桂西北禿杉人工林不同年齡階段的固碳功能

謝敏洋，何 斌＊，戴 軍，黃振格，周 剛，張日施

(1. 廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西森林生態(tài)和保育重點實驗室，廣西 南寧 530004；2. 廣西國有維都林場，廣西 來賓 546000)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[1]，人工林作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在增加森林碳匯和碳吸存能力、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[2-4]。中國是世界人工林面積最大的國家，其森林植被碳匯功能主要來自于人工林的貢獻。因此，通過造林、再造林等活動增加森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定量，已成為推進中國碳匯林業(yè)發(fā)展和實施碳減排計劃最主要的途徑，而營造具有收獲木材和固碳雙重功能的新型人工林則是其重要固碳手段之一[5-6]。近十多年來，國內(nèi)外學(xué)者先后對楊樹(PopulusL.）[7]、杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)[8-9]、馬尾松（Pinus massonianaLamb.）[10]、桉樹（EucalyptusrobustaSmith)[11]、興安落葉松（Larix gmelinii(Rupr.) Kuzen.）[12]、 日 本 落 葉 松（ L arix kaempferi （ L amb. ） Carr ）[13]等人工林的碳匯功能開展了大量的研究，為人工林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能及其生態(tài)效益的評估提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

杉木是我國南方山地主要的造林樹種之一[14]，在我國林業(yè)生產(chǎn)和木材戰(zhàn)略儲備基地建設(shè)中具有重要的地位；但由于杉木連栽導(dǎo)致地力嚴重衰退和生態(tài)功能下降等問題日趨嚴重[15-16]。因此，尋找和解決杉木采伐跡地更新的經(jīng)營措施和技術(shù)途徑，對森林可持續(xù)經(jīng)營和林業(yè)生態(tài)安全具有重要意義和作用。禿杉（Taiwania flousianaGaussen）為杉科臺灣杉屬珍稀樹種，具有適應(yīng)性強、速生、生物生產(chǎn)力及出材率高和材質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點[17]，已成為南方中低山區(qū)杉木采伐跡地更新的優(yōu)良替代樹種和退耕還林地的重要栽培樹種[18]。由于禿杉生長的成熟期和衰退期均較晚，速生期持續(xù)時間長，而且沒有出現(xiàn)杉木大徑材因處于成熟或過熟期而容易發(fā)生的枯梢及木材心腐現(xiàn)象，因此，更適合培育大徑材[19]和國家木材戰(zhàn)略儲備林。據(jù)統(tǒng)計，廣西禿杉人工林造林面積從2009 年約2 000 hm2發(fā)展到2017 年約1.3 萬hm2，并繼續(xù)以較高的增長速度持續(xù)增加。目前，有關(guān)禿杉人工林碳儲量的研究已有一些報道[20-23]，但均集中在以培育中小徑材為經(jīng)營目標(biāo)且采用較高林分密度經(jīng)營的中、幼齡林。為此，本文以廣西西北部南丹縣不同年齡階段（9、17、25、37 年生）禿杉林為研究對象，采用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查和室內(nèi)分析方法，對不同年齡階段禿杉人工林生態(tài)系統(tǒng)碳含量、碳儲量、年凈固碳量及其分布進行對比分析，以揭示禿杉林生長過程中生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能及其變化趨勢，為合理評估禿杉林尤其是大徑級用材林的生態(tài)效益及發(fā)揮其碳匯功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西西北部的南丹縣山口林場。南丹縣（107°1′～107°55′ E、24°42′～25°37′ N）地處云貴高原邊緣，地貌以中低山為主，海拔高度多數(shù)在500～1 000 m，具有高原山區(qū)的氣候特點和變化規(guī)律。年平均溫度16.9℃，年平均降水量1 498 mm，試驗地海拔950～1 020 m，土壤母質(zhì)（母巖）為砂頁巖，風(fēng)化程度較深，土壤類型為山地黃壤，平均土層厚度80 cm 以上，腐殖質(zhì)層厚度18～25 cm。

各年齡階段禿杉林前茬林分均為杉木純林，分別于各自造林前一年冬天采伐，經(jīng)煉山和清理雜物后挖穴整地，種植穴規(guī)格為0.4 m×0.4 m×0.3 m。第2 年3—4 月用林場苗圃培育的1 年生實生苗（貴州雷公山種源）定植，造林密度為2 500 株·hm－2（株行距2 m×2 m）。禿杉造林后前3 年的春季和秋季各進行1 次鏟草撫育， 造林后第9～10、14～15、19～20 年分別進行間伐，間伐強度分別約為25%、20%、30%，生長期間沒有進行人工施肥。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與植被生物量測定

2.1.1 樣地設(shè)置 根據(jù)南丹山口林場不同林齡禿杉林林分分布狀況，于2018 年3—4 月在地理位置毗鄰、立地條件相似的地段，分別選取9、17、25、37 年生禿杉林為研究對象，在不同林齡的禿杉林內(nèi)分別設(shè)置3 個樣地，樣地大小為600 m2（20 m×30 m）。

2.1.2 林分生長調(diào)查 調(diào)查指標(biāo)包括樣地林冠郁閉度、林分密度，林木胸徑、樹高、冠幅和枝下高。計算平均胸徑和平均樹高。各林齡樣地基本情況見表1。

表1 禿杉人工林樣地概況Table 1 The plots information of T. flousiana plantations

2.1.3 喬木層生物量測定 為了不破壞禿杉林樣地的林分，在每個年齡階段樣地外選擇3 株平均木并伐倒，采用 “Monsic 分層切割法” 分別測定地上部分樹葉、樹枝、干皮和干材鮮質(zhì)量，地下部分采用“全根挖掘法” 將各種根系挖出并測定其鮮質(zhì)量[20]；同時按 “混合取樣法” 采集各器官樣品500～600 g帶回實驗室后于80℃烘箱中烘干，測定含水率和干質(zhì)量。

2.1.4 灌木層、草本層和凋落物層生物量測定 在每個樣地內(nèi)按對角線設(shè)置2 m×2 m 小樣方3 個，調(diào)查其植物種類、個體數(shù)、高度和覆蓋度等。采用“樣方收獲法” 按灌木層、草本層和凋落物層測定鮮質(zhì)量，采集樣品約500 g 帶回實驗室后于80℃烘箱中烘干，測定含水率和干質(zhì)量。

2.1.5 年凋落物歸還量測定 在每個樣地內(nèi)隨機設(shè)置5 個1 m×1 m 正方形木框架尼龍網(wǎng)收集器，尼龍網(wǎng)的孔徑為1 mm，每月月底收集凋落物1 次，按凋落葉、凋落枝和雜物等組分分別烘干后測定干質(zhì)量。

2.1.6 土壤樣品采集 在每塊樣地內(nèi)，按S 形在每個樣地內(nèi)設(shè)置5 個土壤剖面，將土壤剖面分0～20、20～40、40～60、60～80 cm 4 個層次。在每個層次分別取土壤約500 g，并將同一樣地內(nèi)不同土壤剖面同一層次的土壤樣品混合裝袋，帶回實驗室并自然風(fēng)干；同時用環(huán)刀采集原狀土測定土壤容重[18]。

2.2 植物和土壤碳儲量計算方法

2.2.1 植物層生物量計算方法 利用調(diào)查時獲得喬木層各器官、灌木層、草本層、凋落物層的干/鮮質(zhì)量比計算其相應(yīng)組分含水率，然后根據(jù)鮮質(zhì)量和含水率估算各結(jié)構(gòu)層次生物量或現(xiàn)存量[21]。

2.2.2 碳含量測定方法 在測定各結(jié)構(gòu)層次植物生物量的同時，選取各組分樣品粉碎過0.5 mm 篩，與經(jīng)自然風(fēng)干并研磨過0.149 mm 篩的土壤樣品分別裝瓶待測。植物和土壤樣品碳含量均采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[24]。

2.2.3 碳儲量計算方法 根據(jù)喬木層各器官、灌木層、草本層和凋落物層生物量及其測定相應(yīng)碳含量，計算生態(tài)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)層次的碳儲量。計算公式如下：

植物各組分碳儲量(t·hm－2)=植物各組分生物量(t· hm－2)×植物各組分碳含量(g·kg－1)/1 000

各土層碳儲量(t·hm－2)=土層厚度(m)×土壤容重(g·cm－3)×10 000(m2)×有機碳含量(g·kg－1)/1 000

式中：10 000 為每公頃面積的m2數(shù)量。

生 態(tài) 系 統(tǒng) 碳 儲 量(t·hm－2)=喬 木 層 碳 儲 量(t·hm－2)+灌 木 層 碳 儲 量(t·hm－2)+草 本 層 碳 儲 量(t·hm－2)+凋落物層碳儲量(t·hm－2)+土壤層碳儲量(t·hm－2)

喬木層各器官年凈固碳量(t·hm－2·a－1)=喬木層各器官年平均生物量(t·hm－2)×各器官碳含量(g·kg－1)/1 000

式中：除樹葉按其生長時間4 年計算外，其他器官均按林齡計算。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

運用Excel 2013 進行數(shù)據(jù)的整理和計算，采用SPSS 22.0 軟件對各年齡階段禿杉人工林不同結(jié)構(gòu)層次碳儲量等數(shù)據(jù)間的差異性進行單因素方差分析（ANOVA），同時進行Duncan 多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同年齡階段禿杉林不同結(jié)構(gòu)層次碳含量

從表2 可看出：不同林齡禿杉平均碳含量為471.6～483.0 g·kg－1，按碳含量由高到低為25、37、17、9 年生；各林齡林木不同器官碳含量均以干皮最高，其次是樹枝、干材或樹根，樹葉最低。林分其他結(jié)構(gòu)層次中（表3），灌木層、草本層、凋落物層碳含量分別為446.9～461.3、387.0～412.5、410.5～438.2 g·kg－1。相同林齡群落各結(jié)構(gòu)層次植物碳含量均以喬木層最高，其次是灌木層，草本層較低，表現(xiàn)為隨植物個體高度或組織木質(zhì)化程度降低而遞減的變化趨勢。

不同年齡階段禿杉林土壤碳含量在剖面分布上均呈隨土壤深度增加而明顯下降的趨勢（表3），其中，0～20 cm 土層碳含量明顯高于其它土層，但相鄰?fù)翆娱g碳含量的差異隨土壤深度增加而逐漸減??；在同一土層中，均以9 年生最低，表現(xiàn)為隨林齡增加而增大，其中，0～20、20～40、40～60 cm 土層中，37 年生與9 年生碳含量間差異顯著（P＜0.05）。

表2 不同林齡禿杉各器官碳含量Table 2 Carbon content in various organs of T. flousiana at different ages g·kg－1

表3 不同林齡禿杉林灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳含量Table 3 Carbon contents in Shrub, herb litter and soil layers of T. flousiana plantation at different ages g·kg－1

3.2 不同年齡階段禿杉林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分配

由表4 可看出：9、17、25、37 年生禿杉林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分別為180.39、 223.24、 254.65、314.59 t·hm－2，隨林齡增加而顯著增大（P＜0.05）。喬木層作為禿杉林生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，9、17、25、37 年生碳儲量依次為36.34、75.28、97.56、146.92 t·hm－2, 分別占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的20.15%、33.72%、38.31%、46.70%；其中，干材碳儲量依次占喬木層碳儲量的47.14%、57.51%、62.93%、69.89%； 樹枝碳儲量依次占22.01%、 18.53%、15.59%、9.96%；樹根、樹葉和干皮碳儲量依次占11.82%～14.64%、2.93%～11.64%、4.17%～4.57%。

9、17、25、37 年生禿杉林灌草層碳儲量分別為0.66、1.47、2.23、2.60 t·hm－2，隨林齡增加而增大，表現(xiàn)出與林分郁閉度（表1）相反的變化趨勢，說明林分郁閉度既影響到灌草層的生長，同時也影響到灌草層碳儲量的生物積累；凋落物層碳儲量分別為0.92、2.07、2.96、4.43 t·hm－2，隨林齡增加而增大，說明禿杉林的生長過程有利于凋落物碳儲量的生物積累；土壤層（0～80 cm）碳儲量分別為142.47、144.42、151.90、160.64 t·hm－2，分別占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的78.98%、64.69%、59.69%、51.06%；各年齡階段土壤碳儲量均隨土層加深而逐漸遞減，其中，0～20 cm土層碳儲量遠高于其他土層，占土壤層碳儲量的48.13%～48.77%。

表4 不同林齡禿杉林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分配Table 4 Carbon storage and spatial distribution of T. flousiana plantation ecosystem at different ages t·hm－2

3.3 不同年齡階段禿杉林年凈固碳量的估算

年凈固碳量反映了森林碳匯功能的強弱，是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)吸收和固定CO2量的重要指標(biāo)。從表5 可見：9、17、25、37 年生禿杉林年凈固碳量 分 別 為5.42、 7.15、 7.32、 7.03 t·hm－2·a－1， 其中，17、25、37 年生間差異不顯著（P＞0.05），且均顯著高于9 年生（P＜0.05）。不同年齡階段喬木層年凈固碳量依次為4.62、5.28、5.02、4.95 t·hm－2·a－1， 分 別 占 林 分 年 凈 固 碳 量 的85.24%、73.85%、68.58%、70.41%。各器官中，干材年凈固碳量最大，其次是樹葉、樹枝和樹根，干皮的最小。年凋落物凈固碳量分別為0.80、1.87、2.30、2.08 t·hm－2·a－1，分別占14.76%、26.15%、31.42%、29.59%。

表5 不同林齡禿杉林年凈固定碳量Table 5 Annual carbon sequestration of T. flousiana plantation at different ages

4 討論

森林碳儲量的大小取決于其生物量和含碳系數(shù)。目前，國內(nèi)外研究者在進行森林碳儲量計算時采用500 g·kg－1或450 g·kg－1作為轉(zhuǎn)換系數(shù)進行估算[25-27]。本研究中，不同林齡禿杉平均碳含量為471.6～483.0 g·kg－1，與相同或相近區(qū)域桂西北西南樺（Betula alnoides Buch.-Ham. ex D. Don）平均碳含量（466.7 g·kg－1）[28]、廣西南寧市不同林齡馬占相思（Acacia mangium Willd.）平均碳含量（478.8～482.0 g·kg－1）[29]、Elias 等[30]對32 個熱帶森林樹種碳含量 (444.0～494.5 g·kg－1）研究結(jié)果基本一致，低于福建省南平市不同發(fā)育階段杉木平均碳含量（493.0～519.9 g·kg－1）[31]和福建省順昌縣馬尾松不同發(fā)育階段平均碳含量（496.9～525.9 g·kg－1）[32]，說明林木中碳含量的多少與樹種密切相關(guān)，同時也受林齡或生長階段等影響。本研究中，各林齡禿杉平均碳含量均在450～500 g·kg－1間，但不同林齡之間存在差異，因此，如果采用上述系數(shù)分別計算不同年齡階段禿杉林碳儲量時，可能因為高估或低估禿杉林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，從而導(dǎo)致結(jié)果偏差。

桂西北9、17、25、37 年生禿杉林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分別為180.39、223.24、254.65、314.59 t·hm－2，其中， 喬木層碳儲量分別占20.15%、 33.72%、38.31%、46.70%。不同林齡喬木層碳儲量均明顯高于相同或相近林齡的廣西北部杉木林[33]和福建省順昌縣馬尾松林[32]，其中，17、25、37 年生喬木層碳儲量也高于中國森林喬木層碳儲量平均水平（57. 07 t·hm－2）[34]及中國熱帶、亞熱帶針葉林碳儲量（63.17 t·hm－2），表明該地區(qū)禿杉林具有明顯的速生特性和較大的碳儲存潛力，而其植被層碳儲量隨林齡增加而顯著增大（P＜0.05），說明林齡是影響禿杉林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量積累的主要主導(dǎo)因子。由于禿杉成熟期晚，其速生時間可達50～100 年[35]。因此，即使禿杉林林齡達到37 年生，其碳儲量仍然保持明顯的增長趨勢。

據(jù)報道，廣西南寧馬占相思林[29]和福建省順昌馬尾松林土壤碳儲量均隨林齡增加而增大，大興安嶺興安落葉松林土壤碳儲量隨林齡增加呈先減少后增加的變化趨勢[36]，廣西北部[33]和江西省吉安市[37] 杉木林土壤碳儲量則隨林齡增加表現(xiàn)出先增加后下降的變化規(guī)律。本研究中，4 個林齡禿杉林土壤碳儲量（142.47～160.64 t·hm－2），均高于我國天然林平均土壤碳儲量（109.1 t·hm－2）和人工林平均土壤碳儲量（107.1 t·hm－2）[38]，并表現(xiàn)出隨林齡增加而增大的變化趨勢，說明研究區(qū)森林土壤碳儲存功能較強；而在禿杉林生長過程中，由于其凋落物比較豐富且以較容易分解的樹葉和柔軟小枝為主，加上間伐和林分自疏過程中留在林地的大量樹葉、樹枝和根系，通過分解和腐殖化作用從而增加土壤碳儲量；另一方面，禿杉根系發(fā)達，根系之間相互連生，通過大量活根的分泌和死根系的腐解也增加了土壤碳儲量。因此，禿杉林的生長過程可以促進土壤碳的生物積累，發(fā)揮其木材生產(chǎn)和土壤固碳的協(xié)同作用[39]。

研究表明，江西省吉安市7、16、25、34 年生杉木林喬木層年凈固碳量分別為2.14、4.65、3.77、2.78 t·hm－2·a－1[37]，廣西武宣縣8、14、23、38 年生馬尾松林喬木層年凈固碳量分別為1.99、3.85、4.09、2.60 t·hm－2·a－1[40]，四川南部15、27、39 年生馬尾松林喬木層年凈固碳量分別為4.25、5.03、3.17 t·hm－2·a－1[10]。本研究中，9、17、25、37 年生禿杉林年凈固碳量分別為5.42、7.15、7.32、7.03 t·hm－2· a－1， 其 中 ， 喬 木 層 年 凈 固 碳 量 分 別 為4.62、5.28、5.02、4.95 t·hm－2·a－1，不同林齡之間差異不顯著，且多數(shù)高于上述相同或相近林齡的杉木林和馬尾松林?？梢?，研究區(qū)禿杉林速生特性明顯，固碳能力強。禿杉林生長過程中，雖然經(jīng)過多次高強度間伐，但其碳積累速率并未因林分密度急劇下降而明顯減少，直至37 年生時仍保持較高的碳積累速率，同時也顯示出禿杉林具有較大的碳吸存潛力。

當(dāng)前，在人工林傳統(tǒng)經(jīng)營即實現(xiàn)木材產(chǎn)量和經(jīng)濟效益最大化的基礎(chǔ)上，提高其固碳潛力和碳匯效益，已成為人工林多目標(biāo)經(jīng)營中的一種新型經(jīng)營模式。作為這一經(jīng)營模式的適宜樹種，從碳吸存量考慮，則必須兼具生長速率快和碳積累量大2 個方面。因此，從禿杉的生物生態(tài)學(xué)特性、碳積累速率與潛力（包括碳儲量、年凈固碳量及其變化趨勢）等綜合分析表明，禿杉是桂西北地區(qū)培育大徑級（林分平均胸徑≥26 cm）優(yōu)級材和培育碳匯人工林的優(yōu)良樹種。

5 結(jié)論

（1）桂西北不同年齡階段禿杉林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為180.39～314.59 t·hm－2，其中，喬木層碳儲量為36.34～146.92 t·hm－2，占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的20.15%～46.70%；灌草層、現(xiàn)存凋落物層分別為0.66～2.60 、0.92～4.43 t·hm－2，分別占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的0.36%～0.88%、0.51%～1.43%；土壤層碳儲量為142.47～160.64 t·hm－2，占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的51.06%～78.98%。

（2）桂西北不同年齡階段禿杉林年凈固碳量分別為5.42～7.32 t·hm－2·a－1，隨林齡增加呈先增大（9～25 年生）后緩慢下降（25～37 年生）的趨勢。與杉木和馬尾松人工林相比，禿杉林兼具生長速率快、碳積累量及其潛力大的優(yōu)點，具有較高的固碳功能。因此，在桂西北地區(qū)大力發(fā)展禿杉大徑級珍貴用材林，將成為兼具木材收獲和碳吸存效益的多目標(biāo)人工林可持續(xù)經(jīng)營模式。