杉木米老排混交林與杉木純林土壤碳氮庫(kù)比較

童聿娟

(福建省建陽范橋國(guó)有林場(chǎng)， 福建 建陽 354204)

1 引言

隨著人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，二氧化碳等溫室氣體的濃度持續(xù)增加，導(dǎo)致全球氣溫升高，氣候異常，已威脅到人類的生存。森林是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，而森林土壤碳庫(kù)則是森林生態(tài)系統(tǒng)中的最大碳庫(kù)，在維護(hù)和改善全球碳平衡中起著重要作用。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中國(guó)南方林區(qū)主栽樹種，長(zhǎng)期以來多代純林經(jīng)營(yíng)引起的地力衰退、生產(chǎn)力下降等生態(tài)問題日趨嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。營(yíng)造杉木與闊葉樹混交林是改善土壤肥力、提高林地生產(chǎn)力的有效途徑之一。

米老排(Mytilarialaosensis)，別名“殼菜果”，是原產(chǎn)于我國(guó)南亞熱帶的速生常綠闊葉樹種[1]。米老排在中亞熱帶的引種栽培已取得良好效果，前人對(duì)米老排純林的人工林生長(zhǎng)量[1～5]、，碳庫(kù)[6～8]、營(yíng)養(yǎng)元素積累與分配[9]、土壤理化性質(zhì)[10]、土壤呼吸[11]、木材性質(zhì)[12]等方面進(jìn)行過研究，但對(duì)杉木米老排混交林的研究不多，僅有不同坡位混交林生長(zhǎng)量[13]、營(yíng)養(yǎng)元素積累與分配[14]、水源涵養(yǎng)功能[15～17]等方面，而混交林的土壤碳氮儲(chǔ)量研究未見報(bào)道。本文于2016年12月對(duì)福建省建陽范橋林場(chǎng)于1997年春營(yíng)造的20年生不同坡位杉木米老排混交林和杉木純林試驗(yàn)林的土壤碳氮庫(kù)進(jìn)行比較研究，為混交林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省建陽范橋國(guó)有林場(chǎng)，屬武夷山脈低山丘陵地帶，海拔300～400 m，氣候?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，年均氣溫18.2 ℃，年均降水量1780 mm，年均無霜期322 d。試驗(yàn)地土壤為花崗巖發(fā)育的山地紅壤，以II類地為主。1997年春季營(yíng)造杉木米老排混交林(1∶1行間混交)和杉木純林試驗(yàn)林，初植密度均為2500株/hm2。混交林和純林種植在一個(gè)較長(zhǎng)的平直面坡的兩邊，以便對(duì)比觀測(cè)。造林后按照常規(guī)的幼林撫育方式連續(xù)撫育3年，每年2次(5月和10月)除草；造林后10年進(jìn)行一次間伐，株數(shù)強(qiáng)度約為28%，采用下層撫育法，疏伐掉生長(zhǎng)不良的被壓木。試驗(yàn)林造林后20年的生長(zhǎng)狀況見表1。

表1 杉木米老排混交林與杉木純林生長(zhǎng)狀況

3 研究方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與林分調(diào)查

分別在上、中、下3個(gè)不同的坡位的混交林和臨近的杉木林中各設(shè)置1個(gè)面積為400 m2(20 m×20 m)的標(biāo)準(zhǔn)地，同一坡位的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的海拔高度一致，共設(shè)置6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的所有喬木樹種進(jìn)行胸徑和樹高每木調(diào)查，采用斷面積加權(quán)算法計(jì)算出各樹種的平均胸徑與平均樹高。

3.2 枯枝落葉層生物量測(cè)定與取樣

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方，用大號(hào)塑料袋收集小樣方內(nèi)的全部枯枝落葉，用電子稱現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定鮮重，每個(gè)小樣方取3份枯枝落葉樣品(約100 g，枯枝和枯葉等成分的比例與地面一致)裝入已編號(hào)的自封袋中，帶回室內(nèi)測(cè)定樣品鮮重后，置于80℃恒溫干燥箱中烘干至恒重，計(jì)算出含水量，再用含水量和各樣方枯枝落葉總鮮重計(jì)算枯枝落葉層生物量，烘干的植物樣品粉碎后過0.25 mm篩，存于試劑瓶中備用。

3.3 土壤調(diào)查與取樣

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)分別挖掘5個(gè)土壤剖面，按0～10、10～20、20～40和40～60 cm土層，用100 cm3環(huán)刀取原狀土樣，蓋上上下蓋，用透明膠帶紙固定，貼上寫好樣品號(hào)的標(biāo)簽，帶回室內(nèi)測(cè)定土壤容重和含水量[18]。同時(shí)取上述土層的土壤化學(xué)分析樣品。同一標(biāo)準(zhǔn)地同一土壤層次的5份化學(xué)分析樣品等量混合成1份樣品(約300 g)，分別裝入寫好標(biāo)記的自封袋中，帶回室內(nèi)風(fēng)干后，研磨全部通過2 mm篩，存于試劑瓶中備用。從過2 mm篩的土樣中再取出約30 g樣品，研磨后全部通過0.149 mm篩，用于測(cè)定土壤碳氮。

3.4 植株與土壤樣品碳氮含量測(cè)定

采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定植株與土壤全碳含量，采用凱氏定氮法測(cè)定植株與土壤全氮含量[18]。枯枝落葉層碳氮儲(chǔ)量為全碳全氮含量乘以總生物量。各土層土壤全碳、全氮儲(chǔ)量采用以下公式計(jì)算[18～20]：

(1)

(2)

式中，TC和TN分別為n個(gè)土層土壤全碳和全氮儲(chǔ)量之和(t/hm2)，Ci和Ni分別為第i個(gè)土層土壤全碳和全氮含量(g/kg)，Li為第i個(gè)土層的厚度(cm)，BDi為第i個(gè)土層土壤容重(g/cm3)。

3.5 數(shù)據(jù)處理

采用雙因素方差分析和多重比較(LSD法)的方法分析不同林分類型和坡位土壤碳氮庫(kù)的差異顯著性，數(shù)據(jù)處理借助Microsoft Excel和SPSS17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。

4 結(jié)果與分析

4.1 枯枝落葉層碳氮儲(chǔ)量

枯枝落葉是土壤有機(jī)質(zhì)和碳氮庫(kù)的主要來源之一。不同坡位混交林和杉木純林的枯枝落葉層生物量、碳氮含量和碳儲(chǔ)量見表2。從表2可見，混交林枯枝落葉層生物量在上坡、中坡和下坡分別為4.66 t/hm2、5.78 t/hm2和7.73 t/hm2，分別比杉木純林高71.96%、77.85%和69.15%。兩種林分枯枝落葉層生物量均隨坡位的降低而增高。

混交林枯枝落葉層碳含量介于451.6～454.6 g/kg之間，略低于杉木純林(461.7～464.4 g/kg)，但氮含量(8.67～9.93 g/kg)略高于杉木純林(7.99～9.18 g/kg)。

混交林枯枝落葉層碳儲(chǔ)量在上坡、中坡和下坡分別為2104.46 kg/hm2、2611.98 kg/hm2和3514.06 kg/hm2，分別比杉木純林高67.50%、73.06%和66.55%。混交林枯枝落葉層氮儲(chǔ)量在上坡、中坡和下坡分別為40.40 kg/hm2、57.40 kg/hm2和76.37 kg/hm2，分別比杉木純林高86.61%、114.10%和82.05%。兩種林分枯枝落葉層碳氮儲(chǔ)量均隨坡位的降低而增高。

表2 杉木米老排混交林與杉木純林枯枝落葉層生物量、碳氮含量和碳氮儲(chǔ)量

為了定量評(píng)價(jià)坡位和林分類型這2個(gè)因素對(duì)枯枝落葉層碳氮儲(chǔ)量的影響程度，進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果如表3所示。兩個(gè)因素枯枝落葉層碳儲(chǔ)量的極差(最大值-最小值)，坡位因素為1131.60 kg/hm2，林分類型因素為1118.29 kg/hm2；兩個(gè)因素枯枝落葉層氮儲(chǔ)量的極差，坡位因素(28.13 kg/hm2)>林分類型因素(27.92 kg/hm2)，說明坡位因素對(duì)枯枝落葉層碳氮儲(chǔ)量的影響程度比林分類型略大(表3)。

多重比較結(jié)果表明，混交林枯枝落葉層碳和氮儲(chǔ)量3個(gè)坡位的平均值(2743.50 kg/hm2和58.06 kg/hm2)均顯著高于杉木純林(1625.21 kg/hm2和30.14 kg/hm2)(p<0.05)；下坡位2個(gè)林分類型枯枝落葉層碳和氮儲(chǔ)量平均值(2812.01 kg/hm2和59.16 kg/hm2)均顯著高于上坡位(1680.41 kg/hm2和31.03 kg/hm2)(p<0.05)，其余兩兩坡位之間的差異未達(dá)顯著水平。

表3 不同坡位和林分類型枯枝落葉層碳氮儲(chǔ)量平均值及其雙因素方差分析與多重比較結(jié)果

注：同一行同一因素?cái)?shù)值后面未出現(xiàn)相同字母者表明差異顯著(p<0.05)(下同),a、b表示數(shù)據(jù)排列的符號(hào)(下同)

4.2 土壤碳氮儲(chǔ)量

不同坡位、不同土層混交林和杉木純林土壤容重和碳氮含量見表4。從表4可見，混交林和杉木純林土壤碳含量和氮含量具有明顯的垂直分布特點(diǎn)，均隨土層深度的加深而降低，而土壤容重則隨土層深度的加深而增加。表層土壤碳氮含量最高，而容重最低。

3個(gè)坡位混交林土壤各層次土壤碳氮含量均高于杉木純林，而土壤容重均低于杉木純林。兩種林分土壤各層次土壤碳氮含量均隨坡位的降低而增高，而容重則隨著坡位的降低而降低。

表4 杉木米老排混交林與杉木純林土壤不同層次容重和碳氮含量

與杉木純林相比，混交林土壤各坡位、各層次均具有較高的氮含量和較低的碳氮比值(表5)，這可能與米老排枯枝落葉數(shù)量大、含氮量高有關(guān)。土壤碳氮比低表明土壤氮礦化能力強(qiáng)，微生物活動(dòng)比較活躍。

混交林0～60 cm土層土壤碳儲(chǔ)量在上坡、中坡和下坡分別為57.87 t/hm2、75.56 t/hm2和80.94 t/hm2，分別比杉木純林高16.42%、26.59%和19.57%(表5)。混交林0～60 cm土層土壤氮儲(chǔ)量在上坡、中坡和下坡分別為5.14 t/hm2、5.93 t/hm2和6.51 t/hm2，分別比杉木純林高23.67%、37.44%和21.73%(表5)。兩種林分0～60 cm土層土壤碳氮儲(chǔ)量均隨坡位的降低而增高。

表5 杉木米老排混交林與杉木純林土壤不同層次碳氮比、碳和氮儲(chǔ)量

雙因素方差分析結(jié)果表明，坡位和林分類型兩個(gè)因素0～60 cm土層土壤碳儲(chǔ)量的極差，坡位因素(20.53 t/hm2)>林分類型因素(12.43 t/hm2)，說明坡位因素對(duì)0～60 cm土層土壤碳儲(chǔ)量的影響程度比林分類型因素大；兩個(gè)因素0～60 cm土層土壤氮儲(chǔ)量的極差，坡位因素(1.28 t/hm2)略高于林分類型因素(1.26 t/hm2)，說明坡位因素對(duì)0～60 cm土層土壤氮儲(chǔ)量的影響程度與林分類型因素接近(表6)。

多重比較結(jié)果表明，混交林0～60 cm土層土壤碳和氮儲(chǔ)量3個(gè)坡位的平均值(71.46 t/hm2和5.86 t/hm2)均顯著高于杉木純林(59.03 t/hm2和4.60 t/hm2)(p<0.05)；下坡位2個(gè)林分類型0～60 cm土層土壤碳和氮儲(chǔ)量平均值(74.32 t/hm2和5.93 t/hm2)均顯著高于上坡位(53.79 t/hm2和4.65 t/hm2)(p<0.05)，其余兩兩坡位之間的差異未達(dá)顯著水平。

表6 不同坡位和林分類型土壤碳氮儲(chǔ)量平均值及其雙因素方差分析與多重比較結(jié)果

5 結(jié)論與討論

福建省建陽范橋林場(chǎng)不同坡位20年生杉木米老排混交林和杉木純林土壤碳氮庫(kù)的研究結(jié)果如下。

(1)杉木米老排混交林土壤碳氮儲(chǔ)量顯著高于杉木純林。杉木人工林枯枝落葉數(shù)量少，枯死的枝葉具有宿存在樹冠一段時(shí)間才脫落的特性，枯枝落葉氮素等養(yǎng)分含量低，分解緩慢，枯死細(xì)根數(shù)量也少，導(dǎo)致養(yǎng)分歸還林地較少，而混交林中的米老排枝葉繁茂，枝葉凋落物數(shù)量大，根系發(fā)達(dá)，尤其是表層土壤細(xì)根生物量大，枯死的細(xì)根歸還量大，凋落物氮素等養(yǎng)分含量高，分解速度快，有利于提高土壤的碳氮等養(yǎng)分循環(huán)速度和養(yǎng)分含量，從而提高土壤碳氮含量，增加土壤碳氮儲(chǔ)量。

(2)混交林0～60 cm土層土壤碳儲(chǔ)量在上坡、中坡和下坡分別為57.87 t/hm2、75.56 t/hm2和80.94 t/hm2，分別比杉木純林高16.42%、26.59%和19.57%。混交林0～60 cm土層土壤氮儲(chǔ)量在上坡、中坡和下坡分別為5.14 t/hm2、5.93 t/hm2和6.51 t/hm2，分別比杉木純林高23.67%、37.44%和21.73%。坡位也是影響森林碳氮儲(chǔ)量的重要因素。兩種林分0～60 cm土層土壤碳氮儲(chǔ)量均隨坡位的降低而增高。坡位因素對(duì)0～60 cm土層土壤碳儲(chǔ)量的影響程度比林分類型因素大，而坡位因素對(duì)0～60 cm土層土壤氮儲(chǔ)量的影響程度與林分類型因素接近。

(3)與南亞熱帶原產(chǎn)地米老排人工林相比，本研究中下坡位杉木米老排混交林0-60 cm土層土壤碳儲(chǔ)量(62.83 t/hm2)低于廣西憑祥20年生米老排人工林(136.40 t/hm2)[6]、廣西寧明34年生米老排人工林(99.52 t/hm2)[7]相同土層土壤碳儲(chǔ)量、低于廣西憑祥28年生米老排人工林0～50 cm土層土壤碳儲(chǔ)量(87.05 t/hm2)[8]。本研究的混交林0～40 cm土層土壤碳儲(chǔ)量在上坡位(45.46 t/hm2)低于，但在中坡位(57.29 t/hm2)和下坡位高于福建南平10年生杉木火力楠混交林(53.25 t/hm2)和杉木純林(50.11 t/hm2)相同土層土壤碳儲(chǔ)量[20]。森林碳氮儲(chǔ)量除了與樹種生物學(xué)特征有關(guān)外，還與氣候、地形、土壤本底條件和人為經(jīng)營(yíng)措施等條件有關(guān)。

(4)在混交林經(jīng)營(yíng)過程中，要注意調(diào)節(jié)種間關(guān)系。米老排在下坡位等較好的立地條件下，樹冠較大，競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于杉木，在中齡階段，種間競(jìng)爭(zhēng)劇烈，杉木往往出現(xiàn)被壓情況，應(yīng)及時(shí)間伐，以緩解樹種間的競(jìng)爭(zhēng)。