不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)各組分能量現(xiàn)存量結(jié)構(gòu)

謝建文

(福建農(nóng)林大學(xué)西芹教學(xué)林場(chǎng)，福建 南平 353001)

森林生態(tài)系統(tǒng)能量現(xiàn)存量能夠反映森林群落對(duì)太陽(yáng)能利用率的高低，是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的重要指標(biāo)之一[1-2]，研究森林生態(tài)系統(tǒng)能量現(xiàn)存量對(duì)提高森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力具有重要的理論借鑒意義.近年來(lái)，隨著人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增加，天然林面積日益縮小，人工林面積日益擴(kuò)大.在全球氣候變化的背景下，提高人工林生產(chǎn)力，可以在滿足木材市場(chǎng)需求的同時(shí)，提高人工林在應(yīng)對(duì)全球氣候變化中的作用與地位，已成為目前生態(tài)學(xué)家及林學(xué)家密切關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[3].

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)是我國(guó)種植面積最大、蓄積量最高的人工喬木用材速生樹種.第八次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，我國(guó)的杉木人工林面積達(dá)895萬(wàn)hm2，蓄積量達(dá)6.25億m3.由于杉木人工林面積大、生長(zhǎng)快、單產(chǎn)高、碳匯功能強(qiáng)大，在我國(guó)乃至世界減少溫室氣體和應(yīng)對(duì)全球氣候變暖中都將扮演極其重要的角色[4].以往學(xué)者[5-8]對(duì)杉木人工林能量現(xiàn)存量的研究較少，主要集中在杉闊混交林生態(tài)系統(tǒng)杉木細(xì)根能量動(dòng)態(tài)方面，而針對(duì)不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)能量現(xiàn)存量及其結(jié)構(gòu)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道.有鑒于此，本文以不同密度杉木人工林為試驗(yàn)林分，在調(diào)查林分地上部分及地下部分生物量的基礎(chǔ)上[9]，測(cè)定林分地上部分及地下部分各組分熱值，換算成能量現(xiàn)存量，研究不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)能量現(xiàn)存量及其結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果可為探明杉木林各組分能量現(xiàn)存量分布及提高杉木林生產(chǎn)力提供理論依據(jù).

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)(26°10′N，117°27′E).該地屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候，年降水量1 689.0 mm，年蒸發(fā)量1 625.0 mm，年日照時(shí)間1 842 h，年平均氣溫19.2 ℃，無(wú)霜期305 d.試驗(yàn)地海拔350 m，坡度23°～28°，土壤為山地紅壤，土層深度在100 cm以上.

試驗(yàn)林建于2007年2月.試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)3個(gè)隨機(jī)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組3個(gè)處理.造林密度分別為1 800、3 000及4 500株/hm2，株行距分別為2.0 m×2.7 m、2.0 m×1.6 m、2.0 m×1.1 m；同一區(qū)組坡向、坡位等立地條件均一致，每種造林密度3個(gè)重復(fù)，面積為667 m2.試驗(yàn)林前身為第一代杉木人工林，種苗來(lái)源于第2代種子園的1 a生實(shí)生苗.栽植當(dāng)年的6月、10月分別撫育1次并補(bǔ)植，補(bǔ)植采用容器苗；造林第2年及第3年10月各撫育1次.2019年5月進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示：1 800株/hm2杉木人工林平均胸徑為(13.95±3.79)cm，平均樹高為(11.95±1.88)m；3 000株/hm2杉木人工林平均胸徑為(13.66±2.16)cm，平均樹高為(12.24±2.24)m；4 500株/hm2杉木人工林平均胸徑為(12.34±3.62)cm，平均樹高為(12.95±1.93)m.

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及平均木挑選

2019年5月，在每個(gè)區(qū)組內(nèi)各處理分別設(shè)置1個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地.測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的杉木胸徑、樹高及枝下高，計(jì)算樣地平均木的平均胸徑、平均樹高及平均枝下高等；依據(jù)平均木各指標(biāo)值在樣地四周挑選出1株與平均木生長(zhǎng)最接近的單株作為平均木，每種造林密度選3株.

2.2 生物量調(diào)查及取樣

先按2 m區(qū)分段分別取平均木樹干宿留枯死枝，稱樣并計(jì)算不同區(qū)分段的質(zhì)量比.用油鋸貼地表伐倒平均木后，樹干按2 m區(qū)分段、樹枝按輪數(shù)分別稱重，計(jì)算不同區(qū)分段及輪數(shù)的質(zhì)量比.依據(jù)宿留枯死枝、樹干及樹枝質(zhì)量比分別取對(duì)應(yīng)樣品并混合帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè).取平均木半徑1.5 m范圍內(nèi)的所有根系，帶回實(shí)驗(yàn)室用游標(biāo)卡尺測(cè)量徑級(jí)，參考文獻(xiàn)[10]的方法進(jìn)行分級(jí).在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m小樣方，分別取林下植被及凋落物層樣品，稱重后帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè).

2.3 樣品處理及測(cè)定

將帶回的樹干、樹枝、宿留枯死枝、根、林下植被及凋落物層樣品置于105 ℃烘干箱中殺青1 h后置于75 ℃烘干箱恒溫烘至恒重.烘干后的樣品用研磨機(jī)粉碎后過(guò)0.149 mm篩.稱取每株平均木樣品1.000 0 g置于擦鏡紙上，包樣后放入裝有點(diǎn)火絲的坩堝并置于氧彈內(nèi)，放入高精度微機(jī)全自動(dòng)量熱儀(ZDHW-8000A)內(nèi)測(cè)定植物熱值，依據(jù)生物量換算成各組分能量現(xiàn)存量.

2.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用 Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 22.0軟件對(duì)不同林分密度杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分能量現(xiàn)存量差異進(jìn)行顯著性分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木各器官能量現(xiàn)存量及分配

不同密度杉木人工林地上部分各器官能量現(xiàn)存量及分配見(jiàn)表1.由表1可見(jiàn)：不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)地上部分杉木各器官能量現(xiàn)存量呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì).1 800及3 000株/hm2密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)地上部分杉木各器官能量現(xiàn)存量表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹皮>宿留枯死枝，而4 500株/hm2密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)地上部分杉木各器官能量現(xiàn)存量表現(xiàn)為樹干>樹皮>宿留枯死枝>樹枝.隨著密度的增加，杉木林樹干、樹皮及宿留枯死枝能量現(xiàn)存量呈逐漸增加趨勢(shì)，而樹枝能量現(xiàn)存量則表現(xiàn)為3 000株/hm2>1 800株/hm2>4 500株/hm2.4 500株/hm2的樹干能量現(xiàn)存量與1 800及3 000株/hm2相比分別增加了96.97%及37.18%，樹皮能量現(xiàn)存量分別增加了120.88%及48.69%，宿留枯死枝能量現(xiàn)存量分別增加了595.11%及75.32%.

從分配率上看，隨著密度的增加，杉木林生態(tài)系統(tǒng)樹皮及宿留枯死枝能量現(xiàn)存量分配率呈升高趨勢(shì)，樹枝呈下降趨勢(shì)；樹干能量現(xiàn)存量分配率表現(xiàn)為4 500株/hm2>1 800株/hm2>3 000株/hm2.顯著性分析結(jié)果表明，不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)樹干、樹枝、樹皮及宿留枯死枝能量現(xiàn)存量差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01).

表1 不同密度杉木人工林地上部分各器官能量現(xiàn)存量及分配Tab.1 Above-ground organs energy storage and its distribution in different densities of Chinese fir plantations

3.2 不同徑級(jí)根能量現(xiàn)存量及分配

不同密度杉木人工林根能量現(xiàn)存量及分配見(jiàn)表2.由表2可知：不同密度對(duì)杉木林生態(tài)系統(tǒng)不同徑級(jí)根能量現(xiàn)存量及分配具有不同影響.不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)不同徑級(jí)根能量現(xiàn)存量及分配率均表現(xiàn)為粗根>大根>中根>小根>細(xì)根.隨著密度的增加，杉木林生態(tài)系統(tǒng)粗根、大根、中根、小根及細(xì)根能量現(xiàn)存量呈逐漸上升趨勢(shì)；4 500株/hm2的粗根能量現(xiàn)存量與1 800株/hm2及3 000株/hm2相比分別提高61.95%及25.63%，大根則分別提高62.46%及28.71%，細(xì)根提高121.06%及46.64%.就分配率而言，隨著密度增加細(xì)根能量現(xiàn)存量分配率呈逐漸上升趨勢(shì)，而粗根分配率呈逐漸下降趨勢(shì)；大根能量現(xiàn)存量分配率表現(xiàn)為1 800株/hm2>4 500株/hm2>3 000株/hm2，中根分配率表現(xiàn)為4 500株/hm2>1800株/hm2>3 000株/hm2，小根分配率表現(xiàn)為3 000株/hm2>1 800株/hm2>4 500株/hm2.顯著性分析結(jié)果表明，不同密度杉木林粗根、大根、中根及細(xì)根能量現(xiàn)存量差異達(dá)極顯著水平，而4 500、3 000株/hm2的小根能量現(xiàn)存量與1 800株/hm2相比差異達(dá)極顯著水平.

表2 不同密度杉木人工林根能量現(xiàn)存量及分配Tab.2 Root energy storage and its distribution in different density of Chinese fir plantations

3.3 不同密度杉木林生態(tài)系統(tǒng)不同組分能量現(xiàn)存量

不同密度杉木林各組分能量現(xiàn)存量見(jiàn)圖1.由圖1可知：密度為 1800株/hm2的杉木林生態(tài)系統(tǒng)各組分能量現(xiàn)存量表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹根>樹皮>林下植被>宿留枯死枝>凋落物，3 000株/hm2表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹根>樹皮>宿留枯死枝>凋落物>林下植被，4 500株/hm2表現(xiàn)為樹干>樹根>樹皮>宿留枯死枝>樹枝>凋落物>林下植被.隨著密度增加，樹干、樹皮、宿留枯死枝、凋落物等組分能量現(xiàn)存量呈逐漸上升趨勢(shì)，而林下植被能量現(xiàn)存量呈逐漸下降趨勢(shì).顯著性分析結(jié)果表明，不同密度杉木林各組分能量現(xiàn)存量均達(dá)到極顯著差異.

3.4 不同組分能量現(xiàn)存量與密度相關(guān)性

杉木人工林各組分能量現(xiàn)存量與林分密度相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可知：杉木林樹干、樹根、宿留枯枝、鮮葉、凋落物能量現(xiàn)存量與密度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而林下植被能量現(xiàn)存量與密度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.樹干與宿留枯枝、樹干與宿留枯葉、樹干與凋落物、樹干與樹根、宿留枯枝與宿留枯葉、宿留枯枝與凋落物、宿留枯枝與樹根、宿留枯葉與凋落物、鮮枝與鮮葉、凋落物與樹根能量現(xiàn)存量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，樹干與林下植被、宿留枯枝與林下植被、宿留枯葉與林下植被、凋落物與林下植被、樹根與林下植被呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.

表3 杉木人工林各組分能量現(xiàn)存量與林分密度相關(guān)性Tab.3 Correlation analysis between components energy storage and stand density of Chinese fir plantation

4 小結(jié)與討論

能量現(xiàn)存量是衡量某一生態(tài)系統(tǒng)能量貯存量的指標(biāo)，也是衡量生態(tài)系統(tǒng)能量、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵指標(biāo)，能夠反映該生態(tài)系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的轉(zhuǎn)化速率及能力[11].生態(tài)系統(tǒng)的能量現(xiàn)存量以生物量為基礎(chǔ)，受到立地條件、林分密度、林齡等諸多因素的綜合影響[12-13].在一定密度范圍內(nèi)，林分總能量現(xiàn)存量隨密度增大而提高.本研究結(jié)果表明，隨著林分密度的提高，林分總能量現(xiàn)存量呈逐漸上升趨勢(shì)，這與吳家兵等[14]的研究結(jié)果相似.

生態(tài)系統(tǒng)不同組分能量現(xiàn)存量存在較大差異.崔玉濤等[15]對(duì)長(zhǎng)白落葉松人工林熱值及其能量現(xiàn)存量的研究表明，長(zhǎng)白落葉松人工林各器官能量現(xiàn)存量呈現(xiàn)出樹干>樹根>樹皮>樹枝>樹葉的規(guī)律，且地上部分能量現(xiàn)存量遠(yuǎn)高于地下部分(地下部分主要集中在粗根).本研究結(jié)果表明，不同密度杉木林各組分能量現(xiàn)存量排序不一，密度為1 800株/hm2的杉木林生態(tài)系統(tǒng)各組分能量現(xiàn)存量表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹根>樹皮>林下植被>宿留枯死枝>凋落物，3 000株/hm2表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹根>樹皮>宿留枯死枝>凋落物>林下植被，4 500株/hm2表現(xiàn)為樹干>樹根>樹皮>宿留枯死枝>樹枝>凋落物>林下植被.杉木林樹干、樹根、宿留枯枝、鮮葉、凋落物能量現(xiàn)存量與密度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，林下植被能量現(xiàn)存量與密度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.不同密度杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分能量現(xiàn)存量的差異主要與造林密度關(guān)系密切.高密度杉木林種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度及林分分化比較劇烈，林內(nèi)光照強(qiáng)度減弱，林分冠幅小，枝下高較高，活枝高較低，林下植被發(fā)育不良[16-17]；除此之外，高密度林分中的個(gè)體為獲取更多的地上養(yǎng)分空間及地下養(yǎng)分資源，根系生長(zhǎng)及高生長(zhǎng)取得的分配資源更多[18]，這就導(dǎo)致高密度林分樹干、樹根、宿留枯死枝、凋落物能量現(xiàn)存量較高，而樹枝及林下植被能量現(xiàn)存量較低.

杉木人工林以產(chǎn)出高質(zhì)量木材為主.本文的研究結(jié)果表明，雖然不同密度杉木林樹干能量現(xiàn)存量均最高，但隨著密度增加，樹枝的分配率逐漸降低.樹枝(包括樹葉)是植物光合作用最重要的場(chǎng)所，為保證杉木人工林中后期的生長(zhǎng)量，維護(hù)杉木人工林的長(zhǎng)期生產(chǎn)力，應(yīng)適當(dāng)降低經(jīng)營(yíng)密度，提高杉木人工林質(zhì)量，從而達(dá)到杉木人工林速生、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的.此外，本文僅分析了12 a生不同密度杉木林的能量現(xiàn)存量結(jié)構(gòu)，至于該試驗(yàn)林后期能量現(xiàn)存量的變化還有待于進(jìn)一步觀測(cè)研究.