Ann. For. Sci. 61 (2004) 465-476
DOI: 10.1051/forest:2004040

Litterfall, nutrient return, and leaf-litter decomposition in four plantations compared with a natural forest in subtropical China

Yu Sheng Yang^a, Jian Fen Guo^{a, b}, Guang Shui Chen^a, Jin Sheng Xie^c, Li Ping Cai^c and Peng Lin<sup>b

a</sup>  College of Geography Science, Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian, P.R. China, 350007
^b  Dept. of Life Science, Xiamen University, Xiamen, Fujian, P.R. China, 361005
^c  Dept. of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Nanping, Fujian, P.R. China, 353001

(Received 7 March 2002; accepted 18 August 2003)

Abstract - The amount and pattern of litterfall, its nutrient return, initial chemistry of leaf litter, and dynamics of N, P and K associated with leaf-litter decomposition were studied in 33-year-old plantations of two coniferous trees, Chinese fir (Cunninghamia lanceolata, CF) and Fokienia hodginsii (FH), and two broadleaved trees, Ormosia xylocarpa (OX) and Castanopsis kawakamii (CK), and compared with that of an adjacent natural forest of Castanopsis kawakamii (NF, ~150 year old) in Sanming, Fujian, China. Mean annual total litterfall over 3 years of observations was 5.47 Mg·ha^-1 in the CF, 7.29 Mg·ha^-1 in the FH, 5.69 Mg·ha^-1 in the OX, 9.54 Mg·ha^-1 in the CK and 11.01 Mg·ha^-1 in the NF respectively; of this litterfall, leaf contribution ranged from 58% to 72%. Litterfall in the OX, CK, and NF showed an unimodal distribution pattern, while for the CF and FH, the litterfall pattern was multi-peak. The highest annual Ca and Mg returns were noticed in the FH and in the CK, respectively. The amounts of N, P, and K which potentially returned to the soil were the highest in the NF. The loss of dry matter in leaf litter exhibited a negative exponential pattern during the 750-day decomposition. Using the model x_t = A + Be^-kt, the annual dry matter decay constants (k) ranged from 1.157 in CF to 4.619 in OX. Initial lignin concentration and lignin/N ratios showed significantly negative correlations with k (r = -0.916, P = 0.011; r = -0.473, P = 0.041), whereas initial N concentration showed low positive correlations (r = 0.225, P = 0.038). Using the model x_t = A + Be^-kt, the decay constant of N (k_N) ranged from 0.769 in CF to 4.978 in OX; the decay constant of P (k_P) ranged from 1.967 in the OX to 4.664 in the NF; and the decay constant of K (k_K) seemed very similar among these forests (5.250-5.992). The decay constants of nutrients during leaf-litter decomposition can be arranged in the sequence of k_K>k_P>k_N, except for leaf litter of OX where k_K>k_N>k_P.

Résumé - Chute de feuilles, retour de nutriments et décomposition des feuilles de la litière dans quatre plantations en comparaison avec une forêt naturelle en Chine subtropicale. La quantité et la dynamique de chute de litière, le retour des nutriments, la composition chimique initiale des feuilles de la litière et la dynamique de N, Pet K associée à la décomposition de la litière ont été étudiés dans 2 plantations de conifères (Cunninghamia lanceolata, CF and Fokienia hodginsii, FH) âgées de 33 ans et 2 peuplements feuillus (Ormosia xylocarpa, OX et Castanopsis kawakamii, CK), comparativement à une forêt naturelle adjacente de Castanopsis kawakamii, NF, âgée d'environ 150 ans à Sanming, Fujian, Chine. Sur 3 années d'observations, la moyenne annuelle de chute de litière a été de 5,47 Mg·ha^-1 pour CF, 7,29 Mg·ha^-1 pour FH, 5,69 Mg·h ^-1 pour OX, 9,54 Mg·hg^-1 pour CK et 11,01 Mg·ha^-1 pour NF. Dans ces chutes de litière, la contribution des feuilles variait de 58 à 72 %. La chute de litière présente une distribution unimodale pour OX, CK et NF tandis que pour CF et FH on observe un modèle à plusieurs pics. Le plus important retour annuel de Ca et Mg a été noté respectivement dans FH et CK. Les quantités de N, P et K qui sont potentiellement retournées dans le sol étaient les plus importantes dans NF. La perte de matière sèche dans la litière de feuille présente un modèle exponentiel négatif pendant les 750 jours de décomposition. En utilisant le modèle x_t = A + Be^-kt, la constante de décomposition de la matière (k) varie de 1,157 dans CF à 4,619 dans OX. La concentration initiale en lignine et le rapport lignine/N présente une corrélation négative significative avec k (r = 0,916, P = 0,001 ; r = 0,473, P = 0,041) alors que la concentration initiale de N montre une faible corrélation positive (r = 0,225, P = 0,038). En utilisant le modèle x_t = A + Be^-kt la constante de décomposition de N (k_N) varie de 0,769 pour CF à 4,978 pour OX ; la constante de décomposition de P (k_P) varie de 1,967 pour OX à 4,664 pour NF et la constante de décomposition de K (k_K) apparaît très similaire pour ces forêts (5,250 à 5,992). Les constantes de décomposition de la litière peuvent être classées de la manière suivante : k_K>k_P>k_N à l'exception de la litière de OX où k_K>k_N>k_P.

Key words: litterfall / nutrient return / litter decomposition / reafforestation / natural forest / Cunninghamia lanceolata / Fokienia hodginsii / Ormosia xylocarpa / Castanopsis kawakamii

Mots clés : chute de litière / décomposition de la litière / reforestation / forêt naturelle / Cunninghamia lanceolata / Fokienia hodginsii / Ormosia xylocarpa / Castanopsis kawakamii / Castanopsis kawakamii

Corresponding author: Yu Sheng Yang geoyys@fjnu.edu.cn

© INRA, EDP Sciences 2004