太行山低山丘陵区外来种火炬树群落生物量与碳贮量

高喜荣 ，赵 辉 ，杨海青 ，凌晓明，樊 巍

（1. 河南省林业科学研究院，河南 郑州450008；2. 河南省生态林业工程技术研究中心，河南 郑州450008）

太行山低山丘陵区外来种火炬树群落生物量与碳贮量

高喜荣1，赵 辉1，杨海青2，凌晓明1，樊 巍1

（1. 河南省林业科学研究院，河南 郑州450008；2. 河南省生态林业工程技术研究中心，河南 郑州450008）

为全面了解外来种火炬树的生态服务功能，研究了太行山南端低山丘陵区岩石裸露地和自然荒坡二种生境营造的11年生火炬树人工林的生物量与碳贮量。主要结果为：建立了火炬树各器官生物量和基径、树高的回归方程，回归系数均在0.92以上，都达到极显著水平，可以用于研究地区火炬树生物量的测算；石裸地和荒坡地火炬树群落生物量分别达到13.395 4 t·hm-2和29.106 4 t·hm-2，高于同地区乡土灌丛的生物量；火炬树平均含碳率44.56%，石裸地和荒坡地火炬树群落植物层碳贮量分别达5.915 5 t·hm-2和12.975 1 t·hm-2，荒坡0～20 cm土壤碳密度为2.172 2 kg·m-2，荒坡11年生火炬树群落总碳贮量达34.697 1 t·hm-2。从物质生产和碳存贮能力来看，外来种火炬树优于当地同生境的乡土灌木树种。

火炬树；生物量；碳贮量；太行山低山丘陵区；外来种

外来树种火炬树Rhus typhina作为干旱石质山地植被恢复和水土保持林营造植物材料，已在各地广泛应用。围绕其生物学特性、造林技术、克隆繁殖和扩散能力[1-6]等相继进行了大量的研究，还有一些关于火炬树是入侵种问题的质疑[7]。但对火炬树群落结构和功能，特别是对其群落生物量、碳存贮方向的研究较少。为此，我们在太行山南端低山丘陵区开展了火炬树生物量和碳贮量的研究，以期为科学评价火炬树的作用，筛选太行山南端低山丘陵区水土保持林营造模式提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究是在国家林业局黄河小浪底森林生态系统定位研究站植被恢复试验研究基地进行的。中心位于河南省济源市黄河小浪底库区，地理坐标为：北纬 35°01′，东经 112°28′。地带性植被属暖温带落叶阔叶林，年平均气温14.3 ℃，年平均降雨量641 mm，≥0℃年积温5 282 ℃，≥10℃年积温 4 629 ℃，太阳辐射量 494.1 kJ·m-2a-1。

1.2 试验材料

2009年7月～10月，在广泛踏查的基础上，选择了二种生境11年生火炬树纯林为研究对象。一种是在紫色砂页岩裸露地经爆破整地营造的火炬树林，以下称石裸地，基本上没有表土；另一种为自然荒坡，以下简称荒坡，土壤为紫色砂页岩形成的山地褐土，土层厚度10～30 cm。两生境均为阳坡，坡度相当，初植密度均为1 660株·hm-2，林分基本情况及火炬树测树因子列于表1。

表1 二种生境11年生火炬树群落基本情况Table 1 Information of 11 year Rhus typhina community in different sites

1.3 试验方法

1.3.1 生物量测定

采用标准地分级标准株分层切割法测定生物现存量[8]。分别在二种生境上，选择坡度、坡位基本相同的地点各设置了3块20 m×20 m的标准地，对标准地进行每株检尺，区分基株和分株，测定火炬树地径和树高，确定平均标准株和径阶标准株，将标准株全株挖出，采用分层切割法测定林木生物量的现存量。挖根时尽量做到完全、彻底。若基株和分株相连时，则自中间分开。

1.3.2 凋落物测定和分析样品采集

在标准地内按“品”字形布设了3个1 m×1 m小样方，测定灌、草层生物现存量和火炬树枯落物量。采集火炬树叶、根、干、枝及灌草、枯落物样品，荒坡地采集0～20 cm土壤样品。

1.3.3 试验仪器

意大利产EA3000 CHNS/0元素分析仪测定植物和土壤碳素含量。测定范围100×10-6～100%。

1.3.4 统计分析

采用Excel 2003和SPSS16.0软件进行数据处理分析。

2 结果与分析

2.1 火炬树相对生长方程的建立

根据标准地调查资料，利用通用的生物量模型[8]Lgw=Lga+bLg (D2H)，建立了火炬树各器官与全株生物量与地径（D）、树高（H）的回归方程（表2）。各方程相关系数均在0.926 6以上，都达到极显著水平，说明这些方程可以很好地用于研究地区火炬树生物量的测算。

表2 火炬树生物量相对生长方程Table 2 Exponential equations of biomass of Rhus typhina

2.2 火炬树群落生物量及其分配

2.2.1 火炬树单株生物量分配特征

两种生境11年生火炬树平均标准木单株及各器官生物量列于表3。从表中可以看出，生于石裸地和荒坡地11年生火炬树单株生物量分别为7 331.63 g和13 282.60 g，后者是前者的1.8倍多。两生境火炬树各器官生物量也达到极显著差异。比较两种生境火炬树各器官生物量所占比例的差异可以看出，石裸地根系生物量所占比例高于荒坡，而荒坡地上部所占比例略高于石裸地，但差异不显著。就根系而言，石裸地中根和小细根比例达到49.65%，高于荒坡地，而荒坡地粗根达到54.85%，高于石裸地。这可能是火炬树生长对立地条件的一种反应。

但在两种生境中火炬树分株生物量地上和地下部分的分配比例和基株正好相反，如表4。在石裸地中，火炬树分株地下部分所占比例低于荒坡分株所占比例，而地上部分则高于荒坡火炬树分株地上部分的比例，说明石裸地的火炬树的克隆生长，是依靠尽快扩大地上部的生存战略[9]。

表3 不同生境11年生火炬树基株单株生物量分配特征†Table 3 Biomass distribution of single maim tree of Rhus typhina /g

表4 不同生境火炬树基株、子株地上、地下部分生物量分配比例†Table 4 Above ground and below ground biomass allocation ratio of main tree and sub tree of Rhus typhina in different sites

2.2.2 火炬树群落生物量及其分配

利用表2的生物量回归方程，采用分级标准株法推算了两种生境中11年生火炬树群落生物量（如表5）。石裸地火炬树群落总生物量为13.395 4 t·hm-2，其中火炬树生物量10.432 6 t·hm-2占群落总生物量的77.88%；枯落物量1.388 2 t·hm-2，占群落总生物量的10.36 %；灌草生物量1.574 6 t·hm-2，占总生物量的11.75%。荒坡火炬树群落总生物量达29.106 4 t·hm-2，其中火炬树生物量24.371 7 t·hm-2，占群落总生物量的83.73%，枯落物生物量和灌草生物量分别占总生物量的6.35%和9.92%。

两生境类型火炬树群落生物量相比较，荒坡地火炬树群落总生物量是石裸地生物量的2倍多，

表5 不同生境11年生火炬树群落生物现存量Table 5 Existing biomass of 11 year Rhus typhina community in different sites (t·hm-2)

而且各组分所占比例不同，石裸地群落火炬树生物量占总生物量77.88%，远低于荒坡中的83.33%。而两生境中火炬树基株和分株生物量占火炬树生物量的比例也不尽相同，石裸地分株生物量占群落火炬树生物量的35.52%，基株占64.48%，荒坡中分株占45.12%，基株占54.48%，分株所占比例远高于石裸地，说明荒坡较好的立地条件可以通过产生更多的克隆植株去占有资源。

2.3 火炬树群落的碳贮量

2.3.1 火炬树不同器官含碳量及植物层碳贮量

分析了火炬树不同器官的含碳量（表6），各器官中以树干含碳量最高为46.04%，以根最低为43.51%，依次为干＞枝＞叶＞根，平均为44.56%，数值介于文献10中所列乔木与灌木各器官含碳量的中间，低于豫南地区灌木树种平均含碳量，和甘肃小陇山地区乔灌草含碳量基本相当[12]。

表6 火炬树各器官及群落其它组分含碳量Table 6 Carbon content of Rhus typhina organs and the other components /%

利用火炬树群落生物量测定数据，计算了二种生境11年生火炬树群落植物层碳存贮量（如表7）。从表中可以看出，石裸地11年生火炬树群落植物层碳存贮量5.915 5 t·hm-2，其中火炬树为4.657 0 t·hm-2，占78.73%，灌草植被和枯落物分别占11.33%和9.94%，荒坡地11年生火炬树群落植物层的碳存贮量达12.975 1 t·hm-2，其中火炬树为10.963 2 t·hm-2，占84.49%，灌草植被和枯落物碳贮量分别占9.48%和6.03%。两生境相比较，荒坡火炬树群落碳存贮量是石裸地的2倍多。

表7 11年生火炬树群落植物层碳存贮量Table 7 Carbon storage of plant layer of Rhus typhina community （t·hm-2）

2.3.2 火炬树群落土壤有机碳密度和碳贮量

测定了荒坡11年生火炬树群落土壤有机碳含量、碳密度列于表8，从表中可以看出，11年生火炬树群落0～20 cm土壤有机碳贮量可达21.722 0 t·hm-2。

表8 荒坡11年生火炬树群落土壤碳密度Table 8 Soil carbon density of Rhus typhina community of desolate sloping field

2.3.3 火炬树群落碳贮量

通过以上计算和分析，可以得出太行山南端荒坡地11年生火炬树群落碳贮量可达34.697 1 t·hm-2，其中植物层碳贮量为12.975 1 t·hm-2，占37.40%，0～20 cm土壤有机碳贮量为21.722 0 t·hm-2，占62.60%。

3 结论和讨论

利用相对生长关系建立了火炬树单株及各器官生物量回归模型，相关系数均在0.92以上，具有很好的相关性，可以在实际中应用。

石裸地和荒坡11年生火炬树基株单株生物量分别达到7 331.63 g 和13 282.60 g。两种不同生境火炬树基株、分株单株生物量分配表现出一定的差异。条件恶劣的石裸地中火炬树基株地下根系所占比例高于荒坡地；就根系而言，石裸地中根和细、小根比例高于荒坡地，而荒坡地粗根比例明显高于石裸地。分株地上和地下生物量的分配和基株正好相反，在石裸地中火炬树分株地上部分比例高于荒坡基株地上部分所占比例，充分说明克隆植物火炬树对不同生境的反应。和现有的两篇火炬树生物量的研究文献相比，远高于渭北黄土高原9年生火炬树单株生物量为0.352～2.422 kg[13]的水平。和太行山中段平山县6年生单株4271 g[14]大体相当。

石裸地和荒坡地11年生火炬树群落生物量分别达 13.395 4 t·hm-2和 29.106 4 t·hm-2，其中火炬树生物量分别为 10.432 6 t·hm-2和 24.371 7 t·hm-2。两种生境相比较，荒坡火炬树群落生物量是石裸地火炬树群落的2倍多。群落生物量和生产力是决定生态系统恢复成功与否的重要指标[15]和目前太行山低山丘陵区已有的研究结果比较来看[16]，在荒破地同等立地条件下火炬树群落生物量高于酸枣（23.858 8 t·hm-2）、 荆 条（17.168 5 t·hm-2），胡枝子（11.468 t·hm-2）和杠柳（14.745 6 t·hm-2）等乡土灌丛生物量，若按年生物量增量计算，也高于同立地相近年龄的侧柏、黄连木和栓皮栎等乡土乔木树种生物量，充分说明，从群落生物量这一指标来看，火炬树在这些困难立地可以形成较高的生产能力，是生态恢复的优良植物种。

火炬树平均含碳率为44.56%，以树干最高为46.04%，根最低为43.51%，各器官含碳率差异不大。石裸地11年生火炬树群落植被层碳贮量5.915 5 t·hm-2，其中火炬树为 4.657 0 t·hm-2，占 78.73%；荒坡11年生火炬树群落植物层碳贮量达12.975 1 t·hm-2，其中火炬树为 10.963 2 t·hm-2，占 84.49%。从植被层碳贮量来看，高于同地区同生境酸枣（9.51 t·hm-2）荆条（7.01 t·hm-2）等自然灌丛的碳贮量[13]。

荒坡11年生火炬树群落0～20 cm土壤碳密度为2.1722 kg·m-2，整个火炬树群落碳贮量为34.6971 t·hm-2，其中植物层碳贮量占37.40%，土壤碳贮量占62.60%。

从群落生物量和碳贮量能力来看，火炬树在这些困难立地可以形成较高的生产能力和较高的碳截存能力，是太行山南端低山丘陵区生态恢复和水土保持林建设的优良植物材料。

[1] 马松涛. 中国火炬树研究现状及发展趋势[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2005: 3-20.

[2] 潘志刚，游应天. 中国主要外来树种引种栽培[M]. 北京：科学技术出版社，1994: 525-528.

[3] 张川红，郑勇奇，李继磊，等. 北京地区火炬树的萌蘖繁殖扩散[J]. 生态学报，2005，25(5): 978-985.

[4] 陈佐忠，董保华，杨宗贵. 北京地区火炬树的调查[J]. 林业资源管理, 2006, (1)：54-58.

[5] 段艳芳，樊 巍. 太行山南端外来树种火炬树群落的水保效应[J]. 中国农学通报, 2012, 28(25): 43-46.

[6] 卫正平，刘京建. 黄河沿岸干旱阳坡防护林最佳树种—火炬树[J]. 防护林科技, 2001, (3): 81.

[7] 刘全儒，于 明，周云龙. 北京地区外来入侵植物的初步研究[J]. 北京师范大学学报: 自然科学版，2002,38(3):399-404.

[8] 木村允（姜恕等评）.陆地植物群落生物量的测定法[M]. 北京：科学出版社，1981：59-105.

[9] 董 呜. 资源异质性生境中植物克隆生长、觅食行为[J]. 植物学报，1996，38(10)：823-835.

[10] 郑帷婕，包维楷，辜 彬，等. 陆生高等植物碳含量及其特点[J]. 生态学杂志，2007，26(3)：307-313.

[11] 邓华平，耿 赓，王正起. 豫南35年生马尾松林生态系统碳库特征及其分配[J]. 中南林业科技大学学报,2010,30(6):5-9.

[12] 程党仁，冯 菁，马钦彦. 甘肃小陇山森林植被碳库及其分配特征[J]. 生态学报，2008，28(1)：33-44.

[13] 马松涛，刘广全，李文华，等. 不同立地条件类型火炬树人工林生物量初步研究[J].西北农林科技大学学报,2003, 31(6):36-38.

[14] 张明如，翟明普，贾黎明，等. 火炬克隆植株生长和生物量特征的研究[J]. 林业科学, 2004, 40(3):39-45.

[15] 尹刚强，田大仑，方 晰. 湖南会同4种退耕还林模式幼林生物量的研究[J]. 中南林业科技大学学报，2010,30(7):9-14.

[16] 赵 勇. 太行山低山丘陵区退化生态系统植被恢复过程生态特征分析与评价[D]. 郑州：河南农业大学，2008.

Biomass and carbon storage of Rhus typhina in hilly area of Taihang Mountain

GAO Xi-rong1, ZHAO Hui1, YANG Hai-qing2, LING Xiao-ming1, FAN Wei1
(1. Henan Academy of Forestry, Zhengzhou 450008, Henan, China; 2. Ecological Forestry Engineering Research Center of Henan Province, Zhengzhou 450008, Henan, China)

In order to comprehensively understand the service function ofRhus typhina(an exotic species), the biomass and carbon storage of eleven-year-oldR. typhinacommunity in bare land and desolate sloping field in the hilly area of Taihang Mountain were investigated.The results were as follows: The exponential equations of biomass of different components about the basal diameter and tree height were established, and the regression coefficient reached more than 0.92, which achieved significantly positive levels. It was calculated that the biomass ofR. typhinacommunity in bare land and desolate sloping fi eld were 13.395 4 t·hm-2and 29.106 4 t·hm-2respectively, and higher than that of native shrub in this area. The average carbon content ofR. typhinawas 44.56% and the vegetation carbon stock in these two kinds ofR.typhinacommunity were 5.915 5 t·hm-2and 12.975 1 t·hm-2respectively. In addition, the top soil (0 ～ 20 cm) carbon stock in barren sloping fi eld was 2.172 2 kg·m-2and the total carbon stock of eleven-year-oldR. typhinacommunity achieved at 34.697 1 t·hm-2, so it was obvious thatR.typhinawas superior to native shrub in the aspects of material production and carbon sequestration ability.

Rhus typhina; biomass; carbon storage; hilly area in Taihang Mountain; exotic species

S718.54

A

1673-923X(2012)12-0172-04

2012-06-13

国家“十二五”科技支撑项目（2011BAD3813B0604）“华北低山丘陵区低效保持林改造与调控技术研究与示范”

高喜荣（1961-），女，河北石家庄人，教授级高工，本科，主要从事林业工程与生态工程研究

樊 巍（1964-），男，河南商丘人，研究员，硕士生导师，博士，主要从事林业生态工程研究；E-mail:fanw2004@163.com

[本文编校：吴 彬]