孙巧玉，刘 勇，李国雷，张 硕，许 飞，王巍伟

(北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室, 北京 100083)

坡位对油松人工林地上生物量分配格局的影响

孙巧玉，刘 勇，李国雷，张 硕，许 飞，王巍伟

(北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室, 北京 100083)

油松是华北地区重要的造林树种，研究油松人工林地上部分生物量的空间分配格局对北方地区人工林培育具有重要意义。以河北省平泉县34年生油松人工林为调查对象，通过比较不同坡位的林木生长量、地上生物量及土壤养分含量的差异，研究坡位对土壤养分分配及林木生长状况的影响。结果表明：胸径和树高均随坡位由上到下的变化而增加；就单株乔木各器官而言，不同坡位林木枝、干的生物量分配表现为上坡＜中坡＜下坡，而叶的生物量则是随着坡位由上而下逐渐减小；油松人工林分的乔木层、凋落物层、草本层分别占地上部分生物量的92.2%～95.1%，3.5%～6.3%，1.2%～1.5%；各土层的土壤有机质含量在不同坡位上均表现为下坡＞中坡＞上坡。

油松；人工林；生物量；坡位；土壤有机质

油松Pinus tabulaeformisCarr.是我国华北地区的重要造林树种，适应性强，抗瘠薄，其保持水土和美化环境的功能在山地植被恢复中占有极其重要的位置[1]。

林分生物量是衡量林地生产力和经营效果的重要指标，同时也能反映森林与环境间的物质循环和能量流动的关系[2]。随着林业科学技术的发展，对深入研究森林生态系统生物的地球化学循环、碳汇功能，评价人工林生态系统生产力与环境因子之间的关系显得极为迫切[3]。目前对人工林生物量的研究，主要集中在不同林型、不同林龄、不同密度的人工林现存生物量、林木生产力及乔木不同器官生物量的分配率等方面[4-12]。

在山地森林生态系统中，已有研究表明坡位对土壤养分空间分布有影响[13-14]，国内外在坡位对林分生长与土壤养分空间分布的研究主要集中于阔叶人工林[15-17]，而关于坡位对华北地区针叶人工林生物量与土壤养分影响的研究很少。本研究以华北山区不同坡位上的油松人工林为对象，研究坡位与林木生长间的关系，意在揭示地形对针叶林分植被生长的影响，为该地山区造林及生态公益林的经营管理提供科学依据。

1 研究地概况

试验地位于河北省承德市平泉县黄土梁子林场，属燕山山脉末端，海拔700～800 m，经纬度分别为 118°40′E，41°13′N，年平均气温 7.3℃，年平均无霜期135 d，年平均降水量为542mm，属温带大陆性季风气候。土壤类型为褐土，pH值为6.8。主要林下植被有木本香薷Elsholtzia stauntoniL.、 绣 线 菊Spiraea salicifoliaL.、 蔷 薇Rosa multif l oraL.、披针叶苔草Carex lanceolataBoott L.、菊叶委陵菜Potentilla tanacetifoliaL.、锦鸡儿Caragana sinicaL.等。

试验林分为生态公益林，1976年播种造林，播种距离为1m×2m，初始造林密度为5 000株/hm2，播种后连续2a进行补植活动，然后封山育林，至今尚未进行抚育间伐。土壤肥力较差，存在岩石裸露现象。不同坡位油松人工林地的土壤各层次氮、磷、钾含量见表1。

表1 不同坡位油松林地土壤氮、磷、钾含量Table 1N, P, K contents in different slope position soil of P. tabulaeformis

2 研究方法

2.1 试验地设置

在连续坡面林分内，按照上、中、下3个坡位，在每个坡位分别设置4个30 m×30 m标准地，共12块标准地。

调查并记录标准地的地点、海拔、坡向、坡度和坡位，并且对标准地活立木进行每木检尺，实测并记录其树号、胸径、树高。

2.2 生物量的测定

2.2.1 乔木层地上生物量的测定

采用标准木法，根据林分平均胸径和树高，每个标准地内选取4株标准木，伐倒后，地上部分采用分层切割法。将树干按照1m长度分段截断，称量干的总鲜质量。每段截取2～5 cm厚圆盘作为抽取样品，并称量抽取样品鲜质量。将树冠分上、中、下3层，对枝和针叶分别称量鲜质量，并取样。将所有样品带回实验室并置于烘箱内，在85℃条件下烘干至恒质量。根据所测样品的含水率和总鲜质量计算各器官生物量。

乔木层地上生物量（W）采用标准木法中的平均标准木法推算[18-19]，即用标准木地上部分质量W′乘单位面积上的立木株数N，即W=NW′。

2.2.2 凋落物层生物量的测定

林下凋落物的厚度为1～3cm，将其分为分解层和未分解层，在标准地内按照S形路线设置5个1m×1m的样方，收集样方内凋落物。将收集的凋落物置于烘箱内85℃烘干至恒质量，称量烘干样品即为凋落物生物量。

2.2.3 草本层地上生物量的测定

标准地内林下草本主要有披针叶苔草Carex lanceolata、紫菀Aster tataricusL.、匍匐委陵菜Potentilla reptansL.、木本香薷、卷柏Selaginellae tamariscinaP.等。在标准地的4个顶角及中心位置设置5个1m×1m的样方，记录样方内草本名称、覆盖率，并收集小样方内草本地上茎叶部分。将草本样品置于烘箱内85℃烘干至恒质量，称量烘干草本样品，即为草本地上生物量。

2.2.4 土壤有机质的测定

在每个标准地按S型线路选取5个点，在每个点分0～10、10～20、20～30 cm 3层，将同一样地相同土层5个点的土样混合后装入土壤袋，带回实验室。采用重铬酸钾氧化—外加热法[20]测定土壤有机质含量。

2.3 数据分析

采用单因素方差分析和LSD多重比较法，所有数据统计在SPSS16.0中完成，图表在Excel2007中完成。

3 结果与分析

3.1 不同坡位油松生长状况的比较

从表2可以看出，油松的胸径和树高在不同坡位上表现出随着坡位由上到下均逐渐增大的趋势。方差分析检验结果表明胸径和树高在不同坡位上的生长情况均表现出极显著性差异（p＜0.01）。下坡位胸径比上坡位和中坡位胸径分别增加了1.2cm和0.5 cm，下坡位树高比上坡位和中坡位树高分别增加了1.2m和0.8 m。

表2 不同坡位胸径和树高均值的比较†Table 2Comparison between DBH and height in different slope position

3.2 油松单株立木各器官地上生物量的比较

油松单株各器官及单株地上生物量在坡位上的变化见图1。总的来说，单株各器官生物量在不同坡位的表现不同。就单株地上总生物量而言，生物量在不同坡位上的分配为上坡＜中坡＜下坡，且方差分析结果显示，单株地上生物量在不同坡位间差异性极显著（p＜0.01），下坡和中坡的生物量分别是上坡生物量的1.78倍、1.18倍。就各器官而言，枝、干的生物量在不同坡位均表现出随着坡位从上到下生物量逐渐增大的趋势，但各器官的生物量在不同坡位上差异不显著。枝和干的生物量下坡位比上坡位和中坡位分别增加了0.46倍、0.024倍和0.42倍、0.24倍。然而叶的生物量则随着坡位由上而下逐渐减小。

图1 不同坡位单株地上生物量和各器官生物量的比较Fig.1Comparison of aboveground biomass and all organs among different slope position

3.3 油松人工林不同坡位地上部分生物量的比较

调查地的上、中、下3个坡位的地上部分总生物量为352.78 t/hm2，不管是乔木层、凋落物层还是地上部分总生物量，都是随着坡位从上到下逐渐增大（见表3）。

3.3.1 乔木层地上生物量

乔木层地上生物量在坡位上的分配为下坡＞中坡＞上坡。上坡、中坡、下坡的乔木层地上生物量分别占地上部分总生物量的百分率分别为92.2%、93.8%、95.1%。干、枝、叶生物量占乔木层地上生物量的比例在不同坡位分别为72%～76%，16%～19%，8%～11%。乔木层的干物质主要积累在树干部分，是林分生物量的主要储存部位。

3.3.2 凋落物层生物量

油松人工林内的凋落物主要是针叶、枯枝、球果、草本枯死物等。从表3中可看出凋落物的分解层生物量大于未分解层生物量，且2个层次的生物量都是随着坡位从上到下依次减小。方差分析结果显示未分解层的生物量在不同坡位间差异显著。上坡、中坡、下坡的凋落物层生物量分别占地上部分生物量的6.3%、5%、3.5%。在阔叶混交林中的研究也表明上坡凋落物的分解速度低于中坡和下坡[21]。凋落物分解层与土壤有机质含量有直接的关系，下坡位的未分解层和分解层生物量少说明凋落物分解速度快，转化为土壤表层，土壤有机质高，有利于下坡植被的生长。

表3 不同坡位地上部分生物量的比较Table 3Comparison of aboveground biomasses at different slope position

3.3.3 草本层地上生物量

油松人工林下草本植物种类较少，盖度小，中、上坡长势差，从数据分析看，草本地上生物量排序为中坡＜上坡＜下坡。上坡、中坡、下坡的草本层生物量分别占地上部分生物量的1.5%、1.4%、1.2%。中坡位的岩石裸露程度大，不利于草本植物的萌发生长；上坡位乔木密度大，透光性差，土壤养分含量低于下坡位。

3.4 不同坡位土壤有机质的比较

从图2中看出，3个土层的土壤有机质含量在不同坡位上均表现出随着坡位由上到下逐渐增加，且在0～10 cm的土层，土壤有机质含量在不同坡位间差异性极显著（p＜0.01）。在同一坡位上，不同土壤深度的土壤有机质含量从表层到深层出现降低的趋势。

图2 不同坡位土壤有机质的垂直分布Fig. 2Vertical distribution of soil organic matter on different slope position

4 结论与讨论

油松人工林在不同坡位上表现出生长差异，胸径和树高随着坡位由上到下逐渐增加，下坡位和中坡位的胸径是上坡位胸径的1.2倍和1.1倍，下坡位和中坡位的树高比上坡位树高增加18%和10%。这一结果与水曲柳、胡桃楸、杉木、厚朴、马褂木等树种上的研究结果是一致的[22-24]。

油松枝、干、单株的地上生物量在不同坡位均随着坡位从上到下逐渐增大。单株地上生物量在不同坡位上差异显著，下坡位分别是中坡位和上坡位的1.17倍和1.38倍。而叶的生物量则表现出随着坡位由上而下逐渐减小，各坡位间差异不显著。叶的生物量大小与冠幅有着密切的关系[25]，而笔者选择标准木的依据是胸径和树高，这就可能出现单株地上生物量和其他器官生物量表现不一致的情况。油松人工林乔木层和凋落物层的地上生物量是下坡位＞中坡位＞上坡位，草本层是下坡位＞上坡位＞中坡位，且乔木层、凋落物层、草本层分别占地上部分生物量的92.2%～95.1%，3.5%～6.3%，1.2%～1.5%。

造成林分地上生物量随坡位下降而增大的原因可能主要是两个方面：第一，土壤肥力的差异。土壤有机质含量随着坡位从上到下逐渐增大，研究发现，0～10 cm土层中，中坡和下坡的土壤有机质含量是上坡位的1.2倍和1.5倍；10～20 cm土层中，中坡和下坡的土壤有机质含量是上坡位的1.3倍和1.4倍；20～30 cm土层中，中坡和下坡的土壤有机质含量是上坡位的2.4倍和3.1倍，且各坡位间差异显著。森林土壤有机质是土壤肥力的一个重要方面，它主要来自动植物、微生物以及他们的分泌物和排泄物，土壤有机质能够改善土壤的物理结构和化学性质，能够促进养分吸收和植物的生长[19]。有研究表明土壤有机质与地上植被生长有着密切的关系，且在不同林型不同树种中的表现也不同[15]。第二，坡位能够显著影响土壤含水量。梁淑娟、张益望等的研究表明，随着坡位由上到下变化，土壤含水量呈增加趋势[22,26]。本地区年平均降水量仅为542mm，土壤水分含水量是影响林木生长的一个重要因子，随着坡位降低土壤水分的增加将更有利于林分生长。

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Effect of slope position on above-ground biomass distribution pattern in Pinus tabulaeformis plantation

SUN Qiao-yu, LIU Yong, LI Guo-lei, ZHANG Shuo, XU Fei, WANG Wei-wei
(Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Pinus tabulaeformisis one of important tree species in north China and is necessary to study its above-ground biomass distribution pattern of the plantations. By taking 34-year-old forest plantations ofPinus tabulaeformisin Pingquan county, Hebei province as the object, the effect of slope position on soil nutrient distribution and tree growth conditions were studied through comparing the differences of forest increment, above-ground biomass, soil nutrient content. The results show that the DBH and height increased as the slope position changed from the up-slope to middle-slope to down-slope; as far as all organs of a single tree are concerned, the biomasses of branches and stems on different slope positions ranked by magnitude as followings: biomass on the upslope, biomass on the middle-slope and biomass on the down-slope; while the biomass of leaves decreased from upslope to middle-slope to down-slope; the arbor-layer biomass, litter layers biomass, shrub biomass occupied 92.2%～95.1%，3.5%～6.3%，1.2%～1.5% of total stand, respectively; the soil organic matter contents in different layer ordered from high to low as following: in the bottom soil＞middle＞upper.

Pinus tabulaeformisCarr.; plantation; biomass; slope position; soil organic matter

S718.55+6

A

1673-923X(2012)09-0102-04

2012-06-06

高等学校博士学科点专项科研基金(20090014110011)；国家自然科学基金(30972353)

孙巧玉（1987-），女，山东平度人，硕士研究生，主要从事人工林培育研究；E-mail：xinxinbawang7733@163.com

刘 勇（1962-），男，云南威信县人，教授，博士，主要从事种苗培育理论与技术、人工林栽培理论与技术研究；

E-mail：lyong@bjfu.edu.cn

[本文编校：谢荣秀]