不同林齡階段杉木人工林生物量和碳儲(chǔ)量的分布特征

宋良友, 何功秀

(湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院, 湖南 長(zhǎng)沙 410007)

隨著社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)全球氣候變化的影響引起了對(duì)森林碳儲(chǔ)量和碳平衡的關(guān)注[1-2]。森林在應(yīng)對(duì)全球氣候變化中起著至關(guān)重要的作用[3]，森林維持著陸地生態(tài)系統(tǒng)植被碳庫(kù)的84%左右、土壤碳庫(kù)的72%左右[4-5]，對(duì)二氧化碳的吸收以及維持碳平衡等方面都具有重要地位。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，植被的地上部分器官和地下部分器官碳分配過程對(duì)整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)起著重要的作用。生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要碳庫(kù)，林木生物量包括根、干、枝、葉、皮等[6-7]。森林中的生物量、碳儲(chǔ)量及其碳匯功能存在著緊密的聯(lián)系，是學(xué)界研究的熱點(diǎn)[8]，近些年受到極大的重視[9]。森林生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)量計(jì)算方法一般通過植被的生物量乘以碳素含量進(jìn)行估算，森林植被的碳素含量及其生物量是碳儲(chǔ)量研究的關(guān)鍵因素[10]。

杉木Cunninghamialanceolata是我國(guó)南方主要的用材樹種，其具有生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高和多用途等特點(diǎn)，是我國(guó)重要的商品材種之一[11]，其栽植面積約占我國(guó)人工林總面積的四分之一左右[12-13]。杉木所具備的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于提高我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)碳匯水平有著重要的作用，然而目前對(duì)于不同年齡階段杉木林生長(zhǎng)過程中碳源的一些變化的研究比較缺乏。因此本文以湖南省綏寧縣堡子嶺國(guó)有林場(chǎng)的不同發(fā)育階段的杉木人工林為研究對(duì)象，探究幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林4個(gè)不同發(fā)育階段杉木林的生物量和碳儲(chǔ)量，估算杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力，為當(dāng)?shù)厣寄救斯ち值暮侠斫?jīng)營(yíng)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于湖南省綏寧縣(109°49′48″—110°32′09″E，26°16′11″—27°08′25″N)，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。境內(nèi)氣候溫暖濕潤(rùn)、四季分明、雨量充沛，年均降水量1 325 mm，年平均氣溫16.7 ℃，年均無(wú)霜期308 d?？h內(nèi)以山地為主，海拔在1 000 m以上的山峰有348座，兼有丘陵、崗地、溪谷平原等地貌。南、北、東三面高山環(huán)抱，中部縱向隆起，地勢(shì)高低起伏，變化多姿。試驗(yàn)區(qū)的土壤類型主要為石灰?guī)r發(fā)育而成的石灰土，土層瘠薄，pH值約為5.0～6.6。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置在湖南省綏寧縣堡子嶺國(guó)有林場(chǎng)的杉木人工林內(nèi)，共選取了12塊標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行調(diào)查，林齡涉及幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林4個(gè)階段，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地分上坡、中坡和下坡3塊。標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置為正方形，面積為20 m×20 m。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)林木進(jìn)行每株檢尺，實(shí)測(cè)胸徑、樹高等測(cè)樹因子，同時(shí)記錄標(biāo)準(zhǔn)地所處的地形地貌、土壤類型、群落結(jié)構(gòu)和林下植被等內(nèi)容。不同林齡杉木人工林標(biāo)準(zhǔn)地的基本概況(表1)。

表1 不同林齡杉木人工林標(biāo)準(zhǔn)地概況Tab.1 SurveyofstandardplotofCunninghamialanceolataplantationwithdifferentages林齡階段林齡/a胸徑/cm樹高/m郁閉度/%海拔/m土層厚度/cm林下層主要植被幼齡林<10 9.57±0.97 8.39±1.0260678±1270±2柃木、胡枝子、五節(jié)芒、蕨類中齡林11～2013.07±0.5514.71±0.8770650±5 75±1柃木、胡枝子、五節(jié)芒、蕨類近熟林21～2517.30±0.7421.09±1.1255685±1765±3鹽膚木、白櫟、烏飯、蕨類成熟林26～4021.50±1.1523.16±1.3490745±1360±2鹽膚木、白櫟、烏飯、蕨類

1.2.2 生物量的測(cè)定 對(duì)每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的林木進(jìn)行每株檢尺，選取3株標(biāo)準(zhǔn)樹，共選取36株。采用“分層切割法”，從根頸處將標(biāo)準(zhǔn)樹伐倒，對(duì)其干、枝、葉、皮進(jìn)行稱鮮重記錄，按照“混合取樣法”對(duì)各器官進(jìn)行取樣。人工將樹根全部挖出，分別稱得根樁(≥5 cm)、粗根(2～5 cm)、細(xì)根(≤2 cm)3個(gè)部分的鮮質(zhì)量。將采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在105 ℃下烘干至恒量，計(jì)算出各器官的干生物量。采用“樣方收獲法”測(cè)得林下植被層生物量。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)選取有代表性的1 m×1 m樣方10個(gè)，齊地面整體收割樣方內(nèi)的灌木、草本，挖出地下部分。對(duì)收割的灌木、草本進(jìn)行稱鮮重記錄，把取樣帶回實(shí)驗(yàn)室，在105 ℃下烘干至恒重后稱得干生物量，測(cè)定其含碳率，換算為單位面積干生物量。

1.2.3 碳儲(chǔ)量的測(cè)定 分別將烘干后的喬木層地上部分、灌木、草本樣品粉碎、過0.25 mm篩，采用“重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法”測(cè)得含碳率。根據(jù)喬木層地上部分各器官(干、枝、葉、皮)、灌木層以及草本層生物量與其含碳率的乘積得到各自的碳儲(chǔ)量。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 利用Excel2016圖表和SPSS17.0對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果

2.1 不同林齡階段杉木林單株生物量和單位面積生物量

不同林齡階段杉木林單位面積生物量和各器官生物量之間存在極顯著性差異(P<0.001)，均隨林齡增大而呈增加的趨勢(shì)。4個(gè)林齡階段(幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林)的單株生物量分別為20.23、36.83、110.75、211.33 kg，單位面積生物量分別為40.36、73.48、220.95、421.60 t·hm-2。近熟林和成熟林生物量及各器官生物量均顯著高于幼齡林和中齡林。從杉木各器官生物量看，幼齡林各器官生物量大小依次為干>根>葉>枝>皮，中林齡和成熟林各器官生物量大小依次為干>根>皮>葉>枝，近熟林各器官生物量大小依次為干>根>枝>皮>葉(表2)。

表2 不同林齡階段杉木林單株各器官生物量和單位面積生物量Tab.2 BiomassperplantandorgansandbiomassperunitareaofCunninghamialanceolatastandsatdifferentages林齡階段根/kg干/kg枝/kg葉/kg皮/kg總計(jì)/kg單位面積生物量/(t·hm-2)幼齡林 3.16±0.51d 10.83±0.66c 1.95±0.33c2.56±0.05b 1.73±0.18c 20.23±0.98c 40.36±1.96c中齡林 9.27±1.64c 19.45±1.9c 2.39±0.43c3.10±0.57b 2.62±0.45c 36.83±3.33c 73.48±6.64c近熟林17.02±0.95b 76.24±10.06b 7.49±1.39b4.32±1.41b 5.67±0.72b110.75±13.15b220.95±26.23b成熟林29.27±4.34a138.40±10.37a16.26±3.22a9.83±1.72a17.56±2.61a211.33±21.71a421.60±43.31aP值0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000 注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;字母表示同列不同行之間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同林齡階段杉木林林下層單位面積生物量

幼齡林和中齡林階段林下灌木層和草本層單位面積生物量顯著高于近熟林和成熟林(P<0.05)。其中：幼齡林階段林下灌木層單位面積生物量最高、為3.22 t·hm-2，草本層單位面積生物量為1.23 t·hm-2；中齡林階段灌木層和草本層單位面積生物量分別為2.5和1.12 t·hm-2；近熟林和成熟林階段灌木層單位面積生物量分別為0.84和0.75 t·hm-2，草本層單位面積生物量分別為0.28和0.22 t·hm-2(圖1)。

圖1 不同林齡階段杉木林林下層單位面積生物量

2.3 不同林齡階段杉木林單株各器官含碳率

不同林齡階段杉木單株各器官含碳率均無(wú)顯著性差異(P>0.05)，平均含碳率在49.33%～50.63%之間。幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林4個(gè)階段根的含碳率分別為50.13%、48.77%、47.99%和51.04%；近熟林階段單株干的含碳率最低、為48.34%，幼齡林階段枝的含碳率中最低、為45.9%。所有器官中，葉的含碳率最高、范圍在55.69%～60.22%之間，皮的含碳率在45%左右(表3)。

表3 不同林齡階段杉木林單株各器官含碳率Tab.3 CarboncontentofindividualtreeandorgansindifferentagestagesofCunninghamialanceolataplantation%林齡階段根干枝葉皮平均幼齡林50.13±2.48a49.88±1.12a45.9±1.75a55.69±7.89a45.07±0.39a49.33±1.49a中齡林48.77±1.82a50.06±2.42a46.9±3.29a60.22±0.47a45.42±0.95a50.27±1.49a近熟林47.99±1.90a48.34±0.91a47.53±1.15a59.33±2.51a45.16±3.19a49.67±1.12a成熟林51.04±1.27a50.05±2.06a49.6±1.25a57.63±2.37a44.84±1.12a50.63±0.89a 注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;字母表示同列不同行之間差異顯著(P<0.05)

2.4 不同林齡階段杉木林林下層含碳率

各林齡階段各灌木層和草本層間的平均含碳率均無(wú)顯著變化(P>0.05)。幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林4個(gè)階段的灌木層平均含炭率分別為48.64%、47.08%、48.84%和45.48%；草本層的平均含碳率分別為49.93%、49.99%、51.02%和49.73%。近熟林階段灌木層和草本層平均含碳率為最高，成熟林階段灌木層和草本層平均含碳率為最低(圖2)。

圖2 不同林齡階段杉木林林下層平均含碳率

2.5 不同林齡階段杉木林碳儲(chǔ)量及其占比

隨著林齡的增長(zhǎng)，杉木林碳儲(chǔ)量顯著增大，幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林4個(gè)階段的單位面積碳儲(chǔ)量分別為22.27、38.59、108.27和212.38 t·hm-2，呈逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)；各林齡階段喬木層的單位面積碳儲(chǔ)量占比均超過90%(幼齡林90.21%、中齡林95.49%、近熟林98.97%、成熟林99.54%)；成熟林階段喬木層的碳儲(chǔ)量及其占比最高(211.41 t·hm-2、99.54%)，近熟林階段次之(107.15 t·hm-2、98.97%)；幼齡林階段灌木層和草本層的碳儲(chǔ)量及其占比分別為1.57 t·hm-2、7.05%和0.61t·hm-2、2.74%，中齡林階段和草本層平均碳素含量中最高分別降為1.18 t·hm-2、3.06%和0.56 t·hm-2、1.45%，成熟林階段灌木層和草本層的碳儲(chǔ)量及其占比最低，分別為0.75 t·hm-2、0.35%和0.22 t·hm-2、0.10%(表4、圖3)。

表4 不同林齡階段杉木林林下層碳儲(chǔ)量Tab.4 CarbonstorageindifferentlayersofCunning-hamialanceolataforestatdifferentagest·hm-2林齡階段喬木層灌木層草本層總計(jì)幼齡林20.091.570.6122.27中齡林36.851.180.5638.59近熟林107.150.840.28108.27成熟林211.410.750.22212.38

圖3 不同林齡階段杉木林林下層碳儲(chǔ)量占比

3 討論

3.1 不同林齡階段杉木人工林及單株生物量

不同林齡的杉木人工林及其單株各器官生物量的差異顯著，均隨林齡增大呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，很多研究表明：?jiǎn)棠镜纳锪繒?huì)隨著樹齡的增長(zhǎng)而迅速增長(zhǎng)[14]。其中成熟林的單株平均木總生物量約為幼齡林的10倍以上，這一結(jié)果與日本落葉松[15]、馬尾松[16]、桉樹[17]和長(zhǎng)白落葉松[18]的研究結(jié)果一致。森林生物量受許多因素的影響，比如區(qū)域的氣候、土壤、林齡以及活立木密度等[14，19]。

3.2 不同林齡階段杉木林單株各器官及林下層各組分含碳率

不同林齡階段杉木單株各器官含碳率均無(wú)顯著性差異(P>0.05)，平均含碳率在49.33%～50.63%之間。各林齡階段根的含碳率在47.99%～51.04%之間，近熟林階段干的含碳率最低、為48.34%，幼齡林階段枝的含碳率最低、為45.9%。所有器官中，葉的含碳率最高、范圍在55.69%～60.22%之間，皮的含碳率在45%左右。

各林齡階段灌木層和草本層的平均碳素含量均無(wú)顯著變化(P>0.05)。幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林4個(gè)階段的灌木層平均碳素含量分別為48.64%、47.08%、48.84%和45.48%；草本層的平均碳素含量分別為49.93%、49.99%、51.02%和49.73%。近熟林階段灌木層和草本層平均碳素含量最高，成熟林階段木層和草本層平均碳素含量最低。

3.3 不同林齡階段杉木林單位面積碳儲(chǔ)量及其占比

杉木林的碳儲(chǔ)量隨著林齡的增長(zhǎng)而逐步增大，近熟林和成熟林階段更加明顯。各林齡階段喬木層的碳儲(chǔ)量占比均達(dá)90%以上。幼齡林和中齡林林下灌木層和草本層單位面積碳儲(chǔ)量均顯著高于近熟林和成熟林，這一結(jié)果與涂宏濤等[23]人的研究一致。隨著林齡的增長(zhǎng)，在中齡林階段杉木人工林生長(zhǎng)加快，對(duì)養(yǎng)分需求的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致林下灌木層和草本層養(yǎng)分獲取減少，影響了灌木層和草本層的生長(zhǎng)。同時(shí)，隨著林分郁閉度的提高，林下灌木層和草本層的光照獲取減少，也是導(dǎo)致近熟林和成熟林林下灌木層和草本層單位面積生物量和單位面積碳儲(chǔ)量較低的原因。

4 結(jié)論

(1)不同林齡階段杉木人工林單位面積生物量和各器官生物量之間存在極顯著性差異(P<0.001)，均隨林齡增大而呈增加的趨勢(shì)。4個(gè)林齡階段單株生物量分別為20.23、36.83、110.75、211.33 kg，單位面積生物量分別為40.36、73.48、220.95、421.60 t·hm-2。

(2)不同林齡階段杉木人工林單株各器官含碳率均無(wú)顯著性差異(P>0.05)，平均含碳率在49.33%～50.63%之間。所有器官中，葉的含碳率最高、范圍在55.69%～60.22%之間。各林齡階段灌木層和草本層的平均碳素含量均無(wú)顯著變化(P>0.05)。灌木層和草本層平均碳素含量中最高的均為近熟林階段，最低的均為成熟林階段。

(3)杉木人工林的碳儲(chǔ)量隨著林齡的增長(zhǎng)而逐步增大，幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林4個(gè)階段的單位面積碳儲(chǔ)量分別為22.27、38.59、108.27和212.38 t·hm-2。成熟林階段喬木層的碳儲(chǔ)量及其占比最高，近熟林階段次之。幼齡林和中齡林林下層灌木層和草本層單位面積碳儲(chǔ)量均顯著高于近熟林和成熟林，成熟林林下灌木層和草本層的單位面積碳儲(chǔ)量及其占比最低。