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Dynamics of carbon and nitrogen storage of Cupressus chengiana plantations in the arid valley of Minjiang River, Southwest China.

岷江干旱河谷区岷江柏人工林碳氮储量随林龄的动态


研究了岷江干旱河谷区不同林龄岷江柏人工林生态系统碳氮储量及其分配特征.结果表明:岷江柏不同器官的碳含量相对稳定,氮含量则与器官类型密切相关,而土壤有机碳和氮含量均随着人工林林龄的增长而增加.岷江柏人工林植被层、土壤层以及生态系统的碳氮储量随着林龄的增长总体呈增加趋势.13、11、8、6和4年生岷江柏人工林生态系统总碳储量分别为190.90、165.91、144.57、119.44和113.49 t·hm-2,总氮储量分别为19.09、17.97、13.82、13.42和12.26 t·hm-2.岷江柏人工林生态系统碳氮大部分储存于0~60 cm土层,分别占生态系统总储量的92.8%和98.8%,且主要集中于0~20 cm土层,5个林龄平均碳氮储量分别为74.13和7.40 t·hm-2,分别占其平均土壤总碳氮储量(0~60 cm)的54.4%和48.9%.植被层有机碳和氮储量的分配不同,碳储量在乔木层(3.7%)的分配高于林下植被层(3.5%),而氮储量在乔木层(0.5%)的分配低于林下植被层(0.7%).不同林龄岷江柏人工林碳氮储量及其空间分布变化明显,且在此年龄段内,岷江柏人工林生态系统能够持续积累有机碳和氮.
 

The carbon and nitrogen storage and distribution patterns of Cupressus chengiana plantation ecosystems with different stand ages in the arid valley of Minjiang River were studied. The results showed that carbon contents in different organs of C. chengiana were relatively stable, while nitrogen contents were closely related to different organs, and soil organic carbon and nitrogen contents increased with the stand age. Carbon and nitrogen storage in vegetation layer, soil layer, and the whole ecosystem of the plantation increased with the stand age. The values of total carbon storage in the 13-, 11-, 8-, 6- and 4year-old C. chengiana plantation ecosystems were 190.90, 165.91, 144.57, 119.44, and 113.49 t·hm-2, and the values of total nitrogen storage were 19.09, 17.97, 13.82, 13.42, and 12.26 t·hm-2, respectively. Most of carbon and nitrogen were stored in the 0-60 cm soil layer in the plantation ecosystems and occupied 92.8% and 98.8%, respectively, and the amounts of carbon and nitrogen stored in the top 0-20 cm soil layer, accounted for 54.4% and 48.9% of those in the 0-60 cm soil layer, respectively. Difference in distribution of carbon and nitrogen storage was observed in the vegetation layer. The percentage of carbon storage in tree layer (3.7%) were higher than that in understory vegetation (3.5%), while the percentage of nitrogen storage in tree layer (0.5%) was lower than that in understory (0.7%). The carbon and nitrogen storage and distribution patterns in the plantations varied obviously with the stand age, and the plantation ecosystems at these age stages could accumulate organic carbon and nitrogen continuously.


全 文 :岷江干旱河谷区岷江柏人工林碳氮储量
随林龄的动态∗
罗  达1  冯秋红2  史作民1∗∗  李东胜3  杨昌旭4  刘千里5  何建社5
( 1中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 /国家林业局森林生态环境重点实验室, 北京 100091; 2四川省林业科学
研究院,成都 610081; 3河北省林业调查规划设计院,石家庄 050051; 4四川省阿坝州理县林业局,四川理县 623100; 5阿坝州
林业科学研究所, 四川汶川 623000)
摘  要  研究了岷江干旱河谷区不同林龄岷江柏人工林生态系统碳氮储量及其分配特征.结
果表明:岷江柏不同器官的碳含量相对稳定,氮含量则与器官类型密切相关,而土壤有机碳和
氮含量均随着人工林林龄的增长而增加.岷江柏人工林植被层、土壤层以及生态系统的碳氮
储量随着林龄的增长总体呈增加趋势.13、11、8、6 和 4 年生岷江柏人工林生态系统总碳储量
分别为 190.90、165.91、144.57、119.44和 113.49 t·hm-2,总氮储量分别为 19.09、17.97、13.82、
13.42和 12.26 t·hm-2 .岷江柏人工林生态系统碳氮大部分储存于 0~60 cm土层,分别占生态
系统总储量的 92.8%和 98.8%,且主要集中于 0 ~ 20 cm 土层,5 个林龄平均碳氮储量分别为
74.13和 7.40 t·hm-2,分别占其平均土壤总碳氮储量(0~60 cm)的 54.4%和 48.9%.植被层有
机碳和氮储量的分配不同,碳储量在乔木层(3.7%)的分配高于林下植被层(3.5%),而氮储量
在乔木层(0.5%)的分配低于林下植被层(0.7%) .不同林龄岷江柏人工林碳氮储量及其空间
分布变化明显,且在此年龄段内,岷江柏人工林生态系统能够持续积累有机碳和氮.
关键词  碳氮储量; 林龄动态; 岷江柏人工林; 干旱河谷
∗“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD22B0102)和中国科学院碳专项(XDA05060100)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: shizm@ caf.ac.cn
2014⁃03⁃14收稿,2014⁃08⁃21接受.
文章编号  1001-9332(2015)04-1099-07  中图分类号  S718.5  文献标识码  A
Dynamics of carbon and nitrogen storage of Cupressus chengiana plantations in the arid val⁃
ley of Minjiang River, Southwest China. LUO Da1, FENG Qiu⁃hong2, SHI Zuo⁃min1, LI Dong⁃
sheng3, YANG Chang⁃xu4, LIU Qian⁃li5, HE Jian⁃she5 ( 1Key Laboratory of Forest Ecology and
Environmental Sciences of State Forestry Administration, Institute of Forest Ecology, Environment and
Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2Sichuan Academy of Forestry,
Chengdu 610081, China;3Hebei Province Forestry Inventory Planning and Design Institute, Shiji⁃
azhuang 050051, China; 4Sichuan Province Lixian Forestry Bureau, Lixian 623100, Sichuan, Chi⁃
na; 5Aba Institute of Forestry Science, Wenchuan 623000, Sichuan, China) .⁃Chin. J. Appl. Ecol.,
2015, 26(4): 1099-1105.
Abstract: The carbon and nitrogen storage and distribution patterns of Cupressus chengiana planta⁃
tion ecosystems with different stand ages in the arid valley of Minjiang River were studied. The re⁃
sults showed that carbon contents in different organs of C. chengiana were relatively stable, while
nitrogen contents were closely related to different organs, and soil organic carbon and nitrogen con⁃
tents increased with the stand age. Carbon and nitrogen storage in vegetation layer, soil layer, and
the whole ecosystem of the plantation increased with the stand age. The values of total carbon storage
in the 13⁃, 11⁃, 8⁃, 6⁃ and 4⁃year⁃old C. chengiana plantation ecosystems were 190.90, 165.91,
144.57, 119.44, and 113.49 t·hm-2, and the values of total nitrogen storage were 19.09, 17.97,
13.82, 13.42, and 12.26 t·hm-2, respectively. Most of carbon and nitrogen were stored in the 0-
60 cm soil layer in the plantation ecosystems and occupied 92.8% and 98.8%, respectively, and
the amounts of carbon and nitrogen stored in the top 0-20 cm soil layer, accounted for 54.4% and
48.9% of those in the 0-60 cm soil layer, respectively. Difference in distribution of carbon and ni⁃
trogen storage was observed in the vegetation layer. The percentage of carbon storage in tree layer
应 用 生 态 学 报  2015年 4月  第 26卷  第 4期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2015, 26(4): 1099-1105
(3.7%) were higher than that in understory vegetation (3.5%), while the percentage of nitrogen
storage in tree layer (0.5%) was lower than that in understory (0.7%). The carbon and nitrogen
storage and distribution patterns in the plantations varied obviously with the stand age, and the plan⁃
tation ecosystems at these age stages could accumulate organic carbon and nitrogen continuously.
Key words: carbon and nitrogen storage; age dynamics; Cupressus chengiana plantation; arid valley.
    岷江干旱河谷是我国西南林区中一类较特殊的
山地生态系统.在自然地理因素和人类活动的共同
驱动下,该区存在着许多严重的生态环境问题,其
中,森林植被的不断退化、河流径流量逐年减少、水
土流失加剧、地质灾害频繁、干旱河谷进一步扩大等
问题尤为突出[1-2] .
为促进干旱河谷区生态恢复与重建,提高植被
覆盖率和生态功能,目前已在造林技术选择、目的树
种筛选、整地方式、经营管理措施等方面做了大量工
作[3-5] .岷江柏 (Cupressus chengiana)因其耐寒、耐
旱、根深等生物学特性,能适应干旱贫瘠的恶劣环
境,其具有良好的水土保持和水源涵养功能,造林成
活率高,是高山峡谷地区干旱河谷段水土保持和荒
山造林的重要树种之一[6] .20 世纪 90 年代,川西地
区的基层林业部门对岷江柏进行了人工育苗,并将
岷江柏广泛用于干旱河谷区造林.近年来,有关干旱
河谷区岷江柏造林后的恢复效果评价已开展一些研
究[3,7-9]。 然而,仍缺乏有关岷江柏人工林生态系统
碳氮储量的研究.为此,本文以干旱河谷区具有相似
立地条件与管护措施不同林龄的岷江柏人工林为对
象,研究岷江柏人工林植被、土壤和人工林生态系统
碳氮储量的林龄动态及其分配特点,以期深入认识
该地区岷江柏人工林的碳氮储存功能,为岷江柏人
工造林后的生态恢复效果评价提供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究区位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县甘
堡乡熊耳山林区 ( 102° 32′ 46″—103° 30′ 30″ N,
30°54′43″—31°12′12″ E),极端高温 37 ℃,极端低
温-19 ℃,年均温 12 ℃,年均降水量 584 mm,年均
蒸发量 1399 mm.土壤以旱生灌木草丛植被下发育
的山地燥褐土为主.该区自 2000 年以来逐年分块营
建岷江柏人工林,造林时岷江柏苗木年龄均为 2 a,
造林地立地条件基本一致,造林方法相同.该区造林
地林下植被具有干旱河谷的特性,以灌丛为优势群
落,主要以川甘亚菊 ( Ajania potaninii)、光果莸
(Caryopteris tangutica)、白刺花(Sorphora davidi)、小
叶杭子梢 (Campylotropis wilsonii)、小马鞍羊蹄甲
(Bauhinia faberi var. microphylla)和刺旋花(Convol⁃
rulus tragacanthoides)等物种为主.
1􀆰 2  研究方法
1􀆰 2􀆰 1试验设计  2013年 10月选择该区 13、11、8、6
和 4 年生岷江柏人工林为研究对象(表 1).在每个
岷江柏人工林内设置 5 块大小为 20 m×20 m 的固
定样地.在每个样地内按对角线方向设置 5 个 2 m×
2 m小样方用于林下灌木生物量的调查,再设置 5
个 1 m×1 m草本生物量样方.由于岷江柏枝叶寿命
较长,短期的岷江柏人工造林地林下凋落物现存量
极低,因而未调查凋落物的碳氮储量.
1􀆰 2􀆰 2乔木、灌木和草本生物量测定   对各样地内
岷江柏进行每木检尺,在样地外按径级各选取 26 株
标准木进行生物量测定.标准木伐倒后,地上部分按
不同器官测定树叶、树枝、树干鲜质量,地下部分采
用“全挖法”测定树根生物量.同时,按不同器官采集
伐倒木的分析样品,于 80 ℃下烘干至恒量,测定含
水率并按器官计算干质量.根据标准木的各器官干
质量实测数据,建立不同年龄岷江柏各器官生物量
方程.采用收获法实测样方中灌木和草本地上、地下
部质量,混合烘干计算干质量.
1􀆰 2􀆰 3样品采集与碳氮含量分析  每个 20 m×20 m
样地内随机选取 5 个土壤剖面,沿剖面按 0 ~ 10、
10~20、20~40 和 40 ~ 60 cm 将土壤分为 4 层,采用
100 cm3环刀取样,105 ℃下烘干至恒量测定各层土
壤容重.取各层土壤混合样去除根系与粗石,风干、
磨碎过100目筛;各组分植物混合样于80 ℃下烘
表 1  岷江柏人工林林分基本情况
Table 1  General information of Cupressus chengiana plan⁃
tation stands
林龄
Stand age
树高
Height
(m)
基径
Basal
diameter
(cm)
密度
Density
(trees·hm-2)
海拔
Altitude
(m)
灌草盖度
Understory
coverage
(%)
13 3.69±0.69 7.19±1.54 2500 2380 85
11 3.37±0.67 6.30±1.63 2500 2300 75
8 1.51±0.40 2.95±0.71 2250 2425 80
6 0.85±0.41 1.55±0.69 2250 2364 90
4 0.57±0.23 1.22±0.45 2250 2304 90
0011 应  用  生  态  学  报                                      26卷
干、粉碎过 60目筛.
所有土壤和植物样品的有机碳含量均采用重铬
酸钾氧化外加热法,全氮含量采用凯氏定氮法测
定[9] .
1􀆰 2􀆰 4碳氮储量计算  植被层各组分(包括乔木、灌
木和草本)碳氮储量由各自碳氮含量与干质量之积
计算.
土壤有机碳和氮储量计算公式如下[10]:
TC =C iLiBDi×0.1
TN =NiLiBDi×0.1
式中:TC和 TN分别为第 i 层土壤有机碳和氮储量
(t·hm-2);C i和 Ni分别为第 i层土壤有机碳和氮含
量(g·kg-1);Li为第 i 层土壤厚度(cm);BDi为第 i
层土壤容重(g·cm-3);0.1为单位转换系数.
人工林生态系统碳氮储量为植被层各组分与土
壤各层碳氮储量之和.
1􀆰 3  数据处理
采用 SPSS 16.0软件进行数据统计分析.采用单
因素方差分析(one⁃way ANOVA)检验不同林龄岷江
柏人工林各层次碳氮含量和储量间的差异性,并用
最小显著差异法(LSD)进行多重比较(α = 0.05).表
中数据为平均值±标准差.
2  结果与分析
2􀆰 1  不同林龄岷江柏人工林植被层碳氮含量
从表 2 可以看出,岷江柏不同器官碳含量为
472.19~ 531.15 g·kg-1 .岷江柏树叶碳氮含量分别
为 531.15 和 12.44 g·kg-1,均显著高于树枝和树
干,树干碳氮含量均最低,分别为 472. 19 和 2. 80
g·kg-1;灌木地上部分碳氮含量显著高于地下部分;
草本地上部分碳含量显著高于地下部分.植被层中,
乔木(岷江柏)器官的平均碳含量为 500.49 g·kg-1,
高于灌木(464.40 g·kg-1)和草本(406.64 g·kg-1);
灌木器官的平均氮含量最高,乔木最低.
2􀆰 2  不同林龄岷江柏人工林植被层碳氮储量
由表 3可以看出,随着人工林林龄的增长,植被
层总有机碳和氮储量增加,特别是岷江柏从林龄 8
年生到 11年生间碳储量急剧升高.13年生岷江柏人
工林植被层碳氮储量分别为 21.66 和 0.34 t·hm-2,
显著高于11年生人工林 (分别为16 􀆰 5 3和0􀆰 23
表 2  岷江柏人工林植被各组分碳氮含量
Table 2  Carbon and nitrogen contents in different components of Cupressus chengiana plantations (g·kg-1)
组分
Component
岷江柏 Cupressus chengiana
碳含量
C content
氮含量
N content
灌木 Shrub
碳含量
C content
氮含量
N content
草本 Herb
碳含量
C content
氮含量
N content
叶 Leaf 531.15±9.80a 12.44±0.29a
枝 Branch 486.62±13.88bc 4.44±0.56b
干 Trunk 472.19±16.47c 2.80±0.15c
根 Root 512.00±14.49ab 3.95±0.28b
地上部 Aboveground 498.64±2.54a 12.29±0.22a 455.04±10.14a 7.27±0.30a
地下部 Underground 430.16±8.69b 10.89±0.67b 358.25±12.38b 6.83±0.31a
同列不同字母表示组分间差异显著(P<0.05)Different letters in the same column indicated significant differences among different components at 0.05
level.
表 3  不同林龄岷江柏人工林植被层碳氮储量
Table 3  Vegetation carbon and nitrogen storage of Cupressus chengiana plantations with different stand ages ( t·hm-2)
项目
Item
组分
Component
林龄 Stand age
13 11 8 6 4
碳储量 叶 Leaf 3.910±0.072a 3.644±0.067b 0.252±0.005c 0.164±0.003d 0.092±0.002d
C storage 枝 Branch 1.450±0.041a 1.323±0.038b 0.108±0.003c 0.026±0.001d 0.016±0.000d
干 Trunk 5.286±0.184a 4.755±0.166b 0.159±0.006c 0.031±0.001c 0.021±0.001c
根 Root 3.366±0.095a 3.033±0.086b 0.175±0.005c 0.090±0.003cd 0.034±0.001d
林下植被 Understory 7.650±0.442a 3.775±0.233b 4.871±0.289c 4.767±0.285c 4.416±0.223c
氮储量 叶 Leaf 0.0916±0.002a 0.0854±0.002b 0.0059±0.000c 0.0038±0.000cd 0.0022±0.000d
N storage 枝 Branch 0.0132±0.002a 0.0121±0.002a 0.0010±0.000b 0.0002±0.000b 0.0001±0.000b
干 Trunk 0.0313±0.002a 0.0282±0.002a 0.0009±0.000b 0.0002±0.000b 0.0001±0.000b
根 Root 0.0260±0.002a 0.0234±0.002a 0.0014±0.000b 0.0007±0.000b 0.0003±0.000b
林下植被 Understory 0.1737±0.004a 0.0840±0.002b 0.0956±0.001c 0.0974±0.002c 0.0879±0.001b
同行不同字母表示差异显著(P<0.05)Different letters in the same row indicated significant differences at 0.05 level. 下同 The same below.
10114期                    罗  达等: 岷江干旱河谷区岷江柏人工林碳氮储量随林龄的动态           
t·hm-2),二者均显著高于其他 3个林龄人工林.
乔木层各器官碳氮储量的变化与植被层总碳氮
储量的变化相似,随着人工林林龄的增长而增加.8、
6和 4年生岷江柏人工林乔木各器官碳氮储量均显
著低于 13和 11年生人工林.8年生岷江柏人工林林
下植被碳氮储量最低,分别为 3.78和 0.08 t·hm-2,
13年生最高,分别为 7.65和 0.17 t·hm-2 .
13和 11年生岷江柏人工林植被层碳储量主要
集中在乔木层,平均占植被层总碳储量的 64.7%,林
下植被占 35.3%.8、6和 4年生岷江柏人工林植被层
碳储量主要集中在林下植被层,平均占植被层总碳
储量的 92.6%,乔木仅占 7.4%.乔木各器官中,树干
作为主体部分,平均碳储量占乔木层碳储量的
37􀆰 5%,其次为树叶(28.2%)和树根(23.9%),树枝
最少(10.4%).随着人工林林龄的增长,氮在林下植
被层中的分配下降,在乔木层中的分配升高.乔木层
各器官氮储量的分布与碳储量不同,树叶占主要部
分,占乔木层氮储量的 56. 5% ~ 80. 3%,树枝最低
(4.8%~10.7%).
2􀆰 3  不同林龄岷江柏人工林土壤层碳氮含量
由表 4 可以看出,土壤各层有机碳和氮含量均
随着岷江柏人工林林龄的增长而增加.13和 11年生
岷江柏人工林土壤各层碳氮含量差异不显著,但均
显著高于 6 和 4 年生岷江柏人工林土壤各层碳氮
含量.
5个林龄的岷江柏人工林 0~10 cm表层土壤碳
氮含量均最高,平均分别为 42.26 和 4.11 g·kg-1,
显著高于其他各层,并随土层深度增加显著降低.
2􀆰 4  不同林龄岷江柏人工林土壤层碳氮储量
由表 5 可以看出,随着岷江柏人工林林龄的增
长,0~60 cm 土壤总碳氮储量呈增加趋势.其中,13
年生岷江柏人工林 0 ~ 60 cm 土壤总有机碳和氮储
量分别为 169.24 和 18.76 t·hm-2,高于 11 年生岷
江柏人工林(分别为 149.37和 17.73 t·hm-2),并显
著高于其他 3个林龄的人工林.13 年生岷江柏人工
林土壤各层碳储量显著高于 6和 4年生岷江柏人工
林,各层氮储量显著高于 8、6和 4年生人工林.
不同林龄岷江柏人工林土壤碳氮储量均随土层
深度增加而降低.土壤有机碳和氮储量主要集中于
0~20 cm土层,5个林龄的岷江柏人工林 0~20 cm土
层平均碳氮储量分别为 74.13和 7.40 t·hm-2,分别占
0~60 cm土层土壤总碳氮储量的 54.4%和 48.9%.
2􀆰 5  不同林龄岷江柏人工林生态系统碳氮储量
由表3和表5计算得出,不同林龄岷江柏人工
表 4  不同林龄岷江柏人工林土壤碳氮含量
Table 4  Soil carbon and nitrogen contents of Cupressus chengiana plantations with different stand ages (g·kg-1)
项目
Item
深度
Depth (cm)
林龄 Stand age
13 11 8 6 4
碳含量 0~10 47.99±4.47a 45.36±1.54a 46.59±2.23a 38.50±1.87b 32.85±1.99c
C content 10~20 36.45±2.32a 35.17±2.80a 32.58±2.48ab 28.35±1.39bc 27.54±3.96c
20~40 23.93±3.26a 20.49±2.07a 23.64±1.70a 12.66±1.70b 9.23±1.17c
40~60 10.55±1.52a 10.55±1.52a 8.56±0.67a 5.81±1.50b 5.74±1.58b
氮含量 0~10 4.71±0.12a 4.56±0.28a 4.02±0.43b 3.98±0.31b 3.29±0.12c
N content 10~20 3.75±0.31a 3.94±0.15a 3.23±0.26b 2.99±0.18b 2.45±0.34c
20~40 2.69±0.33a 2.76±0.18a 2.25±0.17b 1.79±0.20c 1.29±0.29d
40~60 1.52±0.30a 1.52±0.30a 1.13±0.05ac 0.72±0.25bd 0.76±0.18cd
表 5  不同林龄岷江柏人工林土壤碳氮储量
Table 5  Soil carbon and nitrogen storage of Cupressus chengiana plantations with different stand ages ( t·hm-2)
项目
Item
深度
Depth (cm)
林龄 Stand age
13 11 8 6 4
碳储量 0~10 48.34±4.16a 40.35±2.14b 39.99±3.99b 37.21±3.45b 35.42±4.24b
C storage 10~20 41.32±4.20a 33.81±2.70b 30.48±1.86b 32.92±4.92b 30.81±2.93b
20~40 53.20±5.87a 47.72±3.21a 48.04±3.40a 29.29±4.78b 26.34±4.16b
40~60 26.37±5.02a 27.49±3.02a 20.50±3.40ab 14.94±3.92b 16.35±4.21b
氮储量 0~10 4.78±0.63a 4.05±0.10ab 3.43±0.13b 3.85±0.45b 3.57±0.59b
N storage 10~20 4.25±0.46a 3.79±0.18ab 3.03±0.34bd 3.48±0.65ab 2.77±0.47cd
20~40 5.98±0.47a 6.50±1.04a 4.56±0.21b 4.13±0.48b 3.66±0.86b
40~60 3.74±0.51a 3.40±0.65ab 2.69±0.16bc 1.85±0.65c 2.17±0.51c
2011 应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 6  不同林龄岷江柏人工林生态系统碳氮分布格局
Table 6  Distribution pattern of carbon and nitrogen of Cu⁃
pressus chengiana plantation ecosystems with different stand
ages (%)
项目
Item
林龄
Stand age
组分 Component
乔木
Tree
林下植被
Understory
土壤
Soil
碳分布 13 7.34 4.01 88.65
C distribution 11 7.69 2.28 90.03
8 0.48 3.37 96.15
6 0.26 3.99 95.75
4 0.14 3.89 95.97
氮分布 13 0.85 0.91 98.24
N distribution 11 0.83 0.47 98.70
8 0.07 0.69 99.24
6 0.04 0.72 99.24
4 0.02 0.72 99.26
林生态系统碳氮储量的变化与土壤总碳氮储量的变
化相似,总体随着人工林林龄的增长而增加.13 年
生岷江柏人工林生态系统碳氮储量分别为 190.90
和 19.09 t·hm-2,与 11年生人工林生态系统碳储量
(165.91 t·hm-2)和氮储量(17.97 t·hm-2)差异不
显著,但显著高于 8 年生(分别为 144.57 和 13􀆰 82
t·hm-2)、6年生(分别为 119.44 和 13.42 t·hm-2)
和 4年生(分别为 113.49和 12.26 t·hm-2)人工林.
与 8、6和 4年生人工林相比,13 年生岷江柏人工林
生态系统碳储量分别提高 32.1%、59.8%和 68.2%,
氮储量分别增加 38.1%、42.3%和 55.7%.
由表 6可以看出,不同林龄岷江柏人工林生态系
统碳氮储量主要集中于 0~60 cm土层,分别占生态系
统总碳氮储量的 92.8%和 98.8%.植被层有机碳和氮
储量的分配不同,乔木层碳储量占生态系统总碳储量
的 3.7%,略高于林下植被层(3.5%);而氮储量在乔木
层(0.5%)的分配低于林下植被层(0􀆰 7%).
3  讨    论
岷江柏不同器官碳含量为 472. 19 ~ 531. 15
g·kg-1(表 2),变化幅度不大,表明作为构建植物
器官的必要元素碳具有相对稳定性.而氮含量则与
器官类型密切相关,岷江柏叶的氮含量为 12. 44
g·kg-1,树干仅为 2.80 g·kg-1(表 2),这种差异可
能是因为植物各器官在生长发育过程中执行生理功
能时,对氮的需求和利用存在差异[11] .这与刘增文
等[12]的研究结果一致.乔木各器官平均碳含量为
500.49 g· kg-1,灌木为 464. 40 g· kg-1,草本为
406􀆰 64 g·kg-1(表 2),表明乔木相对于灌木和草本
能更有效地合成并积累有机碳.这与 He 等[13]的研
究结果一致.土壤碳氮含量变化的总体趋势表明,5
个林龄岷江柏人工林土壤各层有机碳和氮含量均随
林龄增长而增加(表 4).由于地理位置、立地条件与
管护措施均相同,林龄是造成这种差异的主要因素.
有研究表明,森林土壤有机质和养分的输入途径主
要有枯落物分解和细根周转两种[14] .本研究中,岷
江柏为常绿乔木树种,枝叶寿命较长,短期的岷江柏
人工造林地凋落物极少[15],不同林龄的植被根系生
物量可能是引起土壤碳氮含量不同的主要原因.林
龄较大的岷江柏根系周转量及分泌物较多,因而具
有更高的碳氮含量.
本研究中,6年生岷江柏人工林 0 ~ 60 cm 土层
和生态系统碳储量分别为 114.36 和 119.44 t·hm-2
(表 3和表 5),分别高于广西罗城地区马尾松(Pi⁃
nus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)和
桉树(Eucalyptus grandis)人工林[16] .8年生岷江柏人
工林乔木层碳储量显著低于江汉平原杨树(Populus
sp.) [17] .5个林龄岷江柏人工林 0 ~ 60 cm 土壤层平
均碳储量为 136.18 t·hm-2(表 5),低于川西亚高山
白桦 (Betula platyphylla)、岷江冷杉 ( Abies faxoni⁃
ana)、白桦与冷杉混交林、方枝柏(Sabina saltuaria)
和紫果云杉(Picea purpurea)5 种森林生态系统土壤
平均碳储量(175.74 t·hm-2) [18],高于广西大青山
马尾松人工林土壤碳储量(123.43 t·hm-2) [19]以及
湖南中南林学院树木园内的樟树 ( Cinnamomum
camphor)人工林土壤碳储量(102.43 t·hm-2) [20] .
不同林龄岷江柏人工林 0 ~ 60 cm 土层土壤平均氮
储量(15.14 t·hm-2)显著高于中国科学院会同森林
生态试验站内 25 年生杉木、火力楠(Michelia mac⁃
clurei)纯林及其混交人工林土壤氮储量[21-22] .这表
明森林生态系统各组分的碳氮储量受诸多因素的综
合影响,如母质层、植被差异、林龄和气候条件
等[23-24] .
不同林龄岷江柏人工林土壤碳氮储量在 0 ~ 60
cm土层均随着土层深度增加而降低,表明土壤深度
对土壤碳氮储量有较大影响.鲜骏仁等[18]对川西亚
高山白桦、岷江冷杉、白桦与冷杉混交林、方枝柏和
紫果云杉 5种森林生态系统碳格局的研究发现,林
地 0~ 20 cm 碳储量占土壤总碳储量(0 ~ 60 cm)的
47.2%;陶玉华等[16]对 4年生马尾松、杉木和桉树人
工林土壤碳储量和 He等[13]对 27年生马尾松、红椎
(Castanopsis hystrix)及其混交人工林土壤碳储量研
究发现,林地 0~20 cm土壤碳储量占土壤总碳储量
(0~60 cm)的 47.1%和 42.4%.本研究表明,不同林
30114期                    罗  达等: 岷江干旱河谷区岷江柏人工林碳氮储量随林龄的动态           
龄岷江柏人工林 0 ~ 20 cm 土壤碳储量占土壤总碳
储量的 54.4%(表 5),高于其他地区的研究结果,这
可能是因为岷江柏为慢生乔木,短期造林后植物根
系未伸入深层土壤,因而上层土壤碳储量占土壤总
碳储量的比例更高.这也表明林地 0 ~ 20 cm 土壤碳
储量在土壤总碳储量中占据主体.
本研究中,11年生岷江柏人工林林下植被碳氮
储量最低(表 3),其原因可能是随着乔木的生长,导
致乔木与林下灌草之间以及林下灌草与灌草之间的
资源竞争加强,因而林下灌草盖度减小(表 1),生物
量和碳氮储量降低.有研究表明,幼龄阶段的桉
树[16]和杨树[17],不同林龄的红椎[25]、格木(Erythro⁃
phleum fordii) [26]和刺槐(Robinia pseudoacacia) [27],
以及 7~ 41 年生长白落叶松(Larix olgensis) [28]人工
林乔木层、土壤层和生态系统碳储量均随着林龄增
长而持续增加.本研究表明,植被层、土壤层碳氮储
量和生态系统总碳氮储量均随人工林林龄的增长呈
增加趋势(表 3 和表 5),表明 4 ~ 13 年生岷江柏人
工林生态系统能够持续地积累有机碳和氮.随着林
龄的增长,植被层生物量的增加会不断积累有机碳
和氮,加上较大的林下枯落物和细根分解量,以及较
高的土壤微生物生物量碳氮和各菌群磷脂脂肪酸量
(如 13 年生岷江柏人工林土壤微生物生物量碳氮
及各菌群磷脂脂肪酸量均显著高于 4 年生人工
林[7]),使得土壤有机碳和氮持续增加,因而生态系
统总碳氮储量随林龄的增长而增加.
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作者简介  罗  达,男,1984 年生,博士研究生.主要从事森
林土壤碳氮循环研究. E⁃mail: luoda2010@ 163.com
责任编辑  孙  菊
50114期                    罗  达等: 岷江干旱河谷区岷江柏人工林碳氮储量随林龄的动态