謝建文

(福建農(nóng)林大學西芹教學林場，福建 南平 353001)

森林生態(tài)系統(tǒng)能量現(xiàn)存量能夠反映森林群落對太陽能利用率的高低，是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)結構及功能的重要指標之一[1-2]，研究森林生態(tài)系統(tǒng)能量現(xiàn)存量對提高森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力具有重要的理論借鑒意義.近年來，隨著人類經(jīng)濟活動的增加，天然林面積日益縮小，人工林面積日益擴大.在全球氣候變化的背景下，提高人工林生產(chǎn)力，可以在滿足木材市場需求的同時，提高人工林在應對全球氣候變化中的作用與地位，已成為目前生態(tài)學家及林學家密切關注的重點問題[3].

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)是我國種植面積最大、蓄積量最高的人工喬木用材速生樹種.第八次全國森林資源清查結果顯示，我國的杉木人工林面積達895萬hm2，蓄積量達6.25億m3.由于杉木人工林面積大、生長快、單產(chǎn)高、碳匯功能強大，在我國乃至世界減少溫室氣體和應對全球氣候變暖中都將扮演極其重要的角色[4].以往學者[5-8]對杉木人工林能量現(xiàn)存量的研究較少，主要集中在杉闊混交林生態(tài)系統(tǒng)杉木細根能量動態(tài)方面，而針對不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)能量現(xiàn)存量及其結構的研究尚未見報道.有鑒于此，本文以不同密度杉木人工林為試驗林分，在調(diào)查林分地上部分及地下部分生物量的基礎上[9]，測定林分地上部分及地下部分各組分熱值，換算成能量現(xiàn)存量，研究不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)能量現(xiàn)存量及其結構，研究結果可為探明杉木林各組分能量現(xiàn)存量分布及提高杉木林生產(chǎn)力提供理論依據(jù).

1 試驗林概況

試驗地位于福建農(nóng)林大學莘口教學林場(26°10′N，117°27′E).該地屬中亞熱帶季風性氣候，年降水量1 689.0 mm，年蒸發(fā)量1 625.0 mm，年日照時間1 842 h，年平均氣溫19.2 ℃，無霜期305 d.試驗地海拔350 m，坡度23°～28°，土壤為山地紅壤，土層深度在100 cm以上.

試驗林建于2007年2月.試驗采用完全隨機區(qū)組設計，共設3個隨機區(qū)組，每個區(qū)組3個處理.造林密度分別為1 800、3 000及4 500株/hm2，株行距分別為2.0 m×2.7 m、2.0 m×1.6 m、2.0 m×1.1 m；同一區(qū)組坡向、坡位等立地條件均一致，每種造林密度3個重復，面積為667 m2.試驗林前身為第一代杉木人工林，種苗來源于第2代種子園的1 a生實生苗.栽植當年的6月、10月分別撫育1次并補植，補植采用容器苗；造林第2年及第3年10月各撫育1次.2019年5月進行調(diào)查，結果顯示：1 800株/hm2杉木人工林平均胸徑為(13.95±3.79)cm，平均樹高為(11.95±1.88)m；3 000株/hm2杉木人工林平均胸徑為(13.66±2.16)cm，平均樹高為(12.24±2.24)m；4 500株/hm2杉木人工林平均胸徑為(12.34±3.62)cm，平均樹高為(12.95±1.93)m.

2 研究方法

2.1 樣地設置及平均木挑選

2019年5月，在每個區(qū)組內(nèi)各處理分別設置1個20 m×20 m標準地.測定標準地內(nèi)的杉木胸徑、樹高及枝下高，計算樣地平均木的平均胸徑、平均樹高及平均枝下高等；依據(jù)平均木各指標值在樣地四周挑選出1株與平均木生長最接近的單株作為平均木，每種造林密度選3株.

2.2 生物量調(diào)查及取樣

先按2 m區(qū)分段分別取平均木樹干宿留枯死枝，稱樣并計算不同區(qū)分段的質(zhì)量比.用油鋸貼地表伐倒平均木后，樹干按2 m區(qū)分段、樹枝按輪數(shù)分別稱重，計算不同區(qū)分段及輪數(shù)的質(zhì)量比.依據(jù)宿留枯死枝、樹干及樹枝質(zhì)量比分別取對應樣品并混合帶回實驗室待測.取平均木半徑1.5 m范圍內(nèi)的所有根系，帶回實驗室用游標卡尺測量徑級，參考文獻[10]的方法進行分級.在每個標準地隨機設置5個1 m×1 m小樣方，分別取林下植被及凋落物層樣品，稱重后帶回實驗室待測.

2.3 樣品處理及測定

將帶回的樹干、樹枝、宿留枯死枝、根、林下植被及凋落物層樣品置于105 ℃烘干箱中殺青1 h后置于75 ℃烘干箱恒溫烘至恒重.烘干后的樣品用研磨機粉碎后過0.149 mm篩.稱取每株平均木樣品1.000 0 g置于擦鏡紙上，包樣后放入裝有點火絲的坩堝并置于氧彈內(nèi)，放入高精度微機全自動量熱儀(ZDHW-8000A)內(nèi)測定植物熱值，依據(jù)生物量換算成各組分能量現(xiàn)存量.

2.4 數(shù)據(jù)處理

應用 Microsoft Excel 2010 軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 22.0軟件對不同林分密度杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分能量現(xiàn)存量差異進行顯著性分析.

3 結果與分析

3.1 杉木各器官能量現(xiàn)存量及分配

不同密度杉木人工林地上部分各器官能量現(xiàn)存量及分配見表1.由表1可見：不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)地上部分杉木各器官能量現(xiàn)存量呈現(xiàn)不同的變化趨勢.1 800及3 000株/hm2密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)地上部分杉木各器官能量現(xiàn)存量表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹皮>宿留枯死枝，而4 500株/hm2密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)地上部分杉木各器官能量現(xiàn)存量表現(xiàn)為樹干>樹皮>宿留枯死枝>樹枝.隨著密度的增加，杉木林樹干、樹皮及宿留枯死枝能量現(xiàn)存量呈逐漸增加趨勢，而樹枝能量現(xiàn)存量則表現(xiàn)為3 000株/hm2>1 800株/hm2>4 500株/hm2.4 500株/hm2的樹干能量現(xiàn)存量與1 800及3 000株/hm2相比分別增加了96.97%及37.18%，樹皮能量現(xiàn)存量分別增加了120.88%及48.69%，宿留枯死枝能量現(xiàn)存量分別增加了595.11%及75.32%.

從分配率上看，隨著密度的增加，杉木林生態(tài)系統(tǒng)樹皮及宿留枯死枝能量現(xiàn)存量分配率呈升高趨勢，樹枝呈下降趨勢；樹干能量現(xiàn)存量分配率表現(xiàn)為4 500株/hm2>1 800株/hm2>3 000株/hm2.顯著性分析結果表明，不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)樹干、樹枝、樹皮及宿留枯死枝能量現(xiàn)存量差異均達到極顯著水平(P<0.01).

表1 不同密度杉木人工林地上部分各器官能量現(xiàn)存量及分配Tab.1 Above-ground organs energy storage and its distribution in different densities of Chinese fir plantations

3.2 不同徑級根能量現(xiàn)存量及分配

不同密度杉木人工林根能量現(xiàn)存量及分配見表2.由表2可知：不同密度對杉木林生態(tài)系統(tǒng)不同徑級根能量現(xiàn)存量及分配具有不同影響.不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)不同徑級根能量現(xiàn)存量及分配率均表現(xiàn)為粗根>大根>中根>小根>細根.隨著密度的增加，杉木林生態(tài)系統(tǒng)粗根、大根、中根、小根及細根能量現(xiàn)存量呈逐漸上升趨勢；4 500株/hm2的粗根能量現(xiàn)存量與1 800株/hm2及3 000株/hm2相比分別提高61.95%及25.63%，大根則分別提高62.46%及28.71%，細根提高121.06%及46.64%.就分配率而言，隨著密度增加細根能量現(xiàn)存量分配率呈逐漸上升趨勢，而粗根分配率呈逐漸下降趨勢；大根能量現(xiàn)存量分配率表現(xiàn)為1 800株/hm2>4 500株/hm2>3 000株/hm2，中根分配率表現(xiàn)為4 500株/hm2>1800株/hm2>3 000株/hm2，小根分配率表現(xiàn)為3 000株/hm2>1 800株/hm2>4 500株/hm2.顯著性分析結果表明，不同密度杉木林粗根、大根、中根及細根能量現(xiàn)存量差異達極顯著水平，而4 500、3 000株/hm2的小根能量現(xiàn)存量與1 800株/hm2相比差異達極顯著水平.

表2 不同密度杉木人工林根能量現(xiàn)存量及分配Tab.2 Root energy storage and its distribution in different density of Chinese fir plantations

3.3 不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)不同組分能量現(xiàn)存量

不同密度杉木林各組分能量現(xiàn)存量見圖1.由圖1可知：密度為 1800株/hm2的杉木林生態(tài)系統(tǒng)各組分能量現(xiàn)存量表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹根>樹皮>林下植被>宿留枯死枝>凋落物，3 000株/hm2表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹根>樹皮>宿留枯死枝>凋落物>林下植被，4 500株/hm2表現(xiàn)為樹干>樹根>樹皮>宿留枯死枝>樹枝>凋落物>林下植被.隨著密度增加，樹干、樹皮、宿留枯死枝、凋落物等組分能量現(xiàn)存量呈逐漸上升趨勢，而林下植被能量現(xiàn)存量呈逐漸下降趨勢.顯著性分析結果表明，不同密度杉木林各組分能量現(xiàn)存量均達到極顯著差異.

3.4 不同組分能量現(xiàn)存量與密度相關性

杉木人工林各組分能量現(xiàn)存量與林分密度相關性分析結果見表3.由表3可知：杉木林樹干、樹根、宿留枯枝、鮮葉、凋落物能量現(xiàn)存量與密度呈極顯著正相關關系，而林下植被能量現(xiàn)存量與密度呈極顯著負相關關系.樹干與宿留枯枝、樹干與宿留枯葉、樹干與凋落物、樹干與樹根、宿留枯枝與宿留枯葉、宿留枯枝與凋落物、宿留枯枝與樹根、宿留枯葉與凋落物、鮮枝與鮮葉、凋落物與樹根能量現(xiàn)存量呈極顯著正相關關系，樹干與林下植被、宿留枯枝與林下植被、宿留枯葉與林下植被、凋落物與林下植被、樹根與林下植被呈極顯著負相關關系.

表3 杉木人工林各組分能量現(xiàn)存量與林分密度相關性Tab.3 Correlation analysis between components energy storage and stand density of Chinese fir plantation

4 小結與討論

能量現(xiàn)存量是衡量某一生態(tài)系統(tǒng)能量貯存量的指標，也是衡量生態(tài)系統(tǒng)能量、結構和功能的關鍵指標，能夠反映該生態(tài)系統(tǒng)將太陽能轉化為化學能的轉化速率及能力[11].生態(tài)系統(tǒng)的能量現(xiàn)存量以生物量為基礎，受到立地條件、林分密度、林齡等諸多因素的綜合影響[12-13].在一定密度范圍內(nèi)，林分總能量現(xiàn)存量隨密度增大而提高.本研究結果表明，隨著林分密度的提高，林分總能量現(xiàn)存量呈逐漸上升趨勢，這與吳家兵等[14]的研究結果相似.

生態(tài)系統(tǒng)不同組分能量現(xiàn)存量存在較大差異.崔玉濤等[15]對長白落葉松人工林熱值及其能量現(xiàn)存量的研究表明，長白落葉松人工林各器官能量現(xiàn)存量呈現(xiàn)出樹干>樹根>樹皮>樹枝>樹葉的規(guī)律，且地上部分能量現(xiàn)存量遠高于地下部分(地下部分主要集中在粗根).本研究結果表明，不同密度杉木林各組分能量現(xiàn)存量排序不一，密度為1 800株/hm2的杉木林生態(tài)系統(tǒng)各組分能量現(xiàn)存量表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹根>樹皮>林下植被>宿留枯死枝>凋落物，3 000株/hm2表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹根>樹皮>宿留枯死枝>凋落物>林下植被，4 500株/hm2表現(xiàn)為樹干>樹根>樹皮>宿留枯死枝>樹枝>凋落物>林下植被.杉木林樹干、樹根、宿留枯枝、鮮葉、凋落物能量現(xiàn)存量與密度呈極顯著正相關關系，林下植被能量現(xiàn)存量與密度呈極顯著負相關關系.不同密度杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分能量現(xiàn)存量的差異主要與造林密度關系密切.高密度杉木林種內(nèi)競爭強度及林分分化比較劇烈，林內(nèi)光照強度減弱，林分冠幅小，枝下高較高，活枝高較低，林下植被發(fā)育不良[16-17]；除此之外，高密度林分中的個體為獲取更多的地上養(yǎng)分空間及地下養(yǎng)分資源，根系生長及高生長取得的分配資源更多[18]，這就導致高密度林分樹干、樹根、宿留枯死枝、凋落物能量現(xiàn)存量較高，而樹枝及林下植被能量現(xiàn)存量較低.

杉木人工林以產(chǎn)出高質(zhì)量木材為主.本文的研究結果表明，雖然不同密度杉木林樹干能量現(xiàn)存量均最高，但隨著密度增加，樹枝的分配率逐漸降低.樹枝(包括樹葉)是植物光合作用最重要的場所，為保證杉木人工林中后期的生長量，維護杉木人工林的長期生產(chǎn)力，應適當降低經(jīng)營密度，提高杉木人工林質(zhì)量，從而達到杉木人工林速生、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的.此外，本文僅分析了12 a生不同密度杉木林的能量現(xiàn)存量結構，至于該試驗林后期能量現(xiàn)存量的變化還有待于進一步觀測研究.