陳 杰

(福建省南平葫蘆山國有林場(chǎng)，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(jīng)營、大面積皆伐、煉山等不合理的經(jīng)營措施，造成該樹種地力衰退較為嚴(yán)重，表現(xiàn)為土壤理化性質(zhì)惡化，生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能和生產(chǎn)力逐代下降，引起廣大林業(yè)工作者和國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[1-10]。為了探索杉木地力衰退的內(nèi)在機(jī)理，1996年在國際林業(yè)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(chǎng)峽陽分場(chǎng)選擇1片即將采伐的第1代杉木成熟林(29年生)，設(shè)置永久性標(biāo)準(zhǔn)地，研究第1代杉木林采伐后不同采伐剩余物處理方式對(duì)更新的第2代杉木人工林長(zhǎng)期生產(chǎn)力的影響[11-21]。本文對(duì)第1代杉木林采伐剩余物不同處理方式對(duì)第2代12年生杉木林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省南平葫蘆山國有林場(chǎng)峽陽分場(chǎng)(原福建省南平峽陽國有林場(chǎng))黃坑工區(qū)，地處東經(jīng)117°59′、北緯26°48′，海拔約230 m，平均坡度34°，土壤為頁巖發(fā)育的山地紅壤，土層較厚(80 cm以上)，土壤質(zhì)地較粘重，富含有機(jī)質(zhì)，為I、II類地，適宜培育杉木大徑材。試驗(yàn)地所在的南平市延平區(qū)在試驗(yàn)觀測(cè)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

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(jī)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(gè)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地按照5種處理方式外，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地外的所有林地全部按照樹干和樹皮收獲進(jìn)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(dāng)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(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)4個(gè)區(qū)組(重復(fù))，每個(gè)區(qū)組5個(gè)固定標(biāo)準(zhǔn)地，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地面積600 m2，分別對(duì)應(yīng)5種采伐剩余物處理。

2.2 試驗(yàn)施工

于1996年11—12月杉木成熟林采伐后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行采伐剩余物處理。穴狀整地規(guī)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)地150株)。1997年5月施N、P、K復(fù)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(diào)查項(xiàng)目和方法

1996年10月調(diào)查第1代杉木林、造林后第12年測(cè)定第2代杉木林生長(zhǎng)量，包括胸徑、樹高、冠幅等。按照每100 m2選擇1株優(yōu)勢(shì)木的標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地面積為600 m2，選出6株優(yōu)勢(shì)木進(jìn)行測(cè)定。胸徑測(cè)定采用圍徑尺，樹高測(cè)定采用中國人民解放軍第5708工廠(貴州貴陽)生產(chǎn)的鋁合金測(cè)高桿。采用斷面積加權(quán)法測(cè)定各標(biāo)準(zhǔn)地的平均樹高和平均胸徑，采用算術(shù)平均法測(cè)定優(yōu)勢(shì)木平均高，采用杉木二元材積公式[22]：V=0.00005877042D1.9699831H0.89646157計(jì)算杉木單株材積，采用文獻(xiàn)[19]的方法計(jì)算地位指數(shù)。

在每個(gè)區(qū)組標(biāo)準(zhǔn)地外各選擇3株平均標(biāo)準(zhǔn)木，伐倒后測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)木葉、枝、樹干(去皮)、樹皮、樹根生物量，用各標(biāo)準(zhǔn)地單位面積的胸高總斷面積與標(biāo)準(zhǔn)木胸高斷面積總和之比乘以標(biāo)準(zhǔn)木生物量的總和，計(jì)算出單位面積林分生物量。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置5個(gè)2 m×2 m的林下植被小樣方測(cè)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(shù)的方法計(jì)算植物碳儲(chǔ)量[23]。

1996年10月、造林后第12年，采用“之字形”布點(diǎn)方法，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地選擇5個(gè)土壤取樣點(diǎn)，挖掘土壤剖面，測(cè)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(huán)刀采集土壤水分-物理性質(zhì)樣品，用土壤刀采集化學(xué)分析樣品，按照森林土壤分析國家標(biāo)準(zhǔn)介紹的方法處理土壤樣品，測(cè)定土壤容重、孔隙度和土壤含碳量等化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)[24-26]。土壤化學(xué)分析樣品永久儲(chǔ)存，以便今后測(cè)定其他土壤指標(biāo)。采用不同層次土壤碳含量、容重和各層次土層厚度計(jì)算各土層土壤碳儲(chǔ)量。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

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

3 結(jié)果分析

3.1 第1代杉木林生長(zhǎng)量和土壤碳儲(chǔ)量

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

表1 第1代杉木成熟林(29年生)處理前的生長(zhǎng)狀況

*：數(shù)值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，樣本數(shù)=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(chǔ)量

3.2 造林后第12年杉木生長(zhǎng)量和喬木層碳儲(chǔ)量

造林后12 a，各采伐剩余物處理的杉木林生長(zhǎng)狀況見表3，喬木層各器官碳儲(chǔ)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(zhǎng)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(chǔ)量 t·hm-2

從表3和表4可見，12年生第2代杉木林生長(zhǎng)良好，地位指數(shù)不但沒有降低，還略微有上升，其中處理4已進(jìn)入22地位指數(shù)級(jí)。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(yàn)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(yōu)勢(shì)木平均高和地位指數(shù)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(yàn)前相比，處理4、處理3、處理1優(yōu)勢(shì)木平均高和地位指數(shù)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?yàn)椋禾幚?>處理2>處理1>處理3>處理5，與試驗(yàn)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(chǔ)量大小順序?yàn)椋禾幚?(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(jié)果表明，不同采伐剩余物處理對(duì)第2代杉木林各生長(zhǎng)量指標(biāo)、喬木層各器官碳儲(chǔ)量和喬木層總碳儲(chǔ)量無顯著影響(P>0.05)。

盡管不同采伐剩余物處理方式對(duì)第2代杉木林各生長(zhǎng)量指標(biāo)和喬木層碳儲(chǔ)量沒有顯著影響，但從試驗(yàn)前后各處理生長(zhǎng)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(zhǎng)量指標(biāo)都不是最高的，但其第2代12年生杉木林各生長(zhǎng)量指標(biāo)和喬木層碳儲(chǔ)量均為最高；而煉山處理的第1代杉木林各生長(zhǎng)量指標(biāo)都不是最低的，但其第2代12年生杉木林各生長(zhǎng)量指標(biāo)和喬木層碳儲(chǔ)量均為最低；說明采伐后保留采伐剩余物對(duì)林地長(zhǎng)期生產(chǎn)力的維持是有利的，而煉山則不利于長(zhǎng)期生產(chǎn)力的保持。

3.3 造林后第12年土壤碳儲(chǔ)量

土壤碳儲(chǔ)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?yàn)椋禾幚?>處理3>處理4>處理1>處理2，10～20 cm土壤容重排序?yàn)椋禾幚?>處理1>處理2>處理3>處理4，20～40 cm土壤容重排序?yàn)椋禾幚?>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(chǔ)量大小順序?yàn)椋禾幚?(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(yàn)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(chǔ)量的差異均未達(dá)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)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(chǔ)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(yàn)前后土壤容重、碳含量和碳儲(chǔ)量的改變均不顯著(P>0.05)。

盡管各采伐剩余物處理對(duì)第2代杉木林土壤容重、碳含量和碳儲(chǔ)量等指標(biāo)沒有顯著影響，但從試驗(yàn)前后各處理0～40 cm土層土壤碳儲(chǔ)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(chǔ)量。

3.4 造林后第12年杉木林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量

土壤碳儲(chǔ)量在生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，第2代杉木林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量大小順序與土壤碳儲(chǔ)量一致，其排序?yàn)椋禾幚?(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(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別比煉山高14.41%、9.33%、6.29%、4.81%(表7)，但差異均達(dá)不到顯著水平(P>0.05)。

表7 第2代12年生杉木林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量 t·hm-2

4 結(jié)論與討論

在福建南平第1代杉木成熟林中設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)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(duì)連栽的第2代杉木林長(zhǎng)期生產(chǎn)力的影響。研究結(jié)果表明：本試驗(yàn)區(qū)20地位指數(shù)級(jí)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(shù)、土壤碳儲(chǔ)量與第1代相比均未出現(xiàn)明顯下降，保留采伐剩余物較多的處理其喬木層碳儲(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量均較高，但不同處理間差異均不顯著。

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

2)試驗(yàn)后12年生第2代杉木林生長(zhǎng)良好，地位指數(shù)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(jìn)入22地位指數(shù)級(jí)，這可能與試驗(yàn)地土壤肥力較高和第2代杉木林采用良種造林有關(guān)。

3)不同處理12年生第2代杉木林喬木層碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)椋杭颖恫煞ナＳ辔?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(duì)第2代杉木林各生長(zhǎng)量指標(biāo)和喬木層碳儲(chǔ)量沒有顯著影響，但從試驗(yàn)前后各處理生長(zhǎng)量排序的變化看，試驗(yàn)前加倍采伐剩余物處理的第1代杉木各生長(zhǎng)量指標(biāo)都不是最高的，但其第2代12年生杉木林各生長(zhǎng)量指標(biāo)和喬木層碳儲(chǔ)量均為最高；而試驗(yàn)前煉山處理的第1代杉木林各生長(zhǎng)量指標(biāo)都不是最低的，但其第2代12年生杉木林各生長(zhǎng)量指標(biāo)和喬木層碳儲(chǔ)量均為最低；說明采伐后保留采伐剩余物對(duì)林地長(zhǎng)期生產(chǎn)力的維持是有利的，而煉山則不利于長(zhǎng)期生產(chǎn)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(chǔ)量大小順序?yàn)椋杭颖恫煞ナＳ辔?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(yàn)前相比，第2代12年生杉木土壤(0～40 cm)碳儲(chǔ)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(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量中，土壤碳儲(chǔ)量占優(yōu)勢(shì)，且不同處理土壤平均碳儲(chǔ)量的極差(最大值-最小值)為8.26 t·hm-2，小于喬木層碳儲(chǔ)量的極差(13.37 t·hm-2)，說明不同采伐剩余物處理方式對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響小于對(duì)喬木層碳儲(chǔ)量的影響。

5)不同處理第2代12年生杉木林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)椋杭颖恫煞ナＳ辔?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(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別比煉山處理高14.41%、9.33%、6.29%、4.81%，但差異均達(dá)不到顯著水平(P>0.05)。

*：試驗(yàn)得到國際林業(yè)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(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指導(dǎo)，參加本試驗(yàn)的還有范少輝、何宗明、翁賢權(quán)、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(jǐn)此致謝。