間伐補植對馬尾松低效林生長及林分碳密度的短期影響

郭麗玲 潘 萍 歐陽勛志 寧金魁 李 琦 吳佳昊

( 江西農(nóng)業(yè)大學林學院，江西 南昌 330045)

森林承載著全球86%的植被碳庫和73%土壤碳庫[1]，其每年固定的碳量約為人類活動所排放碳量的10倍，在調(diào)節(jié)全球氣候系統(tǒng)碳平衡中起著重要作用[2]。然而，由于人口的增長和過度開發(fā)利用森林資源等因素致使“森林資源數(shù)量減少”以及“森林退化”等生態(tài)環(huán)境問題日益突顯[3-4]，其過度開發(fā)利用導致不少低效林；而在森林恢復中由于違背適地適樹原則、經(jīng)營管理粗放、密度過大等原因也導致較大面積低效林的出現(xiàn)[5]。大面積林分生產(chǎn)力、固碳等生態(tài)功能差的低效林嚴重制約著林業(yè)可持續(xù)發(fā)展，因此如何提升低效林的質(zhì)量是經(jīng)營中亟待解決的問題，也是當前森林質(zhì)量精準提升的主要任務(wù)之一。大量學者對低效林進行了相關(guān)研究，但多集中在低效林的成因、劃分、改造措施以及改造后林分生物多樣性、土壤理化性質(zhì)等方面。如宋繼琴[6]通過分析北京大興區(qū)低效林的形成原因分別將低效林劃分為5種類型，針對各類型林分特征提出相應(yīng)的改造措施，通過調(diào)查篩選得出適合各低效林類型的改造樹種；魏天興等[7]對優(yōu)化改造后的低質(zhì)低效人工林進行林下植被多樣性研究表明移植大苗木所需的整地措施和補植、新造林木密度越大導致的地表破壞會使林下植物物種減少，同時定期采取疏伐、修理等措施使林分保持合理的密度能夠促進植被結(jié)構(gòu)的完善以及林下植被多樣性的恢復；李平等[8]以4種改造模式的柏木（Cupressus funebris）低效林為研究對象，分析得出改造10年后柏木+榿木（Alnus cremastogyne）+雜交竹模式對提高植物多樣性以及土壤有機碳方面較其他3種模式要大。然而，在改造技術(shù)對低效林碳密度影響方面的研究較為缺乏，而提高低效林的固碳能力也是森林經(jīng)營的重要任務(wù)之一。

馬尾松（Pinus massoniana）廣泛分布于我國長江流域及其以南各省區(qū)，具有適應(yīng)性強、耐干旱與貧瘠的特點。近年來馬尾松林已經(jīng)成為我國南方退化面積最大的森林類型[9]，主要具有林分結(jié)構(gòu)單一、林木長勢較差、地力衰退、生長量低、生物多樣性下降、生態(tài)功能低下等特征，而在馬尾松純林林下補植鄉(xiāng)土闊葉樹營造異齡針闊混交林是修復馬尾松低效林分的一條有效途徑。不少學者對馬尾松低效林的形成原因、改造措施和改造后土壤穩(wěn)定性、枯落物持水性等方面[10-12]進行了研究，而在有關(guān)經(jīng)營措施對馬尾松低效林林木生長和林分碳密度方面的研究較少，且碳密度的研究多集中在某一層次，對喬木層-林下植被層-凋落物層-土壤層碳密度的綜合性研究更少。因此，本研究以馬尾松低效林為研究對象，依據(jù)林分結(jié)構(gòu)特征等因素確定間伐補植的綜合措施，探討其對林木生長及各層次碳密度的影響，為馬尾松低效林的改造提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省吉安市的遂川縣，地處北緯 25°28′～26°42′，東經(jīng) 113°56′～114°45′，全境以山地為主，土壤以紅壤為主，成土母巖主要為千枚巖、花崗巖、板巖、砂巖等。氣候為中亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫為15.1～18.1℃，年平均降雨量為1 421.2 mm，年平均無霜期為284 d。研究區(qū)森林資源豐富，森林覆蓋率達77.4%，主要植被群落有針葉林、常綠闊葉林、針闊混交林、竹林等，常見樹種主要有杉木（Cunninghamia lanceolata）、馬尾松、濕地松（Pinus elliotii）、木荷（Schima superba）、香樟（Cinnamomum camphora）以及南方紅豆杉（Taxus chinensisvar.mairei）、銀杏（Ginkgo biloba）、閩楠（Phoebe bournei）等珍貴稀有樹種。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

20世紀90年代初，為了控制水土流失，恢復森林植被，在遂川縣進行了大面積的飛播馬尾松造林，由于立地條件較差以及經(jīng)營管理粗放等原因，不少飛播馬尾松林為低效林，其主要表現(xiàn)為林分密度較高、林木長勢較差、生長量低、林下灌木少，草本主要為鐵芒萁（Dicranopteris linearis）等。2013年12月，選擇具有代表性的地段設(shè)置作業(yè)與對照配對典型固定樣地，共設(shè)置10個樣地，5次重復，樣地面積為400 m2（20 m×20 m），對照樣地與作業(yè)樣地在林分結(jié)構(gòu)特點、立地條件等方面基本一致?？紤]到林分樹種結(jié)構(gòu)單一、密度偏大，確定采用間伐補植措施，并根據(jù)其林分特征及立地條件，確定間伐強度及補植樹種（表1），其目標是培育復層異齡針闊混交林，補植后前3年每年實施2次（3—5月、9—10月）砍雜撫育，對照樣地不進行任何人為措施。

2.2 樣地調(diào)查

調(diào)查林分及立地等因子，對樣地內(nèi)胸徑≥2 cm的喬木進行每木檢尺并編號（2015年1月、2016年3月、2017年7月分別進行了復查）。按上、中、下布設(shè)3個2 m×2 m的灌木樣方，在所選灌木樣方中各設(shè)置1個1 m×1 m的草本樣方和0.5 m×0.5 m的凋落物樣方，調(diào)查其種類、數(shù)量及蓋度等因子，并采用“樣方全收獲法”調(diào)查林下植被（灌、草層）與凋落物層生物量，灌木分葉、枝、根，草本分地上、地下部分收集并稱鮮質(zhì)量，各取約200 g的樣品帶回實驗室烘干并進行實驗分析（2013年12月、2017年7月調(diào)查2次）。在樣地內(nèi)選擇代表性地段挖深度達母巖的土壤剖面，記錄土壤厚度、腐殖質(zhì)層厚度以及石礫含量等因子，采用環(huán)刀法（體積為100 cm3）按0～10、10～20、20～30 cm土層分別取樣用于測定土壤容重，同時每層取約1 kg的土壤帶回實驗室自然風干用于測定土壤有機碳含量（2013年12月、2017年7月在同一土壤剖面上取樣2次）。

表 1 樣地基本特征一覽表（2013年）Table 1 Sample basic features in 2013

2.3 測算方法

2.3.1 林木平均胸徑及平均單株材積計算

胸徑采用圍徑尺測量，并利用調(diào)查得到的胸徑數(shù)據(jù)。通過查江西省立木一元材積表獲得單株材積，計算方法采用加權(quán)平均法。

2.3.2 生物量計算

喬木層生物量的測定采用相對生長方程估算法，參考LY/T 2263—2014《立木生物量模型及碳計量參數(shù)—馬尾松》標準選擇其相對生長方程[13]，見式（1）～（2）。林下植被層與凋落物層生物量的測定通過對所有樣品進行烘干至恒質(zhì)量，計算其含水率，以估算林下植被及凋落物層的生物量。式中：W地上、W地下分別表示喬木地上部分生物量和喬木地下部分生物量（t/hm2），D表示胸徑（cm）。

2.3.3 碳含量測定

將烘干的灌木、草本、凋落物樣品及風干的土壤樣品研磨粉碎，過0.25 mm篩，所有樣品均采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定其碳含量。

2.3.4 碳密度計算

喬木層碳密度的計算是喬木層生物量和碳含量的乘積，馬尾松碳含量采用肖欣[14]的測定數(shù)據(jù)，而林下植被層、凋落物層碳密度為各組分生物量乘以相對應(yīng)的碳含量之和。土壤剖面的碳密度計算基于各土層土壤有機碳含量、土壤容重、土層厚度，土壤碳密度計算公式為[15]：式中：Dsoc表示土壤碳密度（t/hm2），Ci表示土壤有機碳含量（g/kg），Di表示土壤容重（g/cm3），Ei表示土層厚度（cm），Gi表示直徑大于2 mm的石礫所占體積百分比（%），k表示土層數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 17.0軟件進行配對樣本T檢驗，差異顯著性以P＜0.05為基準。統(tǒng)計數(shù)據(jù)及圖表的繪制采用Excel 2010。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐補植對林木生長的影響

由表2可知，間伐補植措施實施4 a后，作業(yè)與對照樣地的林木平均胸徑、平均單株材積均有不同程度的增加。其中，作業(yè)樣地林木平均胸徑、平均單株材積4 a生長量分別比對照樣地高出0.7 cm、0.003 4 m3，分別比對照樣地提高了77.78%、109.68%，且配對樣本T檢驗表明作業(yè)樣地與對照樣地存在顯著差異（P＜0.05）。

表 2 林木平均胸徑、平均單株材積及其生長量Table 2 The average DBH and volume of individual tree and its growth

3.2 間伐補植對碳密度的影響

3.2.1 喬木層碳密度

從表3可知，實施間伐補植措施4 a后，馬尾松低效林的作業(yè)與對照樣地喬木層碳密度均呈增加趨勢，其作業(yè)與對照樣地喬木層碳密度4 a增長量分別為5.78 t/hm2和4.10 t/hm2。通過配對樣本T檢驗分析表明作業(yè)樣地顯著低于對照樣地（P＜0.05），且比對照樣地減少1.68 t/hm2，這說明間伐補植措施對增加馬尾松低效林喬木層碳密度有顯著減慢作用。

3.2.2 林下植被層及凋落物層碳密度

從表4可以看出，對照樣地的林下植被層碳密度比2013年增加0.41 t/hm2，而凋落物層碳密度則減少0.09 t/hm2；作業(yè)樣地的林下植被層碳密度較2013年減少1.08 t/hm2，但其凋落物層碳密度則增加0.37 t/hm2。分析表明作業(yè)與對照樣地的林下植被層碳密度4 a增長量存在極顯著差異（P＜0.01），而凋落物層碳密度則表現(xiàn)為顯著差異（P＜0.05）。說明采取間伐補植措施對馬尾松低效林的林下植被層碳密度具有極顯著減少作用，而對凋落物層碳密度有顯著增加作用。

表 3 喬木層碳密度及其增長量Table 3 The carbon density and its growth of arbor layer

表 4 林下植被層、凋落物層碳密度及其增長量Table 4 The carbon density of understory vegetation and litter layers and its growth t/hm2

3.2.3 土壤層碳密度

由表5可知，作業(yè)與對照樣地的土壤各層碳密度均隨土層深度的增加而逐漸降低，其0～10 cm土壤碳密度最大。間伐補植4 a后，作業(yè)與對照樣地各土層土壤碳密度的變化規(guī)律不盡相同，對照樣地表現(xiàn)為除0～10 cm土層土壤碳密度保持不變外，10～20、20～30 cm土層土壤碳密度均呈現(xiàn)增加趨勢，而作業(yè)樣地則表現(xiàn)為除10～20 cm土層土壤碳密度減少外，其他土層土壤碳密度均呈現(xiàn)增加趨勢。

間伐補植4 a后，作業(yè)樣地土壤總碳密度4 a增長量為0.49 t/hm2，對照樣地則為2.68 t/hm2，作業(yè)樣地比對照樣地減少2.19 t/hm2。其中作業(yè)樣地0～10 cm土層土壤碳密度4 a增長量比對照增加0.19 t/hm2，而10～20、20～30 cm土層則分別比對照減少0.90、1.48 t/hm2。通過配對樣本T檢驗結(jié)果表明馬尾松低效林作業(yè)樣地與對照樣地土壤各層次及總碳密度4 a增量均存在顯著性差異（P＜0.05）。

表 5 土壤碳密度及其增長量Table 5 The carbon density of soil layers and its growth t/hm2

3.2.4 林分總碳密度

間伐補植措施實施4 a后，馬尾松低效林作業(yè)與對照樣地的林分總碳密度存在不同程度的增加（表6）。其中作業(yè)樣地由間伐補植前的44.05 t/hm2增加到47.93 t/hm2，對照樣地則由44.88 t/hm2增加到53.67 t/hm2。經(jīng)過分析表明作業(yè)樣地的林分總碳密度4 a增長量顯著低于對照樣地（P＜0.05），且作業(yè)樣地比對照樣地減少4.91 t/hm2。

表 6 林分總碳密度及其增長量Table 6 The total carbon density of stand and its growth

4 結(jié)論與討論

本研究表明，間伐補植措施對馬尾松低效林的林木平均胸徑、平均單株材積的生長具有顯著的促進作用。由于監(jiān)測時間較短，補植措施的效應(yīng)表現(xiàn)還不明顯，則在短期內(nèi)間伐措施是影響馬尾松低效林林木生長的主要因子。大量研究均表明合理間伐能有效加快林木生長[16-18]，主要原因可能是通過采取合理的間伐措施砍除了干擾林分生長的不良林木，保留長勢較好的林木，有效降低了林木間的競爭壓力，并且林內(nèi)光照、濕度、溫度等條件得到相應(yīng)的改善，使得保留林木能獲得更多的生長資源，從而促進林木的生長。同時，也有不少研究表明，采取有效的間伐和合理補植，能夠有效降低林木競爭壓力，促進林木生長和林下天然更新，充分發(fā)揮林地生產(chǎn)力，引導林分的正向演替[19-21]，如陳瑩瑩[22]的研究表明間伐補植闊葉樹對杉木林的生長有促進作用。針對飛播馬尾松林的經(jīng)營研究大多學者都表明間伐措施能有效促進林木生長[23-24]，且林惠章等[25]的研究中表明補植木荷有利于改善飛播馬尾松林的土壤養(yǎng)分狀況。因此今后在進行飛播類馬尾松低效林改造時可考慮采取適當?shù)拈g伐補植措施，以達到提高其林地質(zhì)量、促進林分健康生長的目的。當然，為全面系統(tǒng)的了解間伐補植措施對馬尾松低效林的作用機制，還需對其林分進行長期的監(jiān)測。

研究結(jié)果顯示，間伐補植措施對增加馬尾松低效林的喬木層碳密度具有顯著減緩作用，主要的原因是間伐措施移除了大量林木直接導致喬木層碳密度的降低，盡管保留木生長質(zhì)量得到提高，但由于監(jiān)測時間較短，短期內(nèi)暫時彌補不了從林分中帶走的喬木碳[26]，同時補植林木前期生長緩慢并未開始發(fā)揮其固碳效益。而對其林下植被層碳密度呈現(xiàn)極顯著降低作用，這與明安剛等[27]對馬尾松和杉木人工林的研究結(jié)果相一致，分析其原因可能是補植措施實施后，為改善補植林木生長環(huán)境并保證成活率，對作業(yè)樣地實施撫育砍雜，從而導致其碳密度下降。凋落物層碳密度則表現(xiàn)為顯著增加，雖然大量研究表明合理間伐有利于促進凋落物的分解，但撫育砍雜措施大大增加了凋落物現(xiàn)存量，同時導致林內(nèi)溫度上升、濕度下降，減緩凋落物的分解速率等，故其碳密度在短期內(nèi)有所增加。間伐補植措施對馬尾松低效林土壤碳密度的增加具有顯著的減慢作用，由于土壤有機碳含量的差異受植被的分解速率和養(yǎng)分歸還量的影響[28]，而間伐補植措施通過移除大量林木、砍除林下植被使得林內(nèi)太陽輻射增加，土壤溫度升高，從而降低凋落物的分解速率，加速土壤呼吸速率、土壤微生物呼吸速率以及土壤有機質(zhì)的分解等，不利于土壤有機碳的積累[29-30]，同時還受林木在生長環(huán)境改善的刺激下對土壤養(yǎng)分大量吸收的影響。

總體上，間伐補植措施對馬尾松低效林林分總碳密度的增加速率具有顯著降低作用，可能是本研究研究期較短，在短期內(nèi)累積的有機質(zhì)有限，同時間伐措施導致大量碳的損失仍未完全恢復，說明在短期內(nèi)間伐對林分碳密度的影響起著主要作用。此結(jié)論與丁波等[31]的研究結(jié)果一致，而補植林木對林分碳密度的影響還不明顯，需要進一步的長期系統(tǒng)的觀測。雖然本研究得出在短期內(nèi)間伐補植措施對林分總碳密度的增加具有顯著降低作用，但丁波等[32]的研究表明馬尾松人工林中齡林階段以22%的間伐強度（1 566株/hm2）時對提高林分生物量增長量最為有利，同時王會利等[33]的研究表明低效濕地松、馬尾松純林采取異齡混交闊葉樹后有利于提高土壤肥力，促進林木的生長。因此，為改善飛播類馬尾松低效林的林分結(jié)構(gòu)，增加林分固碳能力和林分物種多樣性，間伐補植措施是一條有效途徑。