Estimation and uncertainty analysis of carbon，nitrogen，and phosphorus concentrations in trunks of five dominant tree species in subtropical evergreen broadleaved forests

研究样地位于浙江省绍兴市五洩国家森林公园(29°43′19.08″N，120°03′06.09″E)，在森林公园中部无人为干扰的典型亚热带常绿阔叶林区域，设3个50 m × 50 m的样地作为长期固定监测样地。样地内优势树种为马尾松Pinus massoniana、杉木Cunninghamia lanceolata、木荷Schima superba、青冈Quercus glauca和毛竹Phyllostachys edulis。2018年11月于样地内随机选取一定数量的5种优势树种，分别截取1 m长度的树干圆盘，具体取样数为马尾松32、杉木21、木荷30、青冈30和毛竹18。将取样圆盘于45 ℃烘干至恒量，选取部分组织粉碎待用。采用元素分析仪测定碳和氮质量分数(Elementar Analysen system, Bran & Luebb GmbH，德国)，采用Auto Analyzer测定磷质量分数(AA3, Bran+Luebb GmbH，德国)。

采用单因素方差分析检测树种间和树种内部不同圆盘样本之间的碳、氮、磷质量分数差异。在不同树种的碳、氮、磷样本中(n=18~32)，采用Bootstrap估算随取样量增加各树种养分估算值总平方误差变化情况。预计估算值的总平方误差将随取样量增加而减小，取样量较小时(n=3~5)估算误差最大，可能检测到一个处于中间区间建议取样量(n_i)。利用随机抽样方式，比较常用的小样本(n=3~5)、n_i与全样本导致的碳、氮、磷质量分数变异情况。所有统计和绘图工作利用R软件完成，其中利用“segmented”软件包进行阈值点的估算。

由图1和表1可知：不同树种树干碳、氮、磷质量分数之间具有极显著差异(P＜0.001)；杉木碳质量分数极显著高于其他4个树种(P＜0.001)，木荷和青冈最低；马尾松氮质量分数最高(P＜0.001)，青冈和毛竹次之，杉木和木荷最低，但青冈和毛竹、杉木和木荷之间无显著差异；马尾松和毛竹的磷质量分数极显著高于其他树种(P＜0.001)，杉木和木荷较低，两者之间差异不显著。

Figure 1.  Carbon (C), Nitrogen (N), and Phosphorus (P) concentration variation in the tree boles of five tree species in subtropical evergreen broadleaf forest

由表1可知：马尾松树干碳变异系数为7%，其他树种为2%~3%；马尾松氮变异系数最低，为12%，杉木最高，为31%，其他树种为20%~25%；青冈的磷变异系数最低，仅为14%，木荷最高，为46%，其他树种为20%~33%。总体上，树种之间的碳、氮、磷变异系数差异较大。马尾松碳变异幅度高于其他树种，氮变异系数低于其他树种；青冈磷变异系数较小，木荷较高，其他树种处于中间水平。

由图2可知：5个亚热带常绿阔叶林优势树种碳的建议取样量为5~10。其中马尾松建议取样量最大，为10，木荷为8，杉木和青冈为6，毛竹为5。亚热带常绿阔叶林优势树种氮的建议取样量为4~7。其中杉木建议取样数最大，为7，马尾松为6，木荷和青冈为5，毛竹最少，为4。亚热带常绿阔叶林优势树种磷的建议取样量为5~9。其中马尾松建议取样量最大，为9，青冈为8，杉木和木荷为7，毛竹最小，为5。

Figure 2.  Trends of total squared error in the estimation of C, N, P concentration of tree boles with different sample sizes

将该领域常用的小取样量(n=3~5)与上述估算的取样量进行比较(表2)发现：对于碳估算变化，马尾松由于树干碳质量分数变异较大，n=5小样本条件下质量分数估算误差为6%~7%，采样样本增加至n=10后估算误差为4%~5%；而对于其他树种，n=3即可保证5%的估算误差。对于氮质量分数变化，马尾松n=5小样本条件下氮质量分数为14%~15%，采样样本增加至n=10不能显著提高估算精度；其他树种也表现出一致规律，增加取样量不能有效降低估算误差。磷质量分数变异较大，增加样本没有显著降低取样误差，n=5小样本可以保证马尾松、杉木、木荷估算误差为30%~50%，而青冈和毛竹估算误差为15%~20%。

相比于其他树种，马尾松的碳质量分数变异系数最大，建议采样样本数为10。马尾松是广泛分布于亚热带地区材用和造林树种，有关其碳含量的报道较多^[15-18]。常绿阔叶林中，马尾松碳质量分数为41.78%~51.49%，平均为46.38%，变异系数约10%^[18]；而全国范围内，马尾松树干中碳平均质量分数为44.83%，变异系数约12%^[11]；全球尺度范围内，马尾松及同纬度地区陆生植物碳质量分数为46.4%，变异幅度约14%^[19]。而在本研究中，样地尺度上马尾松树干碳质量分数为425.4~475.8 g·kg⁻¹，平均值为450.0 g·kg⁻¹，整体变异系数为7%。总体而言，碳质量分数变异幅度随尺度变大而升高。这些变异幅度指标可以为不同尺度水平下总碳质量分数估算的不确定性提供借鉴，即在全国范围内，关于马尾松的碳储量估算可能存在7%~12%的不确定性，而其他树种n=3~5小样本的估算误差在5%以下。李永进等^[20]研究杉木等8种乡土树种碳质量分数时发现：树干、树枝、树叶和树根碳质量分数分别为454.7~500.0、426.0~474.0、448.4~495.8、436.0~490.4 g·kg⁻¹，变异系数均在8%以上。唐学君等^[21]研究内蒙古地区油松林碳储量变异情况时发现：油松人工林平均碳质量分数为502.49 g·kg⁻¹，最大值为枝(514.20 g·kg⁻¹)，最小值为树干(485.58 g·kg⁻¹)，变异系数高达20%。赵瑞等^[22]研究了东北常见的10个阔叶树种的碳质量分数，每个树种采样3个，各树种碳变异系数均约7%。以上研究结果与本研究结果相似。

蔡国俊等^[23]分析了黔南喀斯特峰丛洼地建群树种不同器官氮和磷化学计量特征，发现取样量为3时，氮和磷平均质量分数分别为(8.90±7.68)和(0.52±0.32) mg·g⁻¹，变异系数分别为86.29%和61.54%，氮和磷质量分数变异较大。周永姣等^[24]研究了亚热带59个常绿与落叶树种细根养分及化学计量特征，发现取样量为3时，根氮质量分数变异系数为42.14%~48.87%；而将采样样本数提高到4或5时，亚热带常绿阔叶林11个树种细根氮质量分数的总体变异系数可降至41.29%^[25]。本研究也发现将采样强度由3提升至4或5时，树干氮质量分数估算误差显著降低。

傅梓奇^[26]测定了亚热带地区18个树种的根系磷质量分数(取样量为4或5)，总体磷质量分数为0.3~0.8 g·kg⁻¹ ，与本研究树干木质部的研究结果一致。刘璐等^[27]对神农架常绿落叶阔叶混交林植物不同器官磷质量分数的研究发现：加权不同器官生物量(取样量为3)可知磷在不同整株植物中的总体变异系数为47.67%，这与本研究14%~46%的变异系数相吻合。另外，本研究还发现增加采样样本不能显著降低5个树种磷的估计误差。

总体上，马尾松树干碳质量分数变异较大，在估算和评估马尾松林碳储量时，建议适当增加取样量(n=5~10)以降低估算误差，或在仍采用n=3~5小样本取样量的同时，将±10%估算误差范围考虑在内。对于其他树种的碳质量分数及所有树种的氮和磷质量分数，增加采样样本对估算误差的降低效果不明显，建议仍使用取样量n=4或n=5。