黄土丘陵区刺槐、辽东栎林碳氮密度及其分配特征

宋变兰, 关晋宏, 杜 盛

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌712100;2.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌712100; 3.中国科学院大学, 北京 100049)



黄土丘陵区刺槐、辽东栎林碳氮密度及其分配特征

宋变兰1,3, 关晋宏1,3, 杜 盛1,2

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌712100;2.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌712100; 3.中国科学院大学, 北京 100049)

选取黄土丘陵区刺槐人工林和辽东栎天然次生林2个典型森林群落为研究对象，比较分析了各组分的有机碳和全氮含量与储量及分配特征。结果表明：刺槐和辽东栎林植被层的碳含量总体上呈现沿垂直方向的递减趋势，即乔木层>灌木层>草本层>凋落物层；不同器官部位的碳含量呈现为：叶、干>枝>根，草本层地上部碳含量高于地下部。氮含量变化趋势不显著。辽东栎林生态系统碳密度为165.86 t/hm2，高于刺槐林生态系统(138.93 t/hm2)，而两者的氮密度差异不大。两生态系统碳氮密度的各部分排序为土壤>乔木层>凋落物层>林下植被层，土壤层(0—100 cm)的碳密度占生态系统碳库总量的51.1%～53.6%，而氮密度占71.4%～84.4%，表明控制水土流失对维持研究区的生态环境及土壤固碳潜力至关重要。

碳氮含量; 碳氮密度; 刺槐; 辽东栎; 生态系统; 黄土丘陵区

黄土丘陵区是我国典型生态脆弱区，其生态环境的变化一直以来都倍受关注。近年来，随着退耕还林还草工程的持续开展，黄土高原丘陵区生态环境得到较大程度改善，但是水土流失、土地退化和沙化问题依然严重[1]。

森林是陆地生态系统的主体，不仅在涵养水源、保持水土、净化空气、保护生物多样性等维持森林生态系统生态服务功能方面发挥着重要的作用，而且在生长过程中从大气吸收并贮存大量的CO2，在全球碳循环中起着举足轻重的作用，是陆地生态系统中最大的碳库[2-4]。我国森林生态系统的总碳库约为28.12 Gt C，其中，植被碳库和凋落物层分别占22.2%和3.2%，土壤碳库占74.6%，平均碳密度为258.83 Mg C/hm2[5]。在陆地生态系统中，碳和氮的耦合协同决定着生态系统的结构和功能[6]，二者相互作用对森林生态系统的生产力、固碳潜力及稳定性都有关键影响[7-8]。因此，准确掌握森林生态系统植被碳氮库动态，对于陆地增汇及缓解温室效应具有重要意义。森林生态系统的人工重建(人工造林)和天然修复(天然次生)是黄土丘陵区生态恢复的重要途径，人工林和天然次生林不仅会改善生态环境，同时也能有效发挥其增汇功能，进而影响全球碳氮循环。在全球变化背景下，研究黄土高原半干旱区森林生态系统的生物量、碳氮素及其密度的分配特征，对于黄土区植被恢复与生态环境保护政策制定，以及我国乃至全球碳平衡和人类活动对全球气候变化的影响研究均具积极的辅助支持作用。

人工刺槐林和天然辽东栎次生林是黄土高原半干旱区的典型森林生态系统[9-10]，对该地区生态环境的恢复至关重要。本文选择黄土高原半干旱区的刺槐林和辽东栎林为研究对象，对比分析两森林生态系统碳氮含量、密度及其分配特征，旨在为定量评价当地及类似地区乃至全国的森林固碳和养分循环研究提供基础数据，对该区植被恢复具有一定的现实指导意义。

1　试验材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于陕西省延安市南郊公路山林区，中心地理坐标为109°31.53′E，36°25.40′N，海拔约1 245～1 395 m。该区地貌属于黄土高原丘陵沟壑区，地形复杂，沟壑纵横；气候属温带半干旱气候区，冬春寒冷干旱，夏秋温暖多雨。该地区年平均降水量为515.8 mm，其中6—9月份降水量约占全年降水量的71.8%，年平均气温为10.3℃(1981—2010)。土壤类型以黄绵土为主，长期水土流失作用下地带性土壤黑垆土仅零散分布，土壤保水保肥能力较差，缺乏有机质和矿物养分。该区属温带落叶阔叶林区向温带草原区的过渡地带。植物区域组成有典型的北温带性质，并呈现华北特征。

森林类型以栎类为主，其次为松、柏、杨以及桦林。目前区内天然植被破坏较为严重，现存天然植被中辽东栎(Quercusliaotungensis Koidz.)次生林分布最为广泛，为该区顶级森林群落。人工林则多数营造于20世纪七、八十年代，主要造林树种有刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、小叶杨、油松等，刺槐林种植面积最大。林下灌木包括小叶锦鸡儿(CaraganamicrophyllaLam.)、水栒子(CotoneastermultiflorusBunge.)、紫丁香(SyringaoblataLindl.)、黄蔷薇(RosahugonisHemsl.)等。草本植物主要有白羊草(Bothriochloaischcemum(L.)Keng)、铁杆蒿(ArtemisiasacrorumLedeb.)等。

1.2样地设置与调查

选择研究区典型森林生态系统刺槐林和辽东栎林为研究对象，按立地条件一致的原则，于2013年8月在研究地内设置6个面积为20 m×40 m 的样地，刺槐和辽东栎各3个。样地间距至少在0.5～1.0 km 以上，样地基本概况详见表1。每个样地内沿对角线设置3个2 m×2 m的灌木样方、3个1 m×1 m的草本和凋落物样方。调查内容包括海拔、经纬度、地形、土壤类型以及乔木层、灌木层、草本层和凋落物的生物量。同时在每个样地内各选一个坡面稳定并能代表样地内最大面积坡面特征的样点挖0—100 cm土壤剖面。

表1　研究区样地特征

注:表中胸径和树高数值表示为：平均值±标准差；密度和树干基面积按投影面积计算。

1.3样品采集与处理

1.3.1样品采集对乔木样方内所有胸径(DBH)≥5 cm立木进行每木检尺，记录树高和DBH，按大、中、小径级选择3～5株样木，分叶、枝、干、根4个器官取样，同器官混合成一个样品，各器官分别取样(约300 g)。灌木样方内所有灌木(DBH <5 cm，高度>50 cm植被)全部收获后分叶、枝、根称鲜重并记录，将3个样方内枝、叶、根分别混合均匀后取样(约300 g)称鲜重记录。草本样方内所有草本全部收获后，分地上部分和地下部分称重并记录，并分别均匀取样(约300 g)称鲜重记录。样方内的所有凋落物收集并称重记录。

土壤调查采用剖面法和土钻法。在调查样地内选择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分层进行环刀取样以测容重；在样地内，使用内径6cm的土钻，在每个草本样方附近按0—10，10—20，20—30，30—50，50—70，70—100 cm随机钻取6钻土，将同一层土样按质量比例混合后带回实验室经处理后以测土壤有机碳和全氮含量，取样时尽量保持每个小土体的完整性。

1.3.2样品处理对采集的植物样品及凋落物，105°C杀青后置于80°C的恒温箱中烘至恒重，采用3次粉碎法并过0.25 mm筛，测定其碳氮含量。土壤样品自然风干后剔除杂物，采用四分法，研磨并过0.25 mm筛，装袋用于测定土壤有机碳和全氮含量。

所有植物及土壤样品有机碳于2013年10月采用重铬酸钾—硫酸氧化法(GB7857—87)测定，全氮采用凯氏法(GB7173—87)应用FOSS 8400全自动定氮仪测定。

1.4数据处理与分析

1.4.1生物量计算刺槐和辽东栎林乔木生物量估算分别采用这一地区已建立的生物量回归方程(表2)[11-12]。所选方程符合研究区刺槐和辽东栎的生长特点，可较准确的估算其乔木生物量。单株乔木生物量为基于胸径和树高求得的单株乔木各组分(干、枝、叶和根)生物量之和，样地乔木生物量则由样地内所有乔木生物量求和所得。

林下植被层和凋落物生物量计算过程为：先由所取样品干重计算出灌木和草本不同组分及凋落物层的含水率，再由含水量乘以相应的鲜重得出灌木层、草本层和凋落物单位面积的生物量。

生态系统的生物量为乔木层、灌木层、草本层和凋落物层4部分生物量之和。

1.4.2碳氮密度计算植被层及凋落物层碳氮库密度为各组分生物量和相应碳氮含量的乘积。乔木层的碳氮密度按叶、枝、干、根4个组分的碳氮密度累加，灌木层的碳氮密度按叶、枝及根的累加，草本层的按地上部分和地下部分累加而成，凋落物层的按样方凋落物生物总量与及其碳氮含量的乘积估算。土壤层碳氮密度按每层土壤碳氮含量的累加，单层土壤碳氮密度为容重、对应剖面深度及其有机碳/氮含量的三者乘积。乔木层、灌木层、草本层、现有凋落物以及土壤碳氮密度的总和为生态系统的碳氮密度。生态系统碳氮密度计算公式如下：

CT=Ct+Cb+Ch+Cl+Cs

式中:CT为生态系统碳氮密度(t/hm2)；Ct为乔木碳氮密度(t/hm2)；Cb为灌木碳氮密度(t/hm2)；Ch为草本碳氮密度(t/hm2)；Cl为现有凋落物碳氮密度(t/hm2)；Cs为土壤碳氮密度(t/hm2)。

表2　主要优势树种生物量回归方程[11-12]

注:W为生物量(g)；D为胸径(cm)；H为树高(cm)。

1.4.3数据处理分析所有测算数据采用SPSS 16.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD)比较(p<0.05)。

2　结果与分析

2.1刺槐林和辽东栎林碳氮含量分配

刺槐林和辽东栎林生态系统各植被层的平均碳分配具有相似特征，即总体上碳含量的大小顺序是乔木层>灌木层>草本层>凋落物层(表3)。与碳含量分配不同，刺槐林生态系统中各乔木层、灌木层、草本层及凋落物层的平均氮含量比较接近，变化范围是1.39%～1.81%；而辽东栎林生态系统中平均氮含量的大小顺序为乔木层>林下植被层(草本层、灌木层)>凋落物层，变化范围是0.81%～1.33%。

在同一植被层下各器官的碳含量总体上具体沿垂直方向呈减少的趋势。例如，刺槐林和辽东栎林乔木层、灌木层的碳含量都呈现叶>干>枝>根，而两生态系统草本层地上部的碳氮含量显著高于地下部。就氮含量而言，在同一植被层下也呈现叶明显高于其他器官的现象。这与植物生理生长的特性吻合，即就对碳和氮素的同化能力而言，植物的地上器官相对强于地下器官。

研究区植被层不同组分碳含量的均值总体上呈现沿垂直方向的递减趋势，即乔木层>灌木层>草本层>凋落物层。氮含量这一趋势不明显。灌木层各组成碳氮含量明显低于乔木相对应的各组分含量，这可能是植被层碳氮含量除了与林下植被种类有关外，还与林下环境条件密切相关。乔木层叶片处于林冠上部，有较长的日照时间和充足的光能，从而可以截获较多太阳能，有利于植物的光合作用，合成、积累较多的有机质，因而碳氮含量较高；而灌木层叶片处于荫蔽生境，光照不仅在强度上减弱，而且在光质成分上也与林冠层不同，最重要的区别是林下光照中生理辐射光显著减少，因此，光合强度低弱，有机物合成、积累少，碳含量低[13-14]。

表3　两典型林分乔木层各组分碳含量

注:不同层间各组分碳氮含量表示为：平均值±标准差；各层间平均值为按各部分生物量权重的加权平均。

2.2刺槐林和辽东栎林不同器官碳氮密度差异

图1-3显示了研究区刺槐林和辽东栎林不同器官部位的碳氮密度特征。图1表明刺槐林和辽东栎林的乔木层以树干的碳氮密度最大，乔木枝和根的居中，乔木叶片的最小。因树种差异，同一器官部位的碳氮密度有差异。辽东栎树干的碳密度均显著高于刺槐树干的，但两种乔木枝、叶及根的碳密度差异不大。辽东栎树干、枝干及根的氮密度皆显著小于刺槐的，但两种乔木叶片的氮密度差异不大。

灌木层同一器官(枝、根和叶)的碳氮密度在刺槐和辽东栎林间无显著差异，但其大小顺序相同，均为：枝>根>叶(图2)。

刺槐林和辽东栎林草本层地下部的碳氮密度皆显著高于地上部的。另外，辽东栎林草本层地上部的碳氮密度以及地下部的碳密度皆大于刺槐林的，但其草本层地下部的氮密度小于刺槐林的(图3)。

2.3刺槐林和辽东栎林生态系统碳氮密度比对

研究区域辽东栎林和刺槐林生态系统碳氮密度具有一定差异(表4)。辽东栎林生态系统碳密度为165.86 t/hm2，高于刺槐林生态系统的(138.93 t/hm2)，但两者的氮密度差异不大。两生态系统中碳氮密度在各分层的大小排序为：土壤>乔木层>凋落物层>林下植被层(灌草层)。其中，辽东栎林土壤层的碳、氮密度占碳氮库总量的53.6%，84.4%，而刺槐林土壤层的碳、氮密度占碳氮库总量的51.1%，71.4%。土壤层的碳密度占生态系统碳库总量的51.1%～53.6%。土壤层碳密度高于其他层次，主要由于上层生物归还量大，有机物多积累在土层。以前研究也显示，生态系统中土壤碳库是植被碳密度的2.52倍，我国森林土壤平均碳密度为193.55 t/hm2，约是植被碳密度的3.4倍[15-17],说明林地土壤是碳的一个极重要的贮存库。

注:不同小写字母表示同一林型不同组分间差异显著，同一组分不同林型间差异显著(p<0.05)，下同。

图1乔木层各组分碳氮密度

图2　灌木层各组分碳氮密度

图3　草本层各组分碳氮密度

表4　两种典型生态系统碳氮密度

3　结 论

研究区植被层不同组分碳氮含量总体上呈现沿垂直方向的递减趋势，即碳氮含量依次为乔木层>林下植被层>凋落物层；不同器官部位的碳氮含量也呈现：叶、干>枝>根，草本层碳氮含量也呈现地上部分高于地下部分现象，林下植被各组成碳氮含量明显低于乔木相对应的各组分含量，灌木层碳氮含量大于草本层。

刺槐林和辽东栎林乔木层不同器官碳含量因树种不同而异。刺槐不同器官中碳含量按大小排列顺序为：叶>干>枝>根，辽东栎则为：干>叶>枝>根。从两个树种各器官平均碳素含量来看，辽东栎要高于刺槐。

辽东栎林生态系统碳密度为165.86 t/hm2，高于刺槐林生态系统(138.93 t/hm2)，但两者的氮密度差异不大。两生态系统碳密度的各部分排序为土壤>乔木层>凋落物层>灌木层、草本层。土壤层的碳密度占生态系统碳库总量的51.1%～53.6%。土壤碳库是森林生态系统中极为重要碳库。研究区土壤碳密度低于全国平均水平，这主要是由于黄土高原半干旱区水土流失较严重，水土流失造成表层土壤有机碳流失而造成的，可见防止地表的水土流失，可有效保持土壤对固碳潜力。

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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

中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050202);国家自然科学基金(41171419,41411140035)

宋变兰(1978—),女,山西省静乐县人,在读博士生,主要研究方向为森林生态、流域生态与管理。E-mail:sxbgld666@163.com

杜盛(1965—),男,内蒙古鄂尔多斯人,博士,研究员,主要研究方向为森林生态、流域生态与管理。E-mail:shengdu@ms.iswc.ac.cn

S718.5

A

1005-3409(2016)04-0055-05