2)；Cb為灌木碳氮密度(t/hm2)；Ch為草本碳氮密度(t/hm2)；Cl為現(xiàn)有凋落物碳氮密度(t/hm2)；Cs為土壤碳氮密度(t/hm2)。

表2　主要優(yōu)勢樹種生物量回歸方程[11-12]

注:W為生物量(g)；D為胸徑(cm)；H為樹高(cm)。

1.4.3數據處理分析所有測算數據采用SPSS 16.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差數法(LSD)比較(p<0.05)。

2　結果與分析

2.1刺槐林和遼東櫟林碳氮含量分配

刺槐林和遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)各植被層的平均碳分配具有相似特征，即總體上碳含量的大小順序是喬木層>灌木層>草本層>凋落物層(表3)。與碳含量分配不同，刺槐林生態(tài)系統(tǒng)中各喬木層、灌木層、草本層及凋落物層的平均氮含量比較接近，變化范圍是1.39%～1.81%；而遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)中平均氮含量的大小順序為喬木層>林下植被層(草本層、灌木層)>凋落物層，變化范圍是0.81%～1.33%。

在同一植被層下各器官的碳含量總體上具體沿垂直方向呈減少的趨勢。例如，刺槐林和遼東櫟林喬木層、灌木層的碳含量都呈現(xiàn)葉>干>枝>根，而兩生態(tài)系統(tǒng)草本層地上部的碳氮含量顯著高于地下部。就氮含量而言，在同一植被層下也呈現(xiàn)葉明顯高于其他器官的現(xiàn)象。這與植物生理生長的特性吻合，即就對碳和氮素的同化能力而言，植物的地上器官相對強于地下器官。

研究區(qū)植被層不同組分碳含量的均值總體上呈現(xiàn)沿垂直方向的遞減趨勢，即喬木層>灌木層>草本層>凋落物層。氮含量這一趨勢不明顯。灌木層各組成碳氮含量明顯低于喬木相對應的各組分含量，這可能是植被層碳氮含量除了與林下植被種類有關外，還與林下環(huán)境條件密切相關。喬木層葉片處于林冠上部，有較長的日照時間和充足的光能，從而可以截獲較多太陽能，有利于植物的光合作用，合成、積累較多的有機質，因而碳氮含量較高；而灌木層葉片處于蔭蔽生境，光照不僅在強度上減弱，而且在光質成分上也與林冠層不同，最重要的區(qū)別是林下光照中生理輻射光顯著減少，因此，光合強度低弱，有機物合成、積累少，碳含量低[13-14]。

表3　兩典型林分喬木層各組分碳含量

注:不同層間各組分碳氮含量表示為：平均值±標準差；各層間平均值為按各部分生物量權重的加權平均。

2.2刺槐林和遼東櫟林不同器官碳氮密度差異

圖1-3顯示了研究區(qū)刺槐林和遼東櫟林不同器官部位的碳氮密度特征。圖1表明刺槐林和遼東櫟林的喬木層以樹干的碳氮密度最大，喬木枝和根的居中，喬木葉片的最小。因樹種差異，同一器官部位的碳氮密度有差異。遼東櫟樹干的碳密度均顯著高于刺槐樹干的，但兩種喬木枝、葉及根的碳密度差異不大。遼東櫟樹干、枝干及根的氮密度皆顯著小于刺槐的，但兩種喬木葉片的氮密度差異不大。

灌木層同一器官(枝、根和葉)的碳氮密度在刺槐和遼東櫟林間無顯著差異，但其大小順序相同，均為：枝>根>葉(圖2)。

刺槐林和遼東櫟林草本層地下部的碳氮密度皆顯著高于地上部的。另外，遼東櫟林草本層地上部的碳氮密度以及地下部的碳密度皆大于刺槐林的，但其草本層地下部的氮密度小于刺槐林的(圖3)。

2.3刺槐林和遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)碳氮密度比對

研究區(qū)域遼東櫟林和刺槐林生態(tài)系統(tǒng)碳氮密度具有一定差異(表4)。遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為165.86 t/hm2，高于刺槐林生態(tài)系統(tǒng)的(138.93 t/hm2)，但兩者的氮密度差異不大。兩生態(tài)系統(tǒng)中碳氮密度在各分層的大小排序為：土壤>喬木層>凋落物層>林下植被層(灌草層)。其中，遼東櫟林土壤層的碳、氮密度占碳氮庫總量的53.6%，84.4%，而刺槐林土壤層的碳、氮密度占碳氮庫總量的51.1%，71.4%。土壤層的碳密度占生態(tài)系統(tǒng)碳庫總量的51.1%～53.6%。土壤層碳密度高于其他層次，主要由于上層生物歸還量大，有機物多積累在土層。以前研究也顯示，生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳庫是植被碳密度的2.52倍，我國森林土壤平均碳密度為193.55 t/hm2，約是植被碳密度的3.4倍[15-17],說明林地土壤是碳的一個極重要的貯存庫。

注:不同小寫字母表示同一林型不同組分間差異顯著，同一組分不同林型間差異顯著(p<0.05)，下同。

圖1喬木層各組分碳氮密度

圖2　灌木層各組分碳氮密度

圖3　草本層各組分碳氮密度

表4　兩種典型生態(tài)系統(tǒng)碳氮密度

3　結 論

研究區(qū)植被層不同組分碳氮含量總體上呈現(xiàn)沿垂直方向的遞減趨勢，即碳氮含量依次為喬木層>林下植被層>凋落物層；不同器官部位的碳氮含量也呈現(xiàn)：葉、干>枝>根，草本層碳氮含量也呈現(xiàn)地上部分高于地下部分現(xiàn)象，林下植被各組成碳氮含量明顯低于喬木相對應的各組分含量，灌木層碳氮含量大于草本層。

刺槐林和遼東櫟林喬木層不同器官碳含量因樹種不同而異。刺槐不同器官中碳含量按大小排列順序為：葉>干>枝>根，遼東櫟則為：干>葉>枝>根。從兩個樹種各器官平均碳素含量來看，遼東櫟要高于刺槐。

遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為165.86 t/hm2，高于刺槐林生態(tài)系統(tǒng)(138.93 t/hm2)，但兩者的氮密度差異不大。兩生態(tài)系統(tǒng)碳密度的各部分排序為土壤>喬木層>凋落物層>灌木層、草本層。土壤層的碳密度占生態(tài)系統(tǒng)碳庫總量的51.1%～53.6%。土壤碳庫是森林生態(tài)系統(tǒng)中極為重要碳庫。研究區(qū)土壤碳密度低于全國平均水平，這主要是由于黃土高原半干旱區(qū)水土流失較嚴重，水土流失造成表層土壤有機碳流失而造成的，可見防止地表的水土流失，可有效保持土壤對固碳潛力。

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Carbon and Nitrogen Densities and Their Allocation Characteristics in A Black Locust Plantation and An Oak Forest in the Loess Hilly Region

SONG Bianlan1,3, GUAN Jinhong1,3, DU Sheng1,2

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

We examined the contents and distribution characteristics of organic carbon and total nitrogen in a black locust plantation and a natural oak forest in the semiarid loess hilly region. The results showed that: carbon contents in vegetation layers declined vertically in the order: arbor layer>shrub and herb layer>litter layer; leaf and stem>branch>root in arbor and shrub layers, whereas aboveground components>underground components in the herb layer. The ecosystem carbon density was higher in the oak forest (165.86 t/hm2) than that of the locust plantation (138.93 t/hm2). The ecosystem nitrogen density showed no significant differences between the two communities. The distribution of carbon and nitrogen densities ranked in the order: soil layer>arbor layer>litter layer>shrub and herb layers. The soil carbon density accounted for 51.1%～53.6% of the total ecosystem carbon density. The soil nitrogen density accounted for 71.4%～84.4% of the total ecosystem nitrogen density. The results suggest that controlling soil and water loss is important to maintain the ecological environment and soil carbon sequestration potential in this area.

carbon and nitrogen contents; carbon and nitrogen densities; Black locust plantation; Oak forest; Loess hilly region

2015-05-18

2015-07-20

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA05050202);國家自然科學基金(41171419,41411140035)

宋變蘭(1978—),女,山西省靜樂縣人,在讀博士生,主要研究方向為森林生態(tài)、流域生態(tài)與管理。E-mail:sxbgld666@163.com

杜盛(1965—),男,內蒙古鄂爾多斯人,博士,研究員,主要研究方向為森林生態(tài)、流域生態(tài)與管理。E-mail:shengdu@ms.iswc.ac.cn

S718.5

A

1005-3409(2016)04-0055-05