密度調(diào)控對紅松人工林碳貯量及其空間格局的影響

楊會(huì)俠

摘要 [目的]探索密度調(diào)控對紅松人工林碳匯能力的影響。[方法]對遼寧省草河口地區(qū)不同間伐強(qiáng)度紅松人工林的碳貯量及其空間分布格局進(jìn)行了對比研究。[結(jié)果]在各間伐強(qiáng)度紅松人工林內(nèi)紅松各營養(yǎng)器官生物量和碳貯量從大到小依次為為干、根、枝、葉，不同間伐強(qiáng)度紅松人工林喬木層、草本層、凋落物層及土壤層碳貯量均存在差異，喬木層碳貯量從大到小依次為弱度間伐區(qū)（197.52 t/hm2）、中度間伐區(qū)（197.10 t/hm2）、對照區(qū)（184.75 t/hm2）、強(qiáng)度間伐區(qū)（163.61 t/hm2）、極強(qiáng)度間伐區(qū)（142.30 t/hm2），土壤碳貯量從大到小依次為中度間伐區(qū)（151.93 t/hm2）、對照區(qū)（147.18 t/hm2）、極強(qiáng)間伐區(qū)（111.89 t/hm2）、強(qiáng)度間伐區(qū)（91.18 t/hm2）、弱度間伐區(qū)（79.54 t/hm2），總碳貯量從大到小依次中度間伐區(qū)（351.42 t/hm2）、對照區(qū)（333.63 t/hm2）、 弱度間伐區(qū)（279.11 t/hm2）、強(qiáng)度間伐區(qū)（257.22 t/hm2）、極強(qiáng)間伐區(qū)（257.16 t/hm2）；紅松人工林內(nèi)碳貯量從大到小依次為喬木層、土壤層、凋落物層、草本層。[結(jié)論]該研究可為科學(xué)進(jìn)行紅松林碳匯核算提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 密度調(diào)控；紅松人工林；碳貯量；空間分布

中圖分類號(hào) S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）07-0145-05

Influence of Density Control on Carbon Deposits and Its Spatial Pattern of Pinus koraiensis Plantation

YANG Hui-xia （Liaoning Institute of Forest Management，Dandong，Liaoning 118003）

Abstract [Objective] To explore the effects of density regulation on carbon sink ability of Pinus koraiensis plantation.[Method]Carbon storage and spatial distribution pattern with different thinning intensity of Pinus koraiensis plantation in Caohekou Area of Liaoning Province was studied.[Result]The results showed that the order of vegetative biomass and carbon storage of Pinus koraiensis in different thinning intensity from big to small was turn stem，roots，branches and leaves.There were differences in carbon reserves of artificial red tree layer，pine forest and herb layer，litter layer and soil layer in different thinning intensity.The order of layer carbon storage in tree layer from big to small was weak degrees cutting area （197.52 t/hm2），moderate cutting area （197.10 t/hm2），control area （184.75 t/hm2），strength cutting area （163.61 t/hm2），very strong cutting area（142.30 t/hm2）.The order of soil carbon storage from big to small was moderate cutting area （151.93 t/hm2），control area （147.18 t/hm2），very strong cutting area （111.89 t/hm2），strength cutting area （91.18 t/hm2），weak degrees cutting area （79.54 t/hm2）.The order of total carbon storage from big to small was moderate cutting area （351.42 t/hm2），control area （333.63 t/hm2），weak degrees cutting area （279.11 t/hm2），strength cutting area （257.22 t/hm2），very strong cutting area （257.16 t/hm2）.The order of carbon storage in Pinus koraiensis plantation from big to small was tree layer，soil layer，litter layer，herb layer.[Conclusion]The study can provide scientific basis for the scientific evaluation of carbon sequestration in Pinus roraiensis forest.

Key words Density control； Pinus koraiensis plantation；Carbon storage； Spatial distribution

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，維持著全球86%的植被碳庫和73%的土壤碳庫，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，在全球碳循環(huán)[1]、碳平衡和全球溫室氣體排放調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。充分發(fā)揮森林的碳匯功能，降低大氣含碳溫室氣體濃度，是減緩全球極端氣候現(xiàn)象的有效方法。隨著天然林面積的急劇減少，人工林面積和蓄積量的持續(xù)增加，人工林在全球碳循環(huán)中占據(jù)越來越重要的位置[2]，人工林的經(jīng)營管理對森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)有著重要影響。

紅松（Pinus koraiensis）是我國東北地區(qū)頂極植被群落針闊混交林的重要建群種[3]，天然林保護(hù)工程的實(shí)施使得人工紅松栽培成為滿足人們對紅松木材需求的唯一途徑。有研究認(rèn)為不同的森林經(jīng)營活動(dòng)會(huì)影響林分碳吸存的結(jié)果[4]。作為地球碳循環(huán)的一個(gè)單元，紅松人工林碳貯量的變化是否受森林經(jīng)營影響，如何經(jīng)營管理才能達(dá)成增匯效果是一段時(shí)期內(nèi)生態(tài)和林業(yè)管理工作者研究的熱點(diǎn)問題。目前，有關(guān)黑龍江地區(qū)和吉林長白山地區(qū)紅松林含碳率、碳密度、碳貯量及分布等方面有一些研究[5-9]，而對遼寧地區(qū)紅松人工林碳貯量的研究較少。由于森林生態(tài)系統(tǒng)具有區(qū)域性的特點(diǎn)，即使同一森林類型也會(huì)因地域的差別而產(chǎn)生生態(tài)功能的差異，因此對東北不同地區(qū)紅松碳貯量進(jìn)行分析，是降低東北紅松林碳貯量估算不確定性的必要手段。而人工林又是受人為干擾較強(qiáng)烈的一種森林生態(tài)系統(tǒng)，不同的經(jīng)營措施會(huì)對其碳貯量產(chǎn)生顯著影響。為科學(xué)評(píng)估遼寧地區(qū)不同間伐強(qiáng)度下紅松的碳貯量，筆者選取遼寧省紅松主要分布區(qū)域的代表性地點(diǎn)，利用累計(jì)40余年的紅松人工林固定樣地調(diào)查資料，評(píng)估了不同間伐強(qiáng)度喬木層碳貯量對撫育間伐的響應(yīng)，以期為遼寧省及整個(gè)紅松分布分區(qū)紅松碳匯核算提供科學(xué)依據(jù)，并為科學(xué)選擇紅松林增匯減排措施提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地點(diǎn)位于遼寧省本溪縣草河口鎮(zhèn)遼寧省森林經(jīng)營研究所試驗(yàn)林場的解放林內(nèi)，地理位置41°50′ E，124°5′ N，平均海拔645 m，坡度為15～20 °。年平均氣溫6.1～6.3 ℃，年最低氣溫-33 ℃，最高氣溫32 ℃，年均降雨量926.3 mm，年蒸發(fā)量1 118 mm，無霜期127 d。該地區(qū)屬長白山脈西南延伸部分，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。

植被為長白植物區(qū)系，原始闊葉紅松林已被砍伐殆盡，目前絕大多數(shù)地區(qū)已演變?yōu)橐宰跄玖趾碗s木林為主的次生林。該試驗(yàn)地紅松人工林營造于1949年，以解放林著稱于國內(nèi)外，造林密度為1 m×1 m。樣區(qū)分為極強(qiáng)間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、弱度間伐區(qū)，均設(shè)立于1967年。

1.2 樣地選擇 以遼寧省森林經(jīng)營研究所解放林內(nèi)長期固定樣地為研究對象，以多年持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)選擇樣地。各樣地的土壤類型均為棕色森林土，土層厚度30～60 cm，造林前植被均為山楊、樺樹次生林，面積均為1 000 m2。樣地基本情況見表1。

1.3 植被生物量調(diào)查與取樣

1.3.1 喬木層生物量。

根據(jù)對樣地內(nèi)人工紅松立木檢尺近50年的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、多年積累的解析木及生物量數(shù)據(jù)，進(jìn)行生物量生長方程擬合，可得到不同時(shí)期各間伐區(qū)內(nèi)喬木層生物量。選取標(biāo)準(zhǔn)木，分根、干、皮、葉、枝取樣，室內(nèi)烘干。

1.3.2 灌草層生物量。

在各間伐區(qū)破壞性樣地內(nèi)設(shè)3個(gè)1 m × 1 m樣方，依收獲法全部收獲灌木草本層植被，分地上部分和地下部分，室內(nèi)烘干，稱干質(zhì)量，據(jù)此測算樣地灌草層生物量。

1.3.3 凋落物層生物量。

在各間伐區(qū)破壞性樣地內(nèi)設(shè)3個(gè)1 m × 1 m樣方，收取樣方內(nèi)全部凋落物，室內(nèi)烘干，稱干質(zhì)量，據(jù)此測算樣地內(nèi)凋落物層生物量。

1.4 土壤調(diào)查與取樣

在各間伐區(qū)破壞性樣地內(nèi)隨機(jī)選3個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)按0～20、20～40、40～60 cm 分層。采用環(huán)刀法測定土壤容重。采用土鉆法分別取樣，室內(nèi)風(fēng)干，過60目篩。

1.5 碳濃度測定 植物和土壤樣品的碳濃度均采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法進(jìn)行測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)利用Excel軟件進(jìn)行整理、擬合、制表與做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度控制下人工紅松林生物量

2.1.1 紅松生物量營養(yǎng)器官分布。從圖1可見，各間伐強(qiáng)度下紅松的各營養(yǎng)器官中，干部的生物量占比最高，約為70.00%（68.62%～73.72%），其次是根部，約17.00%（16.72%～17.49%），而枝部和葉部的生物量占比相對較小，枝部占比6.88%～11.35%，葉部占比1.91%～3.32%。間伐對紅松各營養(yǎng)器官生物量的分布有一定影響。干部和根部的生物量占比隨著間伐強(qiáng)度的增加而降低，從大到小依次為對照區(qū)、弱度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、極強(qiáng)間伐區(qū)。而枝部和葉部的生物量占比隨著間伐強(qiáng)度的增加而增大，從大到小依次為極強(qiáng)間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、弱度間伐區(qū)、對照區(qū)。

密度對紅松喬木各營養(yǎng)器官生物量分布的影響可能與林分的空間結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。在間伐強(qiáng)度較大、林分密度較低的林分內(nèi)，人工林內(nèi)紅松個(gè)體間的競爭降低，同時(shí)單株紅松獲得了更多的生長空間，有利于其枝葉的橫向生長，因此在一定范圍內(nèi)隨著間伐強(qiáng)度的增大及單株紅松生長空間的增多，其枝葉的生物量占比增大。而對于間伐強(qiáng)度低、密度較高的林分，紅松為了在種內(nèi)競爭中爭取更多的光照，使得其將生物量向干部多分配，以增加高度，同時(shí)為了爭奪地下的養(yǎng)分和水分可能將生物量分配到根部，提高根系生物量，促進(jìn)養(yǎng)分與水分的吸收，而高密度下的紅松單株樹木的生長空間有限也限制了枝葉的生長，降低了枝部與葉部生物量的占比。

2.1.2 喬木層生物量。

林分水平的喬木層生物量與林分密度、不同器官生物量分配密切相關(guān)，從近50年的研究結(jié)果來看，密度控制能提高大徑材比重，提高林木質(zhì)量，對林分喬木層的總生物量產(chǎn)生影響，不同密度控制下林分喬木層生物量也有明顯差異，總生物量從大到小依次為為弱度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、 對照區(qū)、 強(qiáng)度間伐區(qū)、 極強(qiáng)間伐區(qū)（圖2）。弱度間伐區(qū)與中度間伐區(qū)紅松喬木的總生物量差異很小，但顯著高于對照區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)和極強(qiáng)間伐區(qū)，表明紅松人工林應(yīng)保持合理的密度才能夠平衡水熱及營養(yǎng)條件，促進(jìn)林分的生物量/累積，提高總生物量。密度過高（對照區(qū)）和密度過低（強(qiáng)度間伐和極強(qiáng)度間伐）都不利于紅松林總生物量的累積，如果密度間伐強(qiáng)度過大（極強(qiáng)度間伐）將會(huì)顯著降低林分生物量的累積。

從各營養(yǎng)器官的生物量累積來看，干部生物量從大到小依次為弱度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、 對照區(qū)、 強(qiáng)度間伐區(qū)、 極強(qiáng)間伐區(qū)；枝部生物量從大到小依次為中度間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、極強(qiáng)間伐區(qū)、弱度間伐區(qū)、對照區(qū)；葉部生物量從大到小依次為中度間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、極強(qiáng)間伐區(qū)、弱度間伐區(qū)、對照區(qū)；根部生物量從大到小依次為弱度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、 對照區(qū)、 強(qiáng)度間伐區(qū)、 極強(qiáng)間伐區(qū)（圖2）。

2.1.3 灌木草本層生物量。

撫育間伐會(huì)通過改變林分內(nèi)光照、溫度、水分、土壤等自然環(huán)境因子影響紅松林下不同物種的生長，并通過不同物種的種群生物量變化表現(xiàn)出來。從圖3可以看出，撫育間伐能促進(jìn)林下灌木草本的更新生長，并隨間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，林下灌木草本生物量從大到小依次為極強(qiáng)間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、弱度間伐區(qū)、對照區(qū)。且在不同間伐撫育區(qū)內(nèi)灌木草木層的地上部與地下部分生物量明顯不同，除中度間伐區(qū)外，其他樣地均是地下生物量大于地上生物量，這種現(xiàn)象與林下灌木草本的種類及數(shù)量相關(guān)。

2.1.4 凋落物層現(xiàn)存生物量。

紅松人工林凋落物主要由枝、葉和樹皮3部分組成，偶見松果。從現(xiàn)存生物量構(gòu)成來看，以凋落松針居多，其次是樹枝，其構(gòu)成比例不同，間伐區(qū)也有明顯差異（圖4）。凋落物現(xiàn)存量以中度間伐區(qū)最大，為3.77 t/hm2，其次是強(qiáng)度間伐區(qū)和極強(qiáng)間伐區(qū)，對照區(qū)凋落物生物量最少。

2.2 密度控制下紅松人工林碳貯量

2.2.1 喬木層碳貯量。

紅松不同器官對碳貯量的貢獻(xiàn)有明顯差異，由于碳貯量與生物量有直接聯(lián)系，因此紅松營養(yǎng)器官碳貯量分布規(guī)律與生物量分布規(guī)律基本一致。由表2可知，總體來看，紅松干部的碳貯量最大，其次是根部碳貯量，枝部和葉部較少。間伐對紅松林分總碳貯量具有明顯影響，從大到小依次為弱度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、對照區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、極強(qiáng)度間伐區(qū)，弱度間伐區(qū)和中度間伐區(qū)的年均固碳量在3 t/（hm2·a）以上。這主要是由于弱度間伐區(qū)和中度間伐區(qū)的干部和根部的固碳量要高于其他間伐強(qiáng)度區(qū)，而枝部和葉部碳貯量從大到小依次為中度間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、極強(qiáng)度間伐區(qū)、弱度間伐區(qū)、對照區(qū)，表明適度的間伐可以提高枝、葉的碳貯量。

2.2.2 凋落物層及草本層碳貯量。由表3可知，人工紅松林林下草本中度間伐區(qū)凋落碳貯量最大，其次是強(qiáng)度間伐區(qū)和極強(qiáng)間伐區(qū)，對照區(qū)凋落物碳貯量最少，這可能與樣區(qū)的風(fēng)速風(fēng)力等氣象因子及樹木枝葉的生長量相關(guān)。在凋落物的各組分中，樹葉的碳貯量最高，其次是樹皮，樹枝的碳貯量較少。樹枝碳貯量的稀少受人工紅松林修枝、撫育等經(jīng)營管理措施的影響。

由表4可知，林下草本的碳貯量隨間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，總碳貯量從大到小依次為極強(qiáng)間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、弱度間伐區(qū)、對照區(qū)。林下草本地下部碳貯量從大到小依次為極強(qiáng)間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、弱度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、對照區(qū)，林下草本地上部分碳儲(chǔ)量從大到小依次為極強(qiáng)間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)、中度間伐區(qū)、弱度間伐區(qū)、對照區(qū)?？傮w來看，紅松人工林下植被碳貯量較低，但不同間伐強(qiáng)度林下草本碳貯量差別較大，極強(qiáng)間伐區(qū)林下草本碳貯量是對照區(qū)的6.30倍，弱度間伐區(qū)也達(dá)到了對照區(qū)的2.43倍，表明間伐有效提高了林下草本的碳貯量。

2.2.3 不同間伐區(qū)土壤層碳貯量。

由表5可知，中度間伐區(qū)紅松林土壤有機(jī)碳含量最大，達(dá)151.93 t/hm2，其次是對照區(qū)，而弱度間伐區(qū)、強(qiáng)度間伐區(qū)和極強(qiáng)間伐區(qū)土壤有機(jī)碳貯量均低于對照區(qū)。0～20 cm土層土壤有機(jī)碳貯量最大，隨著深度的增大而降低。0～20和20～40 cm土層土壤中對照區(qū)土壤有機(jī)碳貯量最大，40～60 cm土層中度間伐區(qū)土壤有機(jī)碳貯量最大。

2.3 不同間伐區(qū)紅松碳貯量分配格局 由表6可知，通過對不同間伐強(qiáng)度紅松人工林的喬木層、草本層、凋落物層和土壤層從上到下4個(gè)層次碳貯量空間分布格局進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)紅松人工林碳貯量從大到小依次為喬木層、土壤層、凋落物層、草本層，呈上層和底層較多而地面草本和凋落物層較少的格局。對照區(qū)由于未實(shí)施間伐，其總體的碳貯量較高，達(dá)333.63 t/hm2，中度間伐區(qū)碳貯量最高，達(dá)到351.42 t/hm2，其中極強(qiáng)間伐區(qū)的碳貯量最低，僅257.16 t/hm2，說明高強(qiáng)度的間伐降低了紅松人工林的碳匯能力。在紅松人工林內(nèi)，喬木層是最重要的碳匯，占整個(gè)紅松人工林碳貯量的50%以上，其次是土壤層的碳貯量，再次是凋落物層，最后是林下草本層。草本層的碳貯量相對較少，所占比重較低，這與紅松人工林下植被較少的情況相符合。

3 結(jié)論與討論

面對大氣CO2濃度提高、溫度升高所帶來的日益惡化生態(tài)環(huán)境，營造紅松人工林成為人們提高森林碳匯、降低大氣CO2濃度的重要措施，而不同的森林經(jīng)營措施會(huì)影響其碳吸存的結(jié)果。如何經(jīng)營管理才能達(dá)到紅松人工林增匯效果是近期生態(tài)和林業(yè)管理工作者研究的熱點(diǎn)問題[10-11]。筆者細(xì)致分析了不同間伐強(qiáng)度對紅松林碳匯功能的長期影響，揭示了不同間伐強(qiáng)度人工紅松林碳貯量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以及間伐對喬木層、草本層、凋落物層、土壤層碳貯量的影響，并分析了紅松林碳貯量的空間格局。該研究結(jié)果為科學(xué)評(píng)估我國森林碳貯量提供了基礎(chǔ)資料，為紅松人工林生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理及合理經(jīng)營提供了參考和依據(jù)。

與閆平等[12]對涼水地區(qū)原始闊葉紅松林碳貯量的研究結(jié)果相比，該研究中草河口解放林的人工紅松林的喬木層碳貯量要高于涼水地區(qū)原始闊葉松林，這可能是由于人工林林齡較長，加之管理有效以及地區(qū)間氣候地理?xiàng)l件的差異引起的。但該研究中人工紅松林的土壤有機(jī)碳貯量卻低于涼水原始闊葉紅松林。王彥梅等[13]研究表明，天然林轉(zhuǎn)化為人工林會(huì)降低土壤有機(jī)碳的含量。由于紅松在生長過程中需要大量吸收土壤養(yǎng)分，而紅松凋落物分解緩慢，加之在紅松經(jīng)營管理過程中會(huì)修枝等的影響，因此導(dǎo)致紅松人工林的碳貯量要低于原始闊葉紅松林。同時(shí)，可能同樣是基于上述原因造成了紅松人工林系統(tǒng)中喬木層碳貯量略高于土壤碳貯量，使得紅松人工林碳貯量的空間格局與原始闊葉紅松林[12]、馬尾松林[14]和楠木林[15]不同。

密度對紅松人工林的碳貯量及其空間格局有較大影響。張國慶等[14]研究表明，馬尾松人工碳貯量隨密度的增加而增大，這與筆者的研究結(jié)果有差別。在中長期時(shí)間尺度上，間伐會(huì)不同程度地減少紅松的碳匯功能，但這種減少與間伐強(qiáng)度不是簡單的正比例關(guān)系，選擇適宜的間伐密度可有效減少間伐對碳匯的影響。由于在實(shí)際生產(chǎn)中考慮到紅松大徑材培育和結(jié)實(shí)量等因素，不間伐是不可能的，因此應(yīng)科學(xué)選擇間伐強(qiáng)度，既保證木材質(zhì)量和結(jié)實(shí)量，又可以實(shí)現(xiàn)較高的碳匯功能。

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