杉木人工林伐后2種恢復(fù)模式碳儲量的比較

施志娟，白彥鋒，孫 睿，彭 陽，姜春前*，汪思龍

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091; 2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016)

杉木人工林伐后2種恢復(fù)模式碳儲量的比較

施志娟1，白彥鋒1，孫 睿1，彭 陽1，姜春前1*，汪思龍2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091; 2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016)

湖南會同；杉木人工林；自然恢復(fù)；人工恢復(fù)；碳儲量；碳含量

對森林恢復(fù)的研究可以追溯到20世紀(jì)30年代，美國最早發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)退化問題并進(jìn)行恢復(fù)研究，此后，德國、英國、日本和馬來西亞等陸續(xù)針對大氣污染下的退化森林恢復(fù)、寒溫帶針葉林采伐后植被恢復(fù)、東南亞森林采伐后恢復(fù)、受損和退化天然林生態(tài)恢復(fù)等進(jìn)行了一系列研究[5]。中國自20世紀(jì)50年代以來，也陸續(xù)開展川西亞高山退化針葉林[6]、長江上游退化天然林[7]、喀斯特退化森林[8]、黃土丘陵區(qū)[9-10]和干熱河谷區(qū)[11]等退化植被的恢復(fù)和重建研究。張遠(yuǎn)東等[12]研究發(fā)現(xiàn)，不同森林類型恢復(fù)過程中，次生針闊混交林地上生物量和林分蓄積量一直高于次生樺木林和人工云杉林；高成杰等[13]研究發(fā)現(xiàn)，與純林恢復(fù)模式相比，采用混交林恢復(fù)能獲得更多的生物量；康冰等[14]、李東勝等[15]也對植被恢復(fù)過程中土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分變化進(jìn)行了研究，并取得一定成果；但當(dāng)前的研究主要集中于森林恢復(fù)過程中，植被種類結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力的變化特征及其對周圍環(huán)境和土壤的影響等方面，關(guān)于植被恢復(fù)對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量影響的研究相對仍較少。

本文以湖南會同森林生態(tài)實驗站(簡稱會同實驗站，下同)杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)人工林采伐后經(jīng)自然恢復(fù)和人工恢復(fù)20年的森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，通過分析2種不同恢復(fù)模式喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳儲量及其空間分布的差異，探討植被恢復(fù)模式對森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的影響，為進(jìn)一步研究植被恢復(fù)對森林碳匯能力的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究在杉木人工林皆伐后自然更新恢復(fù)林地(簡稱自然恢復(fù)樣地，下同)和杉木人工林皆伐后通過人工栽植杉木純林林地(簡稱人工恢復(fù)樣地，下同)內(nèi)進(jìn)行，2個樣地的地理位置相距較近，立地條件相似且皆伐前為密度相同的20年生1代杉木人工林，各樣地基本特征見表1。

表1 樣地基本特征

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及植被調(diào)查

2.1.1 自然恢復(fù)樣地

2.1.1.1 喬木層和林下植被層調(diào)查 2015年10月在自然恢復(fù)樣地中按照坡位由上到下設(shè)置5個20 m×20 m調(diào)查樣方，對樣方中的喬木進(jìn)行每木檢尺，記錄樹種、胸徑和樹高；同時在每個樣方中再設(shè)置1個10 m×10 m的樣方，對其中所有的灌木和草本進(jìn)行調(diào)查，記錄種名、基徑和株高；在樣地中選取一些主要灌木、草本植株，測量其基徑和株高后挖取全株帶回實驗室,在75℃下烘干至恒質(zhì)量，稱量并記錄每株的總干質(zhì)量以及灌木各器官干質(zhì)量，草本植物記錄地上、地下部分干質(zhì)量。

2.1.1.2 凋落物層調(diào)查 在每個樣方中按品字形設(shè)置5個1×1 m小樣方，收集小樣方內(nèi)全部凋落物，按照枯枝、枯葉、落果進(jìn)行分類稱質(zhì)量，將凋落物各組分取樣，帶回實驗室在75℃的恒溫箱中烘干至恒質(zhì)量。

2.1.2 人工恢復(fù)樣地 2009年10月在人工恢復(fù)樣地中按照坡位由上到下設(shè)置10個8 m×10 m調(diào)查樣方，對樣方中的喬木進(jìn)行每木檢尺，記錄樹種、胸徑和樹高，對樣方中所有的灌木和草本進(jìn)行調(diào)查，記錄種名、基徑和株高。凋落物層和土壤層調(diào)查方法同自然恢復(fù)樣地調(diào)查方法一致。

2.2 碳儲量計算方法

2.2.1 生物量計算方法 結(jié)合喬木、灌木每木檢尺和實驗站數(shù)據(jù)庫中各喬、灌樹種異速生長方程計算喬木層、灌木層生物量，各樹種異速生長方程詳見會同實驗站數(shù)據(jù)集[16]。利用采集的主要灌木植株基徑、樹高和實測生物量輔助選擇最優(yōu)異速生長方程。

實驗站數(shù)據(jù)庫中含有多年利用挖掘法測定的多種草本單株地上、地下生物量，由于相同基徑、株高的同種草本具有相似生物量，利用計算機(jī)在數(shù)據(jù)庫中查找與調(diào)查時記錄的草本同種且基徑株高一致的植株，將這些條件相同的草本生物量平均值作為所測草本植株的生物量。

利用調(diào)查時獲得的干/鮮質(zhì)量比計算含水率，進(jìn)而根據(jù)鮮質(zhì)量和含水率推算凋落物的生物量現(xiàn)存量。

2.2.2 碳含量測定方法 采用重鉻酸鉀—濃硫酸氧化外加熱法測定采集的杜莖山、鼠刺等13種主要灌木草本各器官碳含量及自然恢復(fù)樣地凋落物和土壤的碳含量，喬木、未采集的灌木草本及人工恢復(fù)樣地凋落物和土壤的碳含量引自生態(tài)站長期監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

2.2.3 碳儲量計算方法 根據(jù)喬木層、灌木層、草本層、凋落物層不同部位生物量和測定的相應(yīng)碳含量，計算林分各層的碳儲量，土壤層碳儲量計算公式[17]：

式中:S為土壤層有機(jī)碳儲量(t·hm-2)，Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(%)，di為第i層平均土壤密度(g·cm-3)；Hi表示第i層土壤的厚度(m)；n為土壤層數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用SPSS19.0

軟件進(jìn)行單因素方差分析，應(yīng)用最小顯著差異法(LSD)分析不同數(shù)據(jù)組間的差異性，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 自然恢復(fù)與人工恢復(fù)喬木層碳儲量的比較

由表2看出：自然恢復(fù)模式的喬木層碳儲量為99.21 t·hm-2，比人工恢復(fù)模式顯著高22.56%。喬木層各器官碳儲量中，除自然恢復(fù)模式的樹干碳儲量略比人工恢復(fù)模式小外，其它器官均比人工恢復(fù)模式的大，且枝、葉、根碳儲量均顯著比人工恢復(fù)模式的高。此外，恢復(fù)模式對喬木層各器官碳儲量分配比有一定影響，人工恢復(fù)模式為干﹥根﹥枝﹥皮﹥?nèi)~；而自然恢復(fù)模式為干﹥枝﹥根﹥?nèi)~﹥皮。雖然2種模式中均以樹干碳儲量的分配最大，但人工恢復(fù)模式中樹干碳儲量達(dá)到喬木層總碳儲量的62.30%，而自然恢復(fù)模式中只有47.87%，二者差異顯著。

表2 2種恢復(fù)模式喬木層碳儲量及其分布特征

注：表中數(shù)據(jù)是平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同大寫字母表示不同恢復(fù)模式碳儲量差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示喬木層植被不同器官碳儲量差異顯著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in carbon storage in different organs of the tree layer significantly(P<0.05).

3.2 自然恢復(fù)與人工恢復(fù)灌木層碳儲量的比較

由表3可知：自然恢復(fù)模式的灌木層總碳儲量顯著比人工恢復(fù)模式的高?；謴?fù)20 a時，自然恢復(fù)模式灌木層碳儲量約為人工恢復(fù)模式的3.99倍，干、枝、葉、根碳儲量分別為人工恢復(fù)模式相應(yīng)器官碳儲量的3.77、3.16、3.29、5.94倍?；謴?fù)模式對灌木層各器官碳儲量分配比有一定影響，主要表現(xiàn)在根器官，人工恢復(fù)模式各器官碳儲量分配比為：干﹥枝﹥根﹥?nèi)~，自然恢復(fù)模式分配比為：干﹥根﹥枝﹥?nèi)~。人工恢復(fù)模式根僅占灌木層總碳儲量的20.88%，而自然恢復(fù)模式根所占比例為31.15%，二者差異顯著?？梢?，自然恢復(fù)模式更有利于灌木層碳的積累。

3.3 自然恢復(fù)與人工恢復(fù)草本層碳儲量的比較

由表4可知：自然恢復(fù)模式草本層碳儲量顯著比人工恢復(fù)模式的高。自然恢復(fù)模式草本層地上部分、地下部分和總碳儲量分別為人工恢復(fù)模式的5.08、9.00、5.94倍，自然恢復(fù)模式地上部分與地下部分碳儲量之比為1.36，而人工恢復(fù)模式為2.40，說明自然恢復(fù)模式更有利于草本層碳儲量的積累，而且更能促進(jìn)地下部分碳儲量的積累。

表3 2種恢復(fù)模式灌木層碳儲量及其分布特征

注：表中數(shù)據(jù)是平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同大寫字母表示不同恢復(fù)模式碳儲量差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示灌木層植被不同器官碳儲量差異顯著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in carbon storage in different organs of the shrub layer significantly(P<0.05).

表4 2種恢復(fù)模式的草本層碳儲量及其分布特征

注：表中數(shù)據(jù)是平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同大寫字母表示不同恢復(fù)模式碳儲量差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示草本層植被不同器官碳儲量差異顯著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in carbon storage in different organs of the herb layer significantly(P<0.05).

3.4 自然恢復(fù)與人工恢復(fù)凋落物層碳儲量比較

由表5可以得到：自然恢復(fù)模式凋落物層碳儲量略高于人工恢復(fù)模式，但恢復(fù)模式對凋落物各器官分配比有一定的影響，兩種恢復(fù)模式中枯枝碳儲量所占比例的差異不顯著，自然模式枯葉碳儲量所占比例大于人工恢復(fù)模式，但是落果碳儲量所占比例僅為2.78%，顯著比人工恢復(fù)模式的小。

表5 2種恢復(fù)模式凋落物層碳儲量及其分布特征

注：表中數(shù)據(jù)是平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同大寫字母表示不同恢復(fù)模式碳儲量差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示不同器官凋落物碳儲量差異顯著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in carbon storage in different organs of the litter layer significantly(P<0.05).

3.5 自然恢復(fù)與人工恢復(fù)土壤層碳儲量比較

表6 2種恢復(fù)模式土壤層碳儲量及其分布特征

注：表中數(shù)據(jù)是平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同大寫字母表示不同恢復(fù)模式碳儲量差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示不同土壤層碳儲量差異顯著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in levels of carbon storage in soil layers significantly(P<0.05).

3.6 自然恢復(fù)與人工恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量比較

由表7可知：自然恢復(fù)模式生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量略高于人工恢復(fù)模式。生態(tài)系統(tǒng)中除土壤層碳儲量為自然恢復(fù)模式小于人工恢復(fù)模式外，其它組分碳儲量均為自然恢復(fù)模式大于人工恢復(fù)模式，且喬木層、灌木層、草本層在2種恢復(fù)模式下差異顯著，其中，自然恢復(fù)模式喬木層碳儲量比人工恢復(fù)模式高18.26 t·hm-2，約占人工恢復(fù)模式林地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的22.56%。

表7 2種恢復(fù)模式生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分布特征

注：表中數(shù)據(jù)是平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同大寫字母表示不同恢復(fù)模式碳儲量差異顯著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05).

2種恢復(fù)模式碳儲量在生態(tài)系統(tǒng)各組分中的分配有一定差異，自然恢復(fù)模式生態(tài)系統(tǒng)喬木層碳儲量最大，占總儲量的56.08%，其次是土壤層，占41.47%，凋落物層、灌木層和草本層碳儲量較?。欢斯せ謴?fù)模式土壤層碳儲量最大，占總儲量的49.49%，其次是喬木層，占48.64%，凋落物層、灌木層和草本層碳儲量也較小，這表明恢復(fù)模式對碳儲量在生態(tài)系統(tǒng)各組分的分配產(chǎn)生一定影響。

4 討論

4.1 杉木人工林伐后不同恢復(fù)模式對植被層碳儲量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，自然恢復(fù)模式植被層碳儲量大于人工恢復(fù)模式，與邸月寶等[18]得出的自然更新林地固碳能力顯著高于人工更新林地的結(jié)論一致。

2種恢復(fù)模式林地喬木層碳儲量差異顯著，這可能是因為自然恢復(fù)模式形成了次生針闊混交林，人工恢復(fù)模式形成了杉木純林。許多研究發(fā)現(xiàn)，混交林中樹種較多，占據(jù)不同生態(tài)位的樹種可以互補；同時混交林具有更好的抗干擾性，可以積累較多的植被生物量和碳匯[19-21]。此外，恢復(fù)模式對喬木層各器官碳儲量分配比有一定影響，這可能有兩方面的原因：其一，2種恢復(fù)模式形成的林分樹種具有差異，不同樹種各器官碳儲量分配比有所不同[22]；其二：自然恢復(fù)模式形成的次生針闊混交林中有許多后期萌發(fā)的幼齡樹，不同林齡的樹木各器官生物量、碳儲量分配比也有所不同[23]。

2種恢復(fù)模式林下植被層碳儲量的差異顯著，這可能是因為自然恢復(fù)模式形成的次生針闊混交林林內(nèi)樹種較多，灌木、草本種子和萌芽較多，其生物量和碳儲量相對較大。此外，人工恢復(fù)模式營造杉木純林郁閉較早，羅達(dá)等[24]研究發(fā)現(xiàn),隨喬木生長,喬木和林下灌草之間資源競爭加劇,導(dǎo)致林下灌草生長受限，也會在一定程度上影響生物量和碳儲量。

4.2 杉木人工林伐后不同恢復(fù)模式對土壤層碳儲量的影響

自然恢復(fù)模式土壤總碳儲量小于人工恢復(fù)模式，但表層土壤碳儲量卻相反。這可能是自然恢復(fù)模式形成的次生針闊混交林植被生物量較大，凋落物也較多，表層土壤的有機(jī)碳輸入量較大,同時自然恢復(fù)模式中幼齡樹較多，土壤深層中的根系生物量和分泌物相對較少，土壤有機(jī)碳輸入較少[24]。

4.3 杉木人工林伐后不同恢復(fù)模式對森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的影響

杉木人工林伐后林地在不同恢復(fù)模式恢復(fù)20 a時生態(tài)系統(tǒng)各組分的分配比產(chǎn)生了明顯差異，說明恢復(fù)模式除對生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量產(chǎn)生一定影響外，對碳儲量在生態(tài)系統(tǒng)各組分的分配也產(chǎn)生了一些影響。

本研究得到自然恢復(fù)模式恢復(fù)林地總碳儲量大于人工恢復(fù)模式，說明杉木人工林伐后林地自然恢復(fù)模式固碳能力高于人工恢復(fù)模式，但在實際林地恢復(fù)中除考慮林分碳儲量問題，還要考慮蓄積量、出材量等問題。此外，本研究中人工恢復(fù)模式僅考慮杉木純林一種模式，許多研究表明，造林密度、樹種、結(jié)構(gòu)等都會影響林地碳儲量[20]，因此,不同恢復(fù)模式對杉木人工林伐后恢復(fù)林地碳儲量的影響還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

(1)自然恢復(fù)模式植被層碳儲量明顯大于人工恢復(fù)模式，其中，喬木層碳儲量為自然恢復(fù)模式高出人工恢復(fù)模式22.56%。2種恢復(fù)模式喬木層各器官的碳儲量分配格局也有所不同，人工恢復(fù)模式為干﹥根﹥枝﹥皮﹥?nèi)~；而自然恢復(fù)模式為干﹥枝﹥根﹥?nèi)~﹥皮。林下植被層和凋落物層碳儲量所占比例非常小，自然恢復(fù)模式灌木層、草本層和凋落物層碳儲量分別為人工恢復(fù)模式的3.99、5.94、1.14倍。

(3)自然恢復(fù)模式生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量略高于人工恢復(fù)模式，2種模式下杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量在各組分的分配情況具有明顯差異，自然恢復(fù)模式各組分碳儲量為喬木層﹥土壤層﹥凋落物層﹥灌木層﹥草本層，而人工恢復(fù)模式為土壤層﹥喬木層﹥凋落物層﹥灌木層﹥草本層。杉木人工林皆伐后林地自然恢復(fù)模式固碳能力高于人工恢復(fù)模式。

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(責(zé)任編輯：詹春梅)

A Comparative Study on Carbon Storage in Chinese Fir Plantations with Two Restoration Approaches

SHIZhi-juan1，BAIYan-feng1，SUNRui1，PENGYang1，JIANGChun-qian1，WANGSi-long2

(1.Research Institute of Forestry, Chinese Academy Forestry, Beijing 100091, China; 2.Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, Liaoning, China)

[Objective]To explore the effect of restoration approach on carbon pool of forest ecosystem.[Method]By positioning research, the differences in carbon storage and its spatial distribution of Chinese fir plantations restored 20 years ago with two restoration approaches (natural restoration and artificial restoration) were compared in Huitong Experimental Station of Forest Ecology, Hu’nan Province.[Result](1) Compared with those treated by artificial restoration, the carbon storage treated by natural restoration was significantly higher in vegetation layer, specifically, 22.56% higher in tree layer. Treated by natural restoration, the distribution ratio of carbon storage in each organ showed in an order of stem > branch > root > leaf > bark, while that treated by artificial restoration showed in an order of stem > root > branch > leaf > bark. The proportion of carbon storage of vegetation layer under canopy and litter layer were very small. Still, the carbon storages of shrub layer, herb layer and litter layer by natural restoration were 3.99, 5.94 and 1.14 times that by artificial restoration, respectively. (2) The soil carbon storage in a Chinese fir plantation ecosystem restored 20 years ago treated by natural restoration was lower than that by artificial restoration. The soil carbon content and carbon storage in the surface layer (0-10 cm) by the natural restoration was higher than that by artificial restoration, while the other layers were opposite. By both restoration, the soil carbon content and soil carbon storage in the same unit (10 cm per layer) were all decreased with the increase of soil depth, and the distribution ratio of each layer was significantly different in terms of soil carbon content and soil carbon storage. (3) The carbon storage of the plantation ecosystem by natural restoration was in the order of tree layer > soil layer > litter layer > shrub layer > herb layer, and that under artificial restoration was in the order of soil layer > tree layer > litter layer > shrub layer > herb layer. [Conclusion]The natural restoration approach is more conducive to the restoration of carbon storage in the vegetation layer, while the artificial restoration approach is more conducive to the restoration of soil carbon storage.From the whole forest ecosystem,the carbon sequestration capacity of Chinese fir plantation ecosystem restored 20 years ago by natural restoration was higher than that by artificial restoration, restoration approach also have some impact on the distribution of carbon storage in ecosystem components.

Huitong County of Hu’nan Province; Chinese fir plantation; natural restoration; artificial restoration; carbon storage; carbon content

2016-01-28 基金項目： 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目(CAFYBB2014MB001) 作者簡介： 施志娟(1990—)，女，碩士研究生.主要研究方向：碳匯計量. E-mail：shizhijuan90@163.com * 通訊作者：姜春前，研究員. E-mail：jiangchuq@caf.ac.cn

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.02.005

S714

A

1001-1498(2017)02-0214-08