采伐剩余物處理方式對2代杉木林碳儲量的影響

陳 杰

(福建省南平葫蘆山國有林場，福建 南平 353015)

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)是中國南方特有的速生造林樹種，栽培面積大，具有巨大的碳匯功能。近幾十年來，由于杉木純林連栽、短輪伐期經營、大面積皆伐、煉山等不合理的經營措施，造成該樹種地力衰退較為嚴重，表現為土壤理化性質惡化，生態系統碳匯功能和生產力逐代下降，引起廣大林業工作者和國內外學者的普遍關注[1-10]。為了探索杉木地力衰退的內在機理，1996年在國際林業研究中心(Center for International Forestry Research，CIFOR)的資助下，在福建省南平葫蘆山國有林場峽陽分場選擇1片即將采伐的第1代杉木成熟林(29年生)，設置永久性標準地，研究第1代杉木林采伐后不同采伐剩余物處理方式對更新的第2代杉木人工林長期生產力的影響[11-21]。本文對第1代杉木林采伐剩余物不同處理方式對第2代12年生杉木林生態系統碳儲量的影響進行研究。

1 試驗地概況

試驗地位于福建省南平葫蘆山國有林場峽陽分場(原福建省南平峽陽國有林場)黃坑工區，地處東經117°59′、北緯26°48′，海拔約230 m，平均坡度34°，土壤為頁巖發育的山地紅壤，土層較厚(80 cm以上)，土壤質地較粘重，富含有機質，為I、II類地，適宜培育杉木大徑材。試驗地所在的南平市延平區在試驗觀測期間(1997—2008年)年平均降水量1662 mm，年均氣溫20.1 ℃，極端最高氣溫41.8 ℃，極端最低氣溫-4.7 ℃。試驗地為1968年春造林的第1代杉木成熟林。

2 研究方法

2.1 試驗設計

5種采伐剩余物處理方式為處理1(全部收獲)：移走地面上全部有機剩余物，包括樹木、林下植被和枯枝落葉；處理2(全樹收獲)：收獲樹木的全部地上部分，林下植被和枯枝落葉留在原地；處理3(樹干和樹皮收獲)：僅收獲樹干與樹皮，杉木枝葉、林下植被和枯枝落葉留在原地；處理4(加倍采伐剩余物)：移走樹干和樹皮，將全樹收獲處理的樹枝和樹葉移到這個處理中；處理5(煉山)：除了火燒采伐剩余物，其余處理與樹干和樹皮收獲處理相同。除了試驗標準地按照5種處理方式外，試驗標準地外的所有林地全部按照樹干和樹皮收獲進行采伐剩余物處理。為了便于造林施工和防止村民采集樹枝當作薪柴，將處理3和處理4林地上的采伐剩余物中的樹枝用柴刀截成20 cm左右的短棍并均勻鋪在林地上。采用完全隨機區組設計4個區組(重復)，每個區組5個固定標準地，每個標準地面積600 m2，分別對應5種采伐剩余物處理。

2.2 試驗施工

于1996年11—12月杉木成熟林采伐后按照試驗設計進行采伐剩余物處理。穴狀整地規格50 cm×50 cm×40 cm，于1997年2月營造第2代杉木林，造林密度為2500株·hm-2(每個標準地150株)。1997年5月施N、P、K復合肥，每株100 g。造林后前3年，每年幼林撫育2次，第4年(2000年)撫育1次。

2.3 調查項目和方法

1996年10月調查第1代杉木林、造林后第12年測定第2代杉木林生長量，包括胸徑、樹高、冠幅等。按照每100 m2選擇1株優勢木的標準，每個標準地面積為600 m2，選出6株優勢木進行測定。胸徑測定采用圍徑尺，樹高測定采用中國人民解放軍第5708工廠(貴州貴陽)生產的鋁合金測高桿。采用斷面積加權法測定各標準地的平均樹高和平均胸徑，采用算術平均法測定優勢木平均高，采用杉木二元材積公式[22]：V=0.00005877042D1.9699831H0.89646157計算杉木單株材積，采用文獻[19]的方法計算地位指數。

在每個區組標準地外各選擇3株平均標準木，伐倒后測定標準木葉、枝、樹干(去皮)、樹皮、樹根生物量，用各標準地單位面積的胸高總斷面積與標準木胸高斷面積總和之比乘以標準木生物量的總和，計算出單位面積林分生物量。每個標準地設置5個2 m×2 m的林下植被小樣方測定林下植被(灌木和草本)和枯枝落葉層生物量。采用生物量乘以0.45的通用系數的方法計算植物碳儲量[23]。

1996年10月、造林后第12年，采用“之字形”布點方法，每個標準地選擇5個土壤取樣點，挖掘土壤剖面，測定土壤A層厚度、土層厚度，分別不同土壤層次(0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm)，用100 cm3環刀采集土壤水分-物理性質樣品，用土壤刀采集化學分析樣品，按照森林土壤分析國家標準介紹的方法處理土壤樣品，測定土壤容重、孔隙度和土壤含碳量等化學性質指標[24-26]。土壤化學分析樣品永久儲存，以便今后測定其他土壤指標。采用不同層次土壤碳含量、容重和各層次土層厚度計算各土層土壤碳儲量。

2.4 統計分析方法

采用單因素方差和多重比較方法(Duncan氏新復極差法檢驗法)測定不同采伐剩余物處理的差異顯著性。

3 結果分析

3.1 第1代杉木林生長量和土壤碳儲量

從表1和表2可見，試驗前不同處理杉木的平均密度、胸徑、樹高、優勢木平均高、地位指數、蓄積量、土壤容重、土壤碳含量和土壤碳儲量本底值均有一定差異。杉木地位指數是20年生的杉木林分優勢木平均高，用于衡量杉木林地生產力等級。從地位指數看，試驗前不同處理均為20地位指數級，大小順序為：處理2>處理4>處理3>處理5>處理1。土壤碳含量和碳儲量是衡量土壤肥力的重要指標。不同處理試驗前土壤0～40 cm土層土壤碳儲量為：處理4>處理1>處理2>處理3>處理5。方差分析結果表明，不同處理試驗前的杉木平均密度、胸徑、樹高、優勢高、地位指數、蓄積量、土壤容重、土壤碳含量和土壤碳儲量均無顯著差異(P>0.05)，說明試驗前各處理土壤本底條件基本一致，這為下一步開展長期定位研究奠定了基礎。

表1 第1代杉木成熟林(29年生)處理前的生長狀況

*：數值以平均值±標準差表示，樣本數=4；下同。

表2 第1代杉木成熟林(29年生)處理前的土壤容重、碳含量和碳儲量

3.2 造林后第12年杉木生長量和喬木層碳儲量

造林后12 a，各采伐剩余物處理的杉木林生長狀況見表3，喬木層各器官碳儲量見表4。

表3 不同采伐剩余物處理的第2代杉木林(12年生)生長狀況

表4 不同采伐剩余物處理的第2代杉木林(12年生)喬木層碳儲量 t·hm-2

從表3和表4可見，12年生第2代杉木林生長良好，地位指數不但沒有降低，還略微有上升，其中處理4已進入22地位指數級。胸徑和樹高的大小順序均為：處理4(加倍采伐剩余物)>處理2(全樹收獲)>處理3(樹干和樹皮收獲)>處理1(全部收獲)>處理5(煉山)。與試驗前相比，處理4胸徑和樹高排名上升2位，處理1排名上升1位，處理2、處理3、處理5排名均下降1位。12年生第2代杉木林優勢木平均高和地位指數的大小順序均為：處理4>處理3>處理2>處理1>處理5。與試驗前相比，處理4、處理3、處理1優勢木平均高和地位指數排名均上升1位，處理2排名下降2位，處理5排名下降1位。12年生第2代杉木林蓄積量的排序為：處理4>處理2>處理1>處理3>處理5，與試驗前相比，處理4蓄積量上升了4位，處理5下降1位，處理3下降3位，處理1和處理2的排序不變。12年生第2代杉木林喬木層碳儲量大小順序為：處理4(61.03 t·hm-2)>處理2(57.57 t·hm-2)>處理1(55.64 t·hm-2)>處理3(54.38 t·hm-2)>處理5(49.00 t·hm-2)。方差分析結果表明，不同采伐剩余物處理對第2代杉木林各生長量指標、喬木層各器官碳儲量和喬木層總碳儲量無顯著影響(P>0.05)。

盡管不同采伐剩余物處理方式對第2代杉木林各生長量指標和喬木層碳儲量沒有顯著影響，但從試驗前后各處理生長量排序的變化看，加倍采伐剩余物處理的第1代杉木林各生長量指標都不是最高的，但其第2代12年生杉木林各生長量指標和喬木層碳儲量均為最高；而煉山處理的第1代杉木林各生長量指標都不是最低的，但其第2代12年生杉木林各生長量指標和喬木層碳儲量均為最低；說明采伐后保留采伐剩余物對林地長期生產力的維持是有利的，而煉山則不利于長期生產力的保持。

3.3 造林后第12年土壤碳儲量

土壤碳儲量取決于土壤容重和土壤碳含量。從表5可見，12年生第2代杉木林不同采伐剩余物處理0～10 cm土壤容重排序為：處理5>處理3>處理4>處理1>處理2，10～20 cm土壤容重排序為：處理5>處理1>處理2>處理3>處理4，20～40 cm土壤容重排序為：處理1>處理5>處理2>處理4>處理3；0～10 cm土壤碳含量大小為：處理4>處理2>處理3>處理1>處理5，10～20 cm土壤碳含量大小為：處理4>處理2>處理3>處理5>處理1，20～40 cm土壤碳含量大小為：處理3>處理2>處理4>處理5>處理1；0～40 cm土壤碳儲量大小順序為：處理4(99.49 t·hm-2)>處理2(95.63 t·hm-2)>處理3(94.81 t·hm-2)>處理1(91.55 t·hm-2)>處理5(91.23 t·hm-2)，與試驗前相比，處理1的排序下降2位，處理2和處理3的排序均上升1位，而處理4和處理5的排序不變。不同處理各層次土壤容重、碳含量和0～40 cm土層土壤碳儲量的差異均未達顯著水平(P>0.05)。

表5 不同采伐剩余物處理的第2代杉木林(12年生)土壤碳儲量

表6 不同采伐剩余物處理的第2代杉木林(12年生)土壤碳儲量增量(與第1代比較)

與第1代杉木林采伐前相比，第2代杉木林造林后12 a，不同處理土壤各層次容重均有不同程度的增加，而土壤碳含量和碳儲量則有增有減。第2代杉木林造林后12 a，0～10 cm土壤碳含量，處理3、處理4分別提高0.12 g·kg-1、0.03 g·kg-1，其它3個處理均降低；10～20 cm土壤碳含量，處理4提高0.04 g·kg-1，其它處理均降低；而20～40 cm土壤碳含量，處理5增加0.10 g·kg-1，其它處理均降低；0～40 cm土壤碳儲量除了處理1降低0.04 t·hm-2外，其余處理均有不同程度的提高(表6)。方差分析表明，不同處理試驗前后土壤容重、碳含量和碳儲量的改變均不顯著(P>0.05)。

盡管各采伐剩余物處理對第2代杉木林土壤容重、碳含量和碳儲量等指標沒有顯著影響，但從試驗前后各處理0～40 cm土層土壤碳儲量排序的變化和土壤碳含量變化來看，保留采伐剩余物有利于保持土壤碳儲量。

3.4 造林后第12年杉木林生態系統碳儲量

土壤碳儲量在生態系統碳儲量中占據優勢地位，第2代杉木林生態系統總碳儲量大小順序與土壤碳儲量一致，其排序為：處理4(162.80 t·hm-2)>處理2(155.56 t·hm-2)>處理3(151.24 t·hm-2)>處理1(149.14 t·hm-2)>處理5(142.29 t·hm-2)。處理4、處理2、處理3、處理1生態系統碳儲量分別比煉山高14.41%、9.33%、6.29%、4.81%(表7)，但差異均達不到顯著水平(P>0.05)。

表7 第2代12年生杉木林生態系統碳儲量 t·hm-2

4 結論與討論

在福建南平第1代杉木成熟林中設置固定標準地，研究第1代杉木林采伐后采用5種采伐剩余物處理方式對連栽的第2代杉木林長期生產力的影響。研究結果表明：本試驗區20地位指數級的第1代杉木成熟林采伐后采用煉山、不煉山等5種采伐剩余物處理方式營造的第2代12年生杉木人工林的地位指數、土壤碳儲量與第1代相比均未出現明顯下降，保留采伐剩余物較多的處理其喬木層碳儲量和土壤碳儲量均較高，但不同處理間差異均不顯著。

1)試驗前不同處理第1代杉木林均為20地位指數級，杉木平均密度、胸徑、樹高、優勢木平均高、地位指數、蓄積量、土壤容重、土壤碳含量和土壤碳儲量均無顯著差異(P>0.05)，土壤本底條件基本一致。

2)試驗后12年生第2代杉木林生長良好，地位指數不但沒有降低，還略微有上升，其中加倍采伐剩余物處理已進入22地位指數級，這可能與試驗地土壤肥力較高和第2代杉木林采用良種造林有關。

3)不同處理12年生第2代杉木林喬木層碳儲量大小順序為：加倍采伐剩余物(61.03 t·hm-2)>全樹收獲(57.57 t·hm-2)>全部收獲(55.64 t·hm-2)>樹干和樹皮收獲(54.38 t·hm-2)>煉山(49.00 t·hm-2)。盡管各采伐剩余物處理對第2代杉木林各生長量指標和喬木層碳儲量沒有顯著影響，但從試驗前后各處理生長量排序的變化看，試驗前加倍采伐剩余物處理的第1代杉木各生長量指標都不是最高的，但其第2代12年生杉木林各生長量指標和喬木層碳儲量均為最高；而試驗前煉山處理的第1代杉木林各生長量指標都不是最低的，但其第2代12年生杉木林各生長量指標和喬木層碳儲量均為最低；說明采伐后保留采伐剩余物對林地長期生產力的維持是有利的，而煉山則不利于長期生產力的保持。

4)不同處理12年生第2代杉木林土壤(0～40 cm土層)碳儲量大小順序為：加倍采伐剩余物(99.49 t·hm-2)>全樹收獲(95.63 t·hm-2)>樹干和樹皮收獲(94.81 t·hm-2)>全部收獲(91.55 t·hm-2)>煉山(91.23 t·hm-2)。與試驗前相比，第2代12年生杉木土壤(0～40 cm)碳儲量除了全部收獲處理降低0.04 t·hm-2外，其它處理均有少量增加，但差異均不顯著。在生態系統碳儲量中，土壤碳儲量占優勢，且不同處理土壤平均碳儲量的極差(最大值-最小值)為8.26 t·hm-2，小于喬木層碳儲量的極差(13.37 t·hm-2)，說明不同采伐剩余物處理方式對土壤碳儲量的影響小于對喬木層碳儲量的影響。

5)不同處理第2代12年生杉木林生態系統總碳儲量大小順序為：加倍采伐剩余物(162.80 t·hm-2)>全樹收獲(155.56 t·hm-2)>樹干和樹皮收獲(151.24 t·hm-2)>全部收獲(149.14 t·hm-2)>煉山(142.29 t·hm-2)。加倍采伐剩余物處理、全樹收獲處理、樹干和樹皮收獲處理、全部收獲處理生態系統碳儲量分別比煉山處理高14.41%、9.33%、6.29%、4.81%，但差異均達不到顯著水平(P>0.05)。

*：試驗得到國際林業研究中心(CIFOR)的資助和E.K.S.Nambiar、A.Tiarks、C.Cossalter、T.Toma、J.Ranger、徐大平等專家的現場技術指導，參加本試驗的還有范少輝、何宗明、翁賢權、楊承棟、陳清山、林思祖、林同龍、廖祖輝、陳建宇、黃躍延、楊旭靜、蘇惠琴、林文清等同志，謹此致謝。