韓福利，田相林，黨坤良，曹田健，3

（1.陜西省森林資源管理局，陜西 西安710082；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵712100；3.生態(tài)仿真優(yōu)化實驗室，陜西 楊陵712100）

當(dāng)前，全球氣候發(fā)生著以變暖為主要特征的顯 著變化，大氣中溫室氣體特別是二氧化碳濃度的增加是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要因素之一，森林的碳匯作用因而也日益得到重視。在減緩氣候變化的各種努力中，森林撫育經(jīng)營在森林多功能服務(wù)的實現(xiàn)上起到至關(guān)重要的作用。

國外關(guān)于木材生產(chǎn)與碳固存的研究已經(jīng)持續(xù)近20a［1］，其中很重要的一部分是關(guān)于如何在保證木材生產(chǎn)的同時提高林分的碳固存。T.Kaipainen［2］等利用碳通量模型計算發(fā)現(xiàn)通過延長森林經(jīng)營的輪伐期，可以提高林業(yè)生產(chǎn)中的碳固存。D.Read［3］等對比模型計算與間伐試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整采伐方式，將皆伐調(diào)整為擇伐可以提高林地的碳固存。R.M?kip??［4］等和P.Olsson［5］等的研究表明通過施肥等營林措施，可以改善立地條件從而影響林分生長，提高林分碳固存。Thornley和 Cannell［6］基于過程模型的研究表明，撫育間伐的次數(shù)、強度和間隔時間都會對森林生態(tài)系統(tǒng)的碳固存產(chǎn)生重要影響。Brice?o-Elizondo［7］等的研究發(fā)現(xiàn)在不延長輪伐期的條件下，適宜的間伐方案也可以提高林分碳固存量。這些研究多是將間伐措施與模型預(yù)測相結(jié)合，實現(xiàn)林分碳固存的動態(tài)預(yù)測，從而為森林經(jīng)營決策提供依據(jù)。

國內(nèi)對人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量動態(tài)及過程的研究，尤其撫育對森林碳匯功能的影響研究還比較缺乏［8］。撫育間伐對林分生長發(fā)育動態(tài)影響的研究主要集中在不同間伐強度對胸徑、樹高、斷面積和蓄積等林分因子的影響［9］，間伐對林木徑階［10］和對林分生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分動態(tài)的影響［11］，間伐對幼苗更新［12］及幼齡林生長的影響［13］等。林分生產(chǎn)力和生物量也被作為研究撫育間伐對林分生長影響的重要內(nèi)容［14-16］。而對于碳匯的研究多集中于計算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量上，許多學(xué)者采用不同方法對中國森林植被的碳儲量進(jìn)行了估算［17-21］。在這些研究中，也包括基于間伐試驗設(shè)計的碳儲量測算［8，16］，但多是利用短期的對比試驗得出的直觀數(shù)據(jù)和結(jié)果，很難實現(xiàn)林分經(jīng)營過程中碳固存的預(yù)測與核算。

在森林規(guī)劃經(jīng)營中，森林碳核算體系逐步成為重要的經(jīng)濟因素與政治約束［22］，這使得碳固存成為間伐經(jīng)營設(shè)計需要考慮的重要因素之一。向瑋［23］等選用木材產(chǎn)量、樹種和大小多樣性、樹木地上碳貯量作為經(jīng)營目標(biāo)，以相同權(quán)重構(gòu)造綜合目標(biāo)進(jìn)行折中，來對不同經(jīng)營方案進(jìn)行評價比較。戎建濤［24］等以木材生產(chǎn)和碳增量凈現(xiàn)值最大為規(guī)劃目標(biāo)，建立多目標(biāo)規(guī)劃模型從而求解得到規(guī)劃期內(nèi)林分最優(yōu)經(jīng)營方案。國內(nèi)森林經(jīng)營管理中碳固存的研究多集中于多目標(biāo)經(jīng)營規(guī)劃中的應(yīng)用，結(jié)合間伐后的林分生長動態(tài)，并且能夠有效預(yù)測間伐效應(yīng)的相關(guān)研究相對缺乏。

本研究嘗試通過研究撫育間伐對林分喬木層碳儲量動態(tài)變化的影響機制，從林分生長收獲和間伐效應(yīng)動態(tài)預(yù)估的角度，探討撫育與人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量定量關(guān)系。為合理確定基于碳匯效益的撫育關(guān)鍵技術(shù)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

油松（Pinus tabulaeformis）是陜西橋山林區(qū)的主要成林樹種，也是經(jīng)營和管理的主要對象。本研究數(shù)據(jù)由兩個部分構(gòu)成，分別為陜北油松正常林分生長過程數(shù)據(jù)和橋山油松人工林不同保留密度區(qū)組設(shè)計的間伐試驗數(shù)據(jù)。

1.1 正常林分生長過程數(shù)據(jù)

林業(yè)生產(chǎn)中的林分生長預(yù)測工作往往需要以正常林分（完滿立木度）作為基準(zhǔn)，正常林分生長過程表（即收獲表）為反映正常林分主要調(diào)查因子的生長過程提供了依據(jù)，并可以有效地用于森林經(jīng)營方案的設(shè)計［25］。本研究基于陜北林區(qū)油松生長過程表Ⅱ、Ⅲ地位級和Ⅳ地位級［26］設(shè)計試驗區(qū)plot 1和plot 2（表1），用于估算完滿立木度條件下油松林分生長過程中的碳儲量動態(tài)變化過程，比較不同立地質(zhì)量下油松林碳固存狀況，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行間伐方案的設(shè)計和評估。

1.2 不同保留密度區(qū)組設(shè)計的間伐試驗數(shù)據(jù)

保留密度是間伐經(jīng)營中影響林分生長的重要可控因素。探究不同保留密度對于林分生長的影響需要進(jìn)行控制處理試驗和長期的調(diào)查觀測。本研究間伐數(shù)據(jù)來源于楊澄［27］等陜北橋山林區(qū)撫育間伐試驗數(shù)據(jù)，該試驗以不同保留密度等級設(shè)置4個區(qū)組，同時設(shè)有不間伐的對照區(qū)，每種區(qū)組都包括3塊標(biāo)準(zhǔn)地的重復(fù)，在間伐后當(dāng)年、間伐后4a和12a分別進(jìn)行了觀測。本研究中間伐試驗區(qū)組及對照區(qū)編號為plot 3～plot 7（表1）。

表1 試驗區(qū)組數(shù)據(jù)Table 1 Biological data

2 研究方法

2.1 林分生長趨勢的計算

本次研究同時將正常林分與撫育間伐試驗林分的生長過程進(jìn)行了分析，從而探究并比較間伐與未間伐林分的生長過程。為了更好地比較分析林分生長狀況，在主要林分調(diào)查因子數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，補充了年平均枯損率（按株數(shù)計算）、生長率等內(nèi)容的計算。

年平均枯損率（株數(shù)）：

式中，P是按株數(shù)計算的林分年平均枯損率，Nt是調(diào)查初期的每公頃株數(shù)，Nt+n是調(diào)查末期的每公頃株數(shù)，n是間隔的年份。

普雷斯勒生長率公式：

式中，Z（t）是樹木在年齡t時的生長率，yt-n是調(diào)查初期的量，yt是調(diào)查末期的量，n是間隔的年份。

2.2 林分喬木層生物量的計算

由于森林生物量測定的工作量非常大，而且耗時費力，因而撫育間伐的研究多側(cè)重于對林分胸徑、樹高、蓄積量的影響上，不單獨測定生物量。但是通過生物量模型估計的方法，利用已知的易測因子的數(shù)據(jù)，可以推算出樹木各器官生物量，進(jìn)而推算出林分的生物量。本研究采用馬欽彥建立的陜北橋山林區(qū)油松生物量模型，分別包括單木及林分的干（帶皮）、枝、葉、根方程共計8個模塊，具體方程參數(shù)值參見文獻(xiàn)［28］。

2.3 林分喬木層碳儲量的計算

植物含碳率是估算植被碳儲量必須的基本參數(shù)，在多目標(biāo)經(jīng)營模擬的研究中，一般采用50%作為森林生物量推算碳儲量的轉(zhuǎn)換系數(shù)［23-24］，但活體植物的碳含量常因樹種和器官的不同而異，其變化幅度可為47%～59%［29-30］，Bert和 Danjon［31］的研究發(fā)現(xiàn)，籠統(tǒng)地采用50%作為轉(zhuǎn)換系數(shù)會造成法國西南部海岸松（Pinus pinaster）碳儲量的估計偏低6%。本研究采用趙萌捷［32］利用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定的陜北油松人工林喬木干、皮、枝、葉、根的含碳率，計算陜北林區(qū)油松喬木層各器官碳儲量。

2.4 基于收獲表的間伐方案設(shè)計

間伐方案的設(shè)計基于陜北油松收獲表，對于蓄積部分的數(shù)據(jù)，原收獲表是查林分每公頃斷面積與蓄積量標(biāo)準(zhǔn)表得到的，在設(shè)計撫育間伐方案時，為了便于分析計算，本研究采用平均實驗形數(shù)的方法進(jìn)行蓄積的計算。計算公式：

式中，V是林分蓄積量，H 是林分平均樹高，G是每公頃斷面積，f?是平均實驗形數(shù)。根據(jù)陜西省主要樹種平均實驗形數(shù)表［26］，油松實驗形數(shù)為0.42。

在設(shè)計撫育間伐方案時，我們并沒有將間伐強度設(shè)為固定值，而是每次通過間伐將林分密度降低到生長過程表5a后的密度，利用間伐試驗林分的枯損率來估算5a間的林分枯損，之后由于密度再次與收獲表接近，仍采用原收獲表的枯損率，直至下一次間伐。

式中，Pthin是試驗林分間伐后枯損率，Punthin是未間伐林分枯損率，Pthin＃是設(shè)計間伐方案預(yù)測的林分枯損率，Punthin＃是原收獲表的枯損率。

戎建濤［24］等將蓄積乘以固定出材率（闊葉材出材率取0.65，針葉材出材率取0.7）得到木材產(chǎn)出。但是實際上隨林分年齡的增長平均胸徑隨之增長，出材率也會相應(yīng)改變。因此，本研究在計算經(jīng)濟材出材率時，按照陜北林區(qū)油松平均材種出材量表［26］來進(jìn)行計算。

試驗數(shù)據(jù)中的plot 1來源于第Ⅱ、Ⅲ地位級，plot 2中的數(shù)據(jù)來源于第Ⅳ地位級。林分高是立地質(zhì)量的直接評定方法之一［33］，由表1的林分平均高數(shù)據(jù)可以看出，間伐所采用的數(shù)據(jù)（陜北橋山林區(qū)）與陜北第Ⅳ地位級的生長過程表（plot 2）立地條件非常接近，而與Ⅱ、Ⅲ地位級（plot 1）相差較遠(yuǎn)，因此本研究在進(jìn)行撫育間伐方案時，采用第Ⅳ地位級的生長過程表作為設(shè)計基礎(chǔ)。利用撫育間伐試驗林分的數(shù)據(jù)，我們可以估算林分間伐后的枯損率，并設(shè)計了9個間伐方案，進(jìn)行比較評估。

3 結(jié)果與分析

3.1 正常林分生長過程

基于全林模型（收獲表）模擬林分主要因子的生長過程，利用相對生長模型可以計算出樹木不同器官的生物量及總生物量，乘以各組分含碳率，就可以得到喬木層碳儲量的生長過程（圖1）。

林分的生長過程會伴隨著碳儲量的逐年增加，從圖1可以看出，當(dāng)林分達(dá)到成、過熟林時，林分的碳儲量會遠(yuǎn)高于中齡林階段。由于plot 1是取自第Ⅱ、Ⅲ地位級，而plot 2是取自第Ⅳ地位級，在立地質(zhì)量更好的條件下，林分生長會更迅速，從而具有更高的碳儲量。在各組分之中，林分的樹干部分（含皮）碳儲量所占的比重最大，并且隨著年齡增長會繼續(xù)增加，從20a時的41.3%和45.0%，到80a時的56.5%和58.2%。

3.2 撫育間伐對林分生長的影響

在計算分析正常林分生長過程的基礎(chǔ)上，本研究對撫育間伐試驗林分進(jìn)行了喬木層生長因子、凈初級生產(chǎn)力和碳儲量的計算分析。

從表1可知，林分保留密度依次為：plot 3＜plot 4＜plot 5＜plot 6＜plot 7，未間伐的plot7具有最高的每公頃株數(shù)。由圖2（a）可以看出，在撫育間伐當(dāng)年，林分平均胸徑有所上升，這是由于間伐操作中，主要采伐Ⅳ、Ⅴ級木（克拉夫特生長分級），雙生木、斷梢木，為照顧均勻也伐去少量Ⅲ級木和個別Ⅰ、Ⅱ級木。下層撫育對林分平均胸徑的增長有著顯著的作用，隨著間伐后保留密度的升高，平均胸徑相應(yīng)地降低。從圖2（b）中則可以看出，對于林分蓄積，盡管間伐林分有較快的生長，但在觀測的12a間，間伐林分始終會低于保留密度最高的未間伐林分，說明在油松人工林中齡林階段，間伐帶來林分密度的降低會導(dǎo)致林分蓄積的下降。

圖1 正常林分喬木層碳儲量的生長過程Fig.1 Carbon storage of arborescent stratum in normal stands

圖2 間伐試驗林分生長過程Fig.2 The process of stand growth for thinning experimental plots

圖3描述林分每公頃胸高斷面積隨林分平均樹高的變化趨勢。該圖避免了以年齡為橫軸時在間伐當(dāng)年的數(shù)據(jù)相互重疊，更清晰地表現(xiàn)林分間伐前后林分狀態(tài)的變化。從圖3中可以看出，由于采用了下層撫育的方法，在間伐當(dāng)年，林分的平均樹高有了明顯提高，plot 3、plot 4和plot 6在間伐前平均樹高低于未間伐的plot 7，但在間伐后高于未間伐林分。而且，在整個試驗周期內(nèi)（即使是在間伐前），plot 7（未間伐）的每公頃胸高斷面積都始終高于其他未間伐林分。由于各試驗區(qū)組本身初始條件的不一致，本研究分別從枯損率和相對生長率的角度，對間伐影響進(jìn)行了分析。從圖4中可以看出，間伐林分的枯損率明顯低于未間伐林分，保留密度最低的plot 3甚至未發(fā)生枯損，說明通過間伐降低林分密度能減小林分競爭壓力，降低枯損率。未間伐并且密度最大的林分plot 7，在12a間的枯損率一直都較高，而且前4a的枯損最高，說明在幼齡階段密度大的林分易發(fā)生枯損，間伐應(yīng)在幼齡林階段就開始實施。而plot 4和plot 5在間伐后前4a枯損率很低，在后8a枯損率略有升高，說明間伐后隨著林分加速生長，競爭壓力也會逐漸增大。

撫育間伐對于林分生長的促進(jìn)作用，可以用生長率來描述。撫育間伐后保留密度對林分生長的影響也會隨時間推移有所變化。試驗區(qū)組數(shù)據(jù)是撫育間伐后第4年和第12年的觀測值。由圖5可以看出，在間伐后的前4a間，最高保留密度的plot 7的每公頃胸高斷面積相對于plot 3生長率為79.12%，而對于后8a（第5～12年），相對生長率下降到了50.05%。說明降低保留密度對于每公頃胸高斷面積生長的促進(jìn)作用在間伐5a之后會比剛剛間伐完成后的前4a更加顯著。

圖3 胸高斷面積隨樹高變化趨勢Fig.3 Basal area development with stand height

圖4 間伐后不同時期林分枯損率Fig.4 The mortality in different periods after thinning

圖5 以plot 3為基準(zhǔn)各試驗區(qū)組的胸高斷面積相對生長率Fig.5 Relative growth rate of basal area based on plot 3

撫育間伐對于林分胸徑、林分密度、蓄積等各因子產(chǎn)生影響，進(jìn)而也會影響林分生物量的生長。從圖6（a）可以看出，在剛完成間伐的前4a，即林齡18～22a間，隨保留密度的增加，林分的凈生產(chǎn)力也呈現(xiàn)升高的趨勢，尤其是未間伐的plot 7擁有最高的凈生產(chǎn)力。但該規(guī)律在間伐后的5～12a間卻并不明顯，如圖6（b）所示，在林齡22～30a時，林分喬木層生產(chǎn)力下降，不同保留密度林分間的差異也不再明顯。

結(jié)合含碳率的相關(guān)研究，最終可以通過計算得到撫育間伐對于油松林喬木層碳儲量的影響效果。從圖7可以看出，撫育間伐后，保留密度較低的plot 3、plot 4、plot 5的單木碳儲量明顯高于保留密度較高的plot 6和未間伐密度最高的plot 7。其中plot 3保留密度最低，在林分年齡22a時（間伐當(dāng)年），單木碳儲量還略低于plot 4和plot 5，但在林分30a時（伐后第12a），單木碳儲量明顯是最高的一組。

圖6 不同保留密度林分凈生產(chǎn)力的比較Fig.6 Comparison of net productivity on stands of different conserved densities

本研究從間伐后不同保留密度的角度進(jìn)行了分析。從圖8中可以看出，間伐當(dāng)年（林齡18a）保留密度較低的林分會明顯低于保留密度較高的林分，在隨后的12a間，盡管較低保留密度的林分碳儲量有著較快的增長，但依然會低于保留密度較高的林分。說明撫育間伐對于林分碳儲量的降低，并不能在很短的時間里被間伐后的生長促進(jìn)效應(yīng)所彌補。

3.3 基于收獲表的間伐方案的設(shè)計與評估

本研究利用收獲表進(jìn)行林分生長預(yù)測，通過對生物量模型、出材率方程和含碳率等研究的鏈接，構(gòu)建了綜合林分蓄積生長、經(jīng)濟材產(chǎn)量和碳儲量的陜北油松人工林撫育間伐方案評估體系。

從表2中可以看出，在不考慮間伐成本和木材價格的條件下，若采用相同輪伐期，林分年蓄積收獲量、年經(jīng)濟材收獲量和年平均碳固存量都隨著間伐次數(shù)增加而增大。而對于不同的輪伐期而言，方案2、方案4、方案6、方案8都進(jìn)行了3次間伐，50a輪伐期方案的年蓄積收獲量最高，且隨輪伐期的延長逐漸減小，但經(jīng)濟材出材量從50a的輪伐期到70 a主伐逐漸增大，到80a輪伐期方案時才開始下降，說明在經(jīng)營方案制定時，應(yīng)將輪伐期控制在80a以內(nèi)。相比蓄積收獲作為目標(biāo)，以經(jīng)濟材收獲作為目標(biāo)會導(dǎo)致最優(yōu)輪伐期的時間延長。通過對各個方案收益的等權(quán)重平均值進(jìn)行比較，得到方案5為最優(yōu)，同時滿足林分蓄積生產(chǎn)、經(jīng)濟材出材量和碳固存的多目標(biāo)需求。

圖7 撫育間伐對油松單木碳儲量的影響Fig.7 Carbon storage of single tree organs after thinning

圖8 間伐對油松林碳儲量的影響Fig.8 Effects of thinning on stand carbon storage

4 結(jié)論與討論

撫育間伐對各林分因子的狀態(tài)有明顯改變，本研究表明低保留密度林分的平均胸徑和蓄積生長率會高于高保留密度，未間伐林分生長率最低。同時隨著密度降低，林分枯損率也會顯著的降低。然而，通過對間伐后前4a和后8a生長率的對比，結(jié)果表明保留密度對于林分生長的影響，以每公頃胸高斷面積為例，在伐后前4a并不明顯，而在伐后的第5～第12年間有更為顯著的影響。說明撫育間伐對林分生長的影響并不會在采伐后立即完全表現(xiàn)出來，而是隨著林分生長效果逐漸明顯。

由于間伐在導(dǎo)致林木數(shù)量上降低的同時也改善了林內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)，相應(yīng)生產(chǎn)力也會發(fā)生改變。J.Campbell［34］等的間伐試驗表明，采用高強度間伐（約50%）會持續(xù)降低林分的凈初級生產(chǎn)力，美國黃松（Pinus ponderosa）人工林在間伐16a后，林分初級生產(chǎn)力仍然低于伐前水平。然而橋山林區(qū)中等間伐強度（24%～32%）油松林分喬木層凈初級生產(chǎn)力的計算結(jié)果表明，在剛完成間伐的前4a，林分生產(chǎn)力隨保留密度的增加而升高，但在間伐后的第5～第12年，不同保留密度林分的生產(chǎn)力則沒有明顯的差異。說明間伐導(dǎo)致林分生產(chǎn)力的降低僅僅是一種短期的效應(yīng)，林分由于間伐空隙而增加的生長量會逐漸彌補間伐后生產(chǎn)力的降低。

表2 撫育間伐方案Table 2 Thinning regimes

研究結(jié)果表明撫育間伐能明顯地促進(jìn)林分碳儲量的增長。對于單木的碳儲量而言，撫育間伐會有非常明顯的作用效果，低保留密度的林分單木碳儲量會遠(yuǎn)大于高保留密度的林分。D.A.Spring［35］等的模擬研究發(fā)現(xiàn)，瑞格楠（Eucalyptus Regnans）林間伐后約60a，其碳儲量才能恢復(fù)到伐前水平。而與此相反，游偉斌［8］等通過30年生油松人工林不同強度的撫育間伐試驗，發(fā)現(xiàn)強度間伐和中度間伐均能提高油松人工林的碳儲量。橋山林區(qū)的間伐試驗表明，間伐后林分碳儲量的增長雖然會明顯加速，但并不會使林分喬木層總的碳儲量在很短的幾年內(nèi)迅速趕上或者超過未間伐的高密度林分。這可能與試驗林分的設(shè)計選取、采伐強度和采伐年齡等因素有關(guān)。

通過基于收獲表的間伐經(jīng)營方案的設(shè)計和評估，發(fā)現(xiàn)分別蓄積、經(jīng)濟材和碳固存為目標(biāo)，得到的最佳經(jīng)營方案都不同。向瑋［23］等在進(jìn)行多目標(biāo)經(jīng)營模擬時將木材（蓄積）生產(chǎn)、樹種和大小多樣性及地上碳貯量的變化作為經(jīng)營方案評價的依據(jù)。本研究未考慮多樣性因素，但是在木材生產(chǎn)中同時考慮到了蓄積生產(chǎn)和經(jīng)濟材生產(chǎn)，而且在計算經(jīng)濟材時分別不同徑階和不同的出材率，結(jié)果表明相對于蓄積生產(chǎn)，以經(jīng)濟材生產(chǎn)為目標(biāo)會使輪伐期延長，這是由于林分只有到達(dá)足夠徑階時才會有較高經(jīng)濟材出材量，同時早期的采伐由于林木徑階很小，經(jīng)濟材出材量也會非常少。研究所采用的蓄積計算方程相比生物量方程，隨林木尺寸增大的比例會更高，同時正常林分是完滿立木度，在林分年齡較小時就已經(jīng)有相對較高的生物量，這些因素都會導(dǎo)致輪伐期的提前。由于研究中未考慮采伐成本與木材價格等因素，生產(chǎn)實際中則需加以調(diào)整。

通過對間伐試驗、林分生長預(yù)測模型、生物量模型和含碳率等已有研究成果的有效鏈接，預(yù)測間伐對林分生長與碳固存變化的影響，實現(xiàn)了以碳儲量和木材生產(chǎn)為經(jīng)營目標(biāo)的森林多功能經(jīng)營規(guī)劃與動態(tài)評估。該方法不僅適用于陜北橋山，而且易于應(yīng)用到其他林區(qū)，進(jìn)行間伐和碳儲量等的動態(tài)評估。

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