河北省太行山区10 a生核桃林生态系统的碳氮储量

沈会涛，王晓学，赵艳霞*，刘 欣

（1.河北省科学院地理科学研究所，石家庄 050021；2.中国国际工程咨询公司，北京 100048）

河北省太行山区10 a生核桃林生态系统的碳氮储量

沈会涛1，王晓学2，赵艳霞1*，刘 欣1

（1.河北省科学院地理科学研究所，石家庄 050021；2.中国国际工程咨询公司，北京 100048）

【目的】研究河北省太行山区核桃林生态系统碳氮储量及其分配特征，为河北省山区经济林碳氮平衡管理提供基础数据。【方法】选取10 a生的核桃林为研究对象，开展乔木层生物量取样和土壤分层取样，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定植物和土壤有机碳含量，采用凯氏法测定植物全氮和土壤全氮含量。【结果】核桃林生态系统总有机碳储量为84.328 t/hm2，其中土壤层碳储量为75.579 t/hm2，占总有机碳储量的89.6%；乔木层碳储量为8.749 t/hm2，占总有机碳储量的10.4%。核桃林生态系统总氮储量为5.375 t/hm2，乔木层氮储量和土壤层氮储量分别占总氮储量的3.1%和96.9%。非线性回归分析表明，核桃树不同器官碳氮含量呈显著非线性负相关关系（P＜0.05），不同土壤层的碳氮含量呈极显著非线性正相关关系（P＜0.01）。【结论】土壤是核桃林碳氮的主要储存库。

核桃林；碳储量；氮储量；碳氮相关性

陆地生态系统的碳收支对全球碳循环具有极为重要的影响，森林作为最大的陆地生态系统碳库，每年固定的碳占整个陆地生态系统的2/3，在调节全球碳收支、减缓大气中CO2浓度上升等方面发挥着极为重要的作用[1]。而碳与其他养分元素的循环过程是相互耦合的，森林生态系统的碳循环过程会受到其他养分元素的制约，其中，氮就是主要制约因素之一[2]。有研究表明，森林生态系统碳、氮储量及其分配受到树种、林分密度、林龄等多种因素的影响，并且空间分配格局基本一致[3-4]。

经济林作为重要经营林林种，全世界面积约为0.48×109hm2，我国面积约 0.11×109hm2，占全国土地总面积1.1%，占世界经果林总面积约23%[5]。河北省经济林面积约占林地（约 7.05×106hm2）的 26%[6-7]，在积极发挥经济效益的同时，也对维持区域碳氮平衡发挥着重要作用。经济林生态系统碳氮循环过程受地理、气候条件，特别是周期性经营活动的影响而十分复杂[8]。目前，有关土地利用方式对陆地生态系统碳氮储量的影响有较多报道[9-10]。如吴志丹等[11]曾对福州地区7a生柑橘（Citrus reticulata）果园生态系统的碳氮储量及分布特点进行研究；林清山等[8]对永春县柑橘生态系统的碳储量及其动态变化进行研究；郭雪艳等[5]对上海地区桃（Amygdalus persica）园和橘园生态系统碳储量及其分布格局进行了研究，关于其他经济林碳氮储量研究的报道较少。基于此，本文通过对河北省太行山区10 a生的核桃林生态系统碳氮储量及其分布特征进行研究，旨在为河北省山区经济林碳氮平衡管理提供依据，为我国碳氮平衡研究补充基础数据。

1 材料和方法

1.1 实验点概况

研究区位于河北省元氏县境内的太行山中部低山丘陵区，该区为中国科学院太行山山地生态试验站（114°16′E，37°53′N）的重点研究区域，属于典型的山地-平原过渡带。海拔高度为247～1 040 m。研究区属于半干旱大陆性气候，年平均气温13.2℃，最冷月（1月）平均温度为－1.6℃，最热月（7月）平均温度为26.3℃。年均降水量570～620 mm，年均蒸发量1 934.6 mm。降水分布不均，其中雨季（7—9月）降水占全年降水量的67.8%，春季降水仅占7.69%[12]。本研究选取的核桃林树龄为10a，种植密度为512株/hm2，平均树高6.8 m，平均基径15.2 cm，平均冠幅为2.7 m×2.9 m，核桃产量平均约为20～30 kg/株。由于人类经营管理措施，林内枯落物层和草本层很少，故本研究未计算在内。

1.2 研究方法

1.2.1 生物量测定及植物样品采集与处理

样品采集于2016年9月进行，在实验区内共设置3个20 m×20 m样地。对每个样地进行每木检尺，测定树高、冠幅、基径、胸径，并对数据进行处理[13]，计算标准样地内树木的平均基径和平均树高，在标准样地中找与平均基径、平均树高接近并干形比较圆满的单株树作为解析木。3个样地共选择3株核桃树伐倒，分别测定枝、叶、干等生物量（不含果实）；根系采用全挖法，由于＜5 mm树根很难获取，所以本文中树根不包括此部分[5，14]。同时取部分样品带回实验室于105℃杀青半小时后在80℃烘干至恒量，根据样品鲜重和干重分别换算样株各部分干重，并磨碎测定植物样品碳氮含量。

1.2.2 土壤样品的采集与处理

在每个样地内，按品字形选取3点挖掘土壤剖面，采用土壤环刀法，分别测定 0～10、10～20、20～40、40～60和60～100 cm 5个层次土壤容重；并同时采集相应土层土壤样品置于自封袋中带回实验室，风干过筛待测。

1.2.3 样品碳氮含量的测定

植物和土壤样品的有机碳测定采用重铬酸钾氧化-外加热法；植物全氮和土壤全氮采用凯氏法测定[11，15]。

1.2.4 数据处理

采用Excel 2010和Sigmaplot 12.0软件对实验数据进行处理和作图。乔木层和土壤层碳氮储量[16-17]的计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 核桃林生态系统碳氮含量及其相关性

由表1可见，乔木层各器官有机碳含量变化范围在43.52%～44.62%之间，平均值为44.15%，大小顺序为：树枝＞树干＞树根＞树叶；而各器官氮含量表现出和有机碳含量相反的顺序：树叶＞树根＞树干＞树枝，其变化范围在0.57%～2.26%之间。核桃树各器官的平均碳氮比为40.0，其中树干的碳/氮比最大为78.2，树叶的碳氮比最低为19.2。各器官有机碳含量与氮含量呈显著的对数回归关系见图1。

表1 核桃树不同器官碳氮含量（平均值±标准误）及碳氮比Table 1 Carbon and nitrogen contents(Mean±SE)and C/N ratio in different organs in Juglans regia trees

图1 植物各器官碳氮含量之间的关系Figure 1 Relations of carbon and nitrogen contents among different organs in the plant

不同土壤层碳氮含量及碳氮比见表2，核桃林土壤有机碳平均含量为6.93 g/kg，随土壤深度的增加而减小；不同土壤层氮含量的变化规律与土壤有机碳变化规律一致，氮含量在0.17～0.99 g/kg之间。相关分析表明，核桃林土壤有机碳含量和全氮含量呈极显著正相关（P＜0.01），回归方程为：y=5.296ln(x)+11.63（R2=0.995）（图 2），这表明土壤有机碳含量与全氮含量关系密切，土壤内氮含量的增加，有利于土壤有机碳的积累。

图2 不同土壤层碳氮含量之间关系Figure 2 Relations of carbon and nitrogen contents among different soil layers

表2 不同土壤层碳氮含量（平均值±标准误）及碳氮比Table 2 Carbon and nitrogen contents(Mean±SE)and C/N ration in different soil layers

2.2 核桃林乔木层碳氮储量及分配特征

核桃林乔木层各部分碳氮储量见表3，乔木层生物量碳储量为8.749 t/hm2，从碳储量在核桃林各器官中的分配特征来看，根系和树枝所占比例最大，分别为乔木层碳储量的37.6%和33.4%，其次是树干（23.1%）和树叶（5.9%）。乔木层氮储量为0.166 t/hm2，氮储量在各器官分配的大小顺序为：树根（45.9%）＞树枝（22.4%）＞树叶（16.1%）＞树干（15.6%）。

2.3 核桃林土壤层碳氮储量及分配特征

土壤层碳氮储量如表4所示。10a生核桃林土壤层有机碳储量为75.579 t/hm2，按空间分层来看，土壤有机碳储量随土壤深度的增加而降低，其中0～60 cm土层是碳贮存的主要部分，占总土壤层有机碳储量的61.4%；土壤层总氮储量为5.209 t/hm2，与土壤有机碳储量的变化规律相一致，0～60 cm土层氮储量占总土壤层氮储量的64.3%。

2.4 核桃林生态系统碳氮储量及分配特征

10a生核桃林生态系统的碳氮储量分别为84.328和5.375 t/hm2（表5），生态系统总有机碳储量远高于氮储量，是氮储量的15.7倍。其中，土壤层的有机碳储量和氮储量是生态系统碳氮储量的主体，分别占89.6%和96.9%，是乔木层有机碳储量和氮储量的8.6和31.5倍。

表3 核桃林乔木层碳氮储量（平均值±标准误）及分配特征Table 3 Carbon and nitrogen storage(Mean±SE)and their distribution of tree layer in Juglans regia plantation

表4 核桃林土壤层碳氮储量及分配特征（数值=平均值±标准误）Table 4 Carbon and nitrogen storage and their distribution of soil layer in Juglans regia plantation(Value=Mean±SE)

表5 核桃林生态系统碳氮储量（平均值±标准误）及分配特征Table 5 Total carbon and nitrogen storage(Mean±SE)and their distribution in Juglans regia plantation

3 讨论与结论

本研究中，10a生核桃树各器官的碳含量（43.52%～44.62%）低于国际上计算森林碳储量时通用的碳系数（0.5或 0.45）[18-19]，可见，在计算本地区核桃林碳储量时如果利用通用碳系数来估算将会高估其碳储量。研究区核桃林乔木层各器官氮含量的平均值（1.10%）略低于固氮树种刺槐（Robinia pseudacacia）和格木（Erythrophleumfordii）的氮含量（分别为1.40%和1.48%），但高于油松（Pinus tabuliformis）和马尾松（Pinus massoniana）的氮含量（分别为0.34%和0.40%）[19-20]。从植物的C/N来看，幼嫩器官（树叶）的C/N最小，说明植物幼嫩器官中的氮含量高于老化器官，可见氮素对幼嫩器官生长具有重要作用[4]。

土壤有机碳和氮含量主要受动植物残体、凋落物、植物根系周转、降雨和微生物组成以及树种等多重因素影响，并且土壤氮素的水平也会影响土壤中有机碳的含量[3，21]。本研究中，0～10 cm土壤层的碳、氮含量（分别为11.58和0.99 g/kg）最大，随着土层深度的增加而逐渐降低，这与刘冰燕等研究一致[19，22]，这主要是由于植物的根系集中分布在土壤表层，再加上表层枯落物层的分解与腐殖质层的影响。核桃林各土壤层的C/N平均值为13.9，略高于我国森林土壤的 C/N 值（13.0）[10]。

本研究中核桃林生态系统中乔木层的碳储量和氮储量分别为8.749和0.166 t/hm2，低于其他研究中人工林生态系统乔木层的碳储量（11.7～26.3 t/hm2）和氮储量（0.219～0.44 t/hm2）[20-21]；与其他经济林相比较，本研究10a生核桃林乔木层碳储量高于福建7a 生柑橘园乔木层碳储量（4.75 t/hm2）[11]，但低于上海7a生桃园和橘园的乔木层碳储量（分别为15.91和23.54 t/hm2）[5]。这种差异主要受树种类型、立地条件、气候条件和管理措施等因素影响。此外，核桃林作为一种典型的农用型植被类型，其碳循环过程受到人类经营管理措施的影响，在实际生产过程中，随着人们对核桃林的管理，进行除草、剪枝、翻耕和对果实的收获等，地被杂草、枯枝落叶和果实迅速归还土壤或被带走[8]，这些构成核桃林生态系统中暂时性或流动性的植被层碳氮库。因此，核桃林生态系统植被层的实际碳氮储量将大于本研究结果。如果能改变核桃林的经营管理方式，合理套种牧草或农作物，增加林内植被覆盖度，将可提高山区经济林生态系统的碳氮贮存空间。此外，就乔木层碳氮储量分配格局表明，与其他人工林植被树干所占比例较大不同[3，20]，核桃林树干所占比例较小，枝条所占比例高于树干。

核桃林土壤层碳氮储量在生态系统总碳氮储量中所占比例均较大。土壤层有机碳储量和氮储量分别为84.328和5.375 t/hm2，分别占生态系统总储量的89.6%和96.9%，这与吴志丹等[11]所得的柑橘果园土壤层的研究结果类似，表明土壤层在固碳固氮方面发挥着重要作用。核桃林土壤层作为碳氮的主要储存库，除受周围自然环境影响外，还受到强烈的人为干扰（修剪、施肥、灌溉、翻耕、高密度栽植等），对其开展碳氮储量相关研究复杂且困难，进一步通过合理加强果园管理、改进种植技术等与自身碳氮循环之间相关研究可为保持并提高其碳氮贮存能力奠定一定基础。本研究中，0～60 cm土层有机碳储量占总土壤层碳储量的61.4%，0～60 cm土壤氮储量占总土壤氮储量的64.3%，这与王卫霞等[3]和艾泽民等[20]的研究结果相一致，可见土壤中的碳、氮主要集中在表层，具有明显的表层富集作用[19]。

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Organic Carbon and Nitrogen Storage in a 10-Year-Old Juglans regia Ecosystem in the Taihang Mountain Area of Hebei Province

SHEN Hui-tao1，WANG Xiao-xue2，ZHAO Yan-xia1*，LIU Xin1
（1.Institute of Geographical Sciences,Hebei Academy of Sciences，Shijiazhuang 050021，China；2.China International Engineering Consulting Corporation，Beijing 100048，China)

【Objective】The aim of the study was to study carbon and nitrogen storage and allocation of 10-year-old walnut plantation and to provide a reference for carbon and nitrogen balance management of economic plantations in the mountain area of Hebei Province.【Method】Plant and soil samples were collected from a walnut plantation in the Taihang Mountain of Yuanshi County，Hebei Province.Organic carbon and total nitrogen of plant and soil samples were determined by potassium dichromate oxidation titration and Kjeldahl nitrogen determination，respectively.【Results】Total carbon storage of the ecosystem was 84.328 t/hm2.Carbon storage in the soil layer and tree layer were 75.579 t/hm2and 8.749 t/hm2，accounting for 89.6%and 10.4%of total carbon storage，respectively.Total nitrogen storage in the ecosystem was 5.375 t/hm2.Both tree and soil layers accounted for 3.1%and 96.9%of total nitrogen pool，respectively.According to nonlinear regression analysis，carbon content was significantly negatively correlated with nitrogen content across different components（P＜0.05）.However，soil organic carbon was significantly positively associated with soil nitrogen（P＜0.01）.【Conclusion】Soil layer is the largest carbon and nitrogen pools in the walnut plantation ecosystem.

Juglansregiaplantation；organiccarbonstorage；nitrogenstorage；carbon-nitrogenrelationship

S718.5 文献标志码：A 文章编号：1000-2650（2017）01-0208-05

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.02.011

2017-01-03

河北省科学院科技计划项目(16106)；河北省自然科学基金面上项目(C2015503008)；河北省青年拔尖人才项目。

沈会涛，博士，副研究员，研究方向为碳循环研究，E-mail：shenhuitao80@126.com。*责任作者：赵艳霞，硕士，研究员，研究方向主要是土地利用研究，E-mail：hebdlxx@163.com。

（本文审稿：鲜骏仁；责任编辑：巩艳红；英文审稿：徐振锋）