不同經(jīng)營模式對華北油松人工林碳儲量的影響

肖軍 ，雷蕾，曾立雄，李肇晨，馬成功，肖文發(fā)*

1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護研究所/國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京 100091；2. 亞太森林恢復(fù)與可持續(xù)管理組織，北京 100102；3. 旺業(yè)甸實驗林場，內(nèi)蒙古 赤峰 024023

全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為652—927 Pg，占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的 33%—46%（Pan et al.，2011；劉魏魏等，2015），是陸地上最大的碳庫，在維持全球碳平衡以及應(yīng)對全球氣候變化中具有不可替代的作用（Bonan，2008；Wani et al.，2015），寄托著減緩全球氣候變暖的希望（Bastin et al.，2019）。針對不同尺度的森林碳儲量、碳格局分布、固碳潛力等已開展了大量研究（Noormets et al.，2015；Walker et al.，2022；張穎等，2022），結(jié)果表明，優(yōu)化經(jīng)營措施和降低經(jīng)營強度可提升森林固碳潛力（何亞婷等，2022）；森林生態(tài)系統(tǒng)各庫碳儲量在撫育后3年內(nèi)與間伐強度密切相關(guān)（王有良等，2022）；近自然經(jīng)營通過調(diào)整林分組成和群落結(jié)構(gòu)改變生態(tài)系統(tǒng)碳分布格局，有助于喬木、地被物和土壤的碳積累（黃凱璇等，2020）。

盡管全球森林總面積不斷減少，但人工林總面積卻持續(xù)增加（FAO，2020）。其中，中國人工林面積將近全球總量的一半，是北半球極重要的生物碳庫（Piao et al.，2009；Chen et al.，2016），也是中國植被碳儲量增加的主要載體（徐新良等，2007）。但中國現(xiàn)有人工林普遍存在生產(chǎn)力低下、地力衰退等問題，每公頃人工林蓄積量僅為 52.76 m3，不及世界水平50%，不能很好地發(fā)揮人工林碳增匯作用。而碳增匯是實現(xiàn)碳達峰、碳中和“雙碳”目標的決定因素之一。合理經(jīng)營不但能加快人工林生長，還可提升其生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力（劉世榮等，2018）。因此，科學(xué)認識不同經(jīng)營模式下人工林碳儲量變化規(guī)律可為制定合理的經(jīng)營措施以提高森林碳匯潛力提供數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。

油松（Pinus tabuliformis）是中國特有的常綠喬木針葉樹種，是半干旱地區(qū)主要造林與用材樹種，具有較高的經(jīng)濟與生態(tài)價值（郭浩等，2008）。據(jù)全國森林資源清查顯示，油松總蓄積量從第八次的0.66×108m3增加到第九次的 1.60×108m3。2009—2013年間全國油松總碳儲量為22.6×1012Tg（李奇等，2016）。鄧蕾等（2011）、李慶華等（2013）、楊玉姣等（2014）、劉冰燕等（2015）分別對油松喬木、枯落物、生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量、碳密度等進行了研究，并認為油松具有較強的固碳能力，但研究不同經(jīng)營模式對油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響較少。在中國致力于碳達峰碳中和的背景下，加強相關(guān)研究對于提升其碳儲量和貢獻意義重大。以赤峰旺業(yè)甸實驗林場3個齡級（10年林、47年林、56年林）油松人工林為研究對象，調(diào)查分析近自然經(jīng)營、常規(guī)經(jīng)營、未經(jīng)營3種經(jīng)營模式對其生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和6年年均增量的影響，探索提高油松人工林的固碳途徑，為人工林經(jīng)營管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和試驗設(shè)計

試驗樣地設(shè)在內(nèi)蒙古赤峰市旺業(yè)甸實驗林場（118°09′—118°30′E，41°21′—41°39′N），屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，土壤主要是草甸草原土。水熱同期，年均降水量約 450 mm，全年日照數(shù)達2361.5 h，年均溫度5.6 ℃，平均無霜期117 d。當?shù)亓址譃槿斯ち趾吞烊淮紊?，主要樹種有油松、華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）、白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）。

于2013年在3個齡級（10、47、56 a）油松人工林內(nèi)按照近自然經(jīng)營、常規(guī)經(jīng)營、未經(jīng)營（對照）各設(shè)置 3塊面積為 600 m2的圓形喬木樣地（見表1），樣地劃定后進行封育管理。近自然經(jīng)營根據(jù)目標樹林分作業(yè)體系確定目標樹后，以其為中心伐除干擾木、病腐木、畸形木等，并盡量保留其他樹種的健康木、更新幼苗及對目標樹無嚴重干擾的灌草植物，適當補植其他樹種，撫育強度在不超過20%的前提下根據(jù)實地林木類型劃分而定（陸元昌等，2009）；常規(guī)經(jīng)營按照GB/T 15781—2009《森林撫育規(guī)程》進行，主要通過透光伐、生長伐、衛(wèi)生伐、林地管理等措施調(diào)整林分密度，清除被壓木與病腐木等有害木及影響林下更新幼苗生長的灌草植物，撫育強度不超過30%。

表1 2013年和2019年3種經(jīng)營樣地概況Table 1 General profiles of plots within three treatments in 2013 and 2019

1.2 樣地調(diào)查與樣品采集

2013年夏季進行首次喬木調(diào)查：10年林樣地內(nèi)調(diào)查胸徑1 cm及以上樹木，47年林和56年林樣地內(nèi)調(diào)查胸徑5 cm及以上樹木，并基于胸徑、優(yōu)勢度、健康狀況等指標確定目標樹、干擾樹、一般木等林木類型。喬木調(diào)查后按照不同經(jīng)營模式要求撫育干擾樹、病腐木、灌草等。撫育后在各喬木樣地隨機布設(shè)5個1 m×1 m草本樣方，并呈品字形布設(shè)3個5 m×5 m灌木樣方，在灌木樣方內(nèi)各布設(shè)1個無人為干擾的50 cm×50 cm枯落物樣方，各枯落物樣方內(nèi)布設(shè)1個采土點，并同期開展灌木、草本、枯落物、土壤樣品采集。灌木樣方中的全部灌木地上部分、草本樣方的全部草本地上部分、枯落物樣方的全部枯落物分別收集并稱鮮質(zhì)量，樣品在實驗室內(nèi) 65 ℃恒溫下烘干至恒重后稱干質(zhì)量。土樣樣品按0—10、10—20、20—40 cm（當?shù)仄骄寥郎疃燃s40 cm）從下而上分層采集，通過土壤環(huán)刀法測定土壤容重（直徑≥2 mm石礫體積和重量用排水法測定并在計算時減去），采用重鉻酸鉀外加熱法測定經(jīng)自然風(fēng)干并磨細的土樣有機碳含量。2019年夏季對樣地喬灌草、枯落物、土壤采用相同方式進行復(fù)查。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲量計算

生態(tài)系統(tǒng)碳儲量主要由植被、枯落物層和土壤層的碳儲量共同構(gòu)成。

1.3.1 植被碳儲量計算

植被碳儲量由喬木層、灌木層和草本層的碳儲量構(gòu)成，計算參數(shù)見表 2。表中木材密度、生物量擴展因子、草本含碳率和根莖比引自國家林業(yè)局2011年發(fā)布的《造林項目碳匯計量與監(jiān)測指南》，其余參數(shù)引自國家發(fā)改委 2013年發(fā)布的《碳匯造林項目方法學(xué)》。

表2 碳儲量計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of carbon stock

喬木層碳儲量按公式（1）計算，喬木蓄積根據(jù)已測得的樹種胸徑帶入當?shù)匾辉姆e表求得。灌木層碳儲量和草本層碳儲量分別按公式（2）（3）計算，生物量采用收獲法測定。

式中：

Cs——碳儲量（Mg·hm-2）；

V——蓄積（m3·hm-2）；

D——木材密度（Mg·m-3）；

Bef——樹干生物量轉(zhuǎn)換成地上生物量的擴展因子，無量綱；

R——根莖比；

Cf——含碳率；

m1——樣品鮮質(zhì)量；

m2——樣品干質(zhì)量；

M1——樣方地上鮮質(zhì)量。

1.3.2 枯落物層碳儲量計算

枯落物層碳儲量按公式（4）計算：

式中：

M2——樣方枯落物干質(zhì)量；

Cf——枯落物含碳率，為 0.421（李慶華等，2013）。

1.3.3 土壤層碳儲量計算

土壤碳儲量按公式（5）計算：

式中：

Sn——土壤碳儲量（Mg·hm-2）；

Gi——第i層直徑≥2 mm的石礫所占百分比；

Ci——第i層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)（g·kg-1）；

Di——第i層土層容重（g·cm-3）；

Ei——第i層土層厚度（cm）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用單因素方差分析比較相同經(jīng)營模式不同齡級碳儲量和不同經(jīng)營模式同齡級年均碳儲量變化的差異性。所有分析處理在SPSS 25中進行，用OriginPro 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種經(jīng)營模式碳儲量

2013—2019年3種經(jīng)營油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量見表3。3種經(jīng)營的喬木層碳儲量、植被層碳儲量、生態(tài)系統(tǒng)碳儲量均隨林齡增加而顯著升高（P＜0.05），其最大值分別為56年林的81.95—95.38、82.41—95.51、199.22—211.90 Mg·hm-2。近自然經(jīng)營的土壤碳儲量隨林齡增加而顯著增加（P＜0.05），其最大值為56年林的104.83 Mg·hm-2；常規(guī)經(jīng)營10年林、47年林的土壤碳儲量均為2019年小于2013年，而56年林則相反，其最大值為56年林的122.56 Mg·hm-2。3種經(jīng)營的枯落物層碳儲量為1.21—11.88 Mg·hm-2，而灌木層碳儲量和草本層碳儲量都較低?？傮w上，油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量組成均呈土壤層＞喬木層＞枯落物層＞草本層＞灌木層。

表3 2013年和2019年經(jīng)營油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量Table 3 Carbon stock of Pinus tabuliformis plantations ecosystem under different management regimes in 2013 and 2019 Mg·hm-2

2.2 3種經(jīng)營模式碳儲量年均變化

2013—2019年 3種經(jīng)營油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量6年年均變化如圖1所示。

從圖1a可知，3種經(jīng)營的喬木層碳儲量年均增量隨林齡增加而顯著上升（P＜0.01），其最大值均在 56 年林，分別是 3.53、2.71、3.31 Mg·hm-2·a-1。近自然經(jīng)營顯著提高了47年林和56年林喬木層碳積累速度（P＜0.05），常規(guī)經(jīng)營顯著提高47年林和顯著降低 56年林的喬木層碳積累速度（P＜0.05）。

從圖1b可知，近自然經(jīng)營、常規(guī)經(jīng)營的灌木層碳儲量年均增量隨齡級增加先下降后升高，而未經(jīng)營隨齡級增加先升高后下降（P＜0.05）。僅近自然經(jīng)營 10年林的灌木層碳儲量年均增量為正值。近自然經(jīng)營和常規(guī)經(jīng)營顯著提升了10年林、56年林的灌木層碳積累速度（P＜0.05）。

從圖 1c可知，近自然經(jīng)營的草本層碳儲量年均增量隨齡級增加先升高后下降（P＜0.05），常規(guī)經(jīng)營（P＜0.05）和未經(jīng)營（P＜0.01）的草本層碳儲量年均增量隨齡級增加而顯著升高。僅近自然經(jīng)營47年林和常規(guī)經(jīng)營56年林的草本層碳儲量年均增量為正值。近自然經(jīng)營顯著提升了 47年林的草本層碳積累速度（P＜0.05），而常規(guī)經(jīng)營顯著延緩了47年林的草本層碳積累速度下降（P＜0.01）。

從圖 1d可知，近自然經(jīng)營和未經(jīng)營的枯落物層碳儲量年均增量隨齡級增加先升高后下降（P＜0.05），且56年林低于10年林，而常規(guī)經(jīng)營隨齡級增加而下降。3個齡級的枯落物層碳儲量年均增量均為近自然經(jīng)營＞未經(jīng)營＞常規(guī)經(jīng)營。近自然經(jīng)營顯著提升了 3個齡級的枯落物層碳積累速度（P＜0.05），而常規(guī)經(jīng)營顯著降低了3個齡級的枯落物層碳積累速度（P＜0.05）。

從圖 1e可知，近自然經(jīng)營和常規(guī)經(jīng)營（P＜0.05）的土壤層碳儲量年均增量隨齡級增加先下降后升高，而未經(jīng)營隨齡級增加而顯著下降（P＜0.01）。僅常規(guī)經(jīng)營10年林和47年林的土壤層碳儲量年均增量為負值。近自然經(jīng)營和常規(guī)經(jīng)營顯著減低了10年林、47年林的土壤層碳積累速度（P＜0.01），但均顯著提升了56年林的土壤層碳積累速度（P＜0.05），且近自然經(jīng)營在3個齡級均優(yōu)于常規(guī)經(jīng)營。

從圖1f可知，近自然經(jīng)營和常規(guī)經(jīng)營的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量年均增量隨齡級增加而顯著升高（P＜0.05），而未經(jīng)營隨齡級增加而顯著下降（P＜0.05）。3種經(jīng)營在3個齡級的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量年均增量均為正值且存在極顯著差異（P＜0.01）。未經(jīng)營的10年林和47年林的生態(tài)系統(tǒng)碳積累速度最快，年均增量分別是 7.00、6.78 Mg·hm-2·a-1，但56年林低于近自然經(jīng)營，其值為 3.98 Mg·hm-2·a-1；近自然經(jīng)營10年林（P＜0.01）和47年林（P＜0.05）的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量年均增量僅次于未經(jīng)營，分別是4.39、5.82 Mg·hm-2·a-1，但其 56 年林的生態(tài)系統(tǒng)碳積累速度最快（P＜0.05），其值為 7.49 Mg·hm-2·a-1；常規(guī)經(jīng)營3個林齡的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量年均增量均最慢，分別是 1.13、1.27、3.49 Mg·hm-2·a-1。

圖1 2013—2019年油松人工林碳儲量年均變化Figure 1 Annual increment of carbon stock of Pinus tabuliformis plantations in 2013-2019

3 討論

3.1 經(jīng)營方式對油松人工林植被層碳儲量的影響

本研究中3種經(jīng)營的47年林和56年林喬木層碳儲量年均增量存在顯著差異（P＜0.05），且近自然經(jīng)營效果最好；但在10年林未見相同效果，可能是由于該齡級林木生長慢且林分尚未郁閉，林木競爭有限，經(jīng)營撫育促進保留木的加速生長不足以彌補被撫育掉的林木的生長量（雷相東等，2005）。這還表明，就喬木層碳儲量年均變化而言，經(jīng)營措施對低齡人工林的效果不明顯，而對高齡級林分效果顯著。趙蘇亞等（2020）認為撫育間伐對高齡級杉木人工林生長效果更顯著，江萍（2015）研究認為高齡級油松人工林最優(yōu)生長的撫育間伐強度并不能在低齡級林分取得相同效果。與對照經(jīng)營相比，近自然經(jīng)營和常規(guī)經(jīng)營在部分齡級延緩了灌木層碳儲量、草本層碳儲量減少，可能是由于本研究中油松人工林下的灌木和草本僅零星存在，且經(jīng)營措施主要針對喬木，故而對其影響有限（原志堅，2018）。與常規(guī)經(jīng)營相比，近自然經(jīng)營在延緩灌木層碳儲量和草本層碳儲量下降方面效果更好，可能是由于灌木和草本是近自然經(jīng)營保留對象，卻是常規(guī)經(jīng)營的清除對象。

3.2 經(jīng)營方式對油松人工林枯落物層碳儲量的影響

枯落物是植被地上部分碳庫與土壤碳庫的中間環(huán)節(jié)（張萬林等，2013），其蓄積量越大，意味著碳儲量越大?？萋湮镄罘e量主要受植被成長（劉琳等，2021）、氣候條件（張新平等，2008）、經(jīng)營措施（唐禾等，2018）等因素影響。本研究中3種經(jīng)營在 3個齡級的枯落物層碳儲量年均增量存在顯著差異（P＜0.05），近自然經(jīng)營在3個齡級的枯落物層碳儲量增量均最大，可能是其撫育經(jīng)營形成的林分結(jié)構(gòu)和競爭關(guān)系更有利于植被生長（王青天，2014），進而增加了枯落物輸入量，這與董伯騫等（2011）、黃凱璇等（2020）認為近自然經(jīng)營可短期增加枯落物量研究結(jié)論相符；常規(guī)經(jīng)營在 3個齡級的枯落物層碳儲量增量均最小，可能是由于撫育活動增加了初始枯落物量，而相對更大的撫育強度既導(dǎo)致后期枯落物來源減少（陳百靈等，2015）又增加了林內(nèi)光照、降雨、溫度等，進而加速了枯落物分解（林娜等，2010；何亞婷等，2022）。

3.3 經(jīng)營方式對油松人工林土壤層碳儲量的影響

土壤層碳儲量是森林生態(tài)系統(tǒng)碳的重要組成部分，其總體上高于喬木層碳儲量，遠大于枯落物層、灌木層和草本層的碳儲量（王衛(wèi)霞等，2013；王寧，2014），本研究3種經(jīng)營模式并未改變這一分布格局。本研究近自然經(jīng)營和未經(jīng)營油松人工林的土壤層碳儲量隨林齡增加而增大，與Badalamenti et al.（2019）、廖國莉等（2020）研究結(jié)論一致；但常規(guī)經(jīng)營10年林（平均撫育強度26%）和47年林（平均撫育強度25%）的土壤層碳儲量年均增量卻為負值，可能是其撫育強度大，導(dǎo)致土壤碳輸入（如地上凋落物）減少（Cheng et al.，2014；Venanzi et al.，2016）和碳排放（如土壤呼吸）增加（Lei et al.，2018；Zhang et al.，2018）。本研究10年林、47年林的土壤層碳儲量年均增量排序為未經(jīng)營＞近自然經(jīng)營＞常規(guī)經(jīng)營（P＜0.01），56年林的土壤碳儲量年均增量排序為近自然經(jīng)營＞常規(guī)經(jīng)營＞未經(jīng)營（P＜0.05）。以上表明，在森林經(jīng)營過程中應(yīng)控制經(jīng)營強度，避免造成導(dǎo)致土壤碳儲量大幅下降。這與孫志虎等（2016）研究不同撫育間伐強度對落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量結(jié)論相符。

3.4 經(jīng)營方式對油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響

森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量受當?shù)貧夂驐l件、撫育措施、經(jīng)營強度等多方面影響（Ma et al.，2015；劉暢等，2014）。本研究中3種經(jīng)營油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量最大值為62年199.22—211.90 Mg·hm-2，高于秦嶺35年油松人工林的146.06 Mg·hm-2（劉冰燕等，2015）和陜西富縣 33年油松林人工林的167.71 Mg·hm-2（楊玉姣等，2014），低于山西沁源47年林油松天然林的 240.98 Mg·hm-2（遲璐等，2014）。本研究10年林和47年林的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量年均增量排序為未經(jīng)營＞近自然經(jīng)營＞常規(guī)經(jīng)營（P＜0.01），但近自然經(jīng)營的47年林僅略低于未經(jīng)營，而 56年林的排序為近自然經(jīng)營＞未經(jīng)營＞常規(guī)經(jīng)營（P＜0.01），其主要是由于常規(guī)經(jīng)營導(dǎo)致喬木層、枯落物層和土壤層的碳儲量年均增量下降，而近自然經(jīng)營不僅顯著提升了喬木層和枯落物層的碳儲量年均增量，還未造成土壤層碳儲量的年均增量大幅下降。這表明為提高油松人工林的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，對低齡林分應(yīng)盡量減少人為干預(yù)，而對高齡林分則可采取近自然經(jīng)營等人為干預(yù)措施。

3種經(jīng)營 56年生油松人工林的喬木層碳儲量年均增量（2.71—3.53 Mg·hm-2·a-1）均大于 47 年林（1.68—2.35 Mg·hm-2·a-1），說明本研究區(qū) 56 年生油松人工林仍在高速生長。3種經(jīng)營56林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量年均增量為正值，且近自然經(jīng)營和常規(guī)經(jīng)營56 年林（7.49 Mg·hm-2·a-1，3.49 Mg·hm-2·a-1）均大于 47 年林（5.82 Mg·hm-2·a-1，1.27 Mg·hm-2·a-1），說明按現(xiàn)有齡級劃分標準劃分的成熟林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量仍會持續(xù)增長，與（Luyssaert et al.，2008；馮源等，2017；Gundersen et al.，2021）的結(jié)論吻合，而且合理的經(jīng)營措施還能提高其積累速度。按照現(xiàn)行的林業(yè)行業(yè)標準LY/T 2908—2017《主要樹種齡級與齡組劃分》“北部地區(qū)油松人工林成熟林林齡為41—60年，天然林成熟林林齡為61—80年”，對于木材資源匱乏的中國而言，若綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)碳儲量增長和大徑級用材林培育，油松人工林齡級劃分標準有待進一步研究，以避免因過早的采伐降低其生態(tài)和經(jīng)濟價值。

4 結(jié)論

不同經(jīng)營模式對油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其年均增量均有影響。采取經(jīng)營措施后，不同齡級油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量在一定時期內(nèi)會發(fā)生顯著變化。10年生和47年生油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量6年年均增量排序均為未經(jīng)營＞近自然經(jīng)營＞常規(guī)經(jīng)營（P＜0.01），56年生油松人工林的為近自然經(jīng)營＞未經(jīng)營＞常規(guī)經(jīng)營（P＜0.01）。未經(jīng)營更有助于保持低齡級油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳的快速積累，而近自然經(jīng)營更有助于提升高齡級油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳積累，尤其是促進喬木層、枯落物層和土壤層的碳積累，而常規(guī)經(jīng)營總體上不太理想。因此，綜合考慮森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量增長和大徑材培育，近自然經(jīng)營是一種較理想的森林經(jīng)營模式。

為提高森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，在重視喬木層碳儲量增加的同時，還應(yīng)關(guān)注土壤層碳儲量的提升。在采取經(jīng)營措施方面應(yīng)控制好森林經(jīng)營強度，避免土壤層碳儲量大幅下降。旺業(yè)甸林場 60年左右的油松人工林喬木層碳儲量和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量仍處在快速增長期，應(yīng)提高當?shù)赜退扇斯ち种鞣ツ挲g，以獲得更大的經(jīng)濟價值和生態(tài)效益。