海南岛典型地区桉树人工林生态系统碳、氮储量及其分配格局

朱美玲　王旭　王帅　王文蕾　邹耀进　梁卿雅

摘 要 对海南岛儋州、屯昌和琼海3个地区的2、4和6龄桉树人工林进行调查，研究桉树人工林生态系统碳、氮储量的变化动态及分配格局。结果表明：不同林龄桉树人工林林下植被碳含量为430.5～439.6 g/kg，氮含量为13.3～15.2 g/kg；枯落物碳含量为427.7～475.2 g/kg，氮含量为16.2～18.9 g/kg。0～100 cm土层碳含量为3.11～47.99 g/kg，氮含量为0.34～2.34 g/kg。土壤碳含量和氮含量均有随土壤深度的增加而减小，其中0～10 cm土层的碳含量和氮含量最高。3个地区桉树人工林生态系统总碳储量分别为83.98、158.13和189.58 t/hm2，总氮储量分别为9.61、11.59、和13.08 t/hm2。桉树人工林生态系统碳、氮储量均随林龄的增加而增加，琼海地区碳、氮储量均高于儋州和屯昌。土壤层是桉树人工林主要的碳库和氮库，碳、氮储量分别占生态系统的54.93%～98.54%和94.53%～99.65%，其次是乔木层。就3个地区林龄平均水平相比而言，土壤层碳占生态系统的比例大小为：琼海>屯昌>儋州，而乔木层碳占系统的比例大小为：儋州>屯昌>琼海。土壤层氮占生态系统的比例大小为：屯昌>琼海>儋州。

关键词 桉树人工林；碳储量；氮储量；林龄；分配格局

中图分类号 S718.5 文献标识码 A

Abstract The 2， 4 and 6 years old Eucalyptus plantations in Danzhou，Tunchang and Qionghai of Hainan Island were investigated to study the dynamics and allocation patterns of carbon and nitrogen storage. The results showed that the ranges of carbon and nitrogen contents were 430.5-439.6 g/kg and 13.3-15.2 g/kg in the undergrowth layer of different age Eucalyptus plantations， 427.7-475.2 g/kg and 16.2～18.9 g/kg in the litter layer， 3.11-47.99 g/kg and 0.34-2.34 g/kg in the 0～100 cm soil layer. The soil carbon and nitrogen content decreased with the soil depth. The total carbon storage of Eucalyptus plantation in the three regions was 83.98， 158.13 and 189.58 t/hm2； and the total nitrogen storage was 9.61， 11.59 and 13.08 t/hm2. The total carbon and nitrogen storage in Eucalyptus plantation increased with the increase of forest age， and the carbon and nitrogen storage in Qionghai were higher than those of Danzhou and Tunchang. The soil layer was the major carbon pool and nitrogen pool in Eucalyptus plantation ecosystem， accounting for 54.93%～98.54% and 94.53%～99.65%， the second was the tree layer. In terms of the average forest age in the three regions， the size of carbon storage of soil layer accounted for the proportion of ecological system was： Qionghai>TunChang>Danzhou， while the tree layer： Danzhou>TunChang>Qionghai. The size of nitrogen storage of soil layer accounted for the proportion of ecological system was： TunChang>Qionghai>Danzhou.

Key words Eucalyptus plantation；Carbon storage；Nitrogen storage；Forest age；Allocation pattern

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.11.005

陸地生态系统碳储量及其变化是全球气候变化研究中的重要问题，对全球碳循环以及二氧化碳浓度的变化都起着重要的作用。其中，森林生态系统是陆地生态系统的重要碳库，森林面积虽只占陆地面积的27%，森林碳储量却占陆地碳储量的60%，对大气二氧化碳浓度的变化有着巨大的影响[1]。碳循环是森林生态系统的重要功能过程之一，具有维持和调节生态系统生产力和稳定性的作用[2]。同时，陆地生态系统的碳循环会受养分元素尤其是氮元素的限制[3-5]。森林生态系统中碳、氮循环具有相互耦合的作用[6-7]。目前国内外对森林生态系统碳储量及其分配的研究很多，但对森林生态系统氮储存功能的研究不多，而对人工林生态系统的氮储存功能的研究更加少见。

桉树原产于澳大利亚，自1917年引种至海南已有90多年的历史，但是桉树的大规模种植是20世纪90年代中后期。海南桉树人工林面积现有约2×105 hm2，蓄积量约1.2×107 m3，桉树现已成为海南人工林的第一大树种[8]。桉树林生态系统是海南重要的人工林生态系统，不仅具有很大的经济价值，而且还具有很强的固碳能力，对海南地区经济发展和生态服务有着重要贡献。目前，对于桉树人工林的研究是一个非常热门的话题，主要包括：造林密度对桉树人工林碳储量影响[9]，桉树林下植被多样性分析[10-14]，不同林龄桉树林土壤有机碳的变化[15]，不同林龄桉树人工林固碳的研究[16-19]。尽管对其他森林类型的碳氮分配格局的研究已有少量报道[20-22]，但对桉树林碳氮储量分配格局的研究较少。对海南不同林龄桉树人工林生态系统进行碳储量和氮储量的分配格局进行研究，找出桉树人工林碳、氮储量及其分配规律，有助于更好地把握和认识桉树的碳汇量及其植株碳、氮的分布格局，可为准确评价海南地区桉树人工林的生态效益提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

海南地处热带，位于东经108°37′～111°5′，北纬18°10′～20°10′之间，全年暖热，雨量充沛，干湿季节明显，常风较大，热带风暴和台风频繁，气候资源多样。海南岛年太阳总辐射量约110～140 kc/cm2，年日照时数为1 750～2 650 h，光照率为50%～60%。日照时数按地区分，西部沿海最多，中部山区最少；按季节分，依夏、春、秋、冬顺序，从多到少。各地年平均气温为23～25 ℃，中部山区较低，西南部较高。全年没有冬季，1～2月为最冷，平均温度16～24 ℃，平均极端低温大部分在5 ℃以上。夏季从3月中旬至11月上旬，7～8月为平均温度最高月份，在25～29 ℃。海南岛大部分地区降雨充沛，全岛年平均降雨量在1 600 mm以上，東湿西干明显。多雨中心在中部偏东的山区，年降雨量2 000～2 400 mm，西部少雨区年降雨量1 000～1 200 mm。降雨季节分配不均匀。冬春干旱，旱季自11月至翌年4、5月，长达6～7个月。夏秋雨量多，5～10月是雨季，雨季总降雨量1 500 mm左右，占全年降雨量的70%～90%。海南岛全年湿度大，年平均水汽压约2 300 Pa（琼中）～2 600 Pa（三亚）。中部和东部沿海为湿润区，西南部沿海为半干燥区，其它地区为半湿润区[23]。土壤主要是砖红壤和山地黄壤，其中砖红壤面积最大。

桉树人工林林下灌木层不发达，以草本植物为主，林下植物主要有山麻黄（Trema tomentosa）、飞机草（Eupatorium odoratum）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、肖梵天花（Urena lobata）、铁芒萁（Dicranopteris linearis）、 假臭草（Eupatorium catarium）、斑茅（Saccharum arundinaceum）、飞蓬（Erigeron tianschanicus）、 露籽草（Ottochloa nodosa）等。

1.2 方法

1.2.1 样地选择 根据海南气候、自然地理和植被类型空间分布的实际情况，对海南桉树人工林生态系统进行抽样和野外调查标准地的布设。将采样点划分为3个区域，即西部湿润区（儋州）、中部半山区（屯昌）、东部海洋湿润气候区（琼海），经实地踏查后，选择立地条件基本一致的2、4、6龄林分（因桉树人工林的轮伐期为5～7 a）设置样地（桉树品种均为巨尾桉），每个林龄样地设3个重复。各调查样地记录：地点、植被类型、林龄、品系、地理坐标、海拔、坡向、坡度和坡位等，调查人工林的基本情况见表1。

1.2.2 生物量的测定 乔木生物量：按照典型选样的方法，在各林分类型的每个样地内分别设置3个40 m×20 m的样方，测定样方内的所有树木的胸径（D）、树高（H）、枝下高和冠幅，记录、生长状况。利用文献[24]桉树生物量与测树因子（胸径、树高）之间的相对生长方程（表2），计算不同林龄桉树人工林乔木层的生物量。

林下植被和枯落物：灌木、草本和枯落物的生物量采用收获法。在每个乔木样方内，分别设置8个10 m×10 m小样方，同时随机选取3个小样方，并在其中设置2 m×2 m的灌木调查单元，用于灌木层的调查。在灌木的调查单元内分成4个1 m×1 m草本调查单元，随机选取一个草本调查单元，收获草本。枯落物采样与草本调查同时进行，收集每一个草本调查样方内的枯落物。对收集的灌木、草本和枯落物分别进行称重，其中灌木分根、茎、叶分别称重，草本分地上部分和地下部分称重，将样品带回实验室，置于烘箱中（80 ℃）烘干至恒重，称其干重，分别换算成单位面积灌木、草本和枯落物生物量。

1.2.3 土壤样品采集与测定 在每个样地分别设置3个土壤取样点，在每个样方内按1 m×1 m×1 m的标准挖取土壤剖面，每个剖面按I层（0～10 cm）、Ⅱ层（10～20 cm）、Ⅲ层（20～30 cm）、Ⅳ层（30～50 cm）、Ⅴ层（50～100 cm）用100 cm3环刀取土样，测定其容重。在各层取新鲜土样，风干和过100目筛后用于碳、氮含量的测定。

1.2.4 碳、氮含量的测定 乔木采用国际常用转换系数（0.5），用于代表所有样地乔木碳含量，而林下植被和枯落物的碳、氮含量仅测定儋州地区。将烘干的林下植被和枯落物剪细并通过植物粉碎机粉碎，过80目筛。在各层取新鲜土样，风干和过100目筛。所有植物和土壤样品的有机碳含量均采用重铬酸钾硫酸氧化法测定，全氮含量采用凯氏法测定。

1.2.5 碳、氮储量的计算方法 乔木、林下植被、枯落物的碳、氮储量通过其生物量和碳、氮含量计算得到，土样碳、氮储量通过土壤容重和其碳、氮含量计算见式：

1.3 数据分析

原始数据的合成、统计计算以及图表制作使用Microsoft Excel 2007软件处理；采用SAS 9.1分析检验不同林龄土壤和植被碳、氮含量和碳、氮储量的差异显著性处理（Duncan法多重比较），显著性水平设定为p<0.05。

2 结果与分析

2.1 林下植被、枯落物和土壤的碳、氮含量

2.1.1 桉树人工林枯落物层和林下植被层碳、氮含量 由表3可知，桉树林下植被碳含量为430.5～439.6 g/kg，林下植被碳含量彼此间差异没有达到显著水平。枯落物碳含量为427.7～475.2 g/kg，2、4、6龄桉树林枯落物碳含量随年龄增加而增加。桉树林林下植被和枯落物的氮含量为13.3～18.9 g/kg，均表现为6龄>4龄≈2龄。

2.1.2 桉树人工林土壤碳、氮含量 由表4可知，儋州地区桉树人工林不同林龄土壤氮含量为3.11～9.41 g/kg，屯昌地区桉树人工林不同林龄土壤碳含量为5.05～47.99 g/kg，琼海地区桉树人工林不同林龄土壤碳含量为5.43～23.45 g/kg；儋州地区桉树人工林不同林龄土壤氮含量为0.34～1.63 g/kg，屯昌地区桉树人工林不同林龄土壤氮含量为0.38～2.34 g/kg，琼海地区桉树人工林不同林龄土壤氮含量为0.41～2.00 g/kg；各地区不同林龄土壤碳含量和氮含量均有随土壤深度的增加而减小的趋势，其中0～10 cm土层的碳含量和氮含量最高；不同地区的土壤平均碳含量有所不同，屯昌地区桉树人工林土壤碳含量最高，儋州地区最小；各地区土层碳含量受林龄影响变化幅度也不同，屯昌地区桉树林2龄林的不同层次土壤碳含量均大于其他地区和林龄的，该地区可能受到的人为干扰比较大；儋州地区不同林龄按树人工林氮含量表现为6龄>2龄>4龄，屯昌和琼海地区0～20 cm土层的氮含量均表现为2龄>4龄>6龄。

2.2 桉树人工林生态系统碳、氮储量及其分配

2.2.1 乔木层碳、氮储量分析 就林分水平而言，桉树人工林乔木层碳、氮储量因地点和林龄而不同。由表5可知，3个地区的桉树林乔木层碳储量在不同林龄间存在显著差异，而且随林龄的增大而增大，均在6龄时达到最大值；儋州地区6龄桉树乔木层平均碳储量为40.52 t/hm2，分别是2、4龄的23.7倍和3.2倍；屯昌地区6龄桉树乔木层平均碳储量为55.61 t/hm2，分别是2、4龄的35.0倍和4.1倍；琼海地区6龄桉树乔木层平均碳储量为51.00 t/hm2，分别是2、4龄的25.6倍和3.1倍；琼海地区的各林龄乔木层碳储量均大于儋州和屯昌，原因可能是琼海地区所选取的样地立地条件较好，土壤有机质丰富，种植密度比其他两地大，另外3个地区的桉树品系不同也导致乔木层碳储量具有一定的差异。

由表6可知，3个地区不同林龄乔木层氮储量的变化与碳储量变化规律相似，变化范围分别是：儋州地区0.010～0.330 t/hm2，屯昌地区0.004～0.460 t/hm2，琼海地区0.014～0.480 t/hm2。乔木层氮储量的整体水平表現为2龄<4龄<6龄，各林分间达到显著差异，这与随着林龄的增大，乔木的生物量增加有直接关系。3个地区各林龄除2年龄外的乔木层氮储量均表现为：琼海>屯昌>儋州，由于桉树人工林氮储量变化趋势和桉树人工林生物量的变化趋势相同，琼海地区的样地种植密度较其他两地大，故乔木层生物量较高，氮储量最大。屯昌地区2年龄的氮储量最小，主要是因为该样地经营管理较差，平均胸径明显低于其他地区同林龄样地。

2.2.2 林下植被层碳、氮储量分析 桉树人工林林下植被以草本为主。由表5～6可知，海南3个地区桉树人工林林下植被层的碳储量为0.23～1.37 t/hm2，氮储量为0.025～0.053 t/hm2；琼海地区桉树各生长阶段下的林下植被碳储量均大于儋州和屯昌；儋州和琼海地区各林龄桉树林下植被碳储量达到显著性差异（p<0.05），屯昌地区3个龄级无显著差异，与各地的林下经营方式有关；3个地区桉树人工林林下植被氮储量均表现为：4龄>6龄>2龄，4龄时达到最大值，只有屯昌地区林下植被各林龄氮储量无显著差异，其余2个地区2龄与其他林龄达到显著差异（p<0.05）。

2.2.3 枯落物层碳、氮储量分析 由表5～6可知，3个地区的枯落物碳储量为0.49～1.62 t/hm2，氮储量为0.018～0.065 t/hm2；随着林龄的增大，各地区桉树林的枯落物碳、氮储量均有增大的趋势；不同林龄下，各地区的差异性也不同，经多重比较结果显示：儋州和琼海地区的各林龄间碳储量无显著差异，儋州地区2龄林枯落物氮储量与4龄和6龄林的差异显著（p<0.05），屯昌地区6龄林枯落物氮储量大于2龄和4龄，琼海地区不同林龄间氮储量达到显著差异（p<0.05）。屯昌地区桉树林各林龄枯落物碳、氮储量明显小于其他两地，可能与该地区的林下管理频繁有关。

2.2.4 土壤层碳、氮储量分析 由图1～2可知，3个地区不同深度土壤的碳储量分别为：儋州地区6.05～29.23 t/hm2，屯昌地区17.58～39.87 t/hm2，琼海地区19.20～58.44 t/hm2；氮储量分别为：儋州地区0.96～3.76 t/hm2，屯昌地区1.40～3.11 t/hm2，琼海地区1.48～4.76 t/hm2。不同地区的不同深度土壤碳、氮储量的变化程度不同，0～10、10～20、20～30 cm的土壤碳储量的变化与碳含量的变化情况一致，即随着土层深度的增加而降低。琼海地区的不同层次土壤碳、氮储量均高于儋州和屯昌，并且不同地区土壤总碳、氮储量存在显著差异（p<0.05）。儋州6龄和琼海4龄土壤总氮储量明显高于同地区其他林龄的，可能原因是2个样地的人工经营强度大，土壤有机质丰富。3个地区人工林土壤平均总碳储量分别为63.88、133.50、163.79 t/hm2，平均氮储量分别为9.37、10.68、12.81 t/hm2。3个地区桉树人工林土壤碳、氮储量的分配格局基本一致，林分表层（0～10 cm）土壤的碳、氮储量分别占总碳、氮储量的13.41%～19.98%和13.37%～16.66%，0～30 cm土层的碳、氮储量分别占总碳、氮储量的35.03%～51.08%和35.49%～45.28%。由此可以看出，0～30 cm土壤层的碳、氮占土壤碳、氮储量的比例很高。

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