廖祥明

(福建省寧化國有林場，福建 寧化 365400)

1 引言

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方地區(qū)最主要的用材林造林樹種之一，其生長快、材質(zhì)好，在木材供給和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮了重要作用。據(jù)第九次全國森林資源清查結(jié)果，杉木人工林面積達(dá)9.90×106hm2，總蓄積量達(dá)7.55×108m3，分別占全國人工喬木林總面積的17.33%和蓄積量的22.30%[1]。杉木也是福建省的主要造林樹種和主產(chǎn)區(qū)之一，在林業(yè)生產(chǎn)中一直占有重要地位。然而，大多數(shù)杉木人工林仍采用純林經(jīng)營模式，尤其是多代連栽，導(dǎo)致杉木地力衰退、生產(chǎn)力降低、穩(wěn)定性下降等問題日益突出[2,3]。研究表明，2代和3代15年生杉木樹高分別比1代杉木下降7%和23%，3代林分比1代林分下降2個(gè)地位指數(shù)[4]。2代杉木林蓄積量比一代下降近28%～40%，3代比1代減少47%～69%[5]。而營造杉木混交林可改善林分結(jié)構(gòu)，顯著提高林分生產(chǎn)力[6]。此外，杉木混交林有利于降低土壤養(yǎng)分損失，提高養(yǎng)分有效性，改善林地土壤質(zhì)量[7]。

近年來，“碳達(dá)峰、碳中和”受到全球廣泛關(guān)注，我國也將其列為政府重點(diǎn)工作之一。森林在全球碳循環(huán)和碳平衡過程中發(fā)揮了重要作用，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫[8]。因此，加強(qiáng)森林經(jīng)營管理，提高森林碳匯功能對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和具有積極意義。以往的研究主要關(guān)注杉木混交林營建技術(shù)、林分生產(chǎn)力和土壤質(zhì)量變化等方面，已開展的一些杉木混交林碳儲(chǔ)量的研究也以新營造的混交林為研究對(duì)象[9,10]，對(duì)二代萌生杉木純林闊葉化改造如何影響生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量尚缺乏系統(tǒng)研究。為此，本文以二代杉木萌生林為研究對(duì)象，伐除部分萌條，引入闊葉樹構(gòu)建杉木闊葉樹混交林，調(diào)查杉木闊葉化改造6年后喬木層、林下植被層、凋落物層和土壤層的碳儲(chǔ)量變化特征，以期為杉木混交林高效培育和碳匯功能提升提供參考。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于福建省寧化國有林場，該場地處閩西北丘陵地帶，現(xiàn)有人工林以杉木和馬尾松(Pinusmassoniana)為主。年平均氣溫15～18 ℃，年降水量1700～1900 mm，無霜期214～246 d，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。山場海拔高度在300～1000 m，土壤以紅壤為主。

2.2 林分調(diào)查

供試杉木林分位于67林班27大班1-2小班，2012年將一代杉木進(jìn)行皆伐作業(yè)，2013年在皆伐后的杉木林內(nèi)補(bǔ)植1年生閩楠(Phoebebournei)、木荷(Schimasuperba)和榿木(Alnuscremastogyne)容器苗改造為杉木闊葉樹混交林，同時(shí)伐除約50%的杉木萌條，以未改造的杉木萌條純林為對(duì)照。每種杉木闊葉樹混交林面積約0.5 hm2，3種杉木闊葉樹混交林和杉木純林保留密度約2000株/hm2。對(duì)所有林分連續(xù)3年進(jìn)行全面劈草和撫育。

2019年10月選擇立地條件基本一致的杉木混交林和純林林分，在每種林分內(nèi)各建立3個(gè)20 m×20 m的樣地，共12個(gè)樣地。對(duì)所有試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的林木進(jìn)行每木檢尺，林木平均樹高和胸徑見表1。在每個(gè)樣地內(nèi)選擇6株平均木(杉木和闊葉樹各3株)，每種處理杉木和闊葉樹各9株，杉木純林9株。采用全挖法測量全株生物量，在野外分段分別測定各組分(葉、枝、干和根)的鮮重，同時(shí)各組分分別取小樣密封后帶回實(shí)驗(yàn)室在70 ℃烘至恒重，測定含水率，換算出各器官干物質(zhì)重量及全株的干生物量，然后根據(jù)樣地林分密度、干生物量和各器官含碳量推算碳儲(chǔ)量。每塊樣地內(nèi)，在樣地對(duì)角線設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方，收獲樣方內(nèi)所有林下植被，稱取鮮重，然后取小樣烘干后測定林下植被生物量。同時(shí)，收集每個(gè)樣方內(nèi)所有凋落物稱量，烘干后計(jì)算凋落物生物量。林下植被和凋落物碳儲(chǔ)量根據(jù)干生物量和含碳量來計(jì)算。在每個(gè)樣地內(nèi)用土鉆(Φ=4 cm)分層(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)隨機(jī)采集5個(gè)樣點(diǎn)的土壤樣品，每個(gè)小區(qū)內(nèi)多點(diǎn)土樣混合后裝入土樣袋并編號(hào)，用于土壤有機(jī)碳含量測定。杉木各組分、林下植被、凋落物和土壤有機(jī)碳含量均采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[11]。

表1 不同林分基本特征

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013和SPSS20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，不同杉木闊葉樹混交林各組分碳儲(chǔ)量的差異采用單因素方差分析進(jìn)行檢驗(yàn)，如果差異顯著進(jìn)一步進(jìn)行Duncan多重比較，顯著性水平設(shè)為0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同杉木闊葉樹混交林喬木層各器官碳儲(chǔ)量

對(duì)不同杉木闊葉樹混交林喬木層各器官碳儲(chǔ)量的分析表明，3種混交林各器官碳儲(chǔ)量的分配模式與杉木純林類似，均為樹根碳儲(chǔ)量>樹干碳儲(chǔ)量>樹枝碳儲(chǔ)量>樹葉碳儲(chǔ)量(表2)。樹干碳儲(chǔ)量以杉木+榿木混交林最高，其次為杉木+木荷混交林和杉木純林，杉木+閩楠混交林樹干碳儲(chǔ)量最低。樹枝碳儲(chǔ)量的變化特征與樹干碳儲(chǔ)量一致。杉木+榿木混交林和杉木純林樹葉碳儲(chǔ)量較高，二者沒有顯著差異(P>0.05)，但均顯著高于杉木+木荷和杉木+閩楠混交林(P<0.05)。樹根碳儲(chǔ)量以杉木純林最高，其次為杉木+榿木和杉木+木荷混交林，杉木+閩楠混交林樹根碳儲(chǔ)量顯著低于其他林分(P<0.05)。杉木+榿木混交林喬木層碳儲(chǔ)量與杉木純林接近，二者沒有顯著差異(P>0.05)，杉木+木荷和杉木+閩楠混交林喬木層碳儲(chǔ)量顯著低于杉木純林(P<0.05)。杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林喬木層碳儲(chǔ)量分別為杉木純林的60.90%、76.41%和99.39%?？梢姡煌瑯浞N混交對(duì)喬木層碳儲(chǔ)量及其各器官分配有顯著影響。

表2 杉木闊葉樹混交林喬木層各器官碳儲(chǔ)量

3.2 不同杉木闊葉樹混交林林下植被碳儲(chǔ)量

林下植被碳儲(chǔ)量以杉木+閩楠混交林最高，其次為杉木純林，杉木+木荷和杉木+榿木混交林林下植被碳儲(chǔ)量較低(圖1)。杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林林下植被碳儲(chǔ)量分別為杉木純林的119.68%、78.13%和48.04%。

圖1 不同杉木闊葉樹混交林林下植被碳儲(chǔ)量特征

3.3 不同杉木闊葉樹混交林凋落物碳儲(chǔ)量

杉木+閩楠和杉木+木荷混交林凋落物碳儲(chǔ)量與杉木純林之間沒有顯著差異(P>0.05)，但杉木+榿木混交林凋落物碳儲(chǔ)量顯著低于杉木純林(P<0.05)(圖2)。杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林凋落物碳儲(chǔ)量分別為杉木純林的86.57%、79.22%和63.37%，表明杉木闊葉化改造一定程度上減少了地表凋落物碳儲(chǔ)量積累。

圖2 不同杉木闊葉樹混交林凋落物碳儲(chǔ)量特征

3.4 不同杉木闊葉樹混交林土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

從圖3可以看出，杉木+木荷和杉木+榿木混交林在0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均顯著高于杉木純林(P<0.05)，而杉木+閩楠混交林與杉木純林之間沒有顯著差異(P>0.05)，40～60 cm土層土壤碳儲(chǔ)量在4種不同林分之間均沒有顯著差異(P>0.05)?？梢姡寄净旖涣謱?duì)0～40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響較大。0～20 cm土層杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別比杉木純林增加了7.41%、17.04%和24.98%，20～40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量比杉木純林增加了5.33%、18.87%和33.97%。就整個(gè)剖面而言，0～60 cm土層杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別比杉木純林增加了4.50%、15.50%和21.99%。

圖3 杉木混交林不同土層土壤碳儲(chǔ)量

3.5 不同杉木闊葉樹混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量

對(duì)不同混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的分析顯示，杉木+木荷和杉木+榿木混交林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量分別比杉木純林增加了6.20%和15.27%，而杉木+閩楠混交林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量比杉木純林減少了4.58%(表3)。杉木混交林和杉木純林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳儲(chǔ)量的分配模式類似，均為土壤層碳儲(chǔ)量>喬木層碳儲(chǔ)量>林下植被層碳儲(chǔ)量>凋落物層碳儲(chǔ)量，其中土壤層碳儲(chǔ)量的比例高達(dá)76.06%～83.30%，林下植被層和凋落物層碳儲(chǔ)量的比例均較低，二者合計(jì)僅為1.29%～3.21%。杉木純林改造為混交林后喬木層碳儲(chǔ)量的比例均不同程度減小，土壤層碳儲(chǔ)量的比例明顯增加，而林下植被層和凋落物層碳儲(chǔ)量的比例變化較小。

表3 杉木混交林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳儲(chǔ)量及其相對(duì)比例

4 結(jié)論與討論

二代杉木萌芽林改造為杉木闊葉樹混交林對(duì)喬木層碳儲(chǔ)量影響與引入樹種生長特性有關(guān)。杉木萌芽林內(nèi)引入速生的榿木并沒有對(duì)喬木層碳儲(chǔ)量產(chǎn)生顯著影響，而引入木荷和閩楠均降低了喬木層碳儲(chǔ)量。這是因?yàn)樯寄久葪l前期生長較快，木荷和閩楠生長較慢，尤其是閩楠樹高僅為杉木萌條的44%。張駿等[12]研究也表明，幼齡杉木混交林喬木層生物量比杉木純林低，中齡和成熟的杉木混交林生物量高于杉木純林。對(duì)中亞熱帶典型杉闊混交林碳儲(chǔ)量的研究發(fā)現(xiàn)，喬木層年均固碳量分別為2.51、3.41和3.69 t/hm2，均高于該地區(qū)的杉木人工純林[13]。然而，明安剛等[14]研究表明，26年生杉木+紅錐混交林喬木層碳儲(chǔ)量低于杉木純林。因此，在營建針闊混交林時(shí)應(yīng)充分考慮不同闊葉樹種特性及其固碳速率，杉木混交林發(fā)育階段的不同也對(duì)林分碳儲(chǔ)量有重要影響。此外，本研究3種杉木混交林和杉木純林喬木層各器官碳儲(chǔ)量均為樹根碳儲(chǔ)量>樹干碳儲(chǔ)量>樹枝碳儲(chǔ)量>樹葉碳儲(chǔ)量。而其他研究表明，杉闊混交林喬木層碳儲(chǔ)量為樹干碳儲(chǔ)量>樹根碳儲(chǔ)量>樹枝碳儲(chǔ)量>樹葉碳儲(chǔ)量[13,14]。這種差異主要是由于本研究杉木為二代萌芽林，根系較大，因而根系碳儲(chǔ)量也最高，可以預(yù)見隨著林齡增加樹干碳儲(chǔ)量的比例將會(huì)逐漸增大。

本研究林下植被層和凋落物層碳儲(chǔ)量的比例較低，這與其他一些研究結(jié)果一致[12,13]。盡管如此，林下植被在維持生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性方面發(fā)揮了重要作用[15]，而凋落物是土壤養(yǎng)分的主要來源[16]。因此，林下植被和凋落物在生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)過程中至關(guān)重要。本研究中杉木+木荷和杉木+榿木混交林在0～40 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于杉木純林，而杉木+閩楠混交林與杉木純林之間沒有顯著差異，這表明杉木萌條與速生樹種混交有利于短期內(nèi)增加林地碳儲(chǔ)量，尤其是與速生落葉樹種榿木混交土壤碳儲(chǔ)量增幅較大。這可能是杉木與落葉樹種混交促進(jìn)凋落物分解，增加土壤有機(jī)物輸入有關(guān)。對(duì)福建省20年生杉木+米老排混交林和杉木純林土壤碳庫研究也表明，混交林0～60cm土層土壤碳儲(chǔ)量在上坡、中坡和下坡分別比杉木純林增加了16.42%、26.59%和19.57%[9]。郭家新等[10]研究也表明，15年生杉木+火力楠混交林0～40 cm土層碳儲(chǔ)量高于杉木純林，40～100 cm土層純林和混交林土壤碳儲(chǔ)量差異較小。而26年生杉木+紅錐混交林0～100 cm土層土壤碳儲(chǔ)量比杉木純林低18.4%。由此可見，不同杉木闊葉樹混交林對(duì)土壤碳儲(chǔ)量影響也具有較大差異。

本研究杉木+木荷和杉木+榿木混交林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量均高于杉木純林，而杉木+閩楠混交林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量略低于杉木純林。唐學(xué)君等[13]研究表明，江西省不同林齡杉木闊葉樹混交林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量是杉木純林的115%～118%，隨著林齡增加，杉木混交林碳儲(chǔ)量逐漸增大。盡管如此，杉木闊葉樹混交林碳儲(chǔ)量也受到混交樹種、混交比例、配置方式、立地條件等因素的影響[17]。本研究僅研究了7年生杉木萌條闊葉樹混交林碳儲(chǔ)量的變化特征，隨著林齡增加，杉木與闊葉樹之間競爭關(guān)系逐漸激烈。因此，開展不同杉木萌條闊葉樹碳儲(chǔ)量的長期定位研究，對(duì)于揭示杉木混交林碳匯功能變化，構(gòu)建高碳匯杉木混交林優(yōu)化模式至關(guān)重要。