许建新 侯晓丽 薛 立

(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凋落物储量及养分动态的影响

许建新1，2侯晓丽1薛 立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)

为明确冰雪灾害对粤北杉木林凋落物层储量及其养分动态的影响，2008—2011年于冰雪灾害后的杉木人工林内建立样方，测定样方内N、P、K养分的变化情况。结果表明：冰雪灾害后1～4 a衫木林凋落物层的储量分别为15.97、9.96、11.20和12.43 t/hm2，表现为先降后升，凋落物层N含量呈现波动上升趋势，P含量为升—降—升，K含量急剧下降后又波动；冰雪灾害后1～4 a的凋落物层N累积量分别为107.80、91.38、99.67和136.84 kg/hm2，P累积量分别为7.83、6.05、6.21和7.74 kg/hm2，均为先降后升，K储量分别为69.95、9.06、14.81和14.23 kg/hm2，呈现为显著下降后波动；凋落物层的养分含量和累积量为N>K>P。冰雪灾害后1 a输入了大量的林冠残体到杉木林地，增加了土壤肥力，加快了养分循环速度。

冰雪灾害；杉木林；凋落物层；储量；养分动态

全球气候变化加剧背景下，极端气候事件增加[1]已经成为目前人类面临的最严峻挑战之一[2]，也是森林干扰的一个重要因素[3]，引起了广泛的关注[4]。2008 年1—2月，我国南方持续冰雪天气，严重破坏了19个省区的森林植被[5]，面积达1 860万hm2[6]。粤北是此次冰雪灾害的重灾区，海拔500～1 000 m的森林受到严重损害[7]。目前，对森林冰雪灾害进行了较多的研究，包括冰雪灾害对森林的损害[8-9]、森林演替[10]、土壤[11]和森林经营管理[12]的影响等方面，而对冰雪灾害引起的森林凋落物储量及其养分动态鲜见报道。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国重要的速生用材树种[13]，广泛分布于我国南方17个省区， 面积约占我国人工林面积的24%[14]，在保护生态环境和维持碳循环平衡方面具有重要的作用。目前有关冰雪灾害对杉木群落影响的研究，主要集中于杉木林的冠层损害[15-16]，以及对土壤特性[11]、林冠残体养分[17-18]和持水特性[14]影响等方面，未见冰雪灾害后杉木林凋落物动态的相关报道。森林凋落物是指在生态系统内地上植物产生并最终进入到地表的有机质总称，是分解者的物质和能量来源，对维持生态系统功能具有重要意义。冰雪灾害增加了森林非正常凋落物的数量，其中包括大量植物器官的新鲜残体[19]，将影响到森林生态系统物质与养分的循环过程。本文对受冰雪灾害影响后粤北杉木林森林凋落物储量和养分动态进行研究，能够为杉木林群落的生态恢复提供基础数据及理论参考。

1 研究区概况

研究地位于广东省北部的乐昌市乐昌林场，地处南岭山脉南侧，属中亚热带季风气候，春季低温阴雨，夏季高温多湿，冬季寒冷干燥。年平均温度19.6 ℃，月均最高气温(7月)28.2 ℃，极端高温38.4 ℃，月均最低气温(1月)9.3 ℃，极端低温-4.6℃，年平均降水量2 522.3 mm，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。

试验林的林龄为17 a，密度为1 667株/hm2。试验林地处西南坡，坡度约30°，海拔约700 m。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，林下植被主要为楼梯草(Elatostemaumbellatum)和狗脊(Rhizomacibotii)。冰雪灾害后林地的平均光照、气温、土壤温度和土壤湿度分别为9.2 mol/(m-2·d)、17.1 ℃、17.4 ℃和47%。

2 研究方法

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，在每个标准地内设置6个面积为2 m ×2 m的样方，调查样方内林冠残体的枝和绿叶及凋落物的鲜质量。凋落物取未分解层(L层) ，半分解层(F层)和已分解层(Y层)的样品。L层为未分解的枯枝落叶层，由新凋落的叶、细枝、茎、树皮、果实等凋落物及动物残体组成；F层为半分解的枯枝落叶层，其动植物残体已经部分分解， 但它们的部分结构尚可分辨；H层为粗腐殖质化的枯枝落叶层。采集各组分的样品带回实验室，在80 ℃恒温下烘干至恒质量。冰雪灾害后1 a时调查发现,林冠残体的枝、叶和正常凋落物混杂在一起，无法区分，所以2009—2011年的每年3月调查样方内的混合凋落物鲜质量。为了保持样方内凋落物不受干扰，取样方附近的样品带回实验室，在80 ℃恒温下烘干至恒质量。取各年的样品用于测定N、P、K含量。

各样品经重铬酸钾-浓硫酸消化后用半微量凯氏法测定氮；将H2SO4-H2O2消煮后取试液，用钼兰比色法测磷；火焰光度法测钾[20]。每个样品做3次重复测定，结果取重复测定的算术平均值。

测定数据利用Excel 2003进行初处理并作图。数据经Excel 2003整理后，采用SAS 8.1软件系统进行多重比较。

3 结果与分析

3.1 杉木林地凋落物层储量的变化

冰雪灾害后1～4 a林地凋落物层储量见图1。

由于冰雪灾害后，杉木林地输入了大量的非正常凋落物，2008年凋落物层包括林冠残体的断枝和残叶。经过1 a的分解后，冰雪灾害后1 a的林冠残体中的枝和叶同正常凋落物混合在一起构成凋落物层。冰雪灾害后1～4 a的凋落物层干质量分别为15.97、9.96、11.20 t/hm2和12.43 t/hm2，表现为先降后增，其中冰雪灾害后2年比1年下降了38%。

3.2 杉木林凋落物层养分含量和累积量的变化

冰雪灾害后1～4 a的凋落物层N含量分别为6.75、9.17、8.90 g/kg和11.01 g/kg，呈现波动上升趋势；P含量分别为0.49、0.61、0.55 g/kg和0.62 g/kg，呈现为升—降—升的变化趋势；K含量分别为4.38、0.91、1.32 g/kg和1.14 g/kg，呈现先急剧下降后波动的变化趋势(图2)。冰雪灾害后1～4 a的凋落物层养分含量为N>K>P。

冰雪灾害后1～4 a的凋落物层N累积量分别为107.80、91.38、99.67 kg/hm2和136.84 kg/hm2，P累积量分别为7.83、6.05、6.21 kg/hm2和7.74 kg/hm2，均为先降后升；K储量分别为69.95、9.06、14.81 kg/hm2和14.23 kg/hm2，呈现为显著降低后波动的变化趋势。冰雪灾害后各年凋落物层的养分累积量呈现N>K>P。

4 结论与讨论

凋落物是森林土壤有机质的主要来源，它可以通过分解释放植物所需养分，影响土壤有机物的组成和养分含量[21]。凋落物也是森林生态系统主要的碳源之一[22]，对于保持微生物数量有重要作用。林地凋落物储量是一个动态值，受气候、地形、土壤、林分特征、生物区系及经营活动等因素的影响[23]。冰雪灾害后，最直接的变化是非正常凋落物大量增加，杉木林地输入了大量的林冠残体。叶是光合作用的场所，生理代谢活动旺盛，养分的浓度高，故养分积累在叶片中的含量往往是最高的[13]。大量枝叶凋落物的直接输入会影响养分的循环[24]，尤其是林冠残体比正常凋落物含有的养分浓度高，可以增加土壤肥力，加快森林的养分循环速度，提高森林土壤的储碳功能。

冰雪灾害后1 a与其后的凋落物层的组成结构有所不同。冰雪灾害后杉木林地输入了大量的林冠残体，其中枝、叶部分经过慢慢分解与正常凋落物层混合起来，共同组成之后几年的凋落物层。由于冰雪灾害后的大量林冠残体输入到林地，冰雪灾害后1 a的凋落物层储量高达15.97 t/hm2。冰雪灾害后2 a杉木林地的凋落物层储量急剧减少，原因可能是：

1) 冰雪灾害引起了杉木林窗的产生，导致林内整体太阳辐射水平提高，林下的气温和土温增加、加速凋落物的分解[25-27]。

2) 冰雪灾害后1 a林地存在大量新鲜枝叶，易分解的碳水化合物损失较多，凋落物的分解加快[28]。

3) 2008年的杉木林林冠受损，几乎没有凋落物量回归，也影响了凋落物的积累。另一方面，林冠疏开引起林下植物的种类和数量不断增加，林下植物输入的凋落物增加，因而2009年开始林地的凋落物量持续增加。

凋落物养分含量是凋落物的重要特征之一。冰雪灾害后1～4 a的凋落物层N和P含量呈现波动上升趋势，原因是N和P为不容易分解淋失的元素，主要以有机物形式存在于冰雪灾害形成的林冠残体中，须经微生物降解后才能大量释放[26]。在分解前期，凋落叶中N和P含量的相对不足，限制了微生物的生长和发育，导致N和P被强烈固持于凋落叶中[29]。在分解后期，由于降雨及来自微生物的N和P补充，森林昆虫的活动使得凋落物中的N和P含量出现上升趋势[30]。凋落物中的N和P含量波动性上升与徐涵湄等[26]、Knorr等[31]和Peter等[32]的研究结论相似。冰雪灾害后1～2 a的K含量急剧下降，可能与其易于从凋落叶[33]，特别是从林冠残体的枝叶中淋溶有关。Krankina等[34]发现，凋落物中的钾通过淋溶作用大量转移到土壤中。冰雪灾害后2～3 a的凋落物层的K含量上升，可能是由于 K 质量不够高，不能满足微生物分解活动的要求，因而暂时出现累积，也可能与富集土壤动物、微生物或降雨输入的K元素有关[26]。2010—2011年雨水对凋落物层的钾淋溶作用占主导地位，引起K含量下降，这与曹群根等[35]的研究结果相同。

冰雪灾害后1 a，杉木林凋落物层的N、P和K累积量均急剧下降，这与凋落物储量的显著下降有关。林冠受损后，光照增强引起的温度上升及土壤水分增加能促进凋落物的分解[36]，特别是绿叶的分解速度比正常的凋落叶快[28]，大量的林冠残体在温度高和降雨量大的中亚热带会快速分解[11]。冰雪灾害后2年的凋落物储量稳步上升，其中N和P含量呈波动性上升，所以N和P累积量上升。凋落物层K积累量上升后小幅下降与其凋落物层K含量的变化趋势相同，表明后者对K积累量的影响占主导地位。

[1] IPCC. Climate Change 2007:The Physical Science Basis: Working GroupⅠ Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge: Cambridge University Press， 2007.

[2] 李克让.全球气候变化及其影响进展和未来展望[J]. 地理学报， 1996， 51(S)：1-14.

[3] 刘国华，傅伯杰.全球气候变化对森林生态系统的影响[J].自然资源学报，2001，16(1)：71-78.

[4] 黎磊， 陈家宽.气候变化对野生植物的影响及保护对策[J].生物多样性， 2014， 22(5): 549-563.

[5] 王旭. 冰雪灾害对南岭常绿阔叶林结构的影响研究[D]. 北京: 中国林业科学研究院， 2012.

[6] 祝列克. 特大雨雪灾害对林业的影响及恢复重建思路[J]. 林业经济， 2008(3): 3-7.

[7] 赵霞， 沈孝清， 黄世能， 等. 冰雪灾害对杨东山十二度水自然保护区木本植物机械损伤的初步调查[J]. 林业科学， 2008， 44(11): 164-167.

[8] 徐建民， 李光友， 陆钊华， 等. 南方桉树人工林雨雪冰冻灾害调查分析[J]. 林业科学， 2008， 44 ( 7 ) :103-110.

[9] 许业洲， 孙晓梅， 宋丛文， 等. 鄂西亚高山日本落叶松人工林雪灾调查[J]. 林业科学， 2008， 44( 11) : 11-17.

[10] Lafon C W. Ice storm disturbance and long term forest dynamics in the Adirondack Mountains[J]. Journal of Vegetation Science， 2004， 15(2): 267-276.[11] 陈凤霞， 许松葵， 薛立， 等. 冰雪灾害对杉木林土壤特性的影响[J]. 生态学报， 2010， 30(20): 5466-5474.

[12] Bragg D C， Shelton M G， Zeide B. Impacts and management implications of ice storms on forests in the southern United States[J]. Forest Ecology and Management， 2003， 186(1): 99-123.

[13] Xue L. Nutrient cycling in a Chinese-fir (Cunninghamialanceolata)stand on a poor site in Yishan， Guangxi[J]. Forest Ecology and Management， 1996， 89(1/2/3): 115-123.

[14] 薛立， 冯慧芳， 郑卫国， 等. 冰雪灾害后粤北杉木林冠残体和凋落物的持水特性[J]. 林业科学， 2008， 44(11): 82-86.

[15] 张建国， 段爱国， 童书振， 等. 冰冻雪压对杉木人工林近成熟林分危害调查[J]. 林业科学， 2008， 44(11): 18-22.

[16] 何茜， 李吉跃， 陈晓阳， 等. 2008年初特大冰雪灾害对粤北地区杉木人工林树木损害的类型及程度[J]. 植物生态学报， 2010， 34(2): 195-203.

[17] 陈红跃， 薛立， 李吉跃， 等. 冰雪灾害对3种不同林分的损害特征比较[J]. 华南农业大学学报， 2010， 31(2): 78-81.

[18] 薛立， 许松葵， 陈红跃， 等. 中亚热带杉木人工林冰雪灾害引发的林木损害及林地养分分布[J]. 生态环境学报， 2010， 19(9): 2061-2065.

[19] 吴仲民， 李意德， 周光益， 等. “非正常凋落物”及其生态学意义[J]. 林业科学， 2008， 44(11): 28-31.

[20] 中国土壤学会. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京:中国农业科技出版社， 2000.

[21] Prescott C E. Do rates of litter decomposition tell us anythingwe really need to know[J]. Forest Ecology and Management， 2005， 220: 66-74.

[22] Ruf A， Kuzyakov Y， Lopatovskaya O. Carbon fluxes in soil food webs of increasing complexity revealed by14C labelling and13C natural abundance[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2006， 38: 2390-2400.

[23] 林德喜， 樊后保. 马尾松林下补植阔叶树后森林凋落物量、养分含量及周转时间的变化[J]. 林业科学， 2005， 41(6): 8-15.

[24] Lodge D J， Mcdowell W H. Summary of ecosystem-level effects of Caribbean Hurricanes[J]. Biotropica， 1991， 23: 373-378.

[25] Rozema J， Tosserams M， Nelissen H J M， et al. Stratospheric ozone reduction and ecosystem processes: enhanced UV-B radiation affects chemical quality and decomposition of leaves of the dune grassland speciesCalamagrostisepigeios[J]. Plant Ecology， 1997， 128: 284-294.

[26] 徐涵湄，丁九敏，刘胜，等． 雪灾对武夷山毛竹林凋落物分解动态的影响[J]. 南京林业大学学报(自然科学版)，2010，34(3): 131-135.

[27] Xu J X， Xue L， Su Z Y. Impacts of forest gaps on soil properties after a severe ice storm in aCunninghamialanceolatastand[J]. Pedosphere， 2015(accepted).

[28] Xu X， Hirata E， Enoki T， et al. Leaf litter decomposition and nutrient dynamics in a subtropical forest after typhoon disturbance[J]. Plant and Ecology， 2004， 173: 161-170.[29] 卢广超，邵怡若，薛立.氮沉降对凋落物分解的影响研究进展[J] . 世界林业研究，2014，27(1): 35-42.

[30] 罗大庆， 郭泉水， 黄界， 等. 2004. 西藏色季拉原始冷杉林死亡木特征研究[J]. 生态学报， 24 (3) : 635-639.

[31] Knorr M， Frey S D， Curtio P S. Nitrogen additions and litter decomposition: a meta analysis[J]. Ecology， 2005， 86:3252-3253.

[32] Peter M， Mark S， Richard D， et al. Direct and indirect effects of nitrogen deposition on litter decomposition[J]. Soil Biology﹠ Biochemistry， 2008， 40: 688-698.

[33] Golley F B， Mc Gimmis J T， Clements R G， et al. Mineral Cycling in a Tropical Moist Forest Ecosystem[M]. Athens， GA: University of Georgia Press， 1975.[34] Krankina O K， Harmon M E， Griazkin A V. Nutrient stores and dynamics of woody detritus in a boreal forest: Modelling potential implications at the stand level[J]. Canadian Journal of Forestry Research， 1999，29: 20-32.

[35] 曹群根， 傅懋毅， 李正才. 毛竹林凋落叶分解失重及养分累积归还模式[J]. 林业科学研究， 1997， 10(3): 303-308.

[36] Hungate B A， Dijkstra P， Johnson D W， et al. Elevated CO2increases nitrogen fixation and decreases soil nitrogen mineralization in Florida scrub oak[J]. Global Change Biology， 1999， 5: 797-806.

(责任编辑 张 坤)

Effect of Ice-Storm Damage on Mass Accumulation and Nutrient Dynamics of Litter Layer in a Cunninghamia lanceolata Stand in the Northern Guangdong

Xu Jianxin1,2，Hou Xiaoli1，Xue Li1

(1.College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong 510642, China 2.Shenzhen Techand Ecology & Environment Co. Ltd., Shenzhen, Guangdong 518040, China)

In order to research the effect of snow and ice disaster on the litter layer storage and nutrient of aCunninghamialanceolatastand in the north of Guangdong province in 2008-2011 year, some quadrates ofCunninghamialanceolatastand were established after snow storm disturbance, and then was measured the variation of N, P and K. The results showed that the mass of litter layer was 15.97 t/hm2, 9.96 t/hm2, 11.20 t/hm2and 12.43 t/hm2, respectively in four years, with a trend of decrease followed by an increase. N contents appeared rising trend in four years,P contents increased firstly and then decreased followed by an increase. In contrast, K contents sharply decreased followed by a fluctuation in four years. N accumulation was 107.80 kg/hm2, 91.38 kg/hm2, 99.67 kg/hm2and 136.84 kg/hm2in four years, respectively. P accumulation was 7.83 kg/hm2, 6.05 kg/hm2, 6.2 kg/hm2and 7.74 kg/hm2in four years, respectively. K accumulation was 69.95 kg/hm2, 9.06 kg/hm2, and 14.81 kg/hm2in four years, respectively. The nutrient content and nutrient amount in litter layer were in the order of N > K > P. After snow storm disturbance, large of crown debris were input in the stand in one year after snow and ice disaster, which improved soil fertility and accelerated nutrient cycling.

ice storm damage;Cunninghamialanceolata; litter layer； litter amount; nutrient dynamics

2015-03-20

深圳市战略性新兴产业专项资金项目(GCZX20120618100801416)资助。

薛立(1958—)，男，博士，教授。研究方向：森林生态学。Email：forxue@scau.edu.cn。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.005

S714.2

A

2095-1914(2015)05-00027-05

第1作者：许建新(1982—)，男，博士，工程师。研究方向：植物生态学。Email：63930048@qq.com。