王偉峰, 魏曉華, 段玉璽, 王 博, 張立欣, 李曉晶

(1.內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院, 呼和浩特 010010; 2.加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué), 加拿大不列顛哥倫比亞省 基洛納 V1V1V7)

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采伐剩余物處理方式對(duì)杉木人工林固碳量的長(zhǎng)期影響

王偉峰1, 魏曉華2, 段玉璽1, 王 博1, 張立欣1, 李曉晶1

(1.內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院, 呼和浩特 010010; 2.加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué), 加拿大不列顛哥倫比亞省 基洛納 V1V1V7)

在全球氣候變化背景下，人工林的適應(yīng)性管理對(duì)固碳潛力的提升具有重要影響。應(yīng)用加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)開(kāi)發(fā)的FORECAST森林生態(tài)系統(tǒng)管理模型，通過(guò)外業(yè)調(diào)查、查找相關(guān)文獻(xiàn)資源等方式收集不同立地條件下杉木林分的生物量積累、林分密度、光響應(yīng)曲線及土壤養(yǎng)分方面的數(shù)據(jù)。模型經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和檢驗(yàn)后，模擬不同采伐剩余物處理方式對(duì)杉木人工林固碳量的影響。結(jié)果表明：SO處理(采伐莖干，采伐剩余物留在林地)對(duì)杉木林長(zhǎng)期固碳效果最好；FR處理其次(采伐莖干，清除地上部分采伐剩余物)，而WH(全樹(shù)采伐，清除所有采伐剩余物)和SB(采伐后，火燒采伐剩余物)固碳效果最差。該研究可為杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

采伐剩余物; FORECAST模型; 固碳量; 杉木人工林

在全球氣候變化背景下,人工林的適應(yīng)性管理成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[1]。目前,我國(guó)的人工林面積占全球人工林面積的73%,人工林保存面積居全球第一,占地6 200萬(wàn)hm2[2]。然而,大面積的人工林也存在森林質(zhì)量差、生產(chǎn)力低、樹(shù)種單一等問(wèn)題。以我國(guó)亞熱帶區(qū)域?yàn)槔?大面積營(yíng)造的杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)純林和多代連栽,出現(xiàn)了地力衰退、生物多樣性減少、病蟲(chóng)害加劇、水土保持功能下降等一系列生態(tài)問(wèn)題,通過(guò)科學(xué)的經(jīng)營(yíng)管理從一定程度上可以緩解這種狀況[3]。實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)是個(gè)系統(tǒng)性的工程,開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新(生長(zhǎng)模擬、經(jīng)營(yíng)模型構(gòu)建及信息化管理等)是提高杉木人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的重要途徑[4]。采伐剩余物的處理方式從一定程度上反映了集約經(jīng)營(yíng)和粗放經(jīng)營(yíng)的理念,同時(shí)也對(duì)人工林林地養(yǎng)分的維持產(chǎn)生不同的影響。目前,采伐剩余物的處理方式對(duì)杉木人工林生長(zhǎng)的影響也有所報(bào)道,但多數(shù)研究?jī)H限于短期內(nèi)的評(píng)估[5-7]。采伐剩余物處理方式對(duì)杉木人工林固碳量的長(zhǎng)期影響如何?過(guò)去的研究由于受到人力、物力和技術(shù)的限制,缺乏長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累,對(duì)解決此類問(wèn)題缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),研究結(jié)果存在一定的局限性。本研究應(yīng)用加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)開(kāi)發(fā)的FORECAST模型評(píng)估不同采伐剩余物處理方式對(duì)杉木人工林固碳量的長(zhǎng)期影響,有利于深入了解杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的固碳可持續(xù)性,為其可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

杉木分布遍及中國(guó)整個(gè)亞熱帶,栽培區(qū)域達(dá)16個(gè)省區(qū)。東自浙江、福建及臺(tái)灣山區(qū),西至云南、四川盆地西緣及安寧河流域,南自廣東中部和廣西中南部,北至秦嶺南麓、桐柏山、大別山,102°—122°E，22°—34°N都有分布。杉木垂直分布的幅度隨緯度和地形而變化,中心產(chǎn)區(qū)主要分布于海拔800～1 000 m以下丘陵山地;南部和西部山區(qū)的分布較高,在峨眉山達(dá)海拔1 800 m,云南東部會(huì)澤達(dá)海拔2 900 m;東部及北部的分布較低,一般在海拔600～800 m以下,個(gè)別地區(qū)則可達(dá)到1 000 m左右。分布區(qū)內(nèi)的年平均溫度為15～20℃,年降水量800～2 000 mm。杉木較喜光,但幼時(shí)稍能耐側(cè)方蔽蔭。對(duì)土壤的要求較高,最適宜肥沃、深厚、疏松、排水良好的土壤,而在土壤瘠薄、板結(jié)及排水不良的立地生長(zhǎng)較差,產(chǎn)區(qū)主要土類為黃壤和紅壤,以黃壤條件較好。本研究用于FORECAST模型驗(yàn)證的野外觀測(cè)樣地主要分布在杉木中心產(chǎn)區(qū)之一的江西省,包括上饒市德興、九江市武寧、宜春市銅鼓、撫州市樂(lè)安、吉安市永豐、贛州市崇義等,植被主要有杉木、楊桐(Adinandramillettii)、木荷 (Schimasuperba)、檵木(Loropetalumchinense)、南燭(Vacciniumbracteatum)、鹽膚木(Rhuschinensis)、木姜子(Litseapungens)、野漆(Toxicodendronsuccedaneum)、鐵芒萁(Dicranopterislinearis)等。

2 研究方法

通常認(rèn)為,森林固碳過(guò)程的監(jiān)測(cè)和模擬是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的事情,實(shí)事上,精確驗(yàn)證的現(xiàn)代模擬技術(shù)可以對(duì)不同尺度復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的碳固定潛力進(jìn)行模擬,是監(jiān)測(cè)工作中一項(xiàng)十分有用的工具[8-9]。因此,本研究采用的是基于樣地調(diào)查和模型模擬相結(jié)合的方法。首先,以24塊杉木人工林野外實(shí)測(cè)樣地為基礎(chǔ)(分幼、中、近、成、過(guò)熟林,每塊樣地的水平投影面積為800 m2),通過(guò)采集植物和土壤樣品(植物分干、枝、葉、根分別采集,共96個(gè)樣品;土壤按0—10，10—20，20—30，30—50，50—100 cm 分層采集,每一層重復(fù)取樣3次,把同一層次土壤樣品按質(zhì)量比例混合,共120個(gè)樣品)。采用元素分析儀測(cè)定植物有機(jī)碳百分含量,K2Cr2O7外加熱容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量,全N和全P采用HClO4—H2SO4消化法,消化或提取后的溶液分別使用全自動(dòng)化學(xué)分析儀Smart-Chem進(jìn)行化學(xué)分析。然后,利用野外實(shí)測(cè)樣地?cái)?shù)據(jù)結(jié)合文獻(xiàn)發(fā)表的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)FORECAST模型進(jìn)行校準(zhǔn),在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,通過(guò)設(shè)置不同采伐剩余物情景模擬杉木人工林的長(zhǎng)期固碳效果。

2.1 FORECAST模型簡(jiǎn)介

目前,FORECAST模型已在世界上主要森林類型中得到廣泛應(yīng)用,被認(rèn)為是模擬森林經(jīng)營(yíng)管理能力最強(qiáng)的模型之一,加拿大、美國(guó)、西班牙、中國(guó)等應(yīng)用該模型進(jìn)行了相關(guān)研究[3]。FORECAST模型是基于混合模型原理而開(kāi)發(fā)的,該模型充分結(jié)合了過(guò)程模型和機(jī)理模型的優(yōu)勢(shì),建立在整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)和養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律之上。研究表明,一個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力大小取決于該系統(tǒng)的葉量和光合效率。對(duì)某一樹(shù)種,光合效率的高低取決于光照條件和葉氮含量?jī)蓚€(gè)因素。葉氮含量由生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)狀況決定,是一個(gè)能反映系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)、養(yǎng)分循環(huán)及環(huán)境狀況的綜合性指標(biāo)。因此,FORECAST模型的驅(qū)動(dòng)機(jī)制就是葉氮效率(foliage nitrogen efficiency, FNE),它從輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中計(jì)算獲得[10]。該模型的參數(shù)可以分為必需參數(shù)和非必需參數(shù),和植物生長(zhǎng)、土壤養(yǎng)分等相關(guān)的參數(shù)為必需參數(shù),其他參數(shù)(如坡面滲漏、礦物質(zhì)風(fēng)化、生物固氮等)可采用系統(tǒng)的默認(rèn)值或相近區(qū)域的數(shù)據(jù),非必需參數(shù)的缺省不會(huì)對(duì)模型結(jié)果產(chǎn)生重要影響。在模型中,系統(tǒng)可以創(chuàng)建三種立地條件(好、中、差)并用立地指數(shù)(site index,SI)表示[11-12]。以杉木人工林為例,通過(guò)不同立地條件下的樹(shù)高生長(zhǎng)數(shù)據(jù),用模型可擬合相應(yīng)的生長(zhǎng)過(guò)程,SI=17,21,27分別代表差、中、好三種立地條件下的優(yōu)勢(shì)木平均高(基準(zhǔn)年齡為50 a),通過(guò)不同的立地條件和林分生長(zhǎng)特征相耦合,模擬采伐剩余物處理方式對(duì)杉木人工林固碳量的影響。

2.2 模擬情景設(shè)置

在不同立地條件下(SI=17,27),采伐剩余物的形式分別為SO (Stem only,只采伐莖干,其余采伐剩余物全部留在地面)、FR(Floor Removed,清除所有地上采伐剩余物,包括樹(shù)枝、葉以及地被物)、WH (Whole Tree Harvest,全樹(shù)采伐,清理地上和地下采伐剩余物)、SB (Stem only and Burning,樹(shù)木采伐后,只取走干材,其余地上采伐剩余物火燒處理),造林密度為2 500 株/hm2、輪伐期為25 a,模擬時(shí)間跨度為150 a(6個(gè)輪伐期)。

2.3 相關(guān)參數(shù)定義

為了研究不同采伐剩余物處理措施對(duì)杉木人工林固碳量的影響,特定義以下參數(shù)作為結(jié)果分析的依據(jù):地上生物量碳(ABCS):指喬木層的樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)枝、樹(shù)葉等固碳量(未包括灌木和草本);地下生物量碳(UBCS):指地下根系(粗根、中根和細(xì)根)的固碳量;總生物量碳(TBCS):指地上生物量碳與地下生物量碳之和,TBCS =ABCS +UBCS;土壤有機(jī)碳(SOC):指地上凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)(通過(guò)微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體的合稱)中的固碳量;總固碳量(TCS):總生物量碳與土壤有機(jī)碳之和,TCS =TBCS +SOC。

（4）整合俱樂(lè)部收費(fèi)與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平。建立和逐步完善健身體育的消費(fèi)和服務(wù)體系，加強(qiáng)大眾媒體的宣傳力度，正確引導(dǎo)人們的健身體育需要，并且建設(shè)足夠的健身體育設(shè)施，使消費(fèi)價(jià)格合理化、平民化、場(chǎng)地設(shè)備高檔化、服務(wù)水平優(yōu)良化，滿足大眾的健身需要

3 FORECAST模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證

3.1 FORECAST模型的校準(zhǔn)

FORECAST模型參數(shù)在Bi等[13]構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分調(diào)整,調(diào)整的依據(jù)是通過(guò)野外調(diào)查對(duì)非必需參數(shù)的缺省值進(jìn)行了完善,使模型系統(tǒng)參數(shù)值更能反映出亞熱帶區(qū)域杉木人工林的林分結(jié)構(gòu)特征和土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程。模型校準(zhǔn)參考了《杉木林生態(tài)系統(tǒng)學(xué)》[14]、《中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)與研究數(shù)據(jù)集:湖南會(huì)同杉木林站(1982—2009)》[15]和《杉木人工林長(zhǎng)期生產(chǎn)力保持機(jī)制研究》[16],校準(zhǔn)數(shù)據(jù)主要包括樹(shù)木生物量、各組分營(yíng)養(yǎng)濃度(樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)枝、樹(shù)葉、樹(shù)根)、林分密度、光響應(yīng)曲線、樹(shù)高、林冠結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分輸入、凋落物分解速率等[10]。應(yīng)用FORECAST模型模擬杉木人工林時(shí)需要校準(zhǔn)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 FORECAST模型的驗(yàn)證

FORECAST模型的驗(yàn)證參考了Blanco等提出的方法[17],用來(lái)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)來(lái)自樣地調(diào)查和參考文獻(xiàn)[18],這些數(shù)據(jù)是基于不同立地條件下的杉木人工林年齡序列數(shù)據(jù),主要包括樹(shù)高、胸徑、地上生物量和地被物量。為了評(píng)價(jià)模型的表現(xiàn)性,需要對(duì)觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較,主要指標(biāo)為平均偏差、平均絕對(duì)偏差、預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值進(jìn)行線性回歸擬合后得到的皮爾森相關(guān)系數(shù)(r)。此外,還計(jì)算了兩個(gè)不同的指標(biāo),第一個(gè)指標(biāo)是泰爾不等式系數(shù)(U):

(1)

式中：Di為第i個(gè)觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值的差值;n是數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù);U∈[0,∞),如果U=0則表示模型的預(yù)測(cè)效果非常好,U值越大模型的預(yù)測(cè)效果越差;

表1 模擬杉木人工林時(shí)需要校準(zhǔn)的FORECAST模型參數(shù)

注:分解率是表示在1 a里初始質(zhì)量損失的百分比。

第二個(gè)指標(biāo)是模型效率(ME):

(2)

最后,計(jì)算了兩個(gè)不同置信水平上的臨界誤差,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 FORECAST模型預(yù)測(cè)杉木人工林相關(guān)指標(biāo)與野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較

注:e*:雷諾茲臨界誤差。

4 結(jié)果與分析

4.1 采伐剩余物處理方式對(duì)總固碳量和年均固碳量的影響

在差的立地條件下(圖1),150 a間4種采伐剩余物處理方式對(duì)總固碳量的影響依次是:SO(353.44 t/hm2)

>FR(304.05 t/ hm2)>SB(294.49 t/ hm2)>WH(286.55 t/ hm2)。莖干采伐方式(SO)總生物固碳量最大,為236.06 t/ hm2,全樹(shù)采伐方式(WH)總生物固碳量最小,為182.27 t/ hm2;莖干采伐方式總生物固碳量是全樹(shù)采伐方式的129%;4種采伐方式下土壤有機(jī)碳的變化范圍為104.28～117.38 t/ hm2。

圖1 采伐剩余物處理方式對(duì)總固碳量的影響(SI=17)

無(wú)論是年均固碳量,還是每個(gè)輪伐期內(nèi)的固碳量,在差的立地條件下都是SO>FR>SB>WH,4種采伐剩余物處理方式下的年均總固碳量依次為:2.36，2.03，1.96，1.91 t/ hm2;每個(gè)輪伐期內(nèi)的總固碳量依次為:58.91，50.67，49.08，47.76 t/ hm2(表3)。在同一輪伐期內(nèi),與SO這種方式相比,采用FR的方式,總生物固碳量減少了17.06%;采用SB的方式,總生物固碳量減少了20.41%;采用WH這種方式,總生物固碳量減少了22.78%。

表3 不同采伐剩余物處理方式下的年均固碳量和每個(gè)輪伐期固碳量(SI=17)

在好的立地條件下(圖2),150 a間4種采伐剩余物處理方式對(duì)總固碳量的影響與差立地趨勢(shì)相同,SO(859.69 t/ hm2)>FR(735.96 t/ hm2)>SB(713.54 t/ hm2)>WH(679.56 t/ hm2)。莖干采伐方式(SO)總生物固碳量最大,為620.30 t/ hm2,全樹(shù)采伐方式(WH)總生物固碳量最小,為460.66 t/ hm2;莖干采伐方式總生物固碳量是全樹(shù)采伐方式的135%;4種采伐方式下土壤有機(jī)碳的變化范圍為218.89～239.39 t/ hm2。

無(wú)論是年均固碳量,還是每個(gè)輪伐期內(nèi)的固碳量,在好的立地條件下都是SO>FR>SB>WH,4種采伐剩余物處理方式下的年均總固碳量依次為:5.73，4.91，4.76，4.53 t/ hm2;每個(gè)輪伐期內(nèi)的總固碳量依次為:143.28，122.66，118.92，113.26 t/ hm2(表4)。在同一輪伐期內(nèi),與SO這種方式相比,采用FR的方式,總生物固碳量減少了17.73%,土壤有機(jī)碳減少了5.74%;采用SB的方式,總生物固碳量減少了20.75%,土壤有機(jī)碳減少了7.29%;采用WH這種方式,總生物固碳量減少了25.73%,土壤有機(jī)碳減少了8.57%。

4.2 采伐剩余物處理方式對(duì)土壤有效氮的影響

在差的立地條件下,各種采伐剩余物處理方式對(duì)土壤有效氮的影響不明顯,與莖干采伐方式相比,其他各處理的土壤有效氮在每個(gè)輪伐期內(nèi)有小幅下降(圖3)。在好的立地條件下,莖干采伐方式明顯優(yōu)于其他各處理方式,火燒和全樹(shù)采伐這兩種方式對(duì)土壤有效氮的影響較大,明顯降低了土壤有效氮的含量(圖4)。采伐剩余物的處理方式將會(huì)通過(guò)改變凋落物分解向土壤中輸入的碳氮而影響土壤氮的轉(zhuǎn)化。森林砍伐和采伐剩余物燃燒,提高了氮素的礦化水平。然而,當(dāng)這些干擾減輕后,有效氮的損失也隨之減少。

表4 不同采伐剩余物處理方式下的年均固碳量和每個(gè)輪伐期固碳量(SI=27)

圖2 采伐剩余物處理方式對(duì)總固碳量的影響(SI=27)

圖3 采伐剩余物處理方式對(duì)土壤有效氮的影響(SI=17)

圖4 采伐剩余物處理方式對(duì)土壤有效氮的影響(SI=27)

5 討論與結(jié)論

已有研究表明[19-21],影響杉木地上、地下和平均生物量的主導(dǎo)因子為收獲方式,影響力最小的因子分別為采伐剩余物處理方式、整地方式和采伐剩余物處理方式,最優(yōu)水平組合為僅收獲莖干,塊狀整地挖穴回填表土,采伐剩余物和灌草平鋪林地,本研究得到的結(jié)論與其基本一致。曹永康等[22]研究了不同采伐剩余物處理方式對(duì)杉木人工林固碳量的短期影響,試驗(yàn)后1～10 a,加倍添加采伐剩余物處理的總固碳量高于莖干采伐處理,這主要是與在采伐跡地上添加采伐剩余物,經(jīng)分解和淋溶作用而導(dǎo)致土壤含碳量增加。這表明采伐剩余物是影響林地土壤養(yǎng)分的重要因素,其數(shù)量和分布改變了原有的地表徑流和土壤養(yǎng)分循環(huán),直接影響了土壤有機(jī)碳的組成。因此,在采伐跡地上清理采伐剩余物和地被物,是造成總固碳量偏低的重要原因。胡振宏等[23]研究了15 a生2代杉木人工林5種采伐剩余物管理措施(收獲采伐剩余物和地被層、全樹(shù)收獲、僅收獲樹(shù)干和樹(shù)皮以及加倍采伐剩余物、煉山)對(duì)土壤碳氮含量的影響,結(jié)果表明采伐剩余物管理措施對(duì)亞熱帶杉木人工林土壤全碳、全氮含量的效應(yīng)并不顯著,本研究結(jié)論與其存在矛盾,這可能是由立地條件和林分密度等引起的,而且該研究是短期內(nèi)的評(píng)估,缺乏進(jìn)一步的跟蹤監(jiān)測(cè)。王榮偉[24]也研究了煉山20 a后,未煉山的人工林各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均優(yōu)于煉山的林分,煉山的林地出現(xiàn)土壤物理性質(zhì)變差的趨勢(shì),且表層受煉山的影響更大,本研究也進(jìn)一步支持了上述觀點(diǎn),這是由于煉山清理等人為干擾活動(dòng)對(duì)林地土壤表層的影響更為直接,導(dǎo)致土壤容重升高、pH值下降、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等均有不同程度的降低,還使林地水土流失加重。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,煉山對(duì)杉木林的地力維持十分不利。在比較闊葉林和針葉林采伐剩余物處理方式的研究中發(fā)現(xiàn)[25],栲樹(shù)林火燒后表層土壤有機(jī)碳和全氮的損失量和損失率均明顯大于杉木林,這與兩林分火燒前土壤有機(jī)碳和全氮貯量及火燒強(qiáng)度差異有關(guān)。而且火燒后栲樹(shù)林土壤碳、氮恢復(fù)速率低于杉木林,可見(jiàn)我國(guó)南方林區(qū)把大面積常綠闊葉林砍伐后采用火燒方法清理采伐跡地將對(duì)土壤碳、氮儲(chǔ)量造成不利的影響。因此,從生態(tài)系統(tǒng)固碳的角度考慮,應(yīng)該營(yíng)造杉闊混交林來(lái)提升固碳量[26]。與所有的模型一樣,FORECAST模型在應(yīng)用中也存在一定的局限性。例如,該模型中許多土壤過(guò)程的表示相對(duì)簡(jiǎn)單,土壤范圍、土壤混合和根分配表示的缺乏限制了模型解決土壤壓實(shí)和侵蝕問(wèn)題的能力。此外,該模型也沒(méi)有考慮水分對(duì)植被生長(zhǎng)的影響,只是將水分作為養(yǎng)分吸收的一個(gè)限制因子,這些問(wèn)題有待對(duì)模型進(jìn)一步的完善[8]。

本研究表明,SO處理(采伐莖干,采伐剩余物留在林地)對(duì)杉木林長(zhǎng)期固碳效果最好,FR處理其次(采伐莖干,清除地上部分采伐剩余物),而WH(全樹(shù)采伐,清除所有采伐剩余物)和SB(采伐后,火燒采伐剩余物)固碳效果最差。造成采伐剩余物處理方式對(duì)土壤有效氮影響的主要原因是:通過(guò)不同的采伐剩余物處理方式改變了土壤的干濕循環(huán),采伐剩余物、凋落物和林下層對(duì)土壤具有一定的保護(hù)作用。清除了這些物質(zhì),增加了土壤溫度和濕度的變幅并對(duì)微生物產(chǎn)生不利的影響,降低了林地有效氮的水平。此外,清除采伐剩余物會(huì)減少生態(tài)系統(tǒng)對(duì)有效氮的固定,植物吸收土壤中的有效氮然后固定在其體內(nèi),從而影響土壤有效氮水平,植物生長(zhǎng)量越大這種影響就越明顯。大量的采伐剩余物有利于林地的水土保持和土壤養(yǎng)分循環(huán),火燒會(huì)造成水土流失和養(yǎng)分損失,不利于杉木后期生長(zhǎng)和林地長(zhǎng)期生產(chǎn)力的維持。為了實(shí)現(xiàn)杉木人工林的固碳可持續(xù)性,建議在生產(chǎn)實(shí)踐中盡量保留采伐剩余物。本研究只是討論了采伐剩余物處理方式一種情景,在生產(chǎn)實(shí)踐中,杉木人工林的經(jīng)營(yíng)管理存在多情景交互作用(如杉闊混交、林農(nóng)間作、氮沉降作用等),這些科學(xué)問(wèn)題有待今后深入研究。

致謝:本研究在FORECAST模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證方面得到了西班牙納瓦拉國(guó)立大學(xué)Blanco J A博士的幫助,在野外調(diào)查工作方面得到了江西農(nóng)業(yè)大學(xué)劉苑秋教授、歐陽(yáng)勛志教授及其研究生的幫助,在此表示感謝。

[1] 王偉峰,段玉璽,張立欣,等.適應(yīng)全球氣候變化的森林固碳計(jì)量方法評(píng)述[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,40(3):170-176.

[2] 魏曉華,鄭吉,劉國(guó)華,等.人工林碳匯潛力新概念及應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(12),3881-3885.

[3] Wang W F, Wei X H, Liao W M, et al. Evaluation of the effects of forest management strategies on carbon sequestration in evergreen broad-leaved (Phoebebournei) plantation forests using FORECAST ecosystem model[J]. Forest Ecology and Management, 2013,300,21-32.

[4] 吳承禎,洪偉,著.杉木數(shù)量經(jīng)營(yíng)學(xué)引論[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2000.

[5] 盛煒彤,范少輝.杉木及其人工林自身特性對(duì)長(zhǎng)期立地生產(chǎn)力的影響[J].林業(yè)科學(xué)研究,2002,15(6):629-636.

[6] 姜丹,何宗明,尹云鋒,等.采伐剩余物管理方式對(duì)人工林土壤黑碳和黑氮的影響[J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào),2014,9(3):68-74.

[7] 李新樂(lè).采伐剩余物處理對(duì)杉木生長(zhǎng)的影響[J].林業(yè)勘察設(shè)計(jì),2011(2):35-38.

[8] Kimmins J P, Blanco J A, Seely B, et al. Complexity in modelling forest ecosystems:How much is enough?[J]. Forest Ecology and Management, 2008,256(10):1646-1658.

[9] Seely B, Welham C, Kimmins J P. Carbon sequestration in a boreal forest ecosystem:results from the ecosystem simulation model, FORECAST[J]. Forest Ecology and Management, 2002,169(1-2):123-135.

[10] Kimmins J P, Mailly D, Seely B. Modelling forest ecosystem net primary production:the hybrid simulation approach used in FORECAST[J]. Ecological Modelling, 1999,122(3):195-224.

[11] 接程月,辛贊紅,信曉穎,等. FORECAST模型的原理、方法和應(yīng)用[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào),2009,26(6):909-915.

[12] 田曉,胡靖宇,劉苑秋,等.森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)的新模式:FORECAST模型[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2010,35(6):18-22.

[13] Bi J, Blanco J A, Kimmins J P, et al. Yield decline in Chinese fir plantations:a simulation investigation with implications for model complexity[J]. Canadian Journal of Forest Research, 2007,37(9):1615-1630.

[14] 田大倫,康文星,文仕知,等.杉木林生態(tài)系統(tǒng)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[15] 田大倫.中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)與研究數(shù)據(jù)集:湖南會(huì)同杉木林站(1982—2009)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2011.

[16] 盛煒彤,范少輝.杉木人工林長(zhǎng)期生產(chǎn)力保持機(jī)制研究[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[17] Blanco J A, Seely B, Welham C, et al. Testing the performance of a forest ecosystem model(FORECAST)against29years of field data in aPseudotsugamenziesiiplantation[J]. Canadian Journal of Forest Research, 2007,37(10):1808-1820.

[18] Wei X H, Blanco J A. Significant Increase in Ecosystem C Can Be Achieved with Sustainable Forest Management in Subtropical Plantation Forests[J]. Plos One, 2014,9(2):e89688. doi:10.1371/journal. pone.0089688.

[19] 俞元春.杉木林土壤肥力變化和長(zhǎng)期生產(chǎn)力維持研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),1999.

[20] 仲應(yīng)喜.采伐剩余物管理方式對(duì)二代杉木幼林生產(chǎn)力的影響[D].福州:福建農(nóng)林大學(xué),2005.

[21] 楊靖宇.采伐剩余物處理方式對(duì)15年生杉木林碳、氮影響的研究[D].福州:福建農(nóng)林大學(xué),2012.

[22] 曹永康.不同采伐剩余物處理方式對(duì)二代杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響[D].福州:福建農(nóng)林大學(xué),2008.

[23] 胡振宏,何宗明,范少輝,等.采伐剩余物管理措施對(duì)二代杉木人工林土壤全碳、全氮含量的長(zhǎng)期效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(13):4205-4213.

[24] 王榮偉.不同營(yíng)林措施對(duì)杉木人工林生長(zhǎng)及土壤肥力的影響[D].福州:福建農(nóng)林大學(xué),2012.

[25] 郭劍芬.皆伐火燒對(duì)杉木林和栲樹(shù)林碳、氮?jiǎng)討B(tài)的影響[D].福建廈門:廈門大學(xué),2006.

[26] 王偉峰.杉木及其混交林碳儲(chǔ)特征與森林經(jīng)營(yíng)長(zhǎng)期影響的模擬研究[D].南昌:江西農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

Long-term Effects of Logging Residue Treatment on Carbon Sequestration in Chinese Fir Plantation

WANG Weifeng1, WEI Xiaohua2, DUAN Yuxi1, WANG Bo1, ZHANG Lixin1, LI Xiaojing1

(1.InnerMongoliaAcademyofForestryScience,Hohhot010010,China; 2.UniversityofBritishColumbia,OkanaganCampus,Kelowna,BritishColumbiaV1V1V7,Canada)

Under the background of global climate change, adaptive management of plantation has the important influence on the promotion of carbon sequestration potential. Using FORECAST ecosystem management model developed by University of British Columbia, Canada, through field investigation, collecting Chinese fir relevant literature resources under different site conditions. The data include biomass accumulation, stand density, light response curve and soil nutrient, we calibrate and test model, and simulate different logging residue treatment effects of Chinese fir plantation on carbon sequestration. The results showed that SO treatment (cutting stem, logging residue in forest land) of Chinese fir carbon sequestration long-term effect is the best, followed by FR treatment second part (cutting stem, cleaning the ground logging residue), but WH (cutting full tree, remove all logging residue) and SB (after cutting, burning logging residue) carbon sequestration effects are the worst. This study can provide theoretical basis for sustainable management of Chinese fir plantation.

logging residue; FORECAST model; carbon sequestration; Chinese fir plantation

2015-11-15

2015-12-23

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015BS0323)

王偉峰(1985—),男,內(nèi)蒙古烏蘭察布市人,博士,研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能。E-mail:wang.wf1985@163.com

S718.55+6

A

1005-3409(2016)06-0198-06