重庆武陵山区柏木幼、中龄林的碳、氮、磷、钾储量及其分配特征

王轶浩，崔云风，薛兰兰

(1．重庆市林业科学研究院 重庆三峡湿地生态系统国家定位观测研究站，重庆 400036；2.重庆市忠县石宝镇农业服务中心，重庆 404332)

联合国千年生态系统评估报告把生态系统服务功能划分为供给、调节、文化和支持四大类，其中，支持服务功能包括光合作用、养分循环、土壤形成等指标[1]。森林生态系统作为陆地生态系统主体，对维护生态平衡发挥着举足轻重和不可缺少的作用[2]，其通过光合作用、蒸腾作用等各种生理活动促进自身结构不断演变和完善，从而实现其固碳、积累氮磷钾营养物质等支持服务功能发挥。同时，碳氮磷钾作为森林生态系统重要组成元素，对维持养分循环、影响林木生长和发挥生态功能都具有重要作用[3]，其含量和储量存在很大的时空差异性[4]，尤其对于不同森林类型、林分结构、林龄组的生态系统，这大大限制了人们对森林生态功能认识和对区域及全球森林生态系统碳氮磷钾储量的准确评价。目前，开展森林生态系统物质储量功能研究较多[4-6]，但主要集中在不同森林植被类型的碳氮储量研究[7～9]，而对于森林生态系统磷钾储量以及不同林龄组森林碳氮磷钾储量研究甚少[10～11]，尤其是对于不同林龄组柏木林碳氮磷钾储量研究还未见报道。

柏木(Cupressusfunebris)作为重庆地区主要造林树种之一，广泛分布于渝东北三峡库区和渝东南武陵山区的低山丘陵区，尤其是随着退耕还林等林业重点生态修复工程实施，其在重庆地区森林资源组成中占据着重要地位(约占该区森林面积10%左右)。因此，了解林龄组对柏木林碳氮磷钾储量影响和掌握不同林龄组柏木林碳氮磷钾储量及其分配特征对准确评估该区域森林生态系统固持物质功能尤为重要。

武陵山区是我国重要的生物多样性与水土保持生态功能区，生态区位十分特殊，而黔江区位于武陵山区腹地。本文在重庆市黔江区国有林场，对柏木幼、中龄林乔木层、枯落物层、土壤层等功能层的碳氮磷钾含量及其储量进行研究，旨在掌握柏木幼、中龄林的碳氮磷钾储量及其分配特征，为准确评价武陵山重点生态功能区森林生态系统服务功能提供科学基础数据以及为森林生态系统经营与管理提供决策参考依据。

1 研究区概况

研究区位于重庆市黔江区国有林场，森林面积达32.45 km2。气候为亚热带湿润性季风气候，并具有典型的山地气候特征，年均气温15.4℃，年均降雨量为 1 300 mm。属四川盆周山地区，以低中山为主，平均海拔变化在500 m～1 000 m。土壤以砂岩、页岩上发育的黄壤、黄棕壤为主，厚度50 cm～80 cm。地带性森林植被属亚热带常绿阔叶林，但现有森林植被以马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柏木(Cupressusfunebris)、杨树(Pterocaryastenoptera)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、华山松(Pinusarmandii)等为主，森林覆盖率达92.4%，

2 研究方法

2.1 样地布设

在研究区选择具有代表性的柏木幼龄林、中龄林布设样地，每个林龄组设置3个重复，样地规格为20 m×20 m。然后对样地内胸径≥5 cm或树高≥3 m的乔木进行每木检尺，并进行其他植被特征和地形、土壤特征调查(表1)。

2.2 样品采集及测定

2.2.1 植物样品采集及测定

在各样地内，根据样地调查结果选择1株标准木，然后分叶、枝、皮、干和根等器官采集样品，同时，在各样地内设置3个1 m×1 m小样方，用于采集枯落物样品，将各样品置于密封袋之后带回实验室。首先在105 ℃烘箱中杀青30 min，然后在80 ℃烘箱中烘干至恒重，用于测定其有机碳、氮、磷、钾含量，其中，有机碳测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；全氮采用硫酸-双氧水消煮-凯氏蒸馏法测定；全磷采用硫酸-双氧水消煮-钒钼黄比色法测定；全钾采用硫酸-双氧水消煮-火焰光度法测定。

表1柏木林样地基本情况

Tab.1 Characteristics of sample plots for Cupressus funebris forests

2.2.2 土壤样品采集及测定

在各样地内，开挖60cm深的土壤剖面，按土壤形成层分层(OA层、AB层和B层)，测量各土层厚度，然后用容积为200 cm3的环刀取样，每层3个重复，用于测定土壤容重。同时，分层采集100 g左右土壤，带回实验室自然分干，用于测定其土壤有机碳、氮、磷、钾含量，其中，有机碳测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；全氮采用硫酸-双氧水消煮-凯氏蒸馏法测定；全磷采用硫酸-双氧水消煮-钒钼黄比色法测定；全钾采用硫酸-双氧水消煮-火焰光度法测定。

2.3 森林积累有机碳、氮、磷、钾量计算

2.3.1 树木积累有机碳、氮、磷、钾量计算

首先依据样地调查基本资料，利用曾立雄等[12]生物量模型计算样地柏木单株的枝、干、根、皮、叶生物量，将同一样地所有柏木单株的枝、干、根、皮、叶生物量对应累加，得到样地乔木层的枝、干、根、皮、叶生物量，然后乘以标准木对应器官的碳、氮、磷、钾含量，即样地乔木层各器官的碳、氮、磷、钾储量。乔木层不同器官的碳、氮、磷、钾储量加和，即样地乔木层碳、氮、磷、钾储量。

枯落物生物量采用样方收获法测定，其生物量与其碳、氮、磷、钾含量的乘积，即枯落物层的碳、氮、磷、钾储量。

2.3.2 土壤积累有机碳、氮、磷、钾量计算

一定土层厚度的土壤有机碳、氮、磷、钾储量用以下公式计算：

式中：S表示一定土层的土壤有机碳、氮、磷、钾储量；i表示第i土壤层次；Ci表示第i层土壤有机碳、氮、磷、钾含量；Di表示第i层土壤容重；Hi表示第i层土层厚度。

2.4 数据处理

采用统计分析软件SPSS13.0进行数据处理，用单因素方差分析(One-way ANOVA)中LSD多重比较进行不同器官、不同土层的碳、氮、磷、钾含量及其储量的差异检验，用独立t检验进行柏木幼、中龄林枯落物碳、氮、磷、钾含量及其储量的差异检验。采用Excel2010软件进行图和表的制作。

3 结果与分析

3.1 柏木各器官碳、氮、磷、钾含量及其储量

由图1可知，除树干以外，柏木幼、中龄林间各器官碳含量差异均不显著，它们各器官碳含量均以叶最大，分别达到467.56 g·kg-1、450.26 g·kg-1，且与其他器官碳含量差异显著，而以树干的碳含量最小。同样地，柏木幼、中龄林间各器官氮、磷含量差异均不显著，但均以叶的氮、磷含量最大，且叶的氮含量与其他器官均差异显著，而以树干的氮含量最小；幼龄林叶的磷含量与其他器官差异显著，而中龄林叶的磷含量仅与根差异显著，与其他器官的磷含量无显著差异。柏木幼、中龄林间各器官钾含量与碳含量类似，除树干以外，其他器官差异不显著。幼龄林枝、干的钾含量显著低于其他器官，而中龄林仅枝的钾含量显著低于其他器官，并且其他器官间的钾含量差异不显著。

柏木幼、中龄林间各器官的碳、氮、磷、钾储量中，除中龄林树干的磷、钾储量显著高于幼龄林外，其余器官的物质储量差异并不显著(图2)。不管是柏木幼龄林还是中龄林，其树干的碳、磷和钾储量均显著高于其他器官，根、皮、叶、枝之间的碳、磷和钾储量均不显著，说明以树干的积累碳、磷和钾功能最强。由图2也可知，幼龄林干、叶的氮储量显著高于其他器官，且干、叶之间氮储量差异不显著，说明幼龄林氮主要积累在干、叶器官，而中龄林干的氮储量显著高于根、皮和枝，叶与根、皮、枝之间的氮储量差异均不显著。

图1 柏木幼、中龄林各器官的C、N、P、K含量(不同字母表示差异显著(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

图2 柏木幼、中龄林各器官的C、N、P、K储量Fig.2 The reserve of C,N,P and K in organs of young and middle-aged Cupressus funebris forests

3.2 柏木林枯落物层碳、氮、磷、钾含量及其储量

由表2可知，柏木幼龄林枯落物的碳、氮、磷和钾含量分别为455.08 g·kg-1、10.56 g·kg-1、0.15 g·kg-1和0.95 g·kg-1，中龄林枯落物的碳、氮、磷和钾含量则分别为403.29 g·kg-1、9.88 g·kg-1、0.14 g·kg-1和1.06 g·kg-1，但t检验表明，柏木幼、中龄林之间的碳、氮、磷和钾含量差异均不显著。同样地，柏木幼、中龄林之间的枯落物碳、氮、磷和钾储量以及它们的总储量差异也均不显著(表2)，说明柏木幼、中龄林枯落物层的物质储量功能差异并不明显。

表2柏木幼、中龄林枯落物层的C、N、P、K含量及储量

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

3.3 柏木林土壤层碳、氮、磷、钾含量及其储量

由图3可知，柏木幼、中龄林之间各土层的有机碳、全氮和全钾含量差异均不显著，但在各土层，中龄林的有机碳、全氮和全钾含量均高于幼龄林，并且中龄林各土层的全磷含量均显著高于幼龄林，说明相比幼龄林，柏木中龄林能明显改善土壤营养状况。柏木幼、中龄林土壤OA层的有机碳、全氮含量均显著高于AB层和B层，且AB层和B层差异不显著，说明柏木林土壤有机碳和全氮依土层分异较为明显，土壤OA层有机碳和全氮养分好于其它土层。柏木幼、中龄林各土层间的全磷和全钾含量差异均不明显(图3)，说明柏木林土壤全磷和全钾依土层深度的垂直变化不明显。

由图4可知，柏木幼、中龄林之间各土层的物质储量，除土壤B层氮储量和AB层磷储量差异显著外，其余各层土壤的物质储量差异均不显著，但总体看，中龄林各土层的物质储量均高于幼龄林，说明中龄林土壤物质储量功能强于幼龄林。从各土层来看，柏木幼、中龄林土壤B层的物质储量均显著高于AB层和OA层，土壤OA层和AB层之间除钾储量差异显著外，即AB层土壤钾储量显著高于OA层，它们之间的其余物质储量差异并不明显(图4)，但AB层总体上物质储量仍高于OA层。可见，在柏木幼、中龄林一定土层内，各土层物质储量功能大小排序为B层>AB层>OA层，这主要是与自然形成的各土层厚度有关，在柏木幼、中龄林中土壤剖面主要由B土层构成，其厚度往往明显大于AB层和OA层。

图4 柏木幼、中龄林土壤层(0～60cm)C、N、P、K储量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、钾储量分配特征

由表3 可知，柏木幼龄林碳、氮、磷和钾储量分别为144.5997 t·hm-2、7.0839 t·hm-2、1.2261 t·hm-2和46.5130 t·hm-2，对应的柏木中龄林分别为160.5415 t·hm-2、10.0162 t·hm-2、3.0957 t·hm-2和49.0526 t·hm-2，可见，柏木中龄林碳、氮、磷和钾储量均高于幼龄林，说明柏木中龄林物质储量功能强于幼龄林，或者说当柏木幼龄林演变为中龄林时，其物质储量能进一步增强。从各物质储量来看，柏木幼、中龄林均表现为碳储量>钾储量>氮储量>磷储量，可见，柏木林积累物质功能主要体现在碳积累，其次是钾积累和氮积累，以磷积累功能最弱。

从其分配比例来看，柏木幼龄林乔木层物质储量比例变化在0.73%～24.98%之间，枯落物层变化0.02%～2.31%之间，土壤层变化在72.71%～99.25%之间。柏木中龄林乔木层物质储量比例变化在1.25%～17.72%之间，枯落物层变化0.01%～0.91%之间，土壤层变化在81.37%～98.74%之间(表3)。可见，柏木幼、中龄林的碳、氮、磷、钾等物质主要储存在土壤层，其次是乔木层，以枯落物层最小，说明土壤层是柏木林主要的物质储存库。从表3也可知，柏木幼龄林演变为中龄林时，除乔木层的磷、钾储量外，乔木层和枯落物层的其余物质储量总体上都减少，而土壤层的物质储量都呈增加，说明随着柏木林自然演替，其物质储量有更多向土壤层聚集的趋势。

表3柏木幼、中龄林C、N、P、K储量分配

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

项目功能层幼林龄中龄林储量(t·hm-2)比例(%)储量(t·hm-2)比例(%)碳乔木层36.127224.9828.453317.72枯落物层3.33392.311.46110.91土壤层 105.138672.71130.627181.37合计144.5997100.00160.5415100.00氮乔木层0.50837.170.45014.49枯落物层0.07861.110.03590.36土壤层 6.497091.729.530295.15合计7.0839100.0010.0162100.00磷乔木层0.180014.680.23437.57枯落物层0.00110.090.00050.02土壤层 1.045085.232.860992.41合计1.2261100.003.0957100.00钾乔木层0.33970.730.61401.25枯落物层0.00730.020.00360.01土壤层 46.166099.2548.435098.74合计46.5130100.0049.0526100.00

4 结论与讨论

总体上，本研究中柏木幼、中龄林之间各器官的碳、氮、磷、钾含量差异不显著，这表明作为植物器官的必要组成元素具有相对稳定性[11]。在同一龄组中，柏木各器官间的碳含量变化不同于六盘山森林[4]，但其氮含量变化与六盘山森林[4]、岷江柏[11]的研究结果一致，其表现为叶的碳、氮含量显著高于其他器官，并以树干的碳、氮含量最小，同样地，各器官的磷含量仍以叶最高，这与施家月等[13]的研究结果一致，这可能与各器官在生长发育过程中对营养物质的需求和利用存在差异性[13]有关，说明分营养器官对柏木林乔木层积累物质功能进行评估是非常必要的。本研究表明，树干仍是乔木层积累碳、氮、磷、钾营养物质的主体，这与多数研究结果一致[10,14]，这说明柏木林以树干的积累物质功能最强；除氮储量外，其他器官之间的物质储量差异并不显著。

森林乔木层物质储量与气候及地理区域[6,9]、森林类型及树种[8～9]、林分特征(林龄、密度)[5,10]都密切相关。本研究柏木幼龄林乔木层碳、氮、磷、钾储量分别为36.1272 t·hm-2、0.5083 t·hm-2、0.1800 t·hm-2和0.3397 t·hm-2。与其相比，虽然柏木中龄林乔木层碳、氮储量有所下降，分别为28.4533 t·hm-2、0.4501 t·hm-2，艾泽民等[10]在研究不同林龄刺槐人工林的碳、氮储量也表明：17 a生刺槐人工林碳、氮储量相比9 a生刺槐林都有所下降，但柏木中龄林乔木层磷、钾储量相比幼龄林却都明显增加，这一方面可能因为随着林龄增大，其林分结构发生变化，尤其是在生产实践中为使得新造林能尽快郁闭成林，一般初始造林密度都比较大，随着林木生长而增大了个体间竞争，出现了自然稀疏现象，从而使其乔木层生物量受到影响；另一方面是因为柏木幼、中龄林各器官的物质含量存在一定差异，由图1可知，幼龄柏木各器官碳、氮含量均高于中龄柏木，而磷、钾含量则普遍低于中龄柏木。但普遍认为，森林乔木层碳、氮储量随着林龄增大而增加[6,11]。

与幼龄林相比，柏木中龄林土壤层(0～60 cm)碳、氮、磷、钾储量都有所增加，这与罗达等[11]、艾泽民等[10]的研究结果一致，但本研究中柏木幼、中龄林土壤层的碳、氮储量均低于11 a生和13 a生岷江柏[11]同土层厚度的碳、氮储量，它们分别为149.37 t·hm-2、169.24 t·hm-2和17.73 t·hm-2、18.76 t·hm-2，也低于我国森林土壤平均碳[15]、氮[16]储量(分别为193.55 t·hm-2、34.64 t·hm-2)和世界森林土壤平均碳储量(189.00 t·hm-2)[17]。这一方面说明柏木林土壤层物质储量功能随林龄增大而增强，另一方面也说明武陵山区柏木林土壤层物质储量功能还较低。同样地，柏木中龄林的碳、氮、磷、钾储量均高于柏木幼龄林，但它们碳、氮储量仍然低于11 a生和13 a生岷江柏[11]，这主要与本研究未考虑林下植被层(灌木层和草本层)的碳、氮储量有关，当然，森林生态系统的物质储量差异还受到区域环境条件、自然干扰等因素影响[18]。本研究中柏木幼、中龄林的碳、氮、磷、钾储量分配格局均为土壤层>乔木层>枯落物层，这与黄宇等[14]、Finér等[19]的研究结果一致，且柏木幼、中龄林土壤层的碳、氮、磷、钾储量平均分配比例达到87.23%和91.92%，可见，土壤层是柏木林积累营养物质的主要储存库。因此，今后若进一步提高柏木林的碳氮磷钾物质储量功能时，应注重培育中龄林甚至更高林龄组的林分，尤其应注重土壤层物质储量功能的经营和维护。