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杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)是我国亚热带地区的主要造林树种之一,杉木人工林约占我国人工林面积的18%以及世界人工林面积的5%[1]。长期以来,杉木人工林采取纯林、短轮伐期和皆伐等经营方式,导致林分生产力和土壤质量不断降低,严重影响人工林生态系统稳定性,将杉木纯林改造为混交林,尤其是构建异龄复层林,被认为是解决当前杉木人工纯林面临的主要问题,以及实现可持续发展的有效途径[2]。
土壤团聚体作为土壤结构的基本单元,其组分和稳定性在一定程度上反应了土壤持水性能和养分循环等能力的高低[3],其中,水稳性团聚体(WSA)组分和稳定性会显著影响土壤结构与功能,团聚体稳定性越强,土壤对抗地表径流和土壤侵蚀的能力越强,有利于降低水土流失,提高土壤肥力[4]。另外,团聚体良好的固碳作用可以减少CO2排放,有效缓解温室效应。目前,对团聚体稳定性影响的研究多集中于草地和农田生态系统,而对森林经营管理方式,如营造异龄复层林对团聚体稳定性影响的研究相对较少[5-6]。研究异龄复层林土壤团聚体组分、稳定性及土壤碳储量的变化,对改善人工林土壤水土保肥能力和促进土壤碳固持具有重要意义。土壤碳氮磷元素既是维持生态系统养分循环的主要元素,也是表征林地土壤质量和肥力的首要指标[7]。土壤碳氮磷储量在森林生态系统总碳氮磷储量中占有较大比例,而目前关于杉阔混交林对土壤碳氮磷储量的影响研究存在分歧。有研究报道,杉阔混交林可以增加土壤有机碳及养分储量[8];但也有研究发现,杉阔混交林对有机碳储量及养分储量无显著影响,甚至会降低有机碳储量[9]。土壤钙镁元素是植物生长发育必需的中量营养元素,是团聚体形成的良好胶结剂[10]。在间伐后的杉木人工纯林内引入耐荫树种,构建杉木异龄复层混交林,已成为近年来低质低效杉木人工林结构优化和质量提升的主要措施之一;但现有研究主要集中在同龄混交林,异龄复层混交林在林分结构上与同龄混交林有较大差异,关于杉阔异龄复层林对土壤团聚体有机碳及养分含量和储量的影响鲜见报道。
本文选取浙江省开化县林场杉木纯林内引入的不同阔叶树种构建的杉阔异龄复层林为研究对象,以杉木纯林为对照,测定杉阔异龄复层林全土以及土壤团聚体碳氮磷钙镁含量和不同粒级团聚体组分,探讨构建异龄复层林对土壤全土和团聚体碳氮磷钙镁储量和水稳性团聚体稳定性的影响机制,评价杉阔异龄复层林(以下简称复层林)生态系统土壤稳定性、有机碳及养分储量潜力,并筛选高效的复层林配置模式,以期为杉木人工林可持续经营、土壤质量提升及构建健康土壤生态系统提供参考。
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研究区位于浙江省开化县林场(钱塘江源头重要区域)(29° 09′ N, 118° 25′ E),试验地属浙西中山丘陵地带,气候属亚热带季风气候,年平均气温16.4℃,年平均降水量1 814 mm,无霜期252 d,年日照总时数1 334 h,土壤类型主要以红黄壤为主。
供试杉木林分为1996年春季造林,初植密度2 500株·hm−2,2006年进行1次抚育间伐,目前保留密度1 358株·hm−2。2011年春季在杉木林下块状种植蚊母树(Distylium racemosum Sieb.et Zucc.)、紫楠(Phoebe sheareri (Hemsl.) Gamble)、杨桐(Adinandra millettii (Hook. et Arn.) Benth. et Hook. f. ex Hance)、红茴香(Illicium henryi Diels.),其中,灌木树种(蚊母、杨桐)栽植密度3 000株·hm−2,乔木树种(紫楠、红茴香)栽植密度2 500株·hm−2,各树种栽植面积约0.5 hm2。每个区块内树种生长势基本一致,2018年5月在上述4个复层林和杉木纯林样地内随机构建3个20 m×15 m的小样方,样地基本情况见表1。
表 1 样地基本情况
Table 1. Basic overview of the plots studied
处理
Treatments树种
Tree species林龄
Stand age/a树高
Height/m胸径
Diameter at
breast /cm凋落物生物量
Biomass of
litter /(g·m−2)土壤容重
Bulk density/
(g·m−3)pH值 杉木+蚊母
C. lanceolata+D. racemosum杉木C. lanceolata 22 14.3 21.8 133.0±6.2bc 1.14±0.01c 4.29±0.01c 蚊母D. racemosum 7 3.6 1.5 杉木+紫楠
C. lanceolata+Ph.sheareri杉木C. lanceolata 22 14.6 20.9 148.9±12.6ab 1.28±0.02b 4.35±0.03ab 紫楠Ph.sheareri 7 5.5 4.8 杉木+杨桐
C. lanceolata+A.millettii杉木C. lanceolata 22 15.1 21.6 150.3±10.7ab 1.27±0.01b 4.38±0.04a 杨桐A.millettii 7 2.8 2.1 杉木+红茴香
C. lanceolata+I. henryi杉木C. lanceolata 22 15.8 22.1 158.3±11.2a 1.16±0.01c 4.30±0.02b 红茴香I. henryi 7 4.4 3.2 杉木C. lanceolata 杉木C. lanceolata 22 13.8 20.1 115.6±15.1d 1.36±0.02a 4.22±0.02d 注:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。
Note: Different lowercase letters in the same column indicated significant difference at 0.05 level between treatments, the same below. -
2018年5月在各林分的临时样方内采集凋落物和土壤样品。在每个样方内,按“S”形设置5个1 m×1 m的小样方收集地表凋落物,随后将凋落物样方土壤表面的植被小心铲除,采集0~20 cm新鲜表层土。每个样方内收集的凋落物和土壤样品分别混合成一个混合样品,共计15个凋落物样品和15个土壤样品,随后立即将土壤样品用硬质塑料盒运回实验室,在阴凉处自然风干,并去除动植物残体等。所取土壤样品分为两部分,一部分自然风干后测量完整全土(完整表层土)有机碳及养分含量;另一部分原状土在风干过程中沿其自然结构面掰开并过8 mm筛,继续风干后采用湿筛法进行团聚体粒径分组[11]:称取50 g风干土样,在纯水中浸润10 min,再用XDB0601型土壤团聚体分析仪(北京新地标土壤设备有限公司生产)进行筛分,筛分需通过一套3个筛子(5、2、0.25 mm),在纯水环境中进行5 min湿筛(振幅3 cm,频率30次·min−1),得到>5 mm粒径水稳性团聚体(WSA>5 mm)、2~5 mm粒径水稳性团聚体(WSA2~5 mm)、0.25~2 mm粒径水稳性团聚体(WSA0.25~2 mm)及<0.25 mm粒径水稳性团聚体(WSA<0.25 mm)。将收集的凋落物在65℃烘箱烘干,不同粒级团聚体在4℃冰箱冻干,用于计算凋落物干质量及水稳性团聚体各组分的质量分数,然后分别测定各粒径团聚体有机碳及养分含量,土壤容重采用环刀法测定(容积100 cm3环刀)。
土壤和团聚体碳氮磷钙镁含量分别采用重铬酸钾氧化-外加热法、Foss凯氏定氮仪、酸溶-钼锑抗比色法、原子吸收分光光度计法测量[12],经过多次实验仅测得钙镁元素中镁元素含量,鉴于镁元素是重要的营养元素,本文也予以分析。
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采用SPSS 23.0软件对数据进行整理和统计分析,用LSD法进行不同处理间全土有机碳及养分含量和储量、团聚体粒级百分含量、团聚体稳定性指标和同一处理下不同粒级团聚体有机碳及养分含量和储量差异显著性检验(P<0.05)。利用R语言(v3.5.1)中“mvpart”包进行多元回归树(MRT)分析,分析环境变量(包括不同粒级水稳性团聚体百分含量、全土和团聚体碳氮磷镁含量以及pH等)对全土和团聚体碳氮磷镁储量以及平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)影响的重要性排序。此外,利用“FactoMineR”包进行主成分分析(PCA),分析复层林和纯林对全土和团聚体理化性质的影响。图表中数据均以平均值±标准误表示。
选取MWD、GMD和团聚体分形维数(D)作为土壤团聚体稳定性的评价指标,其计算公式[13]为:
$MWD = \sum\limits_{i = 1}^{{n}} {(x_i \times w_i)} $
$GMD = {\rm{exp}}\left[ {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {w_i \times \ln x_i} }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {w_i} }}} \right]$
$ D = {\rm{ - lg}}(\frac{{M({{r<}}x_i)}}{{M_t}}{\rm{ - }}\frac{{x_i}}{{x_{\rm{max}}}}) $
式(1~3)中:xi为任一粒级范围内团聚体的平均直径(mm);wi为不同土壤粒级团聚体占总团聚体的比例(以小数表示)。M(r<xi)为直径小于xi的团聚体质量(g),Mt为团聚体总质量(g),xmax为团聚体的最大直径(mm)。
土壤全土和团聚体碳氮磷镁储量计算公式[14]如下:
$ \begin{split} & SO{C_{BS}} = SO{C_B} \times BD \times d \times 0.1\\ & {T{N_{BS}} = T{N_B} \times BD \times d \times 0.1}\\& {T{P_{BS}} = T{P_B} \times BD \times d \times 0.1}\\& {M{g_{BS}} = M{g_B} \times BD \times d \times 0.1}\\& {SO{C_{AS}} = SO{C_A} \times BD \times d \times {w_i} \times 0.1}\\& {T{N_{AS}} = T{N_A} \times BD \times d \times {w_i} \times 0.1}\\& {T{P_{AS}} = T{P_A} \times BD \times d \times {w_i} \times 0.1}\\& M{g_{AS}} = M{g_A} \times BD \times d \times {w_i} \times 0.1 \end{split} $
式中:SOCBS、TNBS、TPBS和MgBS分别为全土有机碳、总氮、总磷以及镁储量(t·hm−2);SOCB、TNB、TPB和MgB分别为全土有机碳、总氮、总磷以及镁含量(g·kg−1);SOCAS、TNAS、TPAS和MgAS分别为团聚体有机碳储量、总氮储量、总磷储量及镁储量(t·hm−2);SOCA、TNA、TPA和MgA分别为团聚体有机碳、总氮、总磷及镁含量(g·kg−1);BD为土壤容重(g·cm−3);d为土壤厚度(cm);wi为不同粒级团聚体占总团聚体的质量比例(以小数表示);0.1为单位转换系数。
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杉木复层林和纯林土壤水稳性团聚体的分布模式一致(表2),均表现为:WSA<0.25 mm>WSA0.25~2 mm>(WSA2~5 mm、WSA>5 mm),其中,WSA<0.25 mm占比最高(52.8%~59.4%)(表2)。土壤同一粒级团聚体百分含量在不同杉木复层林之间差异较小,其中,杉木+紫楠、杉木+杨桐和杉木+红茴香之间差异不显著( P> 0.05);但与杉木纯林相比,杉木复层林WSA<0.25 mm均降低,而WSA2~5mm 和WSA>5mm均增加,其中,WSA>5mm增加显著( P< 0.05)。
表 2 复层林土壤水稳性团聚体含量及稳定性
Table 2. The contents and stability of water-stable aggregate in uneven-aged mixed and monoculture plantations
处理
Treatment水稳性团聚体含量
Contents of water-stable aggregate/%平均质量直径
MWD/mm几何平均直径
GMD/m团聚体分形维数
DWSA>5 mm WSA2~5 mm WSA0.25~2 mm WSA<0.25 mm 杉木+蚊母C. lanceolata+D. racemosum 7.8±1.1a 10.0±2.5a 24.3±1.6b 57.9±3.1ab 1.21±0.07a 0.41±0.03a 2.72±0.03b 杉木+紫楠C. lanceolata+Ph.sheareri 8.6±2.0a 7.7±1.5ab 30.9±0.8a 52.8±2.9b 1.24±0.17a 0.45±0.05a 2.67±0.06b 杉木+杨桐C. lanceolata+A.millettii 8.4±0.2a 7.4±0.2b 29.3±0.9a 54.8±1.1ab 1.20±0.04a 0.42±0.01a 2.69±0.01b 杉木+红茴香C. lanceolata+I. henryi 7.7±0.5a 7.1±0.1b 31.3±1.9a 53.9±1.8ab 1.17±0.03a 0.43±0.02a 2.70±0.02b 杉木C. lanceolata 4.7±1.9b 6.6±0.4b 29.4±1.0a 59.4±1.5a 0.94±0.12b 0.36±0.02b 2.74±0.04a 杉木复层林土壤平均质量直径(MWD)与几何平均直径(GMD)均显著大于杉木纯林,团聚体分形维数(D)均显著小于杉木纯林(P<0.05)。不同杉木复层林之间土壤平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和团聚体分形维数(D)差异均不显著(P>0.05),其中,杉木+紫楠复层林土壤平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)最大,团聚体分形维数(D)最小。
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本文碳氮磷镁含量和储量分布趋势较一致,因此仅阐述有机碳及养分储量的分布。从图1可以看出:杉木复层林有机碳(SOC)和总氮(TN)储量均显著高于杉木纯林( P< 0.05),杉木复层林土壤有机碳(SOC)增加了39.4%~104.3%,总氮(TN)储量分别增加了3.2%~36.1%,杉木+杨桐和杉木+红茴香复层林土壤有机碳(SOC)显著高于其它配置模式;杉木+紫楠复层林土壤总磷(TP)储量显著高于杉木纯林(增加28.1%);杉木+紫楠复层林土壤镁(Mg)储量显著高于杉木纯林( P< 0.05),而其余复层林土壤镁(Mg)储量与杉木纯林没有显著差异( P> 0.05)。
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杉木复层林土壤水稳性团聚体内碳氮磷镁储量总体高于杉木纯林(图2)。杉木复层林土壤不同粒径团聚体内有机碳(SOC)、总氮(TN)储量大小均为(WSA>5 mm、WSA2~5 mm)>WSA0.25~2 mm>WSA<0.25 mm(P<0.05),杉木复层林土壤同一粒级团聚体内有机碳(SOC)、总氮(TN)储量分布一致,整体表现为:杉木+红茴香、杉木+杨桐>杉木+紫楠>杉木+蚊母>杉木。不同粒级团聚体中总磷(TP)、镁(Mg)储量整体差异较小。杉木+杨桐复层林WSA>5 mm中总磷(TP)储量显著高于其它复层林( P< 0.05),杉木+紫楠复层林WSA2~5 mm和WSA0.25~2 mm中总磷(TP)储量均高于杉木纯林及其它复层林。除WSA2~5 mm外,仅杉木+紫楠复层林土壤镁(Mg)储量显著高于杉木纯林及其它复层林(P<0.05)。
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多元回归树(MRT)分析发现,>5 mm粒径团聚体有机碳(SOCA>5 mm)含量作为划分土壤碳氮磷镁储量的第1个分支节点,其解释率高达72.90%,其次是2~5 mm粒径团聚体总氮(TNA2~5 mm)含量,解释率为12.94%,pH的解释率为8.30%(图3A)。WSA>5 mm、pH和2~5 mm粒径团聚体有机碳(SOCA2~5 mm)含量分别是划分土壤平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和团聚体分形维数(D)的前3个重要分支节点(图3B),解释率分别为57.53%、18.29%和5.68%,总体上MRT拟合效果较好,图3A和图3B中总解释率分别为94.14%和81.50%。
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经主成分分析(PCA),图4A前2个主成分的解释率高达78.3%,全土和团聚体中相应元素储量相关性紧密,杉木复层林与纯林之间土壤有机碳及养分储量差异较大,土壤碳氮储量与磷镁储量差异也较大,复层林对土壤有机碳及养分储量影响较大,其中,土壤碳氮储量集中分布在杉木+红茴香复层林样地,土壤磷镁储量主要分布在杉木+紫楠复层林样地;图4B前2个主成分的解释率达到71.3%,不同粒径团聚体百分含量显著分离,土壤平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和WSA>5 mm具有较强的正相关,pH、平均质量量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)以及WSA>5 mm集中分布在杉木+紫楠复层林样地。
杉阔异龄复层林对土壤团聚体稳定性和有机碳及养分储量的影响
Effects of Uneven-aged Cunninghamia lanceolata and Evergreen Broadleaved Mixed Plantations on Soil Aggregate Stability and Soil Organic Carbon and Nutrients Stocks
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摘要:
目的 研究杉木纯林转化为杉木阔叶树异龄复层混交林(简称杉阔复层林)对土壤团聚体稳定性和有机碳及养分储量的影响,为杉木人工林结构优化调控和可持续发展提供理论依据。 方法 以浙江开化不同树种构建的杉阔复层林和杉木纯林为研究对象,分析0~20 cm土层水稳性团聚体(WSA)稳定性以及全土和团聚体有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)和镁(Mg)储量的变化。 结果 (1)杉阔复层林和杉木纯林<0.25 mm水稳性团聚体(WSA<0.25 mm)占比最高;与杉木纯林相比,复层林均显著增加>5 mm水稳性团聚体(WSA>5 mm)比例,同时也显著提高土壤平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD),降低了团聚体分形维数(D)。(2)杉阔复层林和杉木纯林不同粒级团聚体中SOC和TN储量变化趋势一致,均为WSA>5 mm、2~5 mm粒径水稳性团聚体(WSA2~5 mm)>0.25~2 mm粒径水稳性团聚体(WSA0.25~2 mm)>WSA<0.25 mm,而不同粒级团聚体中TP和Mg储量差异较小。(3)全土和团聚体有机碳及养分储量主要受>5 mm粒径团聚体有机碳(SOCA>5 mm)、2~5 mm粒径团聚体总氮(TNA2~5 mm)含量以及土壤pH的影响;团聚体稳定性主要受WSA>5 mm、土壤pH以及2~5 mm粒径团聚体有机碳(SOCA2~5 mm)含量的影响。(4)复层林不同伴生树种对团聚体组分、稳定性、土壤有机碳及养分储量有重要影响,主成分分析(PCA)发现,杉木纯林引入紫楠(杉木+紫楠)后显著影响全土和团聚体磷镁储量以及MWD和GMD;杉木纯林引入红茴香(杉木+红茴香)后显著影响全土和团聚体碳氮储量。 结论 杉阔异龄复层林的构建有利于改善杉木纯林土壤理化性质,尤以乔木阔叶树种紫楠和红茴香引入,对杉木纯林土壤团聚体稳定性和有机碳及养分储量的改善效果更佳。 Abstract:Objective To study the effect of uneven-aged mixed plantations (Cunninghamia lanceolata + evergreen broadleaved tree species) on soil aggregates stability, organic carbon and nutrient storage, so as to provide references for optimizing the plantation structure and improving the sustainable forest management. Method This study investigated the uneven-aged mixed and the monoculture C. lanceolata plantations in Kaihua County of Zhejiang Province, and analyzed the stability of water-stable aggregates (WSA) and the changes of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and magnesium (Mg) stocks in 0~20 cm soil layer. Result (1) The proportion of water-stable micro-aggregates (size<0.25 mm, WSA<0.25 mm) was the highest in the uneven-aged mixed and monoculture plantations. Compared with the monoculture plantation, the >5 mm aggregates proportions (WSA>5 mm), the soil mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) significantly increased in the uneven-aged mixed plantations, but the soil fractal dimension (D) reduced. (2) The changes of SOC and TN stocks in different aggregate size of the uneven-aged mixed and the monoculture plantations were similar: WSA>5 mm, WSA2~5 mm>WSA0.25~2 mm>WSA<0.25 mm. The stocks of TP and Mg less varied in different aggregate sizes. (3) The stability of aggregate was mainly affected by WSA>5 mm and SOC>5 mm contents, pH, SOC2~5 m. bulk soil and soil aggregates organic carbon and nutrient stocks were mainly affected by SOCA>5 mm, 2~5 mm nitrogen contents (TNA2~5 mm) and pH. (4) Tree species composition in the uneven-aged mixed plantations greatly affected on aggregate composition and stability, SOC and nutrient stocks. The results of principal component analysis (PCA) showed that C. lanceolata+Phoebe sheareri significantly affected TP and Mg stocks in bulk soil and soil aggregates, and also affected MWD and GMD; C. lanceolata+Illicium henryi significantly affected SOC and TN stocks in bulk soil and soil aggregates. Conclusion In general, the establishment of uneven-aged C. lanceolata and broadleaved evergreen mixed plantations is beneficial to improve the soil physical and chemical properties of monoculture plantation, especially the introduced tree species of Ph. sheareri and I. henryi greatly enhance soil aggregate stability, soil organic carbon stocks and nutrient stocks of monoculture plantations. -
表 1 样地基本情况
Table 1. Basic overview of the plots studied
处理
Treatments树种
Tree species林龄
Stand age/a树高
Height/m胸径
Diameter at
breast /cm凋落物生物量
Biomass of
litter /(g·m−2)土壤容重
Bulk density/
(g·m−3)pH值 杉木+蚊母
C. lanceolata+D. racemosum杉木C. lanceolata 22 14.3 21.8 133.0±6.2bc 1.14±0.01c 4.29±0.01c 蚊母D. racemosum 7 3.6 1.5 杉木+紫楠
C. lanceolata+Ph.sheareri杉木C. lanceolata 22 14.6 20.9 148.9±12.6ab 1.28±0.02b 4.35±0.03ab 紫楠Ph.sheareri 7 5.5 4.8 杉木+杨桐
C. lanceolata+A.millettii杉木C. lanceolata 22 15.1 21.6 150.3±10.7ab 1.27±0.01b 4.38±0.04a 杨桐A.millettii 7 2.8 2.1 杉木+红茴香
C. lanceolata+I. henryi杉木C. lanceolata 22 15.8 22.1 158.3±11.2a 1.16±0.01c 4.30±0.02b 红茴香I. henryi 7 4.4 3.2 杉木C. lanceolata 杉木C. lanceolata 22 13.8 20.1 115.6±15.1d 1.36±0.02a 4.22±0.02d 注:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。
Note: Different lowercase letters in the same column indicated significant difference at 0.05 level between treatments, the same below.表 2 复层林土壤水稳性团聚体含量及稳定性
Table 2. The contents and stability of water-stable aggregate in uneven-aged mixed and monoculture plantations
处理
Treatment水稳性团聚体含量
Contents of water-stable aggregate/%平均质量直径
MWD/mm几何平均直径
GMD/m团聚体分形维数
DWSA>5 mm WSA2~5 mm WSA0.25~2 mm WSA<0.25 mm 杉木+蚊母C. lanceolata+D. racemosum 7.8±1.1a 10.0±2.5a 24.3±1.6b 57.9±3.1ab 1.21±0.07a 0.41±0.03a 2.72±0.03b 杉木+紫楠C. lanceolata+Ph.sheareri 8.6±2.0a 7.7±1.5ab 30.9±0.8a 52.8±2.9b 1.24±0.17a 0.45±0.05a 2.67±0.06b 杉木+杨桐C. lanceolata+A.millettii 8.4±0.2a 7.4±0.2b 29.3±0.9a 54.8±1.1ab 1.20±0.04a 0.42±0.01a 2.69±0.01b 杉木+红茴香C. lanceolata+I. henryi 7.7±0.5a 7.1±0.1b 31.3±1.9a 53.9±1.8ab 1.17±0.03a 0.43±0.02a 2.70±0.02b 杉木C. lanceolata 4.7±1.9b 6.6±0.4b 29.4±1.0a 59.4±1.5a 0.94±0.12b 0.36±0.02b 2.74±0.04a -
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