魏永平

(福建省永安國(guó)有林場(chǎng)，福建 永安 365000)

森林生態(tài)系統(tǒng)是地球陸地面積、生物量最大的生態(tài)系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)全球氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙等方面具有不可替代的作用[1]。研究結(jié)果表明，森林貯存了陸地76%～98%的有機(jī)碳[2]。隨著全球氣溫的上升，森林在維持全球碳平衡的地位與作用越來(lái)越受到學(xué)者的密切關(guān)注。

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]是我國(guó)南方最重要的速生用材樹種。據(jù)第八次全國(guó)森林資源清查結(jié)果表明，杉木人工林面積及蓄積皆居全國(guó)喬木用材樹種的首位[3]。提高我國(guó)大面積杉木人工林的碳貯量，對(duì)于增加我國(guó)在全球氣候談判過(guò)程中的話語(yǔ)權(quán)具有重要作用。影響森林碳貯量的因素較多，其中林分密度是重要的影響因素之一[4-5]。據(jù)資料表明，我國(guó)學(xué)者對(duì)杉木人工林碳貯量的研究主要在不同氣候區(qū)、不同林型杉闊混交林以及較低密度的杉木人工林等方面，而針對(duì)不同密度杉木人工林碳貯量的研究較少[6-9]。有鑒于此，本文以不同經(jīng)營(yíng)密度杉木人工林為研究對(duì)象，在測(cè)定不同密度杉木人工林地上部分及地下部分各器官生物量[10]基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測(cè)定杉木人工林地上部分樹干、樹枝、樹皮、宿留枯死枝葉、林下植被、凋落物及地下部分根等各組分的全碳含量，從而計(jì)算出杉木人工林各組分的碳貯量，研究結(jié)果可為定量評(píng)價(jià)杉木人工林的碳匯能力及提高杉木人工林碳吸存能力提供參考。

1 試驗(yàn)林概況

試驗(yàn)地位于福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場(chǎng)小湖工區(qū)半路洋15大班1小班(117°27′E、26°10′N)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量1689.0 mm，年均蒸發(fā)量1625.0 mm，年均氣溫19.2 ℃，全年日照時(shí)間1842 h，無(wú)霜期305 d。試驗(yàn)地海拔350 m，土壤為花崗巖發(fā)育的山地紅壤，土層深度100 cm以上。

采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置3個(gè)處理A1、A2、A3，造林密度分別為1800、3000 、4500株·hm-2，3個(gè)區(qū)組，每個(gè)處理小區(qū)面積400 m2(20 m×20 m)。2007年2月在第1代杉木采伐跡地上采用1年生實(shí)生苗造林。種植當(dāng)年6月、10月分別撫育1次并進(jìn)行補(bǔ)植，造林后第2年、第3年10月各進(jìn)行1次撫育，撫育主要以劈草、松土、扶兜為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及材料取樣

2019年5月，在對(duì)不同造林密度杉木人工林全面踏查的基礎(chǔ)上，對(duì)樣地內(nèi)的杉木進(jìn)行每木調(diào)查，測(cè)量其胸徑、樹高及枝下高。在樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方，收集地上部分林下植被及凋落物并稱重。依據(jù)樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)樣地杉木加權(quán)平均胸徑、加權(quán)平均樹高、加權(quán)平均枝下高等數(shù)據(jù)作為選擇平均木的參考數(shù)據(jù)。為不破壞試驗(yàn)林，在各個(gè)樣地四周選1株與平均木各個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)盡量一致的單株作為平均木，每個(gè)造林密度選出3株平均木，共選出9株。林分生長(zhǎng)情況見表1。

表1 不同密度杉木人工林生長(zhǎng)情況

將各樣地選出的平均木先取宿留枯死枝并稱重后，用油鋸齊地表伐倒后，測(cè)定每隔2 m樹干、樹皮及樹枝生物量并算出其生物量所占比例，并按比例分別取樹干、樹皮及樹枝樣品共3 kg帶回實(shí)驗(yàn)室。以平均木為圓心，半徑1.5 m范圍內(nèi)挖取全部樹根，依據(jù)杉木根系徑級(jí)分級(jí)方法用游標(biāo)卡尺進(jìn)行徑級(jí)分級(jí)，分出細(xì)根(D≤0.2 cm)、小根(0.25 cm)，稱量每一徑級(jí)根鮮重后帶回實(shí)驗(yàn)室[11-12]。

2.2 各組分碳儲(chǔ)量測(cè)定

將各組分樣品置于105 ℃烘箱殺青1 h后，置于75 ℃烘箱烘至恒重后稱重。烘干后樣品用植物研磨機(jī)粉碎后過(guò)0.149 mm篩。稱取每株平均木各組分樣品0.15000 g置于干鍋中放入元素分析儀(Elementar ELVario Max)測(cè)定全碳含量，3次重復(fù)。根據(jù)各組分測(cè)試樣品的全碳含量換算成林分各組分的碳儲(chǔ)量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用 Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。不同密度杉木人工林各組分碳儲(chǔ)量差異采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析、差異性顯著分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同密度杉木人工林杉木各器官碳儲(chǔ)量及其分配

不同密度對(duì)杉木人工林杉木各器官碳儲(chǔ)量及其分配率具有不同的影響(表2)。密度1800、3000 株·hm-2的杉木人工林各器官碳儲(chǔ)量及分配率表現(xiàn)為樹干>枝葉>樹皮>宿留枯死枝葉，而密度4500 株·hm-2的杉木人工林各器官碳儲(chǔ)量及分配率表現(xiàn)為樹干>宿留枯死枝葉>樹皮>枝葉。隨著密度增加，杉木人工林樹干、樹皮及宿留枯死枝葉碳儲(chǔ)量呈逐漸增加趨勢(shì)，而枝葉碳儲(chǔ)量則表現(xiàn)為A2處理>A1處理>A3處理。密度4500 株·hm-2與密度1800、3000株·hm-2相比，樹干及宿留枯死枝葉碳儲(chǔ)量分別增加83.22%、34.28%及472.33%、75.00%。就分配率差異而言，樹皮及宿留枯死枝葉碳儲(chǔ)量分配率表現(xiàn)為隨著密度的增加呈升高趨勢(shì)，枝葉碳儲(chǔ)量分配率則表現(xiàn)為隨著密度的增加而呈下降趨勢(shì)，樹干碳儲(chǔ)量分配率表現(xiàn)為A3處理>A1處理>A2處理。方差分析結(jié)果表明，不同密度杉木人工林的樹干、樹皮及宿留枯死枝葉碳儲(chǔ)量差異達(dá)極顯著水平；而密度1800、4500 株·hm-2與密度3000株·hm-2相比，其枝葉碳儲(chǔ)量差異達(dá)極顯著水平。

表2 不同密度杉木人工林杉木各器官碳儲(chǔ)量及分配

3.2 不同密度杉木人工林不同徑級(jí)根碳儲(chǔ)量及其分配

由表3分析可知，不同密度對(duì)杉木人工林地下部分不同徑級(jí)的根碳儲(chǔ)量及分配率具有不同的影響。同一密度杉木人工林不同徑級(jí)根碳儲(chǔ)量及分配率均表現(xiàn)為粗根>大根>中根>小根>細(xì)根。隨著密度增大，杉木人工林同一徑級(jí)根碳儲(chǔ)量呈上升的趨勢(shì)，其中密度4500 株·hm-2與密度1800、3000 株·hm-2相比，粗根碳儲(chǔ)量分別增加60.53%、35.31%，大根碳儲(chǔ)量分別增加77.27%、38.30%，細(xì)根碳儲(chǔ)量則分別增加100.00%、38.46%。就分配率差異而言，粗根碳儲(chǔ)量分配率表現(xiàn)為A1處理>A2處理>A3處理，大根及細(xì)根碳儲(chǔ)量分配率表現(xiàn)為A3處理>A2處理>A1處理，中根碳儲(chǔ)量分配率表現(xiàn)為A1處理>A3處理>A2處理，而小根碳儲(chǔ)量分配率表現(xiàn)為A2處理>A3處理>A1處理。方差分析結(jié)果表明，不同密度杉木人工林大根碳儲(chǔ)量差異達(dá)極顯著水平，密度4500株·hm-2的粗根、中根、小根及細(xì)根碳儲(chǔ)量與密度1800、3000株·hm-2相比，差異達(dá)極顯著水平，而密度3000株·hm-2的大根、小根及細(xì)根碳儲(chǔ)量與密度1800株·hm-2的相比，差異達(dá)極顯著水平。

表3 不同密度杉木人工林根碳儲(chǔ)量及分配率

圖1 不同密度杉木人工林各組成碳儲(chǔ)量

3.3 不同密度杉木人工林各組分碳儲(chǔ)量

不同密度對(duì)杉木人工林地上部分及地下部分各組分碳儲(chǔ)量具有不同的影響(圖1)。密度1800株·hm-2的杉木人工林各組分碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為喬木層>根系>林下植被層>凋落物層，而密度3000、4500株·hm-2的杉木人工林各組分碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為喬木層>根系>凋落物層>林下植被層。喬木層、根系及凋落物層碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為A3處理>A2處理>A1處理，而林下植被層碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為A1處理>A2處理>A3處理。方差分析結(jié)果表明，不同密度杉木人工林喬木層、根系、林下植被層及凋落物層各組分碳儲(chǔ)量差異均達(dá)到極顯著水平。

3.4 林分密度與杉木人工林各組分碳儲(chǔ)量相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表4)表明，林分密度與樹干、樹根、宿留枯枝、宿留枯葉、凋落物碳儲(chǔ)量呈極顯著正相關(guān)，而與鮮葉碳儲(chǔ)量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表4 杉木人工林林分密度與各組份碳儲(chǔ)量相關(guān)性分析

4 小結(jié)與討論

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地上面積最大、生物量最高的生系系統(tǒng)，它對(duì)全球氣候變化、生物圈的碳循環(huán)及氮循環(huán)等方面都具有舉足輕重的作用[13]。為了滿足木材市場(chǎng)需求，林業(yè)工作者營(yíng)造了大面積的人工林，而這種人工林的發(fā)展模式大都以犧牲天然林為代價(jià)。隨著天然林面積日益萎縮，人工林的碳匯作用越來(lái)越受到科學(xué)家的密切關(guān)注[14]。人工林碳儲(chǔ)量受多種因素的影響，而林分密度是最主要影響因素之一。方晰等[15]、那萌等[16]、劉賢安等[17]對(duì)不同密度的濕地松、水曲柳及華北落葉松人工林的碳儲(chǔ)量研究表明，隨著密度的提高，林分總碳儲(chǔ)量也提高。本研究結(jié)果表明，杉木人工林有機(jī)物質(zhì)碳儲(chǔ)量隨密度增大而呈逐漸上升趨勢(shì)，這與前人研究結(jié)果相一致。隨著密度升高，林下植被碳儲(chǔ)量逐漸降低，而宿留枯死枝、凋落物碳儲(chǔ)量逐漸提高，此結(jié)果與紀(jì)文婧[18]、樊后保等[19]的研究結(jié)果相似。隨著林分密度增大，林分個(gè)體種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，林分自然稀疏現(xiàn)象日益明顯，這就導(dǎo)致了林分個(gè)體冠幅變窄，林分枝下高升高，林內(nèi)凋落物層增多；同時(shí)，隨著林分密度增大，林下光照強(qiáng)度減弱，林地溫度降低，致使林下植被種類及生物量降低及林地凋落物層分解速度減慢，綜合導(dǎo)致出現(xiàn)林下植被碳貯量降低，而凋落物層碳貯量增加的結(jié)果。

人工用材林是以獲取木材作為最終經(jīng)營(yíng)目的的一種林分類型。為緩解全球溫度上升，人工林的碳固定能力越來(lái)越受到重視。在新時(shí)代踐行“綠水青山就是金山銀山”理念的生產(chǎn)實(shí)踐中，構(gòu)建一種新型的人工用材林經(jīng)營(yíng)技術(shù)體系，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的最佳耦合，即人工用材林既能生產(chǎn)較多的高質(zhì)量木材，而且還能最大程度地發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)功能，這應(yīng)是當(dāng)今林業(yè)科技工作者急需解決的技術(shù)[20-22]。本文僅分析了12年生不同密度杉木人工林地上部分及地下部分不同徑級(jí)根的碳儲(chǔ)量，并未涉及土壤及微生物等其它組分的碳貯量。隨著試驗(yàn)林分的生長(zhǎng)，該杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化，有待于今后進(jìn)一步跟蹤測(cè)定。