杉木米老排混交林與杉木純林土壤碳氮庫比較

童聿娟

(福建省建陽范橋國有林場， 福建 建陽 354204)

1 引言

隨著人類經濟的發展，二氧化碳等溫室氣體的濃度持續增加，導致全球氣溫升高，氣候異常，已威脅到人類的生存。森林是地球陸地生態系統的主體，而森林土壤碳庫則是森林生態系統中的最大碳庫，在維護和改善全球碳平衡中起著重要作用。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中國南方林區主栽樹種，長期以來多代純林經營引起的地力衰退、生產力下降等生態問題日趨嚴峻，嚴重影響人工林的可持續經營。營造杉木與闊葉樹混交林是改善土壤肥力、提高林地生產力的有效途徑之一。

米老排(Mytilarialaosensis)，別名“殼菜果”，是原產于我國南亞熱帶的速生常綠闊葉樹種[1]。米老排在中亞熱帶的引種栽培已取得良好效果，前人對米老排純林的人工林生長量[1～5]、，碳庫[6～8]、營養元素積累與分配[9]、土壤理化性質[10]、土壤呼吸[11]、木材性質[12]等方面進行過研究，但對杉木米老排混交林的研究不多，僅有不同坡位混交林生長量[13]、營養元素積累與分配[14]、水源涵養功能[15～17]等方面，而混交林的土壤碳氮儲量研究未見報道。本文于2016年12月對福建省建陽范橋林場于1997年春營造的20年生不同坡位杉木米老排混交林和杉木純林試驗林的土壤碳氮庫進行比較研究，為混交林的科學經營提供基礎數據。

2 研究區概況

試驗地位于福建省建陽范橋國有林場，屬武夷山脈低山丘陵地帶，海拔300～400 m，氣候屬于亞熱帶海洋性季風氣候，年均氣溫18.2 ℃，年均降水量1780 mm，年均無霜期322 d。試驗地土壤為花崗巖發育的山地紅壤，以II類地為主。1997年春季營造杉木米老排混交林(1∶1行間混交)和杉木純林試驗林，初植密度均為2500株/hm2。混交林和純林種植在一個較長的平直面坡的兩邊，以便對比觀測。造林后按照常規的幼林撫育方式連續撫育3年，每年2次(5月和10月)除草；造林后10年進行一次間伐，株數強度約為28%，采用下層撫育法，疏伐掉生長不良的被壓木。試驗林造林后20年的生長狀況見表1。

表1 杉木米老排混交林與杉木純林生長狀況

3 研究方法

3.1 標準地設置與林分調查

分別在上、中、下3個不同的坡位的混交林和臨近的杉木林中各設置1個面積為400 m2(20 m×20 m)的標準地，同一坡位的2個標準地的海拔高度一致，共設置6個標準地。對標準地內的所有喬木樹種進行胸徑和樹高每木調查，采用斷面積加權算法計算出各樹種的平均胸徑與平均樹高。

3.2 枯枝落葉層生物量測定與取樣

在每個標準地內隨機設置5個1 m×1 m的小樣方，用大號塑料袋收集小樣方內的全部枯枝落葉，用電子稱現場測定鮮重，每個小樣方取3份枯枝落葉樣品(約100 g，枯枝和枯葉等成分的比例與地面一致)裝入已編號的自封袋中，帶回室內測定樣品鮮重后，置于80℃恒溫干燥箱中烘干至恒重，計算出含水量，再用含水量和各樣方枯枝落葉總鮮重計算枯枝落葉層生物量，烘干的植物樣品粉碎后過0.25 mm篩，存于試劑瓶中備用。

3.3 土壤調查與取樣

在每個標準地內分別挖掘5個土壤剖面，按0～10、10～20、20～40和40～60 cm土層，用100 cm3環刀取原狀土樣，蓋上上下蓋，用透明膠帶紙固定，貼上寫好樣品號的標簽，帶回室內測定土壤容重和含水量[18]。同時取上述土層的土壤化學分析樣品。同一標準地同一土壤層次的5份化學分析樣品等量混合成1份樣品(約300 g)，分別裝入寫好標記的自封袋中，帶回室內風干后，研磨全部通過2 mm篩，存于試劑瓶中備用。從過2 mm篩的土樣中再取出約30 g樣品，研磨后全部通過0.149 mm篩，用于測定土壤碳氮。

3.4 植株與土壤樣品碳氮含量測定

采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定植株與土壤全碳含量，采用凱氏定氮法測定植株與土壤全氮含量[18]。枯枝落葉層碳氮儲量為全碳全氮含量乘以總生物量。各土層土壤全碳、全氮儲量采用以下公式計算[18～20]：

(1)

(2)

式中，TC和TN分別為n個土層土壤全碳和全氮儲量之和(t/hm2)，Ci和Ni分別為第i個土層土壤全碳和全氮含量(g/kg)，Li為第i個土層的厚度(cm)，BDi為第i個土層土壤容重(g/cm3)。

3.5 數據處理

采用雙因素方差分析和多重比較(LSD法)的方法分析不同林分類型和坡位土壤碳氮庫的差異顯著性，數據處理借助Microsoft Excel和SPSS17.0統計分析軟件。

4 結果與分析

4.1 枯枝落葉層碳氮儲量

枯枝落葉是土壤有機質和碳氮庫的主要來源之一。不同坡位混交林和杉木純林的枯枝落葉層生物量、碳氮含量和碳儲量見表2。從表2可見，混交林枯枝落葉層生物量在上坡、中坡和下坡分別為4.66 t/hm2、5.78 t/hm2和7.73 t/hm2，分別比杉木純林高71.96%、77.85%和69.15%。兩種林分枯枝落葉層生物量均隨坡位的降低而增高。

混交林枯枝落葉層碳含量介于451.6～454.6 g/kg之間，略低于杉木純林(461.7～464.4 g/kg)，但氮含量(8.67～9.93 g/kg)略高于杉木純林(7.99～9.18 g/kg)。

混交林枯枝落葉層碳儲量在上坡、中坡和下坡分別為2104.46 kg/hm2、2611.98 kg/hm2和3514.06 kg/hm2，分別比杉木純林高67.50%、73.06%和66.55%。混交林枯枝落葉層氮儲量在上坡、中坡和下坡分別為40.40 kg/hm2、57.40 kg/hm2和76.37 kg/hm2，分別比杉木純林高86.61%、114.10%和82.05%。兩種林分枯枝落葉層碳氮儲量均隨坡位的降低而增高。

表2 杉木米老排混交林與杉木純林枯枝落葉層生物量、碳氮含量和碳氮儲量

為了定量評價坡位和林分類型這2個因素對枯枝落葉層碳氮儲量的影響程度，進行雙因素方差分析，結果如表3所示。兩個因素枯枝落葉層碳儲量的極差(最大值-最小值)，坡位因素為1131.60 kg/hm2，林分類型因素為1118.29 kg/hm2；兩個因素枯枝落葉層氮儲量的極差，坡位因素(28.13 kg/hm2)>林分類型因素(27.92 kg/hm2)，說明坡位因素對枯枝落葉層碳氮儲量的影響程度比林分類型略大(表3)。

多重比較結果表明，混交林枯枝落葉層碳和氮儲量3個坡位的平均值(2743.50 kg/hm2和58.06 kg/hm2)均顯著高于杉木純林(1625.21 kg/hm2和30.14 kg/hm2)(p<0.05)；下坡位2個林分類型枯枝落葉層碳和氮儲量平均值(2812.01 kg/hm2和59.16 kg/hm2)均顯著高于上坡位(1680.41 kg/hm2和31.03 kg/hm2)(p<0.05)，其余兩兩坡位之間的差異未達顯著水平。

表3 不同坡位和林分類型枯枝落葉層碳氮儲量平均值及其雙因素方差分析與多重比較結果

注：同一行同一因素數值后面未出現相同字母者表明差異顯著(p<0.05)(下同),a、b表示數據排列的符號(下同)

4.2 土壤碳氮儲量

不同坡位、不同土層混交林和杉木純林土壤容重和碳氮含量見表4。從表4可見，混交林和杉木純林土壤碳含量和氮含量具有明顯的垂直分布特點，均隨土層深度的加深而降低，而土壤容重則隨土層深度的加深而增加。表層土壤碳氮含量最高，而容重最低。

3個坡位混交林土壤各層次土壤碳氮含量均高于杉木純林，而土壤容重均低于杉木純林。兩種林分土壤各層次土壤碳氮含量均隨坡位的降低而增高，而容重則隨著坡位的降低而降低。

表4 杉木米老排混交林與杉木純林土壤不同層次容重和碳氮含量

與杉木純林相比，混交林土壤各坡位、各層次均具有較高的氮含量和較低的碳氮比值(表5)，這可能與米老排枯枝落葉數量大、含氮量高有關。土壤碳氮比低表明土壤氮礦化能力強，微生物活動比較活躍。

混交林0～60 cm土層土壤碳儲量在上坡、中坡和下坡分別為57.87 t/hm2、75.56 t/hm2和80.94 t/hm2，分別比杉木純林高16.42%、26.59%和19.57%(表5)。混交林0～60 cm土層土壤氮儲量在上坡、中坡和下坡分別為5.14 t/hm2、5.93 t/hm2和6.51 t/hm2，分別比杉木純林高23.67%、37.44%和21.73%(表5)。兩種林分0～60 cm土層土壤碳氮儲量均隨坡位的降低而增高。

表5 杉木米老排混交林與杉木純林土壤不同層次碳氮比、碳和氮儲量

雙因素方差分析結果表明，坡位和林分類型兩個因素0～60 cm土層土壤碳儲量的極差，坡位因素(20.53 t/hm2)>林分類型因素(12.43 t/hm2)，說明坡位因素對0～60 cm土層土壤碳儲量的影響程度比林分類型因素大；兩個因素0～60 cm土層土壤氮儲量的極差，坡位因素(1.28 t/hm2)略高于林分類型因素(1.26 t/hm2)，說明坡位因素對0～60 cm土層土壤氮儲量的影響程度與林分類型因素接近(表6)。

多重比較結果表明，混交林0～60 cm土層土壤碳和氮儲量3個坡位的平均值(71.46 t/hm2和5.86 t/hm2)均顯著高于杉木純林(59.03 t/hm2和4.60 t/hm2)(p<0.05)；下坡位2個林分類型0～60 cm土層土壤碳和氮儲量平均值(74.32 t/hm2和5.93 t/hm2)均顯著高于上坡位(53.79 t/hm2和4.65 t/hm2)(p<0.05)，其余兩兩坡位之間的差異未達顯著水平。

表6 不同坡位和林分類型土壤碳氮儲量平均值及其雙因素方差分析與多重比較結果

5 結論與討論

福建省建陽范橋林場不同坡位20年生杉木米老排混交林和杉木純林土壤碳氮庫的研究結果如下。

(1)杉木米老排混交林土壤碳氮儲量顯著高于杉木純林。杉木人工林枯枝落葉數量少，枯死的枝葉具有宿存在樹冠一段時間才脫落的特性，枯枝落葉氮素等養分含量低，分解緩慢，枯死細根數量也少，導致養分歸還林地較少，而混交林中的米老排枝葉繁茂，枝葉凋落物數量大，根系發達，尤其是表層土壤細根生物量大，枯死的細根歸還量大，凋落物氮素等養分含量高，分解速度快，有利于提高土壤的碳氮等養分循環速度和養分含量，從而提高土壤碳氮含量，增加土壤碳氮儲量。

(2)混交林0～60 cm土層土壤碳儲量在上坡、中坡和下坡分別為57.87 t/hm2、75.56 t/hm2和80.94 t/hm2，分別比杉木純林高16.42%、26.59%和19.57%。混交林0～60 cm土層土壤氮儲量在上坡、中坡和下坡分別為5.14 t/hm2、5.93 t/hm2和6.51 t/hm2，分別比杉木純林高23.67%、37.44%和21.73%。坡位也是影響森林碳氮儲量的重要因素。兩種林分0～60 cm土層土壤碳氮儲量均隨坡位的降低而增高。坡位因素對0～60 cm土層土壤碳儲量的影響程度比林分類型因素大，而坡位因素對0～60 cm土層土壤氮儲量的影響程度與林分類型因素接近。

(3)與南亞熱帶原產地米老排人工林相比，本研究中下坡位杉木米老排混交林0-60 cm土層土壤碳儲量(62.83 t/hm2)低于廣西憑祥20年生米老排人工林(136.40 t/hm2)[6]、廣西寧明34年生米老排人工林(99.52 t/hm2)[7]相同土層土壤碳儲量、低于廣西憑祥28年生米老排人工林0～50 cm土層土壤碳儲量(87.05 t/hm2)[8]。本研究的混交林0～40 cm土層土壤碳儲量在上坡位(45.46 t/hm2)低于，但在中坡位(57.29 t/hm2)和下坡位高于福建南平10年生杉木火力楠混交林(53.25 t/hm2)和杉木純林(50.11 t/hm2)相同土層土壤碳儲量[20]。森林碳氮儲量除了與樹種生物學特征有關外，還與氣候、地形、土壤本底條件和人為經營措施等條件有關。

(4)在混交林經營過程中，要注意調節種間關系。米老排在下坡位等較好的立地條件下，樹冠較大，競爭能力強于杉木，在中齡階段，種間競爭劇烈，杉木往往出現被壓情況，應及時間伐，以緩解樹種間的競爭。