曾 霞，張 勰，廖德志，唐 潔，楊 艷，黎 蕾，李永進，曾夢雪，吉悅娜，劉 珉，趙 文，易平英，陽 濤，徐建軍

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙410004；2.國家林業(yè)和草原局發(fā)展研究中心，北京100714；3.攸縣林業(yè)局，湖南 攸縣412300；4.攸縣黃豐橋國有林場，湖南 攸縣412300；5.資興市滁口國有林場，湖南 資興423407)

隨著全球CO2排放量不斷增加，溫室效應(yīng)日趨加劇，“碳達(dá)峰”和“碳中和”的提出進一步凸顯了森林生態(tài)系統(tǒng)在維持碳平衡中不可或缺的作用。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，存儲著70%以上的陸地植被碳，每年固碳量占陸地生物總固碳量近70%，在維持全球碳平衡及緩解全球氣候變暖中具有不可替代的作用[1-7]。隨著人們對森林碳匯的認(rèn)識不斷加深，森林碳匯功能的研究也日趨受到各界專家學(xué)者的重視，不同尺度的森林碳儲量、碳分配格局以及森林固碳潛能等方面的研究也在逐年增加[8-10]。相關(guān)研究表明，因地制宜、因林施策，對森林開展適宜的經(jīng)營措施，不僅可增加土壤碳輸入，同時還能夠通過提升森林生產(chǎn)力來增強森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力[11-12]。近自然經(jīng)營能夠通過調(diào)整林分結(jié)構(gòu)助力喬木及土壤、地被物碳的積累[13]；撫育后 3 年內(nèi)的森林各庫碳儲量與間伐強度存在密切的相關(guān)性[14]。隨著人工林面積的逐年增加，人工林在森林碳匯系統(tǒng)中扮演了舉足輕重的角色。中國地域遼闊，其人工林面積接近全球人工林總量的一半，是北半球極重要的生物碳庫，也是中國植被碳匯的重要載體[15-16]。

杉木(Cunninghamialanceolata)作為中國南方主要速生用材林樹種，在中國亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，其人工林面積已達(dá)7.68×106hm2，占中國南方人工林面積的60%～80%，是中國森林碳匯重要組成部分[17]，因此，開展杉木人工林碳儲量研究十分必要。目前，杉木人工林的有關(guān)研究多側(cè)重于林木生長[18-21]、林地土壤理化性質(zhì)及微生物[22-25]、生物多樣性[26-29]等方面的研究。而關(guān)于杉木人工林不同經(jīng)營模式的碳儲量研究較少，特別是林木各性狀區(qū)域性差別較大的前提下，開展杉木人工林區(qū)域性碳儲量的研究對指導(dǎo)當(dāng)?shù)厣痔紖R研究具有十分重要的意義。本研究通過對湖南省株洲市攸縣黃豐橋國有林場杉木人工林的實地調(diào)查與監(jiān)測，以自然演替、近自然經(jīng)營和間伐集約經(jīng)營3種經(jīng)營模式來分析杉木人工林喬木層碳儲量的差異，探索提高杉木人工林固碳潛力的林木經(jīng)營模式，為優(yōu)化杉木人工林經(jīng)營管理措施，提高杉木人工林固碳能力提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

攸縣黃豐橋林場位于湖南省株洲市，呈帶狀跨攸縣東西部，地理坐標(biāo)為113°43′01″—113°50′19″E，27°70′01″—27°14′52″N，地貌以中低山為主，境內(nèi)最高海拔1 270 m，最低海拔115 m[30]。林場地處中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫17.8 ℃，極端最低溫度-11.9 ℃，極端最高溫度40 ℃，年平均無霜期為292 d，年平均日照時間為1 612 h，太陽輻射量年平均449.05 kJ·m-2，年平均降水量1 410.8 mm，適宜林木生長，是湖南省重點速生豐產(chǎn)林基地[31-32]。

林場內(nèi)森林資源豐富，物種繁多，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良?，F(xiàn)有林地總面積10 122.6 hm2，森林覆蓋率為86.24%?，F(xiàn)有木本植物430余種，樹種主要以杉木、松類以及常綠闊葉樹種為主，其中杉木面積3197.6hm2，占用材林面積的89.9%，蓄積量593738m3，占用材林的96.56%。林場內(nèi)還有南方紅豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)、銀杏(Ginkgobiloba)、馬褂木(Liriodendronchinense)、閩楠(Phoebebournei)等國家級珍稀瀕危樹種10余種[33]。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

林場內(nèi)選擇初始密度相同且立地一致的中齡林杉木人工林(見表1)，分別采取了自然演替(模式1)、近自然經(jīng)營(模式2)和間伐及集約經(jīng)營(模式3)3種經(jīng)營模式對杉木人工林進行間伐和結(jié)構(gòu)調(diào)整，待各種模式持續(xù)經(jīng)營5 a以上且林分結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定后，通過野外線路踏查，根據(jù)不同經(jīng)營措施分別設(shè)置大小為20 m×30 m的樣地，每個樣地設(shè)3個重復(fù)。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic information of the sample plots經(jīng)營模式樣地設(shè)置時間林齡/a林分經(jīng)營時間林分經(jīng)營后密度/(株·667 m-2)具體經(jīng)營措施模式12019年252016年145自然演替模式22019年252016年40斬除藤灌草、確定目標(biāo)樹、測土配方施肥、逐步伐除和移植干擾樹、林下補植楠木和紅豆杉模式32019年252016年50良種壯苗上山、適地適樹造林,林下栽植魔芋

2.2 調(diào)查及采樣方法

2019—2022年，連續(xù)3 a對各個樣地林分進行每木檢尺調(diào)查，分別記錄樣地內(nèi)的各個樹木的樹種、樹高、胸徑等。在標(biāo)準(zhǔn)地中沿“S”型，活體采樣，隨機取5棵杉木平均木的枝、葉、皮，用生長錐取樹干及樹根，將5棵平均木的干、皮、枝、葉、根分類混合均勻，帶回試驗室用于測定各組織部位的含碳量。

2.3 含碳量的測定

將帶回的樣品置于烘箱進行干燥，之后將烘干后的各組織分別粉碎、過篩，采用 “重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法”測算含碳率[34]。

2.4 數(shù)據(jù)整理與估算

2.4.1 喬木層生物量估算

利用各器官生物量方程和樣地內(nèi)每木胸徑、樹高數(shù)據(jù)，求得每木的樹干、樹皮、枝、葉、根生物量，將樣地內(nèi)每木相同器官生物量相加，得到樣地內(nèi)各器官生物量，計算得到單位面積樹干、樹皮、枝、葉、根的器官生物量和喬木層生物量。

各器官生物量(W，kg)估算方程[35]：

W樹干=0.026 5D2h0.875 6(R2=0.98)

(1)

W樹皮=0.003 7D2h0.873 1(R2=0.98)

(2)

W枝=0.003 9D2h0.874 3(R2=0.98)

(3)

W葉=0.002 1D2h0.884 3(R2=0.98)

(4)

W根=0.009 3D2h0.874 1(R2=0.98)

(5)

2.4.2 喬木層含碳量計算

根據(jù)所測定的杉木各組織的含碳率與不同杉木組織生物量乘積，計算杉木人工林喬木層各組織含碳量，統(tǒng)計不同經(jīng)營措施林分喬木層的碳儲量。

含碳量=杉木各組織的含碳率×

不同杉木組織生物量

(6)

2.5 數(shù)據(jù)整理與分析

利用Excel 2010整理數(shù)據(jù)、作圖，運用SPSS 18.0對各測定指標(biāo)進行方差分析和多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分生長特征分析

根據(jù)不同經(jīng)營模式胸徑、樹高以及蓄積量分析(見表2)，可以看出隨著林分密度的減小，林分胸徑、樹高及蓄積量與經(jīng)營模式1相比均呈現(xiàn)增加的趨勢。間伐有效調(diào)整了林分密度與結(jié)構(gòu)，各經(jīng)營模式中杉木胸徑增幅在0.35～0.50 cm之間，模式2和模式3樣地中杉木胸徑均高于模式1，分別達(dá)到模式1的1.5倍和1.4倍以上；各模式間胸徑年增長量也存在一定的差異，特別是模式2，胸徑增長量是模式1的1.28倍。各經(jīng)營模式中杉木的樹高也隨著林分密度的調(diào)整，均有所增加，但增長不明顯，各樣地樹高年生長量的增幅在0.1～0.3 m之間，其中樹高增長最大的為模式2中的杉木，林分年平均增長量達(dá)到了0.3 m。采取經(jīng)營措施的樣地林分蓄積量及蓄積量增長量均高于模式1，其中模式3蓄積量及其增長量最大，與模式1相比分別高出111.33m3·hm-2和10.35 m3·hm-2。

表2 不同經(jīng)營措施林分生長特征分析Tab.2 Analysis of stand growth characteristics under different management measures經(jīng)營模式胸徑/cm樹高/m蓄積量/(m3·hm-2)平均值年增長量平均值年增長量平均值年增長量模式117.31±3.61 B0.39±0.22 b14.3±1.97 b0.1±0.20 a222.57±12.37 Bc8.7±0.65 Bc模式227.66±1.46 Aa0.5±0.09 a17.9±0.18 ac0.3±0.69 a273.86±21.55 b14.17±3.56 b模式324.28±4.21 b0.35±0.32 b18.6±1.64 a0.28±0.29 a333.9±5.23 Aa19.05±2.12 Aa 注:同一列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01);不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2 喬木層生物量變化特征

由圖1可以看出，杉木林的樹干生物量占喬木層生物量的 58.3%，顯著高于其他各器官占喬木層生物量的比例，表現(xiàn)為樹干>根>枝>樹皮>葉。各監(jiān)測點的杉木各器官占喬木層生物量的比例差異較小，除枝外，各器官生物量占喬木層生物量的比例均與林木蓄積量具有相似的變化趨勢。與模式1相比，模式2及模式3均有增加的趨勢。

圖1 不同經(jīng)營模式喬木層各器官的生物量占比Fig.1 Biomass of organs in the arbor layer under different business models

3.3 林分喬木層碳儲量分析

通過對喬木層各器官碳儲量分析可知(見表3)，樹干碳密度在3個經(jīng)營模式的各器官碳密度中均為最大，從大到小依次為模式3(74.34 t·hm-2)>模式2(61.26 t·hm-2)>模式1(49.38 t·hm-2)；各經(jīng)營模式的根碳密度位居第二，從大到小依次為模式3(26.74 t·hm-2)>模式2(22.04 t·hm-2)>模式1(17.77 t·hm-2)；樹枝碳密度在3個經(jīng)營模式中僅次于根碳密度，從大到小依次為模式3(11.22 t·hm-2)>模式2(9.25 t·hm-2)>模式1(7.46 t·hm-2)；樹皮碳密度在3個經(jīng)營模式中均較低，從大到小依次為模式3(10.47 t·hm-2)>模式2(8.63 t·hm-2)>模式1(6.96 t·hm-2)；葉的碳密度在3個經(jīng)營模式中均為最小，從大到小依次為模式3(6.40 t·hm-2)>模式2(5.27 t·hm-2)>模式1(4.24 t·hm-2)。綜合以上得出，在3個經(jīng)營模式中，每1 hm2林分喬木層碳儲量從大到小依次為模式3>模式2>模式1。

表3 喬木層各器官碳儲量Tab.3 Carbon storage of various organs in the arbor layer器官模式1模式2模式3碳含量/(g·kg-1)碳密度/(t·hm-2)碳含量/(g·kg-1)碳密度/(t·hm-2)碳含量/(g·kg-1)碳密度/(t·hm-2)樹干458.70±2.75 Bc49.38±3.45 Bc473.87±2.15 ABb61.26±5.25 ABb494.01±0.22 Aa74.34±5.88 Aa樹皮466.14±3.54 Bc6.96±1.38 c481.58±1.42 ABb8.63±1.35 b501.97±1.48 Aa10.47±1.55 a枝470.49±2.85 Bc7.46±0.89 c488.02±1.47 ABb9.25±2.20 b508.56±2.72 Aa11.22±1.26 a葉485.64±4.18 Bc4.24±1.35 a501.67±1.39 ABb5.27±1.02 a523.21±0.82 Aa6.40±2.01 a根472.23±3.06 Bc17.77±5.00 b487.91±1.42 ABb22.04±6.01 a508.56±5.01 Aa26.74±5.32 a碳儲量/(t·hm-2)85.81±8.17 Bc106.45±15.28 ABb129.17±19.35 Aa 注:不同大寫字母表示不同模式的碳含量之間差異極顯著(P<0.01);不同小寫字母表示不同模式的碳含量之間和碳密度之間差異顯著(P<0.05)。

4 結(jié)論與討論

通過比較分析3種不同經(jīng)營模式的杉木人工林生長情況以及喬木層碳儲量，可以得出，林分密度是影響林木生長及森林碳儲備的一個關(guān)鍵因子。自然演替(模式1)由于林內(nèi)光照及通風(fēng)條件較差，阻礙林木光合作用，嚴(yán)重影響林分養(yǎng)分的利用及碳的積累，因此，其林分林木平均胸徑、樹高及蓄積量均最低，依次分別為17.31 cm、14.3 m和222.57 m3·hm-2。近自然經(jīng)營(模式2)和集約經(jīng)營(模式3)的平均胸徑、樹高及蓄積量均較高，且差異不顯著。具體原因可能是通過科學(xué)合理的間伐及林分結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加了林內(nèi)光照，提升了林內(nèi)的氣溫和地表溫度，改善了林內(nèi)小環(huán)境，激發(fā)了土壤酶活性，增加了土壤微生物多樣性，促進了林下枯枝落葉的分解，為林木生長提供了光、熱、養(yǎng)分等優(yōu)良小環(huán)境，加快了林木干物質(zhì)積累，進而提高林分質(zhì)量及蓄積量。

林木碳儲量是植物各器官組織存儲的碳量，林分生長情況直接影響林木各器官的碳儲量。由于林分中林木的生物量又受林分密度及林木單株生物量的影響，所以林木碳儲量就間接的與林分密度有著不可分隔的聯(lián)系。不同經(jīng)營模式由于林分密度存在差異，林分喬木層各器官生物量也呈現(xiàn)出較大差異，主要表現(xiàn)為：樹干>根>枝>樹皮>葉。3種不同經(jīng)營模式間喬木層林木生物量最大的為集約經(jīng)營(模式3)，其次為近自然經(jīng)營(模式2)，林分生物量最小的經(jīng)營模式是自然演替(模式1)。不同經(jīng)營模式碳儲量因林木生物量不同也呈現(xiàn)出較大差異，其中喬木層碳儲量最大的經(jīng)營模式是集約經(jīng)營(模式3)，喬木層總碳儲量為129.17t·hm-2，其次是近自然經(jīng)營(模式2)(106.45 t·hm-2)，自然演替(模式1)的喬木層總碳儲量最小，僅為85.81 t·hm-2。各經(jīng)營模式林木器官組織碳儲量分布格局相同且和生物量分布格局具有相似性，同樣表現(xiàn)為樹干>根>枝>樹皮>葉，表明合理的林分密度及穩(wěn)定的林分結(jié)構(gòu)能夠有效增加林木生物量的積累，進而提升林分碳儲量，該結(jié)論與王有良等[14]、游偉斌等[36]研究結(jié)果具有一致性。因此，不同經(jīng)營模式的喬木層的碳儲量，可能受具體的林分種類及結(jié)構(gòu)、經(jīng)營措施等多種因素的共同影響，欲探明其相互間的影響機制，還需進行長期的跟蹤監(jiān)測。