不同林分密度對側(cè)柏生長指標(biāo)及其土壤碳含量的影響

高晴，王瑞江，韓冠苒，田慧，李利萍，王傳江，耿宗琴，雷瓊

(1.山東省林業(yè)保護和發(fā)展服務(wù)中心，山東 濟南 250014；2.沂水縣國有沂山林場，山東 臨沂 276414；3.費縣國有祊河林場，山東 臨沂 273411；4.沂水縣林業(yè)發(fā)展中心，山東 臨沂 276499；5.臨沂大學(xué)農(nóng)林科學(xué)學(xué)院，山東 臨沂 276000)

林分密度是樹木生長發(fā)育的重要影響因子。合理的林分密度不僅可以提高森林的固碳能力，還能提高林木抗病蟲害能力，對森林的生長和健康狀態(tài)有重要作用。樹木的生長指標(biāo)主要包括胸徑、樹高、冠幅等。有研究發(fā)現(xiàn)，林分密度較低時，胸徑和樹高均有大幅提高，低林分密度的樹木生物量明顯高于高林分密度的。在樹木的生長指標(biāo)中，樹冠是樹木進行光合作用的主要場所，其大小在一定程度上可以反映樹木固碳能力高低。

林分密度對土壤碳含量產(chǎn)生一定的影響，有學(xué)者研究表明，森林土壤碳的輕微改變可能會影響生態(tài)系統(tǒng)中碳的匯源平衡，土壤有機碳在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著決定作用。土壤微生物是土壤有效養(yǎng)分的重要來源，不僅參與物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的許多生化反應(yīng)，而且通過自身的代謝和周轉(zhuǎn)，促進養(yǎng)分的循環(huán)和吸收，對植物生長發(fā)育具有重要的意義。

側(cè)柏()是山東省主要造林樹種之一，因其對土壤條件要求不高、耐旱等特性，在干旱瘠薄山地丘陵廣泛栽植。但大部分林地由于撫育不及時，出現(xiàn)林分結(jié)構(gòu)不合理、林木生長不良等低質(zhì)低效問題，亟須改造提升。為此，本研究以側(cè)柏人工近熟林為研究對象，通過分析不同林分密度對側(cè)柏生長指標(biāo)及其土壤碳含量影響，以期為側(cè)柏人工林林分結(jié)構(gòu)改造和碳匯能力提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于山東省濟南市華山林場(36°22′—36°28′ N，117°22′—117°33′ E)內(nèi)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，年均降水量800 mm。林場屬魯中南山地泰山支脈，境內(nèi)山巒起伏，溝壑縱橫，土壤類型為山地棕壤；林場有喬木50科200多種，形成以側(cè)柏、松類、刺槐為主體的森林群落結(jié)構(gòu)。

研究區(qū)域選取側(cè)柏人工純林，林齡65 a，林分為公益林，禁伐。隨著時間的推移，因自然稀疏、人為間伐和旅游開發(fā)干擾等因素，密度逐漸產(chǎn)生差異。

1.2 樣地設(shè)置及調(diào)查

在華山林場，通過典型樣地法選取4種現(xiàn)存林分密度D1(1 125±90)株·hm、D2(1 425±90)株·hm、D3(1 725±90)株·hm、D4(2 025±90)株·hm的側(cè)柏人工林，每種林分密度各設(shè)置4個20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地的坡向、坡位及海拔等條件基本一致。對樣地內(nèi)的喬木(胸徑≥5 cm)進行每木檢尺，記錄每株樹木的胸徑、樹高、冠幅等指標(biāo)。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本概況

1.3 土壤樣品的采集與測定

在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按對角線布設(shè)3個取樣點，將取樣點的表層土(1～2 cm)去除后，利用土鉆分兩層對0～20和>20～40 cm土壤進行取樣，將采集的土壤樣品過篩后進行土壤有機碳和微生物生物量碳測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS18.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)，在5%水平上檢驗不同樣地測定結(jié)果的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分密度對側(cè)柏土壤有機碳的影響

圖1所示，在同一土層深度上，土壤有機碳隨林分密度的升高而降低，就0～20 cm的土層來看，D1、D2、D3、D4的土壤有機碳含量分別為10.12、5.98、3.63和3.70 g·kg，通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，除D3和D4之間差異不顯著外(>0.05)，其他林分密度之間差異明顯(<0.05)。而>20～40 cm的土層深度中，林分密度1 125株·hm的土壤有機碳含量明顯高于其他林分密度(<0.05)，分別為D2、D3和D4的1.34、1.86和2.47倍，但是林分密度D2和D3、D3和D4之間差別不大(>0.05)?？梢?，林分密度是影響土壤有機碳的重要因子。

圖1 林分密度對側(cè)柏土壤有機碳的影響注：同一土層厚度不同小寫字母表示不同林分密度之間差異顯著(P<0.05)。

在同林分密度上，上層(0～20 cm)土壤有機碳含量明顯高于下層(>20～40 cm)土壤。其中 D1、D2、D3、D4林分密度中，下層土壤有機碳含量分別為上層的0.46%、0.58%、0.68%、0.50%，說明土壤有機碳主要分布在土壤上層。

2.2 林分密度對側(cè)柏土壤微生物生物量碳的影響

土壤微生物生物量碳在森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中發(fā)揮著重要的作用，被公認(rèn)為土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警和敏感指標(biāo)。圖2所示，在相同林分密度上，0～20 cm土層的土壤微生物生物量碳含量明顯高于>20～40 cm的土層，且上下層之間差異顯著(<0.05)，可見上層土壤有效養(yǎng)分含量明顯高于下層。就相同土層深度而言，土壤微生物生物量碳含量隨著林分密度的升高而降低，在0～20 cm土層上，D1、D2、D3、D4的土壤微生物生物量碳分別為120.53、101.98、86.49和76.70 mg·kg，各林分密度之間差異顯著(<0.05)；在>20～40 cm土層上，除D3和D4之間的土壤微生物生物量碳相差不顯著外，其他各林分密度之間差異顯著，這可能由于高密度的林分土壤有機碳流動較慢導(dǎo)致的。

圖2 林分密度對土壤微生物生物量碳的影響注：同一土層厚度不同小寫字母表示不同林分密度之間差異顯著(P<0.05)。

2.3 林分密度對側(cè)柏胸徑的影響

圖3所示，在相同的林分密度下，側(cè)柏株數(shù)隨著樹木胸徑的增大呈現(xiàn)先升高后降低的偏正態(tài)分布趨勢。從D1來看，側(cè)柏胸徑主要分布在>13～23 cm范圍上，占樹木總數(shù)的81.53%，其中>19～21 cm徑級的側(cè)柏株數(shù)最多，為樹木總數(shù)的20.13%，5～7 cm徑級的側(cè)柏株數(shù)最少為0。就D2、D3來看，側(cè)柏胸徑主要分布在>11～21 cm范圍上，分別為樹木總數(shù)的77.13%和76.94%，兩個林分密度之間相差不大，但是胸徑>25 cm的樹木D3明顯多于D2，為D2的1.25倍。當(dāng)林分密度達到D4時，側(cè)柏胸徑分布在>7～19 cm范圍內(nèi)的樹木明顯升高，為樹木總數(shù)的96.24%，其中，胸徑≤15 cm的樹木達到總數(shù)的68.85%，細(xì)樹明顯增多。

圖3 不同林分密度下側(cè)柏胸徑的分布

總體來看，林分密度越大，大徑級的側(cè)柏占比越低，小徑級側(cè)柏越多。這是林分密度增加造成的自疏現(xiàn)象。

2.4 林分密度對側(cè)柏樹高和冠幅的影響

林分密度影響樹木個體之間的營養(yǎng)空間，造成樹木在高度上的差異。圖4A所示，隨著林分密度的增加，側(cè)柏的樹高呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。其中林分密度1 725株·hm時，樹木平均樹高最大，為13.33 m；林分密度1 125株·hm最小，為11.48 m；D2和D4之間樹高差異不大，分別為12.41和12.22 m?？梢婋S著林分密度的升高，樹木之間的競爭作用增強，而林分密度達到1 725株·hm時，側(cè)柏之間的密度效應(yīng)最強，而林分密度為1 725株·hm時，側(cè)柏樹高降低可能是因為個體之間的營養(yǎng)空間效應(yīng)增強造成的。

圖4 林分密度對側(cè)柏樹高和冠幅的影響

樹冠是樹木進行光合作用的主要場所，是樹木在生長過程中反映長期競爭水平的重要指標(biāo)，樹冠衰退會導(dǎo)致冠幅狹窄。冠幅常用于指導(dǎo)森林經(jīng)營的生長指標(biāo)。圖4B所示，側(cè)柏冠幅隨著林分密度的升高而降低，其中D1的樹木平均冠幅最大，D4的最小。D1側(cè)柏平均冠幅分別為D2、D3、D4的1.11、1.23和1.42倍，通過單因素方差分析可以看出，各林分密度之間差異顯著(<0.05)?？梢?，林分密度越大，樹冠越容易發(fā)生衰退現(xiàn)象。

3 討論與結(jié)論

林分密度對土壤碳含量產(chǎn)生一定的影響，土壤碳含量總體取決于土壤有機碳儲量。本研究中，側(cè)柏林土壤有機碳隨著林分密度的升高而降低，但當(dāng)林分密度達到1 725株·hm，隨林分密度的增長差別不大，說明側(cè)柏低林分密度有利于土壤碳儲量的增加。本研究中下層土壤有機碳含量明顯低于上層，這與向慧敏等發(fā)現(xiàn)森林土壤碳隨土壤深度增加而降低的結(jié)果一致。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳含量的變化可影響土壤微生物量碳的含量，本研究0～20 cm土層上，林分密度1 125、1 425、1 725和2 025株·hm的土壤微生物量碳的含量分別為120.53、101.98、86.49和76.70 mg·kg，隨著林分密度的升高顯著降低(<0.05)，這是否與土壤有機碳的降低有關(guān)還需要進一步研究。

樹木的生長是通過光合作用固定CO過程，樹木生長指標(biāo)可在一定程度上反映樹木的固碳能力。本研究中，隨著林分密度的升高，大徑級的樹木株數(shù)占總樹木株數(shù)之比降低，小徑級增加，且林分密度越高冠幅越小，可見單株側(cè)柏固碳能力隨林分密度的升高而降低。就樹高而言，隨著林分密度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，當(dāng)林分密度達1 725株·hm時樹高最大，密度效應(yīng)最強，但結(jié)合樹木胸徑來看，此林分密度是否具有森林最大固碳能力還有待進一步研究。