霞浦县阔叶混交林生态系统碳、氮储量格局

石远升

(霞浦县林业局，福建 宁德 355100)



霞浦县阔叶混交林生态系统碳、氮储量格局

石远升

(霞浦县林业局，福建 宁德 355100)

摘要依据全国碳汇专项调查的理论和方法，对福建省霞浦县不同林龄阔叶混交林生态系统各组分的碳、氮含量及碳、氮储量格局进行调查分析，结果表明：灌木层各器官碳含量从大到小依次为枝>干>根>叶，氮含量为叶>干>根>枝；草本层碳、氮含量从大到小均为地上部分>地下部分；土壤碳、氮含量均随土层深度增加而降低，随林龄的增大而上升；系统各组分C/N从大到小依次为枝>根>干>枯落物>叶>土壤；12年生、19年生和28年生阔叶混交林生态系统的碳储量分别为164.066、231.751和290.985 t�hm-2，氮储量分别为15.011、23.503和31.236 t�hm-2，其中，土壤层碳储量所占比重分别为60.27%、46.50%和39.50%，氮储量所占比重分别为45.94%、33.09%和28.67%；乔木层、灌木层、枯落物层和土壤层碳、氮储量均随林龄的增大而增加。

关键词碳含量；氮含量；碳储量；氮储量；碳氮比；林龄；阔叶混交林

从工业革命至今，“温室气体”的大量排放，使全球产生了以气候变暖为主要特征的气候变化。森林作为陆地生态系统最大的碳库，在降低大气“温室气体”浓度，减缓全球气候变暖方面具有重要作用。而森林碳库的变化不仅受植被本身对元素需求的强烈影响，也会受到周围环境化学元素平衡状况的制约，在相对稳定的条件下，森林生态系统碳储量是由质量守恒原理和其他关键养分元素(如氮、磷等)供应量协同控制的[1,2]。相关研究表明，氮沉降每年为北半球温带地区增加了约0.4 Pg的碳储量[3,4]。但也有研究表明，增加森林生态系统的氮素输入，反而会降低系统碳贮存能力[5,6]。无论如何，说明森林生态系统的碳、氮元素的储量与循环以及两者之间的相互关系将对森林生态系统本身的碳存贮能力、生产力和稳定性等产生关键影响，为了探讨和揭示这种影响，需要对不同地区、不同类型森林生态系统的碳、氮储量格局进行大量的定量化研究。目前，国内已有针对不同森林类型生态系统的碳、氮储量格局开展了相关研究，如谢裕红对福建将乐县针阔混交林的碳储量格局进行研究，发现0～100 cm土层的碳储量分别占3个龄组针阔混交林的60.10%、50.45%和68.21%；王卫霞等对亚热带3种人工纯林生态系统的碳、氮储量格局的研究也发现，碳、氮储量主要集中于土壤层，其中碳储量占55.77%～62.52%，氮储量占92.00%～95.53%；艾泽民等对黄土丘陵不同林龄刺槐人工林生态系统的碳、氮储量格局进行研究，结果显示，土壤层碳储量占总碳储量的63.3%～83.3%，氮储量占80.3%～91.4%。可见，不同地区、不同类型森林生态系统的碳、氮储量格局存在一定差异性。为准确评价和预测我国森林生态系统的碳、氮贮存能力，需对各森林类型进行大量的定量化研究，以减少误差。

霞浦的原生植被是以槠类为主的常绿阔叶林，是我国亚热带地区特有的典型森林类型之一，但由于人为的干扰、破坏，目前已基本消失殆尽，取而代之的是生态系统较脆弱的人工纯林，森林生态功能较差，碳、氮存贮能力受到制约。为改善森林生态功能，霞浦县林业部门采用乡土阔叶树种，营造混交林，改善人工纯林经营，提高森林生态系统的稳定性。为此，本文选取了用乡土阔叶树种营造的不同林龄的阔叶混交林，调查森林各组分的碳、氮含量及碳、氮储量格局，期望通过定量评价阔叶混交林的碳、氮存贮能力，为当地及相似地区的森林经营提供科学依据，并为区域乃至国家的森林碳、氮储量的精确估算及碳、氮循环与平衡的深入研究提供基础数据。

1研究区概况

霞浦县位于福建东北部，台湾海峡的西北岸(26°25′—27°07′ N，119°46′—120°26′ E)。是海峡西岸经济区重要的港口城市之一。属中亚热带海洋性季风气候，年均气温16.8～17.5 ℃，年均降水量1 300～2 300 mm，无霜期为240～300 d。受海洋气候的影响，季风特点显著，春季雨水多，夏季台风多，平均每年出现3个有影响的台风。地貌以低山丘陵为主，林地土壤以红壤为主，有机质含量38.5 g kg-1，全氮含量1.20 g kg-1，速效磷含量5.00 mg kg-1，速效钾含量13.9 k kg-1，pH5.00～6.00[10]。原生植被为槠类常绿阔叶林，由于人为生产活动，被破坏严重。

2研究方法

2.1样地选择

采用分层抽样法，按森林起源、森林类型、林龄、树种组成等从霞浦县已有的森林资源一类清查样地上抽取3块有代表性的阔叶混交林样地，样地基本情况见表1。样地植被情况为：乔木层树种主要有红锥(Castanopsishystrix)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、米槠(Castanopsiscarlesii)等；灌木层主要有杜鹃(Rhododendronsimsii)、乌饭树(Vacciniumbracteatum)、冬青(Ilexchinensis)、山茶花(Camelliajaponica)、腺叶野樱(Prunusphaeosticta)等；草本层主要有芒萁(Dicranopterisdichotoma)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、扇叶铁线蕨(Adiantumflabellulatum)等。

表1　样地基本情况

2.2样地调查与取样

在乔木层，通过对标准样地进行每木调查，获得计算乔木材积的树高、胸径等基本数据，再依据福建省相关阔叶树种的活立木材积表，求得乔木层蓄积量；灌木层在标准样地的西北、东北和东南固定桩点2 m以外的区域布设2 m×2 m的灌木样方，选取3株可反映样方内灌木平均高度和平均地径的样木，采用全株收获法分干、枝、叶和根进行称重与取样；草本层则在灌木样方内随机布设1 m×1 m的草本样方，同样采用全株收获法分地上部分和地下部分进行称重与取样。在收获草本植物前，先收取草本样方内的所有枯落物，并称重取样。土壤层则在样地西南固定桩点2 m以外的区域挖宽度为80 cm、深度为100 cm的土壤剖面，按照0～10 cm、10～30 cm和30～100 cm的土层深度，用环刀和铝盒分别取样。所有样品均在鼓风干燥箱内60 ℃烘干，粉碎后过150目筛，用EURO EA3000 碳氮分析仪测碳、氮含量。

2.3碳、氮储量的计算

2.3.1乔木层碳、氮储量的计算碳储量采用侯元兆[11]的蓄积量扩展法推算乔木生物量，再利用含碳率系数计算乔木层碳储量，计算公式为CT=VTδγ，式中，CT为单位面积乔木层碳储量；VT为单位面积乔木层蓄积量；δ为蓄积量扩大系数(国际通用IPCC默认值为1.90)；γ为含碳率系数(国际通用IPCC默认值为0.50)。氮储量的计算与碳储量类似，计算公式为NT=VTδζ，式中，NT为单位面积乔木层氮储量；ζ为含氮率系数(因本文乔木层以红锥、青冈和米槠为主，参考林开淼[12]和王卫霞等[13]的相关研究，结果显示3个树种氮含量较接近，故取平均含氮率系数为0.065)

2.3.2灌木层、草本层和枯落物层碳、氮储量的计算将各组分单位面积生物量与碳、氮含量相乘计算得出。

2.3.3土壤层碳、氮储量的计算碳储量计算公式为CS=10 000RDC，式中，CS为单位面积土壤碳储量t hm-2；R为土壤容重g cm-3；D为土层厚度m；C为土壤碳含量%。氮储量的计算与碳储量类似，计算公式为NS=10 000RDN，式中，NS为单位面积土壤氮储量t hm-2；为土壤氮含量%。

3结果与分析

3.1不同林龄阔叶混交林乔木层碳、氮储量

由表2可以看出，乔木层蓄积量、平均单株材积均随着阔叶混交林林龄的增大而增加，其中，28年生阔叶混交林蓄积量分别是19年和12年生阔叶混交林的1.414和2.746倍，而19年生阔叶混交林蓄积量则是12年生阔叶混交林的1.942倍；28年生阔叶混交林平均单株材积则分别是19年和12年生阔叶混交林的2.331和6.130倍，而19年生阔叶混交林平均单株材积则是12年生阔叶混交林的2.630倍。由于平均单株碳储量和平均单株氮储量是由平均单株材积推算，故各林龄阔叶混交林乔木层平均单株碳、氮储量变化趋势与平均单株材积一致；而单位面积乔木层碳储量和氮储量则由蓄积量推算，故各林龄阔叶混交林乔木层碳、氮储量变化趋势与蓄积量一致。可见，在第12～19年阔叶混交林的蓄积量和碳、氮元素处在快速积累阶段，而在第19～28年间积累速率有所下降。

表2　不同林龄阔叶混交林乔木层碳、氮储量

表3　不同林龄阔叶混交林林下植被碳、氮储量

3.2不同林龄阔叶混交林林下植被碳、氮储量

由表3可知，在灌木层，灌木的生物量随着阔叶混交林林龄的增大而增加，且灌木各器官生物量从大到小总体上表现为干>根>枝>叶，其中，干和根生物量占灌木整株生物量的62.99%～70.31%。灌木层平均碳含量在41.713%～47.373%，各器官碳含量从大到小表现为枝>干>根>叶；灌木层平均氮含量在0.246%～1.524%，各器官氮含量从大到小表现为叶>干>根>枝；灌木层平均碳氮比在29.198∶1～192.573∶1之间，各器官碳氮比从大到小表现为枝>根>干>叶，且随着阔叶混交林林龄的增大，灌木各器官碳氮比有逐渐下降的趋势。灌木层碳、氮储量均随阔叶混交林林龄的增大而增加，各器官碳储量从大到小总体上表现为干>根>枝>叶，氮储量从大到小总体上表现为干>叶>根>枝。

在草本层，生物量从大到小表现为19年生阔叶混交林>28年生阔叶混交林>12年生阔叶混交林，其中草本层地上部分生物量远大于地下部分，占草本层总生物量的77.42%～85.14%。草本层平均碳含量在37.240%～44.693%，低于灌木层的平均碳含量，其中地上部分碳含量>地下部分；草本层平均氮含量在0.327%～0.964%之间，地上部分氮含量>地下部分；草本层碳氮比在44.893:1～113.884:1之间，地下部分碳氮比>地上部分。草本层碳、氮储量均随阔叶混交林林龄的增大而下降，地上部分碳、氮储量均高于地下部分。

3.3不同林龄阔叶混交林枯落物层碳、氮储量

由表4可以看出，枯落物层的枯落物量随着阔叶混交林林龄的增大而增加，其中，28年生阔叶混交林的枯落物量分别是19和12年生的1.839和2.082倍，而19年生的阔叶混交林的枯落物量则是12年生的1.132倍。枯落物层的平均碳含量在39.036%～44.667%之间，而平均氮含量在0.823%～1.073%之间，碳氮比表现为随着林龄的增大而下降，在36.448∶1～50.109∶1之间。枯落物层的碳、氮储量均随着林龄的增大而增加。可见，阔叶混交林林龄越大，枯落物分解速率越快，养分归还能力越强。

表4　不同林龄阔叶混交林枯落物层碳、氮储量

3.4不同林龄阔叶混交林土壤层碳、氮储量

由表5可知，土壤容重随着土层深度增大而增加，但随着阔叶混交林林龄的增大而下降。土壤碳、氮含量均随着土层深度增大而下降，随着阔叶混交林林龄的增加而上升，平均土壤碳含量在0.594%～2.173%之间，平均土壤氮含量在0.047%～0.142%之间，土壤碳氮比随着土层深度及阔叶混交林林龄的增加而下降，平均土壤碳氮比在11.118∶1～19.052∶1之间。0～100 cm土层土壤碳、氮储量均表现为随着阔叶混交林林龄的增大而增加。

3.5不同林龄阔叶混交林生态系统碳、氮储量

由表6可以看出，12年生、19年生和28年生阔叶混交林生态系统总碳储量分别为164.066 t hm-2、231.751 t hm-2和290.985 t hm-2，总氮储量分别为15.011 t hm-2、23.503 t hm-2和31.236 t hm-2。其中，12年生阔叶混交林生态系统碳储量表现为土壤层>乔木层>枯落物层>灌木层>草本层，而19年生和28年生阔叶混交林生态系统碳储量表现为乔木层>土壤层>枯落物层>灌木层>草本层，土壤层碳储量占12年生、19年生和28年生阔叶混交林生态系统总碳储量的比例分别为60.27%、46.50%和39.50%。乔木层和土壤层碳储量之和占阔叶混交林生态系统总碳储量的98.0%以上。

在氮储量方面，12年生、19年生和28年生阔叶混交林生态系统氮储量均表现为乔木层>土壤层>枯落物层>灌木层>草本层，土壤层氮储量占12年生、19年生和28年生阔叶混交林生态系统总氮储量的比例分别为45.94%、33.09%和28.67%。乔木层和土壤层氮储量之和占阔叶混交林生态系统氮储量的99.5%以上。

表6　不同林龄阔叶混交林生态系统碳、氮储量

4结论与讨论

本研究结果表明，除草本层外，乔木层、灌木层和枯落物层碳储量和氮储量均随着阔叶混交林林龄的增大而增加，这与刘恩等[14]对南亚热带不同林龄红锥林的碳储量，朱燕飞等[15]对亚热带不同林龄麻栎林碳储量，艾泽民等对黄土丘陵区不同林龄刺槐人工林碳、氮储量的研究结果相似。乔木层随着林龄的增大，其蓄积量也将随之增加，因此碳、氮储量相应提高；灌木层碳、氮储量随阔叶混交林林龄的增大而增加，这与林分的活立木密度密切相关[16]，12年生阔叶混交林的林分密度最大，郁闭度较高，林下灌木的种类和数量较少，随着林龄的增大(19年生和28年生)，林木生长过程的自然整枝和稀疏使立木密度逐渐下降，为林下灌木提供了更多的生存空间，灌木的种类和数量增加，因此，灌木层可积累更多的碳、氮物质流到碳库和氮库中。森林枯落物层的凋落量直接影响枯落物层的碳、氮储量[17]，本研究结果表明，随着阔叶混交林林龄的增大，林下枯落物的凋落量逐渐增加，这与刘恩[14]、王卫霞等的研究结果相似；而草本层的碳氮储量随着阔叶混交林林龄的增大呈现下降的趋势，是因为林下灌木种类和数量的上升，竞争了更多的林下生存空间，抑制了草本植物的生长繁殖，使草本层的生物量降低。

相关研究表明，亚热带地区米槠、木荷、闽粤栲、青冈等10种阔叶树种及其林下灌木树种各器官的平均碳含量分别为：干46.64%、枝47.93%、叶49.28%、根45.18；各器官平均氮含量分别为：干0.16%、枝0.79%、叶1.60%、根0.57%[12]。本研究中，不同林龄阔叶混交林灌木层，除根平均碳含量略高于前者，其余各器官均小于前者；平均氮含量除干高于前者，其余各器官均小于前者。亚热带阔叶林、针叶林和针阔混交林草本层平均碳含量分别为：地上部分48.28%、地下部分为39.05%；平均氮含量分别为：地上部分1.64%、地下部分0.84%；枯落物平均碳含量为48.48%，平均氮含量为1.35%；土壤平均碳含量为1.21%，平均氮含量为0.10%[18]。本研究中，不同林龄阔叶混交林草本层地上部分、地下部分和枯落物层的平均碳、氮含量均小于前者；土壤层平均碳含量高于前者，平均氮含量小于前者。这可能与霞浦县阔叶混交林林下植被种类、环境因素等有关，但需进一步研究验证。

植物的C/N在体现植物本身生长情况及生境优劣有良好的指示作用[19]，而土壤的C/N则是体现立地环境、植被营养利用效率和养分循环等方面的重要指标[20]。本研究发现，阔叶混交林生态系统各组分的C/N从大到小依次为枝>根>干>枯落物>叶>土壤，这主要是与系统各组分特定的生理功能有关。干、枝和根主要的生理功能之一是输送水分，因此这些器官木质化程度较高，木质素和纤维素等结构性碳水化合物含量较多[21]，C/N值相应较高；叶是进行光合作用、制造养料的重要器官，而N是叶绿素的主要构成元素，因此，叶片N含量较高[22]，C/N较低；枯落物则主要是由枯枝与落叶组成，在老枝、叶凋落前，植物会回收部分N元素[23]，因此其C/N介于枝与叶之间；土壤有机碳主要来源于森林植被枯落物，但同时又作为土壤微生物的能量来源而被分解成CO2返回大气[24]，因此，土壤C/N在生态系统各组分中是最低的。据研究，中国土壤C/N平均在10～12之间[25]，而全球土壤C/N平均为13.33[26]。本研究结果显示，阔叶混交林土壤C/N为12.84～14.34之间，高于我国土壤平均碳氮比，但与全球土壤C/N相接近，这可能与该区域土壤微生物群落构成和凋落物的质量有关，需进一步研究验证。

王华等[27]对亚热带几种典型森林生态系统的碳、氮储量进行研究表明，成熟期的杉木纯林、杉木与火力楠针阔混交林、火力楠纯林、杉木与桤木针阔混交林、杉木与刺楸针阔混交林生态系统碳储量分别为169.53、186.88、170.37、140.54和129.94 thm-2，氮储量分别为14.28、16.36、16.60、10.99和9.72 t hm-2。本研究结果表明，除了12年生阔叶混交林的碳储量(164.07 t hm-2)会比杉木纯林、杉木与火力楠针阔混交林、火力楠纯林低，氮储量(15.01 t hm-2)比杉木与火力楠针阔混交林、火力楠纯林低外，19年生和28年生阔叶混交林的碳、氮储量(分别为231.75 t hm-2、23.50 t hm-2和290.99 t hm-2、31.24 t hm-2)均高于上述5种森林类型。因此，阔叶混交林具有较高的碳、氮存贮能力，且林龄越高，存贮能力越强。

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Carbon and Nitrogen Stock Patterns of Ecosystem for Broad-Leaved Mixed Forest in Xiapu County

Shi Yuansheng

(Bureau of Forestry in Xiapu County,Ningde 355100,China)

AbstractCarbon contents,nitrogen contents,carbon storage patterns and nitrogen storage patterns among different-aged broad-leaved mixed forest ecosystem in Xiapu County were analyzed based on the theory of the investigation in National Carbon Sequestration Special Investigation. Result shows that: the carbon (C) contents of different organ in shrub were ranked as followed: branch > trunk > root > leaf,the nitrogen (N) contents were ranked as leaf > trunk > root > branch. Within the herb layer,both C and N contents are ranked as above-ground biomass > underground biomass,with an increase in soil depth. The C and N contents of soil decreased with the increase of the stand age. The descending order of C/N ratio of each component if system decrease with branch,root,trunk,litter,leaf and soil layer;the C storage in 12-year-old,19-year-old,and 28-year-old broad-leaved mixed forest ecosystem is 164.066,231.751 & 290.985 t·hm-2,respectively;the N storage is 15.011,23.503 & 31.236t·hm-2;the C storage in soil accounted of 60.27%.46.50% & 39.50% among forest ecosystem;the percentage of N storage is 45.94%,33.09% and 28.67%,both C and N storage in tree layer,shrub layer,litter layer & soil layer displays increasing patterns with stand age.

Key wordscarbon content;nitrogen content;carbon storage;nitrogen storage;C/N ratio;stand age;broad-leaved mixed forest

文章编号：1005-5215(2016)07-0013-05

收稿日期：2016-05-05

基金项目：福建省林业碳汇调查项目资助

作者简介：石远升(1973-)，男，福建霞浦人，从事森林经营工作，Email:510615391@qq.com

中图分类号：S718.55

文献标识码：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.07.003