不同間伐強度對杉木人工林碳儲量及其分配的影響

黃雪蔓，尤業(yè)明，藍嘉川，劉世榮，賈宏炎，朱宏光,*，溫遠光

1 廣西大學林學院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室，南寧　530004

2 廣西大學林學院，廣西高校林業(yè)科學與工程重點實驗室，南寧　530004

3 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京　100091

4 中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心，憑祥　532600

不同間伐強度對杉木人工林碳儲量及其分配的影響

黃雪蔓1,2，尤業(yè)明1,2，藍嘉川1,2，劉世榮3，賈宏炎4，朱宏光1,2,*，溫遠光1,2

1 廣西大學林學院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室，南寧530004

2 廣西大學林學院，廣西高校林業(yè)科學與工程重點實驗室，南寧530004

3 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京100091

4 中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心，憑祥532600

摘要:間伐改變了林分環(huán)境，影響林木生長及碳儲量，準確評估不同間伐強度對杉木人工林生物量及碳儲量的影響對碳匯林業(yè)的發(fā)展具有重要意義。2013年，以中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心1992年造林并于2005年實施3種不同間伐強度(74%: H、50%: M和34%: L)的杉木人工林為研究對象，樣地內(nèi)每木檢尺，實測樣木生物量，并結合杉木群落各組分含碳率的實測值，對杉木人工林的生物量和碳儲量進行估算，結果表明： H(74%)顯著增加了林木的胸徑(P<0.01)，分別比M(50%)、L(34%)和CK(0%)增加了13.65%、20.74%和18.37%。3種間伐強度之間樹高差異均不顯著，而CK的樹高均大于3種間伐強度的樹高，分別比H、M和L增加了6.64%、15.73%和16.70%。與對照相比，H顯著增加了林木的單株生物量 (P<0.01)。對照林地喬木層的碳儲量均顯著高于其他3種間伐強度的喬木層碳儲量(P<0.05)，而喬木層各器官碳儲量大小順序為：樹干>樹枝>樹根>樹皮>樹葉；3種間伐強度和對照處理杉木人工林之間的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量差異性不顯著(P>0.05)，其中喬木層和土壤層為主要碳庫，兩者所占總的碳儲量超過生態(tài)系統(tǒng)總的碳儲量的97.62%。

關鍵詞：杉木人工林；間伐強度；生物量；碳儲量；分配

The effect of carbon storage and its allocation inCunninghamialanceolata

plantations with different thinning intensities

森林是地球上最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，在全球氣候變化研究中居重要地位，森林植被生物量約占全球陸地植被生物量的85%[1]，是評估區(qū)域森林碳平衡的重要參數(shù)，是衡量森林固碳能力的重要指標，也是表征植物活動的關鍵變量[2]。因此，準確估算森林生物量對研究區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、營養(yǎng)格局和碳循環(huán)等均具有十分重要的意義[3]。隨著世界人工林面積不斷增加，人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及生態(tài)系統(tǒng)的響應等方面受到廣泛重視[4- 6]。而人工林生物量碳儲量是最具活力的研究方向。杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方特有的優(yōu)質(zhì)速生用材林針葉樹種，具有適應性強和經(jīng)濟效益高的特點而被廣泛種植。間伐作為森林經(jīng)營的一種手段，其通過調(diào)整林分密度結構，減小林木間競爭，從而促進林下植被的更新與生長，改變土壤肥力，促進林木生長[7- 9]。目前，國內(nèi)外相關研究大多集中在不同間伐強度對林木生長[10]、林地土壤養(yǎng)分[11]、林下植被多樣性[7,12]等的影響，而不同間伐強度對林地碳儲量和生物量的影響較為薄弱。本文從不同間伐強度對杉木人工林生物量及碳儲量的變化和發(fā)展進行研究，旨在揭示不同間伐強度下杉木人工林碳儲量及其空間分布特征，為進一步優(yōu)化杉木人工林高效經(jīng)營技術，提高林分碳匯功能提供科學依據(jù)。

1研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于中國西南邊陲的廣西壯族自治區(qū)憑祥市境內(nèi)中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心青山實驗林場(22°10′ N, 106°50′ E)。該地區(qū)屬于南亞熱帶季風氣候區(qū)域內(nèi)的西南部，屬濕潤半濕潤氣候，干濕季分明。境內(nèi)光照充足，降水充沛，年平均降水 1400 mm，主要發(fā)生在每年 4—9月；年蒸發(fā)量 1261—1388 mm，相對濕度 80%—84%。年平均氣溫 20.5—21.7℃，平均月最低溫度 12.1℃，平均月最高溫度 26.3℃；≥10℃活動積溫6000—7600℃。主要地貌類型以低山丘陵為主，地帶性土壤以磚紅壤為主，主要由花崗巖風化形成。

1.2研究方法1.2.1樣方設置

于2004年9月，在青山實驗場6林班選擇1992年種植的杉木林，改造前林地以傳統(tǒng)林分經(jīng)營方式進行林業(yè)管護，林分內(nèi)建立了12個20m×30m固定實驗樣地，設計3組重復實驗，每個固定樣地分為6個10m × 10m的樣方，以10m × 10m的樣方為基本單位進行群落生態(tài)學調(diào)查，對林分本底進行群落樣方調(diào)查。 2005年，在樣地內(nèi)選擇生長較優(yōu)良的杉木作為目標樹，按強度間伐H(74%)、中度間伐M(50%)和弱度間伐L(34%)3種不同間伐強度疏伐去生長不良、干形不優(yōu)的干擾樹。在改造后的人工林內(nèi)，除了進行補植、修枝、撫育等管理外，2013年8月對間伐8a后的杉木林分進行調(diào)查，林分樣地基本概況如表1。

1.2.2樣地植被群落調(diào)查

調(diào)查項目主要包括：

(1)描述調(diào)查人工林群落的外貌特征，測定林分郁閉度情況。

(2)林下灌、草多樣性調(diào)查在每個10m × 10m的樣方左上角設立一個5m × 5m的灌草調(diào)查樣方，記錄小樣方內(nèi)所有灌木(包括喬木幼樹幼苗)和所有草本植物的種名、株數(shù)、高度、蓋度；藤本植物記錄其種名、株數(shù)、長度和蓋度；對于不認識的植物采集植物標本，帶回室內(nèi)鑒定。

(3)環(huán)境因子記錄樣方海拔、坡向、坡位、坡度、土壤類型等。

表1　杉木近自然化人工林分的基本概況(平均值±標準差，n=3)

1.2.3喬木和灌草生物量調(diào)查

(1)杉木生物量測定采用徑階平均標準木法，首先按2cm劃分調(diào)查杉木的徑階確定標準木的胸徑范圍，然后在每塊樣地附近選擇平均標準木并伐取8株杉木標準木。首先將其伐倒，地上部分按Monsic分層切割法杉木地上部分分為干材、上層枝、下層枝、上層葉、下層葉、樹皮、枯枝，樹干部分以2m為一個區(qū)段分割，稱量各部分鮮重并采樣帶回室內(nèi)進行烘干處理。地下部分采用全挖法，按根兜、粗根(直徑>2cm)、中根(0.5—2cm)、小根 (0.2—0.5cm)和細根(<0.2cm)分解，并稱量各部分鮮重并實時記錄。

依據(jù)相對生長法[13- 14]，建立以(D2H)為自變量，生物量(W)為因變量的線性回歸生物量估測方程。Ogawa發(fā)現(xiàn)D2H生物量估算模式可以消除不同的林分間環(huán)境因子差異而帶來的系統(tǒng)誤差，因而能更準確的計算數(shù)林木各部分的生物量。鑒于此，本文選用D2H與W的關系模型來擬合林木各器官和全樹的生物量回歸方程。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，分別對干、皮、枝、葉、根系等各器官的生物量建立線性回歸方程(表2)，用以估算各器官的生物量，杉木單株生物量是將各器官生物量進行加和。林分平均木的單株生物量乘上樣地面積上杉木的總株數(shù)即可得到林分的總生物量[15]。林分總生物量除以林分面積，即可得出單位面積林分的生物量。

經(jīng)統(tǒng)計學檢驗各器官干、枝、葉、根和整株數(shù)學模型的決定系數(shù)在0.940到0.993之間，經(jīng)t檢驗均達到極顯著水平(P<0.01)，說明利用該生物量模型可以較準確的對杉木林分的生物量進行估測。各器官生物量分配率=各器官平均單株生物量干重/平均單株總生物量干重 × 100%。

表2　杉木人工林生物量估算模型

*,**分別表示差異達0.05、0.01顯著水平;W(kg),D(cm)，H(m)

(2)灌木層、草本層生物量調(diào)查是按“品”字型在樣地1、3、5 號小樣方左上角各設置1個灌木(2 m × 2 m)和草本及凋落物(1 m × 1 m) 的小樣方，采用全挖法實測生物量，收集全部植物個體，灌草分地上、地下兩部分，稱取樣品鮮重并帶回實驗室， 85℃恒溫下烘干至恒重后稱干重。

1.2.4土壤樣品采集與分析

2013年8月，在每個固定樣方按“品”字形設采樣點，挖取土壤剖面，記錄土壤顏色、土層厚度、質(zhì)地等特征，并按0—20cm、20—40cm兩層采集土樣，然后按四分法混合取土樣，帶回實驗室晾干后過2 mm土篩并進行土壤理化性質(zhì)測定。將植物樣于85℃下烘干，磨碎，土壤和植物樣品均采用重鉻酸鉀外加熱法測定其總的有機碳含量。植物碳儲量=有機碳含量 × 單位面積生物量。土壤碳儲量=土壤有機碳含量 × 土壤容重 × 土壤厚度 × 單位面積[16]。

1.3數(shù)據(jù)處理

單因素方差分析(one Way-ANOVA)來檢驗不同間伐強度的土壤理化性質(zhì)、林下地被物生物量等的差異性。以上所有統(tǒng)計分析均是在統(tǒng)計分析軟件SPSS 19.0 (SPSS，Inc，Chicago，IL) 上完成，顯著性差異均是在P<0.05水平上，利用Sigmaplot 10.0軟件完成作圖。

2結果與分析

2.1間伐對杉木胸徑、樹高和單株生物量的影響

間伐處理8年后，不同間伐強度杉木平均胸徑差異顯著(P<0.01)，大小順序為：強度間伐(74%)(22.97±0.57)cm >中度間伐(50%)(19.83±0.76)cm >弱度間伐(34%)(18.20±0.70)cm，對照樣地(CK)杉木的平均胸徑為(18.75±0.33)cm，與中度間伐、弱度間伐的胸徑差異不顯著(P>0.05)(圖1)。不同間伐強度杉木樹高差異不顯著，但是對照樣地杉木平均樹高(17.57±1.06)m，顯著高于弱度間伐和中度間伐(P<0.05)(圖1)。強度間伐平均單株杉木生物量(251.89±2.04)kg顯著大于中度間伐(177.93±16.69)kg、弱度間伐(151.37 ±8.50)kg和對照樣地(185.43±7.14)kg的平均單株杉木生物量(P<0.01)(圖1)。

圖1　不同間伐強度杉木人工林胸徑、樹高和單株生物量情況Fig.1　The DBH, height and individual tree biomass in Cunninghamia lanceolata plantations with different thinning intensity

2.2喬木層各器官生物量及其碳儲量分配

不同間伐強度的喬木總生物量及碳儲量差異顯著，且隨著間伐強度的降低，生物量和碳儲量呈增加趨勢。大小順序均為對照>弱度間伐>中度間伐>強度間伐，其中對照杉木林總生物量((268.00±10.59)t/hm2)均顯著高于弱度間伐((219.58±14.20) t/hm2)、中度間伐((165.38±16.89) t/hm2)和強度間伐((126.48±5.52) t/hm2)(P<0.01)；對照杉木喬木層總碳儲量((128.25±5.05) t C hm-2)均顯著高于弱度間伐((105.15±6.79) t C/hm2)、中度間伐((79.14±8.05) t C/hm2)和強度間伐((60.45±2.64) t C/hm2)(P<0.01)；強度間伐和中度間伐的生物量、碳儲量差異不顯著(P> 0.05)；不同間伐強度間，喬木各器官生物量及碳儲量的變化趨勢與總生物量及碳儲量基本一致(圖2)。

不同間伐強度杉木各器官生物量分配均以樹干最高，占總生物量的50.06%—56.26%，其次為樹根和樹枝，分別占總生物量的24.89%—25.06%和7.66%—13.66%，樹皮和樹葉生物量所占比例最小，分別占總生物量的5.52%—6.96%和4.55%—5.61%。不同間伐強度杉木各器官碳儲量分配比例大小和順序和生物量基本一致，均為：樹干>樹枝>樹根>樹皮>樹葉(圖3)。

圖2　不同間伐強度杉木人工林喬木層各器官生物量和碳儲量Fig.2　Biomass and carbon storage of different organs in arbor layer in Cunninghamia lanceolata plantations with different thinning intensity

圖3　不同間伐強度杉木人工林喬木層各器官生物量和碳儲量分配情況Fig.3　The biomass and carbon storage allocation of different organs in arbor layer in Cunninghamia lanceolata plantations with different thinning intensity

2.3不同間伐強度杉木人工林系統(tǒng)碳儲量及其分配

不同間伐強度杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量分別為：強度間伐239.15t C/hm2、中度間伐300.88 t C/hm2、弱度間伐316.93 t C/hm2和對照324.73 t C/hm2，各間伐強度杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量差異不顯著(P> 0.05)，對照杉木人工林喬木層碳儲量顯著高于其他三種間伐強度(P<0.05)，中度間伐杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量(219.11 t C/hm2)高于其他間伐強度(強度：175.05 t C/hm2；弱度：207.69 t C/hm2)和對照林地(188.59 t C/hm2)(圖4)。不同間伐強度灌木層、草本層碳儲量沒有差異，對照林地凋落物碳儲量顯著高于其他三種間伐強度的凋落物碳儲量(P<0.01)(表4)。所有間伐強度均以喬木層和土壤層為主要碳庫，二者占不同間伐強度杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的97.62%以上，灌木層、草本層和凋落物層的碳儲量所占比例低于 2.38%(圖5)。

表3　不同間伐強度杉木人工林林下灌木層、草本層、地表凋落物和土壤層的含碳率/%

表4　不同間伐強度杉木人工林下灌木層、草本層和地表凋落物的碳儲量/(t C/hm2)

圖4　不同間伐強度杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量　Fig.4　The carbon storage of Cunninghamia lanceolata plantations ecosystem with different thinning intensity

圖5　不同間伐強度杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分配　Fig.5　The carbon storage allocation of Cunninghamia lanceolata plantations ecosystem with different thinning intensity

3討論

3.1不同間伐強度對杉木林分生長的影響

間伐處理通過改變林分結構，影響林木的生長。本研究結果表明，間伐8a后，不同間伐強度之間的杉木平均胸徑存在顯著差異，并隨著間伐強度的增大，杉木的胸徑顯著增加，但弱度間伐(34%)與對照相比并不能顯著改變林分的胸徑大小。間伐后杉木平均胸徑出現(xiàn)明顯增大可能與間伐后單株杉木受到的競爭變小，獲取的光照更充足，提高了林木的生長速率并有利于主干生物量的積累，這與前期許多研究結果相似[17- 18]。本研究發(fā)現(xiàn)間伐處理對樹高的生長并無促進作用，相反，間伐后的樹高與對照相比均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，與對照相比，弱度間伐和中度間伐林分的樹高出現(xiàn)了顯著下降。這與張水松等[19]對間伐20a杉木生長效應研究結果相似，其認為強度、中度和弱度間伐林分的平均樹高及其定期生長量均比對照提高，間伐可有效促進胸徑生長但不能有效促進樹高生長。導致這一結果的原因可能與間伐后林內(nèi)空間富余，杉木枝葉器官將向四周空間伸展，這會將根所吸收的大量養(yǎng)分消耗在其中，從而削弱了樹干往上生長的速度有關。反之，未間伐林分由于一直保持著高郁閉狀態(tài)，林木枝葉生長空間小，只能不斷往上生長，爭奪上端優(yōu)勢，這也可能從側面驗證了本研究中對照林分杉木的樹高要高于所有間伐林分。張水松等[20]對杉木間伐與自然稀疏規(guī)律研究得出對照和弱度間伐的自然稀疏起始期高峰期早，稀疏量大，稀疏過程具連續(xù)性，這規(guī)律也解釋了本文弱度間伐后現(xiàn)保留密度與對照相近的原因。一般認為林分密度對單株林木的生物量增長有很大影響，但在本研究的觀測周期內(nèi)，除了強度間伐的杉木林個體生物量顯著高于對照外，中度間伐和弱度間伐林分的個體生物量與對照相比均無顯著性差異，這可能與本研究的觀測時間較短或該間伐強度不能明顯影響植物生長有關。

3.2杉木人工林間伐強度選擇

間伐是人工林近自然化改造的必要措施，保留合理的林分密度不僅可以在短期內(nèi)促進林木生長獲取間伐木材，也可以提高大徑材的培育速度。不同立地條件、間伐強度以及間伐后持續(xù)時間長短均可能影響林木的生長。雖然部分研究發(fā)現(xiàn)間伐強度能有效提高林分個體生物量并明顯縮短大徑材的培育年限，但間伐強度是否可以有效提高林分的總生物量和總材積一直存在較大的爭議。針對現(xiàn)有林分，采取何種間伐處理能讓人工林可持續(xù)經(jīng)營效果更佳一直是人工林近自然經(jīng)營的關鍵技術問題。王懷芳[21]對福建省30年生不同林分密度杉木人工林的生長調(diào)查認為從單株材積、蓄積量、出材量和出材質(zhì)量看，林分密度以450株/hm2最佳。本文認為綜合各種林分因素，中度間伐(保留株數(shù)1250株/hm2)是較合理的間伐強度選擇，并隨著改造林分的生長，林冠郁閉，個體競爭加劇，應及時進行二次間伐改造。張水松等[19]通過對杉木林不同間伐強度試驗20a生長效應的研究發(fā)現(xiàn)，就生長效果而言，杉木林實行占株數(shù)40%左右的間伐強度為宜，這與本研究的結果相似。

3.3不同間伐強度對杉木人工林生物量、碳儲量及其分配的影響

本研究認為，間伐不僅能明顯改變喬木層總生物量和碳儲量，而且也能改變喬木層各器官生物量和碳儲量的分配情況。隨著間伐強度的增大，林分的樹干、根、皮和葉總的生物量和碳儲量均出現(xiàn)不同程度的減少，從而導致喬木層的總的生物量和碳儲量隨間伐強度的增大而明顯減少。這與許多前期的研究結果一致，認為間伐減少了林分密度，導致林分總的生產(chǎn)力和碳儲量下降[22- 23]。但也有一些研究認為間伐后喬木層的碳儲量明顯增大[24]，這可能與其初植密度較高、間伐強度和樹種不同等因素有關。在本研究中，雖然不同間伐強度之間的喬木層、草本層、凋落物層的碳儲量出現(xiàn)顯著差異，但灌木層、土壤層和整個系統(tǒng)的碳儲量在不同間伐強度之間均無顯著差異，這與徐金良等[18]的研究結果相似。此外，在其他一些樹種(如：馬尾松和日本落葉松)的短期間伐試驗中也得到相似結論[25- 26]。但在一些間伐后持續(xù)時間較長的試驗中，與對照相比，間伐處理顯著降低了林分總的碳儲量[27]，導致這種結果差異不僅與立地條件、樹種和間伐強度有關，間伐后持續(xù)時間的長短也可能是導致其結果不一致的主要影響因素，但目前許多研究只是關注間伐后短期內(nèi)林分總的生物量及其分配格局變化，而缺乏間伐處理對生態(tài)系統(tǒng)碳過程影響的長期定點監(jiān)測研究。本文僅涉及間伐處理對杉木個體生長和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分配方面的研究，而缺少對其土壤碳輸入、轉化和輸出過程方面的研究。生態(tài)系統(tǒng)碳過程是一個極其復雜的過程，受生物因素和非生物因素相互作用的影響，系統(tǒng)研究間伐處理對生態(tài)系統(tǒng)碳過程影響的潛在調(diào)控過程、關鍵控制因子及其作用機制，將為全面評估間伐處理對生態(tài)系統(tǒng)碳過程的影響提供必要基礎，但這方面亟需開展長期系統(tǒng)的研究才能加以解決。

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HUANG Xueman1,2, YOU Yeming1,2, LAN Jiachuan1,2, LIU Shirong3, JIA Hongyan4, ZHU Hongguang1,2,*, WEN Yuanguang1,2

1StateKeyLaboratoryforConservationandUtilizationofSubtropicalAgro-Bioresources,CollegeofForestry,GuangxiUniversity,Nanning530004,China

2GuangxiCollegesandUniversitiesKeyLaboratoryofForestryScienceandEngineering,CollegeofForestry,GuangxiUniversity,Nanning530004,China

3StateForestryAdministration,KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

4ExperimentCenterofTropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Pingxiang532600,China

Abstract：The stand environment, tree growth, and carbon storage of plantations could be affected by thinning. Thus, to assess the dynamics of the forest ecosystem carbon pool, it is important to determine the changes of carbon storage in plantations after thinning．In 2013, the biomass, and carbon storage and allocation of Cunninghamia lanceolata plantations with different thinning intensities (i.e., H: 74%, M: 50%, and L: 34%) were studied using a biomass survey at the Experiment Center of Tropical Forestry of the Chinese Academy of Forestry. The results showed that the diameter at breast height (DBH) of H was significantly higher (P<0.01) than M, L, and CK (0%), which increased by 13.65%, 20.74%, and 18.37%, respectively. There was no difference in the height of trees between the three thinning intensities; however, the height of trees in CK (0%) plots was higher than those in plots of the three thinning intensities, which increased by 6.64%, 15.73%, and 16.70%, for H, M, and L, respectively. The individual biomass with H was significantly higher (P<0.01) than that for M, L, and CK. The carbon storage of the arbor layer in CK was significantly higher (P<0.05) than that in the three thinning intensities, and the carbon storage in different organs was in the order: stem>branch>root>bark>leaf. There was no difference between the carbon storage of C. lanceolata plantation ecosystems with the three thinning intensities and CK plots. The arbor and soil layers were the main carbon pools, accounting for more than 97.62%.

Key Words:Cunninghamia lanceolata; thinning intensity; biomass; carbon storage; allocation

DOI:10.5846/stxb201411242333

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xu980307@163.com

收稿日期:2014- 11- 24;

修訂日期:2015- 04- 29

基金項目:國家科技支撐計劃(2012BAD22B01)；國家自然科學基金(31460121)；廣西重大專項計劃(1222005)

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