冰雪灾害对粤北杉木林树干残体的影响

列志旸 ，李 洁 ，许建新 ,2，侯晓丽 ，薛 立 ，曾曙才

(1. 华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2. 深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040)

冰雪灾害对粤北杉木林树干残体的影响

列志旸1，李 洁1，许建新1,2，侯晓丽1，薛 立1，曾曙才1

(1. 华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2. 深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040)

2008年1～2月严重的冰雪灾害袭击了广东粤北地区，导致杉木林产生大量的折干残体，增加林地的碳和养分输入。折干残体中的难分解物质直接影响生态系统的碳和养分循环，然而还不了解冰雪灾害后杉木林折干残体的储量和养分动态规律。分析了粤北冰雪灾害后的杉木林折干残体的储量和养分动态，结果表明：从2008年到 2011 年，折干残体的质量从 6.86 t·hm-2减少到 6.11 t·hm-2，N 含量从 1.99 g·kg-1增加到 2.33 g·kg-1，P 含量从 0.19 g·kg-1增加 0.23 g·kg-1，而 K 含量从 0.88 g·kg-1下降到 0.75 g·kg-1。折干残体 N 累积量从 13.65 kg·hm-2增加到 14.22 kg·hm-2，P 累积量从 1.30 kg·hm-2增加到 1.40 kg·hm-2，而 K 累积量从 6.04 kg·hm-2减少到 4.58 kg·hm-2。折干残体缓慢的分解特点对于碳的储存有重要作用。

杉木；冰雪灾害；储量；养分；折干残体

冰雪灾害是一种常见的自然灾害，在我国东北时有发生。但是，2008年1～2月我国南方地区发生了50 a来最大的冰雪灾害, 造成19个省区森林受灾面积达0.209×108hm2，对森林生态系统造成严重的损害[1]。冰雪灾害造成大量树木折断，形成林冠残体，其中的折干为木质残体,是构成森林地表有机物的主要组成部分,影响森林碳贮量和养分循环[2]。国外对粗木质残体（CWD） 的研究主要集中在欧洲温带针叶林，如欧洲山毛榉Fagus sylvatica[3-4]、雪岭云杉 Picea sitchensis[5]、黑云杉black Picea mariana[6]、欧洲赤松 Pinus sylvestris[7]、美洲温带针阔混交林[8]和阔叶林[9-10]、地中海松树林[11]、桉树Eucalypt[12]和新西兰辐射松 Pinus radiate[13-14]以及澳大利亚的热带雨林[15]。我国的森林木质残体的研究主要集中在温带和亚热带地区的天然林中，如大兴安岭兴安落叶松林[16]、小兴安岭阔叶红松林[17-18]、长白山暗针叶林[19]和红松林[20]、西藏原始冷杉林[21]、武夷山格氏栲林[22]、哀牢山中山湿性常绿阔叶林[23]、西双版纳热带季节雨林[24]、大明山常绿阔叶林[25]以及鼎湖山季风常绿阔叶林[26-27]等森林类型，而对占到我国森林面积32 %的人工林却鲜有报道[28]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我国重要的速生和商业用材树种之一, 广泛分布于我国南方17 个省区,其面积约占我国人工林面积的24%, 因而受到广泛的关注[29-30]。2008年的冰雪灾害严重破坏了杉木林[31]，大量树冠折断后覆盖于林地,其中折干残体占较大比例[32]。尽管有少量冰雪灾害对杉木林冠影响的研究[31-35]，尚未见到冰雪灾害后杉木残干的储量和养分动态的报道。本研究以一个受严重冰雪灾害的粤北杉木人工林为研究对象，探讨其折干残体贮量及养分动态特征，可以为灾后杉木人工林木质残体的动态变化规律的研究和杉木人工林的恢复提供数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地为于广东省北部的乐昌市乐昌林场, 属中亚热带季风气候,年平均降水量2 522.3 mm，年平均蒸发量1 417.9 mm。年平均温度19.6 ℃，7月平均气温28.2 ℃，极端高温38.4 ℃，1月平均气温9.3 ℃，极端低温-4.6 ℃，无霜期270 d；相对湿度70%～84%。土壤为花岗岩发育成的中厚腐殖质层厚土层山地黄红壤。

2008年3月在冰雪灾害后的杉木人工林内建立3个面积为20 m×20 m的固定标准地。试验林地处西南坡，坡度约30 °，海拔约为700 m。试验林的林龄为17 a，密度为1 667株/hm2，林下植被主要为楼梯草和狗脊，盖度分别占林地面积的15%～20%和10%～15%。样地内的杉木林个体全部折干，残干的平均胸径为17.99 cm，平均高度为12.69 m。

1.2 研究方法

2008年3月在在林冠残体仍然保持新鲜状态时，在每个样地内设置面积为5 m×5 m的固定样方6个。调查时样方内的树干残体（包含干和皮），测定样方内折干残体的鲜重。折干的一部分在样方内时, 用锯将样方内外的树干锯断分开, 将样方内林的树干全部称重[32]。2008—2011年的每年3月对样方内的折干残体进行调查。

取残干样品带回实验室，在80 ℃恒温下烘干至恒质量，用粉碎机磨成粉末供分析用。N用重铬酸钾—浓硫酸消化后以半微量凯氏法测定；P和K分析待测液用三酸消化法制备，试液中的P用钼兰比色法，K用原子吸收分光光度计测定[36]。

2 结果与分析

2008年雪灾后，杉木林地输入了大量的林冠残体，包括枝、叶、干和皮（见表1）。由表1可知， 2008年林冠残体达19.11 t·hm-2，其中折干残体中的干和皮分别为 5.35 t·hm-2和 1.51 t·hm-2，二者合计占林冠残体储量的36%。

表1 2008年林冠残体和正常凋落物的储量Table 1 Stem debris and litter mass in 2008

2008—2011年折干残体的干质量分别为6.86、6.52、6.31、6.11 t·hm-2，逐年减少，2011 年折干残体的质量仅为2008年的89 % （见图1）。

图1 折干残体的储量变化Fig. 1 Changes of woody debris amounts

折干残体的养分含量大小呈现为N＞K＞P。2008—2011年N含量分别为 1.99、2.09、2.21、2.33 g·kg-1，P 含量分别为 0.19、0.20、0.21、0.23 g·kg-1，均不断上升；K含量分别为0.88、0.84、0.79、0.75 g·kg-1，不断下降（见图 2）。

折干残体的养分累积量呈现为N＞K＞P。2008—2011年，折干残体N累积量分别为13.65、13.62、13.95、14.22 kg·hm-2，呈不断增加趋势；P累积量分别为 1.30、1.31、1.36 、1.40 kg·hm-2，呈现逐年增加； K累积量分别为6.04、5.47、4.99、4.58 kg·hm-2，呈现逐年下降（见图2）。

图2 折干残体的养分含量和储量Fig. 2 Nutrients content and amount of stem debris

3 讨 论

折干残体的生物量从2008年的6.86 t·hm-2下降到2011年的6.11 t·hm-2，这些数值小于或接近于除了格氏栲天然林（1.32 t·hm-2)[22]和西双版纳热带季雨（1.62 t·hm-2)[24]外的大多数天然林的木质残体的生物量（5.17 ～ 111.53 t·hm-2）[16,19-20,23,25-27,21,37-39]，却大于广州马尾松林（0.59 t·hm-2）[38]、三明市格氏栲人工林（0.47 t·hm-2）和杉木人工林（0.23 t·hm-2）[22]。与天然林相比，人工林通常林龄较小，密度合理，并且定期抚育采伐，正常情况下很难产生大量木质残体。另外，与气候寒冷北方森林或气温低的高海拔的南方森林相比，试验林的气候温暖，雨水充沛，使得腐殖质基质适合微生物的生长，木质残体的分解较快，不利于其生物量的积累[40]。格氏栲天然林和西双版纳热带季雨林所在地点海拔低，雨水充沛，温度高，木质残体分解快，所以生物量低。一般而言，粗木质残体的干物质含碳率为0.5[41]，所以残干构成受冰雪灾害杉木林重要的碳库组成部分。同时由于木质残体的分解速率相对缓慢，在林地滞留时间比较长，在森林生态系统的碳循环和碳平衡中具有重要作用[2]。

2008―2011年，N和P含量变化呈现上升趋势。由于N、P 是不容易分解淋失的元素, 在折干残体分解过程中, 降雨可以增加折干残体的N输入, 一些真菌可以借助菌丝把林地中一些N 素转移到折干中。另外，折干残体中某些细菌有固氮作用，折干中的昆虫的粪便也可使N富集[19]。P是一种不易溶脱的元素,有利于其在折干残体中的积累[19]。N和P的富集与长白山苔藓红松暗针叶林中臭冷杉Abies nephrolpis 倒木分解过程中N和P 的变化规律相同[21]。K含量在折干残体中不断减少, 可能与其在有机体内易移动有关[42]。K元素极不稳定，可以从凋落叶中淋溶[43]。所以当凋落物落到地面以后，凋落物中的钾通过淋溶作用大量转移到土壤中[44]。

2008―2011年，杉木林折干残体的N和P累积量不断增加，这主要是由于折干残体的N和P含量逐年上升造成的。尽管折干残体的储量逐年减少，但是折干残体分解缓慢，所以N和P的富集养分累积量由于N和P的富集而逐年增加。折干残体的分解与树皮关系密切。折干残体的树皮含有高浓度的丹宁酸和木质素[13]，而丹宁酸和木质素限制微生物的活动，因而阻碍折干残体的分解[45]。树皮中高浓度的多酚和烷基也是分解缓慢的重要影响因素[13]。另外，杉木树干残体的N含量低，导致其C/N 比高，这也是导致其分解速度较慢的原因之一[46]。树干残体的缓慢分解及N和P的缓慢释放有利于保持林地的养分。因为枝叶残体分解快，短期内养分大量释放, 土壤养分供过于求,容易造成流失。树干残体的N和P缓慢释放到土壤中后，储存于土壤有机质中，维持了森林土壤肥力，有利于在杉木林在整个恢复生长过程中的养分供应[32]。杉木林折干残体的K累积量不断减少，是由折干残体的储量逐年减少和K含量的不断下降共同引起的。

由上可知，折干残体作为养分储存库，其缓慢分解而释放出的养分对森林生态系统生产力的保持具有重要作用。由于中亚热带温度高和降雨量大，冰雪灾害后大量的林冠残体中的枝叶会快速分解，可能造成养分的流失[32]，而冰雪灾害引起的大量枝叶损失会导致林分若干年内正常凋落物数量的减少。树干残体不但储藏丰富的有机物，还储藏较为丰富的氮、磷等营养元素，在其腐烂过程中具有固氮的能力[2]，可以缓慢释放养分到土壤中,提供了土壤微生物的生长发育所需的养分，维持了森林土壤肥力, 有利于维护杉木林生态系统养分循环和能量供应的稳定性，可以促进杉木林的恢复。

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Effect of ice-storm damage on stem debris in a Cunninghamia lanceolata stand in northern Guangdong

LIE Zhi-Yang1, LI Jie1, XU Jian-Xin1,2, HOU Xiao-Li1, XUE Li1,*, ZENG Shu-Cai1
(1.College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China)2.Shenzhen Tech and Ecology＆Environment CO., LTD, Shenzhen 518040, Guangdong, China)

The severe ice storms that occurred in early 2008 in northern Guangdong province, China, resulted in a lot of stem debris in a Cunninghamia lanceolata stand. Due to its recalcitrant chemical composition and slow decomposition, stem debris can have direct effects on ecosystem carbon and nutrient turnover. However, stem debris dynamics of mass and nutrients have not yet been well-understood.This study analyzed the impacts of the early 2008 ice storm on stem debris dynamics of mass and nutrients in a Cunninghamia lanceolata stand. From 2008 to 2011 stem debris mass decreased gradually, ranging from 6.86 to 6.11 t·hm-2, N and P contents increased gradually,ranging from 1.99 to 2.33 and 0.19 to 0.23 g·kg-1, respectively, whereas K content decreased gradually, ranging from 0.88 to 0.75 g·kg-1.N and P accumulation of stem debris increased gradually, ranging from 13.65 to 14.22 and 1.30 to 1.40 kg·hm-2, respectively, whereas K accumulation of stem debris decreased gradually, ranging from 6.04 to 4.58 kg·hm-2. This is the first quantitative determination of the effects of ice storms on stem debris in Cunninghamia lanceolata stands. The long term storage of C and slow rate of decomposition of stem debris make it become a major controller of forest ecosystem C-retention.

Cunninghamia lanceolata; ice storm; mass; nutrient; stem debris

S718.5

A

1673-923X(2016)08-0039-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.008

2015-04-07

国家自然科学基金“污泥重金属在林地土壤中的迁移转化机制及其环境风险：凋落物的影响”（31270675）；深圳市战略性新兴产业专项资金资助项目（GCZX20120618100801416）

列志旸，硕士研究生

薛 立，教授，博士；E-mail：forxue@scau.edu.cn

列志旸，李 洁，许建新,等. 冰雪灾害对粤北杉木林树干残体的影响 [J].中南林业科技大学学报，2016, 36(8): 39-43.

[本文编校：文凤鸣]