陕西油松人工林下枯落物层生物量及其碳储量

李庆华，曹 扬，陈云明，张硕新

（1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌712100；2.西北农林科技大学 水土保持研究所黄土高原干旱重点实验室，陕西 杨凌712100；3.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100）

森林枯落物是森林生态系统的重要组成部分，在维持土壤肥力，促进物质循环和平衡养分方面起着重要作用，同时对水土保持，水源涵养和固碳也发挥着重要的生态功能［1－2］。在陆地生态系统中，90%以上的森林地上部分净生产量通过枯落物的方式返回地表［3－4］。森林地上枯落物现存量的消长情况影响森林生态系统的碳循环和养分循环［5－6］，并表征森林生态系统间的差别和动态特征［1，3，7－8］，是评价生态系统功能和科学经营森林的基础。

国内外学者对不同区域的多种森林类型下的枯落物特性等方面做了较多的研究，这些研究主要集中在枯落物的持水特性、储量、拦截地表径流、季节变化，分解速度等方面。如何斌［9］，郭瑞红［10］等对不同生长发育阶段人工林的枯落物储量变化特征进行了分析，认为林分枯落物现存量随林龄的增大而增加；叶海英［11］、徐学华［12］、张大鹏［13］等对枯落物储量进行了研究，认为枯落物量与林分类型、经营模式、林分密度、林分起源等都有重要关系；而 Debusk［14］、Villar［15］、Xie［16］、侯翠翠［17］、史绮［18］、张林海［19］、武海涛等［20］主要研究了枯落物的分解及其影响因子，认为枯落物分解受枯落物自身质量、温度、水分、周围环境营养状况等的共同影响，但受自身质量影响更大。

此外，郑路［21］进一步归纳总结了我国森林地表枯落物的变化规律，认为从热带到亚热带和温带，随着纬度的增高，枯落物现存量增加；海拔、林型、林龄、群落演替及采伐强度等均影响凋落物现存量。上述研究结果有助于了解和掌握枯落物层的积累与分解过程、养分循环及其在森林生态系统中的作用。但是关于在气候梯度下，不同林龄枯落物碳储量的变化研究较少，难以分析枯落物碳的归还对森林生态系统碳预算的影响。

鉴于此，本研究以我国北方主要造林树种油松（Pinus tabul ae f or mis）为研究对象，调查陕西省北部（陕北）、中部（关中）、南部（陕南）不同生物气候区域、不同龄阶油松人工林下的枯落物量及其碳储量，旨在：（1）探讨不同生物气候区森林枯落物含碳率特征；（2）探讨随林分发育森林枯落物现存量与碳储量的变化规律；（3）检验森林枯落物现存量是否伴随纬度的增加而增加。

1 研究地概况和研究方法

1.1 研究地概况

陕西省地处105°29′—110°15′E，31°42′—39°35′N，属内陆省份，境内南北狭长，按照气候区域的不同可分为陕北、关中和陕南3个部分，3个地域在气候、土壤、地形地貌等方面均存在很大差异（表1）。

表1 不同气候区自然状况

1.2 研究方法

1.2.1 野外调查 于2011年8月在陕北、关中、陕南3个气候区域，分别选择立地条件相近的幼龄林（＜20 a）、中龄林（21～30 a）、近熟林（31～40 a）和成熟林（41～60 a）样点（表2）。每个样点分别选取3个50 m×20 m的标准样地，记录样地的GPS定位坐标、坡向、坡度、坡位、海拔、郁闭度、方位及其在林分中的相对位置，测量样方内乔木的胸径与树高。在样地内按对角线等距选取3个1 m×1 m的样方，收集样方内的枯落物，并称重。均匀收获约300 g枯落物样品，测定其含水量和有机质含量。

表2 不同气候区域人工油松林林分状况

1.2.2 室内分析 将枯落物样品置入烘箱内（DHG-9000）105℃烘干2 h杀青，85℃烘干至恒重，称干重。取10～20 g于瓷研钵中充分研磨，过100目筛，混合均匀备用。测定样品有机质含量之前，65℃下烘2 h，取15～25 mg，采用重铬酸钾—硫酸氧化法测定有机质含量。

1.2.3 数据处理 本研究采用Excel 2012处理数据，SPSS 17.0进行差异性和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 枯落物含碳率的时空变化特征

2.1.1 人工油松林林下枯落物含碳率随林龄的变化特征 陕北地区人工油松林林下枯落物含碳率在幼龄林阶段最低（P＜0.05）；中龄林和近熟林林下枯落物含碳率差异不显著（P＞0.05），但都显著大于成熟林（P＜0.05）。在关中地区，近熟林下枯落物含碳率显著小于中龄林下枯落物含碳率（P＜0.05），中龄林与成熟林、近熟林与成熟林下枯落物含碳率差异均不显著（P＜0.05）。在陕南地区，幼龄林、近熟林和成熟林油松人工林下枯落物含碳率差异则均不显著（P＞0.05）（表3）。

表3 人工油松林枯落物含碳率随林龄的变化特征%

2.1.2 不同生物气候区人工油松林林下枯落物含碳率特征 如图1所示，幼龄林阶段后，不同生物气候区人工油松林林下枯落物含碳率在不同林分发育时期总体无显著性差异，分别为：43.16%±2.13%，42.14%±1.78%，40.94%±1.64%。幼龄林时期，陕北人工油松林林下枯落物含碳率则显著低于陕南。

油松人工林幼龄阶段，陕南地区的林下枯落物含碳率显著大于陕北。中龄阶段，陕南明显低于陕北（P＜0.05），陕北和关中之间差异不显著（图1）。近熟阶段，陕北地区明显大于关中的和陕南（P＜0.05），关中和陕南之间差异不显著（P＞0.05）。成熟林阶段则表现为陕北与关中无显著性差异（P＞0.05）（图1）。

图1 不同区域各林龄段油松林下枯落物含碳率

2.2 油松人工林下枯落物层生物量及其碳储量的时空变化特征

2.2.1 陕北地区枯落物层生物量与碳储量变化特征

在陕北地区，幼龄、中龄、近熟和成熟油松人工林下枯落物生物量分别为276.8，1 424.1，1 658.4，2 680.7 g／m2，呈现出枯落物生物量随林龄的增大而增大的趋势。其中，中龄林和近熟林相比差异不显著（P＞0.05），但均显著大于幼龄林（均为P＜0.05），而成熟林下枯落物生物量则最大（P＜0.05）（图2）。各龄阶油松人工林下枯落物层碳储量分别为71.5，654.6，764.3 g／m2和1 000.7 g／m2，其变化趋势及各龄阶之间的差异与生物量的变化趋势一致。

2.2.2 关中地区枯落物层生物量与碳储量变化特征

关中地区中龄、近熟和成熟油松人工林下枯落物生物量分别为256.2，968.4，1 205.45 g／m2，表现出林龄增大的特征，枯落物生物量也随之增大的特征。

成熟林枯落物生物量显著大于中龄林和近熟林（均为

P＜0.05），近熟林下枯落物显著大于中龄林（P＜

0.05 ）。中龄、近熟和成熟林下枯落物碳储量分别为

118.3 ，372.2，504.8 g／m2，随人工林林分发育，林下枯落物碳储量表现出逐渐增大的趋势（P＜0.05）（图2）。

图2 陕北、关中、陕南不同龄阶油松人工林下枯落物层生物量和碳储量

2.2.3 陕南地区凋落物生物量与碳储量变化特征

陕南地区幼龄、中龄和近熟油松人工林下枯落物生物量分别为76.0，613.1，1 494.2 g／m2，油松人工林下枯落物碳储量分别为32.2，249.9，614.5 g／m2，二者都表现出随林龄增加而增大的趋势（图2），且各林龄段油松人工林下枯落物生物量和碳储量均表现为显著差异（P＜0.05）。

2.3 不同纬度下油松人工林下生物量与碳储量

幼龄人工油松林林下枯落物生物量和碳储量均表现为陕北显著大于陕南（P＜0.05）；中龄林人工油松林林下枯落物层生物量在陕北地区最大，且明显高于陕南地区和关中地区（均为P＜0.05），陕南地区大于关中地区（P＜0.05），而且，中龄人工油松林在不同气候区下的枯落物碳储量亦表现出相同的趋势；陕北和陕南地区的人工油松近熟林林下枯落物生物量显著大于关中地区（P＜0.05），陕北地区和陕南地区差异不显著（P＞0.05），同样，近熟油松人工林下枯落物碳储量也呈相同趋势。人工油松成熟林林下枯落物层的生物量和碳储量，均表现为陕北地区显著大于关中地区（P＜0.05）（图3）。

图3 相同龄阶陕北、关中、陕南地区的油松林下生物量和碳储量

3 讨论

3.1 不同生物气候区枯落物含碳率在林分生长过程中的变化

枯落物含碳率主要受其自身成分、质量、分解速度等因素的影响［22］。陕北地区油松人工幼龄林下枯落物含碳率明显较低，这可能是由于陕北地区的油松人工幼龄林处于速生阶段，且密度较小，枯落物主要是由草本植物组成的，而草本含碳率相对较低，导致其含碳率较低［23］。而同一林龄陕南地区由于林分密度较大，竞争激烈，枯落物除草本之外，也有乔木枝叶，因此，含碳率高于陕北地区［24］。张加武等［25］对马尾松树种不同的林分密度的研究也表明，枯落物量与林分密度成正比。而其他林龄油松人工林下枯落物含碳率未表现出明显规律，这可能与随着林龄增加，竞争激烈，林下枯落物组成大多为乔木枝叶有关。

3.2 陕西人工油松林枯落物生物量与碳储量随纬度的变化趋势

在环境背景相似的地段，林龄对森林枯落物现存量有重要影响，处于速生阶段的幼龄林，森林枯落物较少，随着林龄的增加，林木间竞争逐渐加剧，天然整枝强烈，林分凋落物逐渐增加；但由于立地条件等因素的影响，陕西油松林下枯落物生物量和碳储量在不同地区随林龄变化的幅度有差异［26－27］。

本研究表明，随林龄增加枯落物生物量和碳储量逐渐增大，这与何斌［9］、郭瑞红［10］、田大伦［28］、逯军峰［29］等的研究结论一致，但苏勇［30］，王洪岩等［31］的研究表明，树种生长初期，生长旺盛期树高增加较快，同时土壤中微生物及各种营养等，如C／N比导致枯落物分解较慢［32］，而随着林下环境逐渐稳定，凋落物分解的微生物区系也趋于稳定，导致凋落物的输入量和凋落物的分解量趋于平衡，因而总体表现出地表凋落物量随林龄呈先上升后下降的趋势。产生这种差异的原因可能是由树种以及不同研究区的光、温度、水等外界环境因素的不同引起的［33］。

3.3 人工油松林凋落物生物量与碳储量随林龄的变化趋势

随着气候区域的不同，人工油松林下枯落物生物量和碳储量相应地发生变化，一方面主要是由于不同的气候带中植物生长所需的光照、温度、生长等气候因子不同，造成林木间的竞争激烈程度也不同，因此，造成了枯落物生物量和碳储量发生了变化；另一方面，温带地区气候较为寒凉，热量不足，相应的物质周转较慢，枯落物不易分解，枯死地被物积累量最大。热带地区植物的水、热条件适宜且充分，林分的生产力高，物质周转较快，枯落物分解快，枯落物生物量和碳储量就相对较少［34］。本研究中油松人工林下枯落物生物量和碳储量随纬度的变化总体表现为：陕北＞陕南＞关中，未表现出随纬度的降低而减小的趋势，这与已有的研究结果不同［21，33］，可能是由于关中实验样地位于秦岭北坡，温度、年降雨量均低于陕南地区，但是林下植被生长的环境如土壤肥力、性质等状况优于陕南地区，林木竞争不及陕南激烈，所以表现出林下枯落物生物量和碳储量要低于陕南地区的特征。

4 结论

（1）在陕西各地区，人工油松林下枯落物层含碳率随着林龄、纬度均有变化，在陕北地区，幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林的枯落物层含碳率分别为25.72%，46.17%，46.04%，37.28%；关中地区，中龄林、近熟林和成熟林的枯落物含碳率为46.16%，38.40%和41.83%；陕南地区，中龄林、近熟林和成熟林的枯落物含碳率为分别为42.47%，40.75%和41.14%。

（2）不同生物气候区，随着林分发育人工油松林林下枯落物生物量与碳储量均表现为逐渐增加。不同发育阶段，人工油松林林下枯落物层生物量与碳储量，陕北幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林分别为：276.8 g／m2与71.5 g／m2，1 424.1 g／m2与654.6 g／m2，1 568.4 g／m2和764.3 g／m2，2 680.7 g／m2和1 000.7 g／m2；关中中龄林、近熟林、成熟林分别为256.2 g／m2和118.3 g／m2，968.4 g／m2和372.3 g／m2，1 205.5 g／m2和504.8 g／m2；陕南幼龄林，中龄林，近熟林分别为76.0 g／m2和32.2 g／m2，613.1 g／m2和249.9 g／m2，1 494.2 g／m2和614.5 g／m2，呈现随林龄增大逐渐增大的趋势。

（3）随着纬度增加，整体并未呈现出规律性变化。中龄林和近熟林枯落物层生物量和碳储量均表现为关中＜陕南＜陕北。

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