不同密度杉木人工林各組分碳貯量分析

魏永平

(福建省永安國有林場，福建 永安 365000)

森林生態(tài)系統(tǒng)是地球陸地面積、生物量最大的生態(tài)系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)全球氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙等方面具有不可替代的作用[1]。研究結(jié)果表明，森林貯存了陸地76%～98%的有機(jī)碳[2]。隨著全球氣溫的上升，森林在維持全球碳平衡的地位與作用越來越受到學(xué)者的密切關(guān)注。

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]是我國南方最重要的速生用材樹種。據(jù)第八次全國森林資源清查結(jié)果表明，杉木人工林面積及蓄積皆居全國喬木用材樹種的首位[3]。提高我國大面積杉木人工林的碳貯量，對于增加我國在全球氣候談判過程中的話語權(quán)具有重要作用。影響森林碳貯量的因素較多，其中林分密度是重要的影響因素之一[4-5]。據(jù)資料表明，我國學(xué)者對杉木人工林碳貯量的研究主要在不同氣候區(qū)、不同林型杉闊混交林以及較低密度的杉木人工林等方面，而針對不同密度杉木人工林碳貯量的研究較少[6-9]。有鑒于此，本文以不同經(jīng)營密度杉木人工林為研究對象，在測定不同密度杉木人工林地上部分及地下部分各器官生物量[10]基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測定杉木人工林地上部分樹干、樹枝、樹皮、宿留枯死枝葉、林下植被、凋落物及地下部分根等各組分的全碳含量，從而計算出杉木人工林各組分的碳貯量，研究結(jié)果可為定量評價杉木人工林的碳匯能力及提高杉木人工林碳吸存能力提供參考。

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)林場小湖工區(qū)半路洋15大班1小班(117°27′E、26°10′N)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量1689.0 mm，年均蒸發(fā)量1625.0 mm，年均氣溫19.2 ℃，全年日照時間1842 h，無霜期305 d。試驗(yàn)地海拔350 m，土壤為花崗巖發(fā)育的山地紅壤，土層深度100 cm以上。

采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置3個處理A1、A2、A3，造林密度分別為1800、3000 、4500株·hm-2，3個區(qū)組，每個處理小區(qū)面積400 m2(20 m×20 m)。2007年2月在第1代杉木采伐跡地上采用1年生實(shí)生苗造林。種植當(dāng)年6月、10月分別撫育1次并進(jìn)行補(bǔ)植，造林后第2年、第3年10月各進(jìn)行1次撫育，撫育主要以劈草、松土、扶兜為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及材料取樣

2019年5月，在對不同造林密度杉木人工林全面踏查的基礎(chǔ)上，對樣地內(nèi)的杉木進(jìn)行每木調(diào)查，測量其胸徑、樹高及枝下高。在樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個1 m×1 m的小樣方，收集地上部分林下植被及凋落物并稱重。依據(jù)樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，計算各個樣地杉木加權(quán)平均胸徑、加權(quán)平均樹高、加權(quán)平均枝下高等數(shù)據(jù)作為選擇平均木的參考數(shù)據(jù)。為不破壞試驗(yàn)林，在各個樣地四周選1株與平均木各個生長指標(biāo)盡量一致的單株作為平均木，每個造林密度選出3株平均木，共選出9株。林分生長情況見表1。

表1 不同密度杉木人工林生長情況

將各樣地選出的平均木先取宿留枯死枝并稱重后，用油鋸齊地表伐倒后，測定每隔2 m樹干、樹皮及樹枝生物量并算出其生物量所占比例，并按比例分別取樹干、樹皮及樹枝樣品共3 kg帶回實(shí)驗(yàn)室。以平均木為圓心，半徑1.5 m范圍內(nèi)挖取全部樹根，依據(jù)杉木根系徑級分級方法用游標(biāo)卡尺進(jìn)行徑級分級，分出細(xì)根(D≤0.2 cm)、小根(0.25 cm)，稱量每一徑級根鮮重后帶回實(shí)驗(yàn)室[11-12]。

2.2 各組分碳儲量測定

將各組分樣品置于105 ℃烘箱殺青1 h后，置于75 ℃烘箱烘至恒重后稱重。烘干后樣品用植物研磨機(jī)粉碎后過0.149 mm篩。稱取每株平均木各組分樣品0.15000 g置于干鍋中放入元素分析儀(Elementar ELVario Max)測定全碳含量，3次重復(fù)。根據(jù)各組分測試樣品的全碳含量換算成林分各組分的碳儲量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用 Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。不同密度杉木人工林各組分碳儲量差異采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析、差異性顯著分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同密度杉木人工林杉木各器官碳儲量及其分配

不同密度對杉木人工林杉木各器官碳儲量及其分配率具有不同的影響(表2)。密度1800、3000 株·hm-2的杉木人工林各器官碳儲量及分配率表現(xiàn)為樹干>枝葉>樹皮>宿留枯死枝葉，而密度4500 株·hm-2的杉木人工林各器官碳儲量及分配率表現(xiàn)為樹干>宿留枯死枝葉>樹皮>枝葉。隨著密度增加，杉木人工林樹干、樹皮及宿留枯死枝葉碳儲量呈逐漸增加趨勢，而枝葉碳儲量則表現(xiàn)為A2處理>A1處理>A3處理。密度4500 株·hm-2與密度1800、3000株·hm-2相比，樹干及宿留枯死枝葉碳儲量分別增加83.22%、34.28%及472.33%、75.00%。就分配率差異而言，樹皮及宿留枯死枝葉碳儲量分配率表現(xiàn)為隨著密度的增加呈升高趨勢，枝葉碳儲量分配率則表現(xiàn)為隨著密度的增加而呈下降趨勢，樹干碳儲量分配率表現(xiàn)為A3處理>A1處理>A2處理。方差分析結(jié)果表明，不同密度杉木人工林的樹干、樹皮及宿留枯死枝葉碳儲量差異達(dá)極顯著水平；而密度1800、4500 株·hm-2與密度3000株·hm-2相比，其枝葉碳儲量差異達(dá)極顯著水平。

表2 不同密度杉木人工林杉木各器官碳儲量及分配

3.2 不同密度杉木人工林不同徑級根碳儲量及其分配

由表3分析可知，不同密度對杉木人工林地下部分不同徑級的根碳儲量及分配率具有不同的影響。同一密度杉木人工林不同徑級根碳儲量及分配率均表現(xiàn)為粗根>大根>中根>小根>細(xì)根。隨著密度增大，杉木人工林同一徑級根碳儲量呈上升的趨勢，其中密度4500 株·hm-2與密度1800、3000 株·hm-2相比，粗根碳儲量分別增加60.53%、35.31%，大根碳儲量分別增加77.27%、38.30%，細(xì)根碳儲量則分別增加100.00%、38.46%。就分配率差異而言，粗根碳儲量分配率表現(xiàn)為A1處理>A2處理>A3處理，大根及細(xì)根碳儲量分配率表現(xiàn)為A3處理>A2處理>A1處理，中根碳儲量分配率表現(xiàn)為A1處理>A3處理>A2處理，而小根碳儲量分配率表現(xiàn)為A2處理>A3處理>A1處理。方差分析結(jié)果表明，不同密度杉木人工林大根碳儲量差異達(dá)極顯著水平，密度4500株·hm-2的粗根、中根、小根及細(xì)根碳儲量與密度1800、3000株·hm-2相比，差異達(dá)極顯著水平，而密度3000株·hm-2的大根、小根及細(xì)根碳儲量與密度1800株·hm-2的相比，差異達(dá)極顯著水平。

表3 不同密度杉木人工林根碳儲量及分配率

圖1 不同密度杉木人工林各組成碳儲量

3.3 不同密度杉木人工林各組分碳儲量

不同密度對杉木人工林地上部分及地下部分各組分碳儲量具有不同的影響(圖1)。密度1800株·hm-2的杉木人工林各組分碳儲量表現(xiàn)為喬木層>根系>林下植被層>凋落物層，而密度3000、4500株·hm-2的杉木人工林各組分碳儲量表現(xiàn)為喬木層>根系>凋落物層>林下植被層。喬木層、根系及凋落物層碳儲量表現(xiàn)為A3處理>A2處理>A1處理，而林下植被層碳儲量表現(xiàn)為A1處理>A2處理>A3處理。方差分析結(jié)果表明，不同密度杉木人工林喬木層、根系、林下植被層及凋落物層各組分碳儲量差異均達(dá)到極顯著水平。

3.4 林分密度與杉木人工林各組分碳儲量相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表4)表明，林分密度與樹干、樹根、宿留枯枝、宿留枯葉、凋落物碳儲量呈極顯著正相關(guān)，而與鮮葉碳儲量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表4 杉木人工林林分密度與各組份碳儲量相關(guān)性分析

4 小結(jié)與討論

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地上面積最大、生物量最高的生系系統(tǒng)，它對全球氣候變化、生物圈的碳循環(huán)及氮循環(huán)等方面都具有舉足輕重的作用[13]。為了滿足木材市場需求，林業(yè)工作者營造了大面積的人工林，而這種人工林的發(fā)展模式大都以犧牲天然林為代價。隨著天然林面積日益萎縮，人工林的碳匯作用越來越受到科學(xué)家的密切關(guān)注[14]。人工林碳儲量受多種因素的影響，而林分密度是最主要影響因素之一。方晰等[15]、那萌等[16]、劉賢安等[17]對不同密度的濕地松、水曲柳及華北落葉松人工林的碳儲量研究表明，隨著密度的提高，林分總碳儲量也提高。本研究結(jié)果表明，杉木人工林有機(jī)物質(zhì)碳儲量隨密度增大而呈逐漸上升趨勢，這與前人研究結(jié)果相一致。隨著密度升高，林下植被碳儲量逐漸降低，而宿留枯死枝、凋落物碳儲量逐漸提高，此結(jié)果與紀(jì)文婧[18]、樊后保等[19]的研究結(jié)果相似。隨著林分密度增大，林分個體種內(nèi)競爭強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，林分自然稀疏現(xiàn)象日益明顯，這就導(dǎo)致了林分個體冠幅變窄，林分枝下高升高，林內(nèi)凋落物層增多；同時，隨著林分密度增大，林下光照強(qiáng)度減弱，林地溫度降低，致使林下植被種類及生物量降低及林地凋落物層分解速度減慢，綜合導(dǎo)致出現(xiàn)林下植被碳貯量降低，而凋落物層碳貯量增加的結(jié)果。

人工用材林是以獲取木材作為最終經(jīng)營目的的一種林分類型。為緩解全球溫度上升，人工林的碳固定能力越來越受到重視。在新時代踐行“綠水青山就是金山銀山”理念的生產(chǎn)實(shí)踐中，構(gòu)建一種新型的人工用材林經(jīng)營技術(shù)體系，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的最佳耦合，即人工用材林既能生產(chǎn)較多的高質(zhì)量木材，而且還能最大程度地發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)功能，這應(yīng)是當(dāng)今林業(yè)科技工作者急需解決的技術(shù)[20-22]。本文僅分析了12年生不同密度杉木人工林地上部分及地下部分不同徑級根的碳儲量，并未涉及土壤及微生物等其它組分的碳貯量。隨著試驗(yàn)林分的生長，該杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的動態(tài)變化，有待于今后進(jìn)一步跟蹤測定。