徐明鋒 蘇永新 龔益廣 王 鋒 張少杰 何春梅

(1. 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東 廣州 510520；2. 廣東珠江口中華白海豚國家級自然保護區(qū)管理局，廣東 珠海 519080；3. 廣東省德慶林場，廣東 德慶 526600）

桉樹是南方重要的造林樹種，具有生長迅速、經營周期短、投資收益快等優(yōu)點，造林面積已逾5×107hm2，有力的促進了林區(qū)經濟發(fā)展[1-3]。桉樹在醫(yī)學、建筑、造紙、燃料等多個方面占有重要地位，受到眾多森林經營者青睞，具有明顯的經濟效益，因此引發(fā)了桉樹的大面積純林種植[4-5]。但桉樹的長期人工純林的種植模式及高頻率輪作，導致了林地地力下降、生態(tài)脆弱、水源涵養(yǎng)功能降低、生物多樣性銳減等生態(tài)問題[6-10]。桉樹混交造林可增加林木種類組成與林地凋落物，優(yōu)化樹種結構、改善土壤環(huán)境、降低病蟲害、提升森林整體質量[11-13]。其中，桉樹與鄉(xiāng)土闊葉樹的混交模式既兼顧了桉樹的短期經濟效益，也發(fā)揮了闊葉樹的長期生態(tài)和經濟效益[14]，是實現(xiàn)桉樹可持續(xù)經營的重要嘗試[15-16]。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫[17]，大氣中90%的CO2與陸地森林生態(tài)系統(tǒng)進行交換[18]。森林碳匯在溫室氣體減排和增加陸地碳匯中發(fā)揮重要作用，是有效評價森林生長狀況、林木質量以及森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標[19-20]。碳密度是森林碳匯功能最常用的評價指標之一[21]，可有效反映單位面積各森林類型的增匯能力。喬木層是森林的主體，喬木層碳密度的變化可為森林碳匯的評估提供有力的數(shù)據(jù)支撐。增加森林面積和蓄積是增匯的有效措施[22-23]，森林蓄積量的增加意味著固定了更多的CO2，緩解了我國的碳排放壓力[24]，有利于碳中和的實現(xiàn)。桉樹高產可有效增加森林蓄積量，進而提高森林碳匯能力。目前，桉闊混交林研究主要集中于林分土壤養(yǎng)分[25]、微生物[26]、凋落物[11]、林分生長[11,27]、物種多樣性[28]等方面，而對桉闊林喬木層碳密度的研究較少。桉闊林喬木層碳密度的研究，有助于摸清桉闊林碳匯能力，科學評估桉闊林的碳匯效益，進一步為桉闊林可持續(xù)經營提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究樣地位于廣東省德慶縣德慶林場富石管 護 區(qū)， 廣 東 省 德 慶 林 場（111°22′～112°06′ E，23°07′～23°25′ N）緊鄰北回歸線，總面積8 753.65 hm2。林場處于南亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫19～22℃，最熱月均溫28.8 ℃，極端最高溫38 ℃，最冷月均溫13.7 ℃，極端低溫-2.2 ℃。年光照充足，時長2 200 h 以上。年降雨量1 513 mm，蒸發(fā)量1 343.4 mm，降雨多集中于4—9 月，春季陰雨綿綿，夏秋常有強臺風降雨，秋末及冬季較干旱，無霜期330 d。地形屬低山高丘，海拔多在200～600 m，坡度在25°～40°之間。土壤成土母巖有泥質頁巖、黑色頁巖、紅色粉砂巖、砂巖、石英巖和花崗巖等。土壤有赤紅壤、山地紅壤和山地黃壤。赤紅壤分布在海拔350 m 以下，母巖分別為泥質頁巖、黑色頁巖和紅色粉砂巖，土壤酸性，表土層多為中壤至重壤，下層為重壤至輕粘[29]。研究區(qū)在2004 年栽植了26.64 hm2的闊葉混交林，栽植樹種有樟樹Cinnamomum camphora、陰香Cinnamomum burmanii、木荷Schima superba、楓香Liquidambar formosana、紅錐Castanopsis hystrix、黧蒴Castanopsis fissa和火力楠Michelia macclurei，在2005 年補植了尾巨桉Eucalyptus urophylla×E.grandis，營 造 桉 闊 復 層 林。2004、2005 年每年進行兩次除草割灌撫育。在2012、2013、2014、2015 和2019 年修枝。

1.2 樣地設置

樣地調查以20 m×20 m 樣方為基本單位進行，按照每個樣方的桉樹密度（eucalyptusdensity,ED）進行劃分，劃分為低、中、高桉樹密度，分別為：ED ≤ 10、11 ＜ ED ≤ 20、20 ＜ ED ≤ 35。低、中、高桉樹密度分別調查9、14、11 個樣方。

1.3 植被調查

植物調查時間在2020 年7—9 月。樣地每木檢尺起測胸徑（Diameter at breast height, DBH）為1 cm，每木檢尺調查的指標有種名、胸徑、樹高、枝下高、冠幅等。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 物種多樣性指標 物種多樣性指數(shù)[30]采用物種豐富度S（Species richness）、香農-維納指數(shù)H′（Shannon-Wiener index）、均勻度指數(shù)E（Pielou index）、優(yōu)勢種指數(shù)D(B-P)（Berger-Parker dominance）：

式中：S為物種數(shù)；Pi為樣方中屬于i種的所有個體在全部個體中的比例。Nmax為樣方內多度最高的物種的個體數(shù)，N為樣方內個體總數(shù)。優(yōu)勢度指數(shù)可用來表征生態(tài)優(yōu)勢度。

1.4.2 碳計量指標 采用“主要樹種二元立木材積表”地方標準[31]，具體公式如下。

桉樹二元立木材積式為：

闊葉樹二元立木材積式為：

式中：V為單株立木材積（m3）；D為胸徑（cm）；H為樹高（m）。

參照 “林業(yè)碳匯項目方法學”中推薦的生物量擴展因子法，具體公式和生物量估算因子如下[32]：

單株生物量為：

單株碳儲量為：

單位碳密度為：

式中：B為單株生物量（t· 株-1）；D為基本木材密度（t·m-3）；BEF 為生物量擴展因子，用于將樹干材積轉化為林木地上生物量，無量綱；R為地下生物量/地上生物量之比，無量綱；C為單株碳儲量（t·株-1）；CF 為生物量中的含碳率；Cp為單位面積碳密度（t·hm-2）；S為單位面積（hm-2）。求得單株立木材積、生物量、碳儲量，再進行求和，可獲得各個樣方和各個徑級的立木材積、生物量和碳儲量，再進一步求得各樣方和各徑級的單位面積碳密度。具體缺省值見表1[32]。

表1 生物量估算因子Table 1 Estimation of biomass factors

物種多樣性指標在軟件Excel 2013 和PCORD 7.0（MjM Software, Gleneden Beach, OR,USA）中進行計算。采用單因素方差分析來研究不同樣方株數(shù)、立木材積、碳儲量、碳密度的差異，對不同處理兩兩之間進行Duncan test 多重比較。碳計量統(tǒng)計描述、碳計量指標在不同桉樹密度林分的差異性分析（單因素方差分析）、碳計量指標的徑級分布圖、碳密度與物種多樣性相關性散點圖、碳密度與林分結構因子相關關系等在Excel 2013 中進行數(shù)據(jù)整理，在Statistica 8.0（Statsoft, Inc. Tulsa, OK, USA）進行統(tǒng)計分析和做圖。

2 結果與分析

2.1 不同桉樹密度下桉闊林碳計量特征

不同桉樹密度林分碳計量特征如表2 所示，從平均值看，低桉樹密度林的株數(shù)最高，立木材積、碳儲量、碳密度均最低；高桉樹密度林的立木材積、碳儲量、碳密度均最高。多重比較結果顯示，不同桉樹密度林分的株數(shù)沒有顯著差異，立木材積、碳儲量、碳密度均有顯著差異。從變異系數(shù)來看，高桉樹密度林的株數(shù)、立木材積、碳儲量、碳密度空間變異較小，中桉樹密度林空間變異較大?？偟膩碚f，隨著桉樹密度增大，立木材積、碳儲量、碳密度也隨著增大。

表2 不同桉樹密度下林分碳計量特征Table 2 Carbon accounting characteristics of stands with different eucalyptus densities

2.2 桉闊林碳計量指標在各徑級的分布

桉闊林株數(shù)、立木材積、碳儲量、碳密度在各個徑級的分布如圖1 所示，株數(shù)最高的徑級是2 cm，在2～8 cm 徑級上株數(shù)較高，隨著徑級的增大，株數(shù)不斷減少。立木材積、碳儲量、碳密度呈現(xiàn)出一致的變化趨勢，數(shù)值最高的徑級是17 cm，隨著徑級從小到大，立木材積、碳儲量、碳密度也隨著增大，到17 cm 徑級達到頂峰，隨后呈下降趨勢。

圖1 桉闊林碳計量指標的徑級分布Figure 1 DBH class distribution of carbon accounting index in eucalyptus-broadleaved forest

不同桉樹密度林分碳密度的徑級分布如圖2所示，在小徑級（1～5 cm），低桉樹密度林碳密度最高，在其他徑級（DBH＞5 cm）則主要是高桉樹密度林碳密度最高，但在徑級20、22、23、26 cm則是中桉樹密度林碳密度最高。中徑級（12 cm ≤DBH ≤22 cm）是林分碳密度的主要貢獻部分，貢獻了總碳密度的66.83%、高桉樹密度林碳密度的71.14%、中桉樹密度林碳密度的65.90%、低桉樹密度林碳密度的59.49%。

圖2 不同桉樹密度林分碳密度的徑級分布Figure 2 DBH class distribution of carbon density in stands with different eucalyptus densities

2.3 物種多樣性對桉闊林碳密度的影響

物種多樣性對桉闊林碳密度的影響如圖3 所示，物種豐富度、香農-維納指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)均與碳密度無顯著相關性。從物種豐富度、香農-維納指數(shù)散點圖中可以看出，物種多樣性高的林分，碳密度也可能較低，碳密度最高的林分，其物種豐富度、香農-維納指數(shù)并不高。從均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)來看，均勻度高的樣方，碳密度不高，優(yōu)勢度高的樣方，碳密度偏低。

圖3 物種多樣性對桉闊林碳密度的影響Figure 3 Effects of species diversity on carbon density of eucalyptus-broadleaved forest

2.4 桉闊林碳密度與林分結構的關系

桉闊林碳密度與林分結構因子的相關性如表3所示，碳密度與林分結構因子關系密切，除了總體株數(shù)、天然植被株數(shù)、其他人工植被平均胸徑、其他人工植被平均胸高斷面積外，碳密度與其他林分結構因子均有顯著、極顯著相關關系。從株數(shù)來看，人工植被和桉樹的株數(shù)與碳密度有較強的相關關系；從平均樹高來看，總體、天然植被、人工植被的平均樹高與碳密度有強的相關關系；從平均胸徑來看，總體、天然植被的平均胸徑與碳密度有較強的相關關系；從平均胸高斷面積來看，總體、天然植被的平均胸高斷面積與碳密度有較強的相關關系；從樣方總胸高斷面積來看，總體、人工植被、桉樹的樣方總胸高斷面積與碳密度有較強的相關關系。

表3 桉闊林碳密度與林分結構因子的相關性Table 3 Correlation between carbon density and stand structure factors in eucalyptus-broadleaved forest

3 結論與討論

桉闊林株數(shù)的徑級分布呈倒“J”型，其中，徑級2～8 cm 范圍的植株株數(shù)最高，說明幼樹、小樹的數(shù)量多，群落總體更新良好[33]。立木材積、碳儲量、碳密度徑級分布呈單峰型，在徑級14～20 cm時3 個指標的值最高，說明中樹是林分立木材積、碳儲量、碳密度的主要組成，群落主要由中樹構成喬木層主體。桉樹的株數(shù)、平均樹高、平均胸徑、平均胸高斷面積、樣方總胸高斷面積均與林分碳密度有顯著正相關關系，說明桉樹對林分增匯有明顯的貢獻。高桉樹密度林碳密度數(shù)值高的原因主要因為其林分中桉樹密度較高。

在侯學會等[34]對廣東省桉樹碳儲量的研究中，桉樹成熟林的碳密度最大，為50.50 t·hm-2，這與本研究桉闊林的碳密度接近，但本研究中除桉樹外其他闊葉樹種還需要一定生長時間才達到成熟狀態(tài)，因此，本研究的桉闊林還有很大的生長潛力。另外，本研究桉闊林碳密度均明顯大于中國的林分碳密度（2018 年為44.30 t·hm-2）[35]、廣東省森林喬木層碳密度（2007 年為23.11 t·hm-2）[36]、廣州市森林喬木層碳密度（2011 年為30.47 t·hm-2）[37]。本研究的桉闊林碳密度明顯大于中國、廣東、廣州的平均林分碳密度，說明桉闊林經營模式對于提高森林碳匯能力具有重要參考價值。

王斌等[38]對鼎湖山亞熱帶常綠闊葉林碳密度研究中，其碳密度為148.71t·hm-2，明顯大于本研究中的桉闊林碳密度（52.03 t·hm-2），這主要因為鼎湖山常綠闊葉林的演替時間較長，已到達演替頂級狀態(tài)，長時間處于較原始狀態(tài)，森林沒有受到砍伐、清除草灌等重大人為干擾，而本研究的林分造林時間僅有16 年，還有很大的碳匯潛力。鼎湖山亞熱帶常綠闊葉林與本研究樣地同位于肇慶市，具有相同的水熱條件，因此在排除重大人為干擾的情況下，極可能有相近或相似的頂級森林群落類型，因此，鼎湖山森林群落的碳匯對本研究具有很高的參考價值。

在營造桉闊混交林時，在一定范圍內提高桉樹密度，可有效的提高林分的增匯能力，本研究中桉樹株數(shù)僅占總體的17.43%，但桉樹碳儲量貢獻了總體碳儲量的47.72%。樟樹、陰香、木荷等人工樹種是總體碳儲量的重要組成，其株數(shù)占總體的18.49%，但碳儲量占總體的33.44%。桉樹的單株碳儲量達0.068 t，其他栽植闊葉樹單株碳儲量達0.045 t，天然更新樹種單株碳儲量為0.007 t，因此，人工栽植樹種的單株碳儲量遠高于天然更新樹種。本文中最高的桉樹密度為每個樣方35株，相當于315 株·hm-2，此桉樹密度偏低，可有一定的提升空間，在下一步研究中可進一步提高桉樹密度來研究林分的增匯能力。