崔秋芳,趙佳寶,陳家林,郭二輝,楊喜田
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450002
不同林齡階段的松櫟混交人工林碳儲(chǔ)量研究
崔秋芳,趙佳寶,陳家林,郭二輝,楊喜田*
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450002
以不同林齡的馬尾松-麻櫟(Pinus massoniana-Quercus acutissima)人工林為研究對(duì)象,為盡可能減少樣木法測(cè)定生物量對(duì)森林資源的破壞,采取估算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定相結(jié)合的方法,探討了不同生長(zhǎng)發(fā)育階段生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化規(guī)律。結(jié)果表明:人工混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量隨著林齡的增加而增加,且主要分布在喬木層和土壤層。隨著林齡的增大,喬木層碳儲(chǔ)量增加,馬尾松碳儲(chǔ)量占喬木層的比重呈先增加后降低趨勢(shì),20年生所占比重最大,可達(dá)61.53%,而麻櫟則相反,35年生麻櫟碳儲(chǔ)量高達(dá)80.30 t·hm-2,占比重的55.33%,二者生長(zhǎng)呈現(xiàn)互補(bǔ)趨勢(shì);灌木層和枯落物層碳儲(chǔ)量隨著林齡的增大呈現(xiàn)“n”型,20年生達(dá)到最高值,分別為13.00和1.87 t·hm-2;8年生林齡的草本層碳儲(chǔ)量最大,為0.15 t·hm-2,隨著林齡的增加而減??;土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨著林齡的增大而增加,同一林齡土壤機(jī)碳碳儲(chǔ)量在垂直分布上表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加,碳儲(chǔ)量減少,有機(jī)碳碳儲(chǔ)量主要集中在0~20 cm的土層。植被層碳儲(chǔ)量的空間分布序列是:?jiǎn)棠緦?灌木層>枯落物層>草本層,混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分布情況為8~20年生林碳儲(chǔ)量分布一致:土壤>喬木>灌木>枯落物>草本,25~35年生分布一致:?jiǎn)棠?土壤>灌木>枯落物>草本。該研究認(rèn)為馬尾松-麻櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量隨林齡增加的變化規(guī)律明顯,碳匯潛力巨大,為該區(qū)人工碳匯林業(yè)的經(jīng)營(yíng)提供了依據(jù)。
人工混交林;林齡;時(shí)空變化;碳儲(chǔ)量,
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森林生態(tài)系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)全球氣候變暖中扮演著重要的角色,其碳匯功能成為溫室氣體減排的手段越來(lái)越受到人們的重視。人工林在CO2的吸收和固定及減緩全球氣候變化等方面占據(jù)了越來(lái)越重要的地位(吳鵬飛等,2008;Winjum et al.,1997)。徐新良等(2007)提出中國(guó)森林的植被碳匯功能主要來(lái)自于人工林的貢獻(xiàn)。森林植被地上和地下之間的碳分配過(guò)程是森林生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的主要過(guò)程(Chen et al.,2015)。Fahey et al.(2010)提出生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫(kù),林木的生物量包括樹(shù)干、樹(shù)枝、葉片、根系。Montané et al.(2010)認(rèn)為枯落物的數(shù)量和質(zhì)量影響土壤有機(jī)碳的集聚,是土壤物質(zhì)和能量的來(lái)源,在碳循環(huán)過(guò)程中起著重要的作用(Kumada et al.,2008,2009;Montané et al.,2010)。Wang et al.(2013)提出林地土壤的碳儲(chǔ)量約占整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的三分之二,對(duì)全球碳循環(huán)意義重大。碳儲(chǔ)量受到地形、氣候、土壤特性、林木種類(lèi)以及林齡等多種因子影響(Delcuca et al.,2012),樹(shù)種組成及樹(shù)齡對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響尤為重要(He et al.,2013)。不合理的人工林組成與林齡結(jié)構(gòu)將會(huì)導(dǎo)致一系列的生態(tài)問(wèn)題,最終影響碳匯林業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展(魏曉華等,2015)。Powers et al.(2013)研究表明柳葉桉(Eucalyptus saligna Smith)人工純林的地下部分碳儲(chǔ)量隨著林齡的增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。豫中南低山丘陵區(qū)位于暖溫帶和亞熱帶過(guò)渡區(qū),屬于氣候變化敏感區(qū)域,馬尾松-麻櫟(Pinus massoniana-Quercus acutissima)混交林是這一地區(qū)重要的森林資源,也是森林碳庫(kù)的重要組成部分,因此對(duì)不同林齡混交林的固碳潛力及碳儲(chǔ)量研究尤為重要。
本研究以駐馬店南部低山丘陵區(qū)的馬尾松-麻櫟人工混交林為研究對(duì)象,為盡可能減少樣木法測(cè)定生物量對(duì)森林資源的破壞,采取估算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定相結(jié)合的方法,基于對(duì)不同林齡的松櫟人工林碳儲(chǔ)量的調(diào)查評(píng)估,探討人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的時(shí)空分布特征,旨在為區(qū)域尺度上估算人工林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)及碳平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。
本研究位于河南省駐馬店市南部,是桐柏山和伏牛山余脈的淺山丘陵地,地處東經(jīng) 113°24′~114°30′,北緯32°34′~32°44′。該區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒?、暖溫帶的過(guò)渡區(qū),年平均氣溫為 15.1 ℃,降雨量為971 mm,日照的時(shí)長(zhǎng)為2145.9 h,無(wú)霜期約為220 d。植被中喬木樹(shù)種以麻櫟(Q. acutissima)、馬尾松(P. massoniana)等為主,灌木以構(gòu)樹(shù)(Broussonetia papyrifera)、和柘桑(Cudrania tricuspidata)、麻櫟更新層等為代表,草本植物以柳葉箬(Isachne globosa)和狗牙根(Cynodon dactylon (Linn.)Pers.)等為主;土壤為黃棕壤。
2.1樣地選擇
2014年7月,采用樣地調(diào)查法先后于河南省駐馬店市確山縣薄山林場(chǎng)、泌陽(yáng)縣馬道林場(chǎng),分別選取8、10、20、25、30、35年生馬尾松-麻櫟人工林為研究對(duì)象,同一林齡的兩個(gè)樹(shù)種年齡相同,均為人工栽植樹(shù)種,但由于初植時(shí)成活率不同,以及中間撫育、盜伐程度不同等原因,不同林齡的兩個(gè)樹(shù)種差異較大,其中,8~25年生林馬尾松-麻櫟混植比例為1∶3,30~35年生林馬尾松-麻櫟混植比例約為1∶1.5。采用羅盤(pán)儀閉合導(dǎo)線測(cè)量方法(導(dǎo)線閉合差≤1/200),設(shè)置面積為400 m2(20 m×20 m)大小的標(biāo)準(zhǔn)樣地 16個(gè)。記錄調(diào)查樣地的名稱(chēng)、經(jīng)緯度、海拔、坡向、坡度等信息。對(duì)樣地內(nèi)胸徑大于1 cm的林木進(jìn)行每木調(diào)查并記錄其胸徑、樹(shù)高、冠幅、郁閉度等信息。用胸徑尺測(cè)定胸徑(1.3 m處),精確到0.1 cm。樣地基本情況見(jiàn)表1。
表1 樣點(diǎn)基本情況Table 1 Basic information of plots
2.2植被生物量調(diào)查
(1)喬、灌木生物量及碳儲(chǔ)量的估算:為了減少樣木法測(cè)定林木生物量帶來(lái)的破壞性,借鑒已發(fā)表的適合試驗(yàn)地的生物量方程對(duì)喬木層樹(shù)種馬尾松、麻櫟生物量進(jìn)行估算(見(jiàn)表 2)。馬尾松的生物量采用張國(guó)斌等(2012)的一元樹(shù)干生物量模型進(jìn)行估算,麻櫟的生物量測(cè)算則采用劉玉萃等(1998)、馮萬(wàn)富等(2015)關(guān)于櫟類(lèi)的一元樹(shù)干生物量模型。本研究中將林下更新層中直徑≤4 cm的幼苗均歸為灌木類(lèi),主要為麻櫟。因此,灌木層生物量的測(cè)算主要采用以 D2H為自變量的林下灌木生物量回歸模型(見(jiàn)表2)。
表2 喬木和灌木生物量相對(duì)生長(zhǎng)方程Table 2 Allometric equations of tree and shrub biomass
(2)草本層生物量的估測(cè):在每個(gè)樣地按對(duì)角線法,設(shè)置4個(gè)面積為1 m2(1 m×1 m)的草本樣方,采用挖掘法獲得樣方內(nèi)草本(地上部、地下部)樣品,把采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室在 80 ℃條件下烘干至恒重,用于計(jì)算生物量。
(3)收集枯落物的樣方設(shè)置同草本,收集所有枯落物,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi) 80 ℃條件下烘干至恒量,測(cè)定枯落物的現(xiàn)存量。
2.3碳儲(chǔ)量的測(cè)定方法
根據(jù)碳-生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)將植被生物量轉(zhuǎn)換為碳儲(chǔ)量。轉(zhuǎn)換系數(shù)均來(lái)自已發(fā)表文章,本文選定的馬尾松和麻櫟轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.54和0.5(李海奎等,2010);灌木、草本和枯落物的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.49(劉迎春等,2011;馬欽彥等,2002)、0.40和0.39(劉迎春等,2011;羅云建,2007)。
2.4土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測(cè)定
每個(gè)樣地按對(duì)角線法設(shè)定3個(gè)土壤取樣點(diǎn),分別在0~10、10~20、20~30、30~40 cm土層采集土壤容重(環(huán)刀取樣法)和有機(jī)碳含量樣品。由于樣地40 cm以下土層石塊較多,及植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響主要集中在 40 cm以上土層(吳鵬飛等,2008;Tolbert et al.,2002),故本研究?jī)H取0~40 cm的土樣。土壤容重用烘干法測(cè)定。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式(張國(guó)慶等,2007):
式中,C為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t·hm-2);Hi是第i層土壤的平均厚度(cm),Bi是第i層土壤的平均容重(g·cm-3),Oi是第i層土壤的平均有機(jī)碳含量(g·kg-1),0.1為單位換算系數(shù)。
2.5數(shù)據(jù)分析
采用Origin 7.5繪制喬木層生物量和碳儲(chǔ)量分布圖、兩個(gè)喬木樹(shù)種碳儲(chǔ)量百分比分配圖以及馬尾松-麻櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布圖,用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用單因素方差分析(One Way ANOVA)進(jìn)行差異性檢驗(yàn),并用最小顯著差異法(LSD)(方差齊性)進(jìn)行多重比較。
3.1馬尾松-麻櫟人工林喬木層的生物量和碳儲(chǔ)量
由圖1可以看出,馬尾松和麻櫟的生物量和碳儲(chǔ)量整體表現(xiàn)為隨著林齡的增加而增加。8~30年生人工林,馬尾松生物量和碳儲(chǔ)量在不同林齡間均呈現(xiàn)出極顯著差異,而30年生林和35年生林僅表現(xiàn)為顯著差異。麻櫟的8年生林和10年生林的生物量和碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)出顯著差異,其余林齡均呈極顯著差異。8年生林和10年生林喬木層的總生物量無(wú)顯著差異,而不同林齡間的喬木層碳儲(chǔ)量差異則極其顯著。
圖1 喬木層的生物量和碳儲(chǔ)量Fig. 1 Biomass and carbon storage of trees in plantations
圖2顯示,隨著林齡的增加,馬尾松碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì),而麻櫟則相反。馬尾松在8~20年處于快速生長(zhǎng)期,其生物量和碳儲(chǔ)量在喬木層中所占的比重增加,20年以后生長(zhǎng)速度減慢,生物量和碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)率減小。20年生馬尾松的生物量和碳儲(chǔ)量在喬木層中所占的比重均達(dá)到最大值,高達(dá)61.53%。麻櫟前期生長(zhǎng)較緩慢,35年生麻櫟的生物量和碳儲(chǔ)量均達(dá)到最大值,表明麻櫟在后期仍有很強(qiáng)的生長(zhǎng)潛力。
3.2林下植被層生物量和碳儲(chǔ)量
從表3可知,對(duì)于灌木層的生物量和碳儲(chǔ)量,其變化均呈“n”型特點(diǎn),先隨著林齡的增大而明顯增加,8年生林生物量和碳儲(chǔ)量最少,20年達(dá)到最大值,分別為26.54和13.00 t·hm-2,然后隨林齡增加而降低。草本植物的生物量和碳儲(chǔ)量均隨著林齡的增加而減小,其中8年生林下草本植物的碳儲(chǔ)量百分比為1.12%,分別比其他林齡高出1020.00%、2053.85%、2053.85%、2073.08%、3400.00%。林下枯落物的現(xiàn)存量和碳儲(chǔ)量隨著林齡的增大呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),其中 20年生混交林林下枯落物的現(xiàn)存量和碳儲(chǔ)量最多。
圖2 喬木層兩樹(shù)種碳儲(chǔ)量的比例分配Fig. 2 Carbon storage distribution of trees
3.3土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量
本調(diào)查發(fā)現(xiàn),不同林齡的混交林內(nèi)土壤層有機(jī)碳儲(chǔ)量在垂直分布上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性(表4)。隨著土壤深度的增加,有機(jī)碳碳儲(chǔ)量減少。各林齡0~20 cm土層中有機(jī)碳碳儲(chǔ)量明顯高于20~40 cm的土層。土壤總的有機(jī)碳碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)出隨著林齡的增加而增加,20年生和25年生林地土壤有機(jī)碳碳儲(chǔ)量差異不顯著,其余均顯著(P<0.05)。
表3 林下植被層和枯落物的生物量和碳儲(chǔ)量Table 3 Biomass and carbon storage of understory and litter t·hm-2
表4 不同林齡土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量Table 4 Organic carbon storage in soil for different stand age t·hm-2
圖3 馬尾松-麻櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布Fig. 3 Ecosystem carbon storage and spatial distribution of P. massoniana and Q. acutissima mixed plantation
3.4人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的時(shí)空分布
從圖3可以看出,不同林齡的人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量隨著林齡的增加而增加,各林齡間生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量差異極其顯著。相同林齡的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分布亦不同,其中 8~20年生混交林碳儲(chǔ)量分布情況為:土壤>喬木>灌木>枯落物>草本,25~35年生為:?jiǎn)棠?土壤>灌木>枯落物>草本。由此可知,喬木和土壤是生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的主要來(lái)源,草本和枯落物碳儲(chǔ)量極低(在圖2中沒(méi)有表達(dá))。植被和土壤有機(jī)碳碳儲(chǔ)量在生態(tài)系統(tǒng)中所占比例隨林齡的增加而發(fā)生變化。在8、10、20、25、30和35年階段,植被碳儲(chǔ)量所占比例依次為20.45%、26.63%、50.73%、54.03%、55.26%和 55.94%,土壤有機(jī)碳碳儲(chǔ)量分別為79.55%、73.37%、49.27%、45.97%、44.74%和44.06%。由此表明,隨著林齡的增加,植被碳儲(chǔ)量對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)率也在增加,而土壤機(jī)碳碳儲(chǔ)量則相反。
馬尾松-麻櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量及碳儲(chǔ)量均隨著林齡的變化而變化,并且碳儲(chǔ)量主要分布在喬木層和土壤層,這和前人研究相符合。
4.1討論
在喬木層生物量和碳儲(chǔ)量累積的過(guò)程中,由于10~20年生為馬尾松的速生期,胸徑和樹(shù)高生長(zhǎng)迅速(林劍榕,2007),期間生物量累積迅速,20年以后的馬尾松生長(zhǎng)速度趨于平緩,而4~10年生是麻櫟的速生豐產(chǎn)期,并且 27年生的麻櫟還具有一定的生長(zhǎng)潛力(魏國(guó)余等,2014)。因此前 20年馬尾松碳儲(chǔ)量對(duì)喬木層總碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)大,麻櫟后來(lái)者居上。林下植被層碳儲(chǔ)量受人工撫育、林齡和林分郁閉度影響較大。20年生林分郁閉度較小,林下光照充足、濕度適宜,利于麻櫟種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng);另外,在林下天然更新層中直徑≤4 cm的麻櫟幼苗數(shù)量增多,且被歸為灌木類(lèi),因此 20年生林林下植被高于其他林分。隨著林齡和郁閉度的增加松櫟混交林林下灌木層和草本層的生物量和碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì),充分反映了林分郁閉度的變化和人工撫育的影響??萋湮锏默F(xiàn)存量和碳儲(chǔ)量隨著林齡的變化和灌木層保持一致,可能受到林下植被豐富度的影響,在生長(zhǎng)后期,隨著枯落物分解增加,現(xiàn)存量減少,碳儲(chǔ)量降低。
本研究中林分土壤層有機(jī)碳儲(chǔ)量低于我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤層碳儲(chǔ)量的平均值(193.55 t·hm-2)(周玉榮等,2000)。主要考慮以下兩個(gè)原因:一是所選取林分的林齡不同,碳儲(chǔ)量不同;二是由于林地土壤條件限制,只能選取0~40 cm的土壤剖面,而多數(shù)研究者采用的是0~100 cm土層進(jìn)行估算。土壤表層有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于下土層,具有明顯的表聚性,可能是因?yàn)樯锓纸獾挠袡C(jī)質(zhì)主要積聚在表土,這與巫濤等(2012)的研究結(jié)論一致。一些學(xué)者認(rèn)為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和林齡沒(méi)有顯著關(guān)系,也有人認(rèn)為土壤碳含量隨著林齡的增長(zhǎng)而增加,本研究結(jié)果和后者一致。這些差異可能是由于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量受到土壤理化性質(zhì)、林地管理水平、枯落物輸入以及根系代謝等多因素的影響(劉苗等,2014; Zeng et al.,2013)。本研究認(rèn)為,隨著林齡的增加,枯落物的輸入利于增加林有機(jī)碳的含量。
4.2結(jié)論
馬尾松-麻櫟人工混交林生態(tài)系統(tǒng)可以比較迅速的積累大量的生物量碳,喬木和土壤是碳匯的主要場(chǎng)所,隨著林齡的增加,喬木層逐漸成為該人工林生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主導(dǎo)。同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)馬尾松和麻櫟速生期互補(bǔ),此時(shí)加強(qiáng)人工撫育和管理是實(shí)現(xiàn)和促進(jìn)其碳匯功能的重要手段(成向榮等,2012)。本研究下一步工作將結(jié)合對(duì)不同林齡林木的撫育管理,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)木采樣,測(cè)算碳儲(chǔ)量,同時(shí)建議對(duì)30年馬尾松和35年生麻櫟進(jìn)行必要的間伐甚至是全伐管理,并在清除原有植株后,重新補(bǔ)植幼樹(shù),以維持碳匯平衡,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人工林的多功能可持續(xù)發(fā)展。
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Study on Carbon Storage of A Mixed Pine-oak Plantation Based on Different Ages
CUI Qiufang, ZHAO Jiabao, CHEN Jialin, GUO Erhui, YANG Xitian*
College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
In this paper, Pinus massoniana and Quercus acutissima mixed plantation ranging from 8 to 35 years in representative are selected as the research object. The paper mainly discussed temporal-spatial pattern of community biomass and carbon storage in different stand structures, (e.g.the tree, the shrub, the herb and the stand) and different age group,adopting estimates and experiment ways to minimize the destruction of standard tree method of biomass to the forest resources. The results showed that the ecological system carbon storage in mixed plantations increased continually with the ages increasing, mainly distributed in the tree layer and soil layer. The carbon storage percentage of P. massoniana increased first and then decreased with the increasing of age, 20 years accounted for the largest, reached 61.53%, while Q. acutissima is just the opposite, carbon storage of 35 year-old Q. acutissima reached up to 80.30 t·hm-2and accounted for 55.33%, Showing a trend of growth complementary between them. With the increasing of stand age, the carbon storage of shrub layer and litter layer showed “n” type, peaked at 20 years were 13.00 and 1.87 t·hm-2, but herb layer reduced, peaked at 8 years was 0.15 t·hm-2. To the soil layer, Organic Carbon storage increased with the increasing of age and focused on 0~20 cm and decreased with soil depth in same aged plantation. Carbon storage in vegetable layer was in sequence of arbor, shrub, liter, herb. Carbon storage in mixed plantations ecological system in 8~20 years was in the same sequence of soil>tree>shrub>litter>herb, while in 25~35 years was tree>soil>shrub>litter>herb. In conclusion, our study shows that carbon storage and distribution patterns in P. massoniana and Q. acutissima mixed plantation expressed obvious dynamic variations with stand age and had huge carbon storage potential in the future. It can facilitate the management of the forest as a carbon sink.
multi-function plantation; stand age; temporal-spatial pattern; carbon storage
10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.12.003
S718.55; X171.1
A
1674-5906(2015)12-1944-06
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170580)
崔秋芳(1981年生),女,博士研究生,主要研究方向?yàn)橹脖换謴?fù),林木生理生態(tài)研究。E-mail: cqf1981@163.com *通信作者:楊喜田,男,教授,博士導(dǎo)師,主要從事植被恢復(fù),林木生理生態(tài)研究
2015-09-28
引用格式:崔秋芳, 趙佳寶, 陳家林, 郭二輝, 楊喜田. 不同年齡階段的松櫟混交人工林碳儲(chǔ)量研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(12): 1944-1949.