皆伐煉山對(duì)華西雨屏區(qū)杉木人工林碳庫(kù)的影響

馬松莉，鄒成坤，蘭立達(dá)，李德文

(1.松潘縣林業(yè)局，四川 松潘 623300;2.旺蒼縣林業(yè)和園林局，四川 旺蒼 628200;3.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都 610081)

中國(guó)是世界上人工林面積最大的國(guó)家，目前人工林面積已達(dá)到0.62×104hm2，占森林總面積的三分之一［1］。杉木(Cunninghamia lanceolata)是我國(guó)亞熱帶地區(qū)特有的用材樹(shù)種，栽培歷史悠久［2］，目前的栽培面積達(dá)835×104hm2。在我國(guó)南方人工林林區(qū)，成熟人工林“皆伐－煉山－再造林”這一過(guò)程被廣泛應(yīng)用，煉山引起的有關(guān)生態(tài)學(xué)問(wèn)題已引起了林業(yè)專家的極大關(guān)注［3］。

人工林生態(tài)系統(tǒng)的C 儲(chǔ)量是陸地生態(tài)系統(tǒng)主要的碳庫(kù)之一，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。皆伐煉山這一人為經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，使采伐剩余物、凋落物及林下植被等大量有機(jī)質(zhì)被燒毀，產(chǎn)生的大量煙會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量和溫室效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響，煉山過(guò)程中的高溫，也使土壤有機(jī)質(zhì)揮發(fā)或細(xì)粒塵埃損失［4］。人工林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中的皆伐煉山措施會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量急劇下降［5］，對(duì)人工林系統(tǒng)土壤碳庫(kù)具有重要的影響［6～10］。Yang 等研究發(fā)現(xiàn)，皆伐火燒后兩天表層(0～10 cm)土壤有機(jī)碳(SOC)儲(chǔ)量下降17%［9］。方晰等研究表明，煉山后林地的碳儲(chǔ)量比未煉山林地的碳儲(chǔ)量低15.20 t·hm－2，相當(dāng)于每hm2損失20.7%的有機(jī)碳量，特別是土壤表層更加明顯［11］?？傮w而言，煉山過(guò)后的土壤有機(jī)C 含量減少，尤其是表層土(0～10 cm)的有機(jī)碳含量［12～14］。

華西雨屏區(qū)為四川盆地西部邊緣獨(dú)特的自然地理區(qū)域。東西寬50 km～70 km，南北長(zhǎng)400 km～450 km，總面積約2.5萬(wàn)km2，是中國(guó)年平均降雨量最大，日照時(shí)間最短的地區(qū)，是分布于我國(guó)比較罕見(jiàn)的氣候地理單元，生物多樣性異常豐富，擁有大量珍稀獨(dú)特的動(dòng)植物。同時(shí)，該區(qū)域的人口密度也相當(dāng)高，認(rèn)為活動(dòng)頻繁，天然植被大面積采伐后營(yíng)造人工杉木、柳杉、水杉和各種桉樹(shù)林。因此，人工林成熟后“皆伐－煉山－再造林”是非常普遍的營(yíng)林模式之一。但該區(qū)域的杉木人工林成熟后的皆伐煉山對(duì)人工林系統(tǒng)C 庫(kù)的影響研究鮮有報(bào)道。本文以位于華西雨屏區(qū)的洪雅林場(chǎng)28 a 生杉木人工林為研究對(duì)象，研究“皆伐煉山”1 d 后的杉木人工系統(tǒng)C庫(kù)動(dòng)態(tài)，以期回答皆伐和煉山對(duì)杉木人工林系統(tǒng)C庫(kù)的影響，為華西雨屏區(qū)的林業(yè)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

洪雅林場(chǎng)隸屬于四川省眉山市洪雅縣，地處四川盆地西南邊緣，邛崍山支脈，峨眉山系大相嶺東北坡的青衣江南岸，其地理坐標(biāo)為102°49'～103°32'E、29°24'～30°00'N，海拔范圍為900 m～3 522 m，區(qū)域年平氣溫為8.0℃，年降雨量可達(dá)到2 400 mm。洪雅林場(chǎng)總面積65 921.1 hm2，其中天然林面積52 673.9 hm2，占有林地的80.9%，人工林面積12 385.0 hm2，占有林地的19.1%。區(qū)域內(nèi)土層深厚肥沃，結(jié)構(gòu)疏松，林區(qū)森林植被垂直帶狀分布明顯，低山區(qū)以人工針葉純林為主，主要樹(shù)種為柳杉(Cryptomeria japonica)、杉木(Cunninghamia lanceolata)等;中山區(qū)大多數(shù)為針闊天然混交林，主要樹(shù)種為峨眉冷杉(Abies fabri)、栲(Castanopsis platyacantha)、石櫟(Lithocarpus hancei)等;高山區(qū)以灌叢為主，主要有杜鵑(Rhododendron simsii)、冷竹(Bashania faberi)、箭竹(Fargesia spathacea)等。

1.2 樣地調(diào)查與采樣

本研究以四川省洪雅林場(chǎng)目禪寺工區(qū)的28 a生杉木人工林為對(duì)象。2011年9月對(duì)洪雅縣林場(chǎng)目禪寺工區(qū)一塊約10.0 hm2的杉木林(103°15.272'E、29°41.434'N，海拔930 m～960 m，東北坡向，坡度15°)進(jìn)行實(shí)地踏查后，隨機(jī)設(shè)置了3個(gè)0.1 hm2的樣地進(jìn)行每木檢尺，其樣地編號(hào)為1、2 和3。同時(shí)，在每個(gè)樣地的4個(gè)角和對(duì)角線中心點(diǎn)各設(shè)置1個(gè)2 m×2 m 的樣方，采用全收獲法測(cè)定林下層植被的生物量和凋落物量，并取樣烘干至恒重后稱重。2012年3月初，在采伐跡地上隨機(jī)設(shè)置了9個(gè)2 m×2 m 的樣方，采用全收集法僅對(duì)采伐剩余物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)收集，并取樣烘干至恒重后稱重(取樣后的采伐剩余物返回取樣樣方內(nèi))。

1.3 土樣采集與制備

在煉山前，在采伐跡地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置了9個(gè)土樣固定采集點(diǎn)，每個(gè)土樣采集點(diǎn)按0～20 cm(簡(jiǎn)稱土壤表層，下同)、20 cm～40 cm(簡(jiǎn)稱土壤中層，下同)、40 cm～60 cm(簡(jiǎn)稱土壤底層，下同)分層取樣，然后把9個(gè)點(diǎn)的同一層土壤混合均勻作為一個(gè)土樣。待采伐剩余物和土樣取樣完成后，對(duì)采伐跡地實(shí)施了當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的煉山模式進(jìn)行煉山。煉山1 d后，在固定土壤采集點(diǎn)采用上述的同樣方法進(jìn)行土壤采樣。土壤樣品采集后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用。另外，在煉山前后對(duì)每個(gè)土樣固定采集點(diǎn)的不同層次用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。風(fēng)干后的土樣過(guò)20目篩、100目篩，備用。

1.4 分析方法

(1)木材生物量估算

利用杉木干材B (生物量，kg)=0.0293(D2H)0.9593估算干材生物量［15］;其中D為胸徑(cm)、H為樹(shù)高(m)。

(2)有機(jī)物C 含量測(cè)定

將烘干后的植物樣品進(jìn)行研磨、過(guò)篩;稱取0.2g 左右放入TOC 測(cè)定儀測(cè)定。

(3)土壤有機(jī)碳含量

重鉻酸鉀法測(cè)定:將一定濃度的重鉻酸鉀加入土樣并加入5 ml 濃硫酸，在恒溫的油浴鍋中加熱5 min 左右，取出冷卻，用硫酸亞鐵溶液滴定。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

用SPSS11.0 軟件進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干材生物量與C 總量

經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的撫育、衛(wèi)生伐、間伐等營(yíng)林措施后，28 a 生杉木人工林的活立木密度為1 070(±70)株·hm－2、平均胸徑為19.9(±0.2)cm、平均樹(shù)高為14.7(±1.5)m、干材生物量為172.0(±15.2)t·hm－2，其干材C 總量為85.9(±7.6)t·hm－2(表1)。因此，在杉木林皆伐過(guò)程中，每hm2將有172 t干材生物量和85.9 噸C 移出杉木林生態(tài)系統(tǒng)，這部分C 將以木材形式而轉(zhuǎn)移、保存或其它方式存在。

2.2 采伐剩余物生物量與C 總量

28 a 生杉木人工林的采伐剩余物(枝椏、樹(shù)梢、葉片以及劈裂物等)為17.1(±0.5)t·hm－2、其C總量為8.8(±0.3)t·hm－2(表2)。在杉木林皆伐后的煉山過(guò)程中，這些采伐剩余物將全部被“焚燒”，植物有機(jī)碳以CO2形式釋放到大氣中，其釋放的CO2量為32.27 t·hm－2。

表1 杉木林平均密度、胸徑與樹(shù)高以及干材生物量和C 總量估算結(jié)果

表2 杉木林采伐剩余物生物量及其C 總量估算結(jié)果

2.3 林下層、凋落物生物量與C 總量

28 a 生杉木人工林的林下層植物主要有八月竹、柃木、蕨類和禾草類等，其生物量為0.41(±0.04)t·hm－2，其C 總量為0.19(±0.02)t·hm－2;林下凋落物生物量為5.84(±0.18)t·hm－2，其C總量為2.80(±0.08)t·hm－2(表3)。在華西雨屏區(qū)的傳統(tǒng)皆伐煉山過(guò)程中，這些林下層植物和凋落物將被全部焚燒，這些植物有機(jī)碳以CO2形式釋放到大氣中，其釋放的CO2量為10.96 t·hm－2。

2.4 土壤C 總量

與對(duì)照相比，煉山能顯著減低土壤表層、中層和底層的C 儲(chǔ)量(表4)。煉山1 d 后，土壤表層、中層、底層以及0～60 cm 層的C 儲(chǔ)量分別比對(duì)照降低了45.93%、50.13%、16.01%和38.91%。這一結(jié)果說(shuō)明，煉山對(duì)土壤0～60 cm 的有機(jī)碳含量與儲(chǔ)量有顯著的影響，大大降低了土壤有機(jī)碳的含量。

表3 杉木林下層、凋落物生物量及其C 總量估算結(jié)果

表4 煉山后土壤0～60 cm 層的C 總量估算 (單位:t·hm －2)

2.5 系統(tǒng)C 損失

28 a 生杉木人工林皆伐煉山后，總的C 損失為137.2 t·hm－2，其中木材轉(zhuǎn)移C 損失占總C 損失的62.6%，是人工林系統(tǒng)的主要C 損失部分，其次是土壤有機(jī)碳的損失，占總C 損失量的28.8%;總C損失最小的部分是林下層植物，僅占總C 損失的0.1%(表5)。另外，煉山直接造成的C 損失為51.3 t·hm－2，占總C 損失量的37.4%。如果煉山形成的高溫而造成的采伐剩余物、林下層植物、凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)揮發(fā)，則釋放CO2量為188.1 t·hm－2。由此可見(jiàn)，人工林皆伐煉山所造成的環(huán)境負(fù)效應(yīng)不容忽視，尤其是目前正處于全球氣候變暖的時(shí)代。

表5 皆伐煉山后的杉木人工林系統(tǒng)的C 損失(單位:t·hm －2)

3 小結(jié)

通過(guò)本研究表明，華西雨屏區(qū)28 a 生杉木人工林皆伐煉山后的C 損失結(jié)果如下:

(1)皆伐后的干材轉(zhuǎn)移生物量172.0(±15.2)t·hm－2，其對(duì)應(yīng)的C 損失為85.9(±7.6)t·hm－2;

(2)采伐剩余物生物量為17.1(± 0.5)t·hm－2，其對(duì)應(yīng)的C 損失為8.8(±0.3)t·hm－2;

(3)林下層植物的生物量為0.41(±0.04)t·hm－2，其對(duì)應(yīng)的C 損失為0.19(±0.02)t·hm－2;

(4)林下凋落物層的生物量為5.84(±0.19)t·hm－2，其對(duì)應(yīng)的C 損失為2.80(± 0.08)t·hm－2;

(5)土壤有機(jī)碳損失為39.5(±1.0)t·hm－2;

(6)整個(gè)杉木人工林系統(tǒng)，皆伐煉山后的植物有機(jī)質(zhì)損失量為195.35 t·hm－2，總的C 量損失137.2 t·hm－2，其中干材轉(zhuǎn)移和土壤有機(jī)碳損失最大。

總之，煉山形成的高溫而造成的采伐剩余物、林下層植物、凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)燃燒和揮發(fā)，釋放CO2量為188.1 t·hm－2。在全球氣候變化(大氣CO2濃度升高、升溫、海平面上升等)情景下，人工林皆伐煉山所造成的環(huán)境負(fù)效應(yīng)不容忽視，值得深思。

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