不同林分密度楊樹人工林的固碳釋氧和積累營養物質研究

王曉榮 胡興宜 唐萬鵬 崔鴻俠 漆榮 黃生員 石鳳 榮新軍

摘 要： 以江漢平原石首市6種不同密度（2 500，1 666，833，625，416，208株·hm-2）6 a生的楊樹人工林為研究對象，對其林木碳儲量、固碳釋氧和積累營養物質等生態功能進行研究。研究結果表明：不同密度6 a生楊樹人工林林木碳儲量變化范圍為15.72～73.88 t·hm-2，林木固碳量為2.33～10.94 t·hm-2·a-1，釋氧量為6.24～29.30 t·hm-2·a-1，積累營養物質量為0.06～0.27 t·hm-2·a-1。隨著林分密度的增加，6 a生的楊樹人工林的林木碳儲量、固碳釋氧和積累營養物質均隨之增加。對于生長早期的楊樹林，較高的楊樹林密度有利于林分盡快郁閉，林木生產力和生物量也較高，有利于其生態功能更好地發揮。

關鍵詞： 楊樹人工林;林分密度;固碳釋氧;積累營養物質;江漢平原

中圖分類號：S718.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-3020（2020）03-0001-04

Study on Carbon Fixation，Oxygen Release and Nutrient Accumulation

in Poplar Plantation With Different Stand Densities

Wang Xiaorong（1） Hu Xingyi（1） Tang Wangpeng（1） Cui Hongxia（1） Qi Rong（2）Huang Shengyuan（2） Shi Feng（2） Rong Xinjun（4）

（1.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075; 2.Hubei Jiusen Forestry co.ltd Wuhan 430070;

3. Lijiazhou Forestry Farm of Huangzhou Country Huanggang 438000;4.Shishou Research Institule of Poplar，Hubei Academy of Forestry Jingzhou 434400）

Abstract： A study of ecological function including stand carbon storage， carbon fixation and oxygen release， nutrient accumulation were carried out in 6-year-old poplar plantation with six densities （2 500 plants/hm2， 1 666 plants/hm2， 833 plants/hm2， 625 plants/hm2， 416 plants/hm2， 208plants/hm2）in Jianghan Plain of Hubei Province. The results showed that the variation range of carbon storage in poplar plantations with different densities was 15.72～73.88 t·hm-2，carbon sequestration of trees was 2.33～10.94 t·hm-2·a-1， oxygen release was 6.24～29.30 t·hm-2·a-1， and accumulated nutrient mass was 0.06～0.27 t·hm-2·a-1. With the increase of stand density， the stand carbon storage， carbon fixation and oxygen release， nutrient accumulation of 6-year-old poplar plantation increased. For the poplar plantation in the early growth stage， the higher density of poplar forest is conducive to forest canopy closing as soon as possible， the higher tree productivity and biomass， which may lead to its higher ecological function.

Key words： poplar plantations; stand density; carbon fixation and oxygen release; nutrient accumulation; Jianghan plain

森林是陸地生態系統的主體，在涵養水源、改善環境、調節氣候等方面發揮著重要作用[1]。人工林是世界森林資源重要的組成部分，隨著人工林面積和蓄積量的持續增加，人工林在全球氣候變化中占據了越來越重要的位置[2]。然而，長期以來人工林的經營目標只是最大限度地獲取木材，對林下生物多樣性的生態功能考慮甚少，人工林生產力下降、樹種單一、林分結構簡單或不合理，導致生物多樣性銳減、地力衰退等諸多問題，嚴重影響了人工林的可持續經營[3]。

楊樹具有適應性強、分布廣、種植品種多、容易繁殖等特點，是中國人工林發展的重要樹種，也是世界人工林發展的三大速生樹種之一。湖北省具有非常優越的水、土、溫、光等自然條件，是南方型楊樹最適宜生長的地區之一[4]，自20世紀70年代黑楊派楊樹引種成功以來，楊樹在湖北省的栽培獲得迅猛發展，目前楊樹已成為該地區營造速生豐產林和生態防護林最主要的樹種之一[5]。對楊樹人工林的研究也取得了大量的研究成果，重點主要集中在育種育苗[6]、造林密度[7]、生產量和生產力[8]、復合模式經營[9]、土壤理化性質[5]、碳儲量動態[2]、綜合效益評估[10]等方面，但對于不同密度楊樹人工林生態效益分析鮮見報道。

林分密度對林木生長有重要的作用[11]，是林分經營的首要環節之一，直接影響到人工林群落的光、熱、水分等生態因子的分配[12]，通過管理林分密度，改善林地的微氣候、養分循環以及生態系統的活力等，使林分發揮最大的生態效益。本研究以江漢平原地區不同密度6 a生楊樹人工林為對象，對不同密度楊樹人工林在林木碳儲量、固碳釋氧和積累營養物質等生態功能的變化進行分析研究，旨在為湖北省楊樹人工林可持續管理和楊樹產業快速發展提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于江漢平原的石首市。江漢平原地處長江中游，是由長江、漢水及湖泊泛濫淤積而形成的沖積平原。江漢平原地勢低平，海拔一般低于100 m，大部分40 m以下，平原邊緣的蝕余丘陵海拔高度也多為200～300 m。屬典型的亞熱帶季風氣候區，年日照時數2 000 h左右，年均氣溫15～17 ℃，≥10 ℃年積溫5 000～5 400 ℃，無霜期240～270 d，年降水量1 100～1 300 mm。區域內河網交織、湖泊眾多、堤垸縱橫，大小湖泊約300多個。水、熱、光、溫等資源豐富，且土壤質地好，水熱同季，是長江中游重要的楊樹速生豐產林基地[2]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與調查

于6～7月，選取立地條件、品種一致且均為6 a生的6種不同密度（2 500，1 666，833，625，416，208株·hm-2）楊樹人工林作為研究對象，其初始造林密度分別為2.0 m×2.0 m、2.0 m×3.0 m、3.0 m×4.0 m、4.0 m×4.0 m、4.0 m×6.0 m、6.0 m×8.0 m。每種林分密度設置3個樣地，面積20 m×20 m，共計18個樣地。對所有樣地進行每木檢尺，主要記錄各樣地內樹木的胸徑、樹高等生長指標。

1.2.2 生物量與生產力測定

對楊樹人工林單木生物量的估算，采用在江漢平原楊樹人工林已建立的生物量回歸模型（表1），結合各樣地立木胸徑和樹高的實測數據，并根據栽植密度和林分年齡推算單位面積楊樹人工林林分的生物量和生產力[8]。

1.2.3 林木碳儲量計算

林木碳儲量由生物量乘以碳含量轉換系數得出。一般碳含量的轉換系數取值為0.45～0.50，本文碳含量的轉換系數采用0.5。

1.2.4 固碳釋氧量計算

根據光合作用化學反應式，林木每積累1.0 g干物質，可以吸收1.63 g CO2，釋放1.19 g O2。單位面積林分年固碳量、釋氧量以中華人民共和國林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》[13]所對規定的公式計算，見公式（1）和（2）。

G碳=1.63R碳B年 ??（1）

G氧=1.19B年 ??（2）

式中： G碳—單位面積林分年固碳量（t·hm-2·a-1）;

G氧—單位面積林分年釋氧量（t·hm-2·a-1）;

R碳—CO2中碳的含量，為27.27%;

B年—林分年凈生產力（t·hm-2·a-1）。

1.2.5 積累營養物質量計算

單位面積林分年積累營養物質量采用公式（3）計算：

G營養=（N營養+P營養+K營養）B年?（3）

式中： G營養—單位面積林分年固定氮磷鉀量（t·hm-2·a-1）;

N營養—林木中氮元素含量（%）;

P營養—林木中磷元素含量（%）;

K營養—林木中鉀元素含量（%）;

B年—林分年凈生產力（t·hm-2·a-1）。

2 結果與分析

2.1 不同密度楊樹人工林碳儲量

森林碳儲量是以森林生物量為載體的，林木碳儲量變化規律與生物量變化具有一致性[2]。從表3可知，不同密度6 a生楊樹人工林林木生物量范圍在31.44～174.75 t·hm-2之間，生產力為5.24～174.75 t·hm-2·a-1，林木碳儲量為15.72～73.88 t·hm-2。隨著造林密度增加，楊樹林木生物量、生產力及碳儲量隨之增加。其中，代表高密度的2種類型林木碳儲量平均為63.64 t·hm-2，代表中密度的2種類型林木碳儲量平均為32.51 t·hm-2，代表低密度的2種類型林木碳儲量平均為19.29 t·hm-2，高密度林碳儲量是中密度林分的0.96倍，低密度林分的2.29倍。

2.2 不同密度楊樹人工林固碳釋氧量

森林生態系統固碳釋氧主要是指通過樹木光合作用固定碳素，釋放氧氣的功能，這對維持大氣中二氧化碳和氧氣的動態平衡、減少溫室效應有著巨大和不可替代的作用[14]。從圖1可知，不同密度6 a生楊樹人工林林木固碳量范圍在2.33～10.94 t·hm-2·a-1之間，釋氧量為6.24～29.30 t·hm-2·a-1。隨著林分密度的增加，楊樹人工林固碳量和釋氧量均隨之增加。其中，代表高密度的2種類型林木固碳量平均為，釋氧量平均為25.23 t·hm-2·a-1，代表中密度的2種類型林木固碳量平均為4.82 t·hm-2·a-1，釋氧量平均為12.90 t·hm-2·a-1，代表低密度的2種類型林木固碳量平均為2.86 t·hm-2·a-1，釋氧量平均為7.66 t·hm-2·a-1。