摘要:[目的]杉木的純林連續(xù)栽培導(dǎo)致土壤退化和生產(chǎn)力降低。闊葉樹與杉木混交可以提升立地質(zhì)量和林分生產(chǎn)力。本研究旨在探究不同闊葉樹種與杉木混交模式下的碳儲量、生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值,為區(qū)域退化杉木人工林改造和高效碳匯林建設(shè)的樹種選擇提供技術(shù)支持。[方法]選取了2004年種植的10種不同闊葉樹種與杉木混交的造林林分,研究了不同混交模式下林分碳儲量、生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值的差異。[結(jié)果]表明:(1)10種闊葉樹種的胸徑(6.5-21.3 cm)、樹高(8.0-22.6m)和密度降幅(750-3 119株·hm-2)均存在顯著的差異,且均是米老排的值最大,且極顯著高于深山含笑(plt;0.01)。此外,大徑木的比例最高的亦是米老排,其余9種樹種則以中徑木為主。(2)不同林分的干、枝、葉、根和總生物量分別為56.54~140.69t·hm-2、13.22-43.97 t·hm-2、2.72-9.17 t·hm-2、3.22-80.35 t·hm-2、82.78-274.18 t·hm-2,且均呈現(xiàn)顯著的差異(plt;0.01),這5種生物量指標(biāo)中,最大的樹種均是米老排,但最小樹種不同,陰香的干、葉和總生物量最小,而枝和根生物量最小的分別是觀光木和紅錐。(3)10種樹種的碳儲量、生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值分別為15.43~136.66 t·hm-2、1.62-14.38 t·hm-2·a-1和0.18-2.39萬元·hm-2。碳儲量表現(xiàn)為米老排極顯著高于觀光木和深山含笑(plt;0.01)。生產(chǎn)力米老排極顯著高于除木荷以外的其余樹種(plt;0.01),碳匯經(jīng)濟(jì)價值則是米老排極顯著高于除木荷和楓香以外的其余樹種(plt;0.01)。[結(jié)論]在粵北地區(qū)退化杉木人工林改造中,建議優(yōu)先選擇米老排、木荷和楓香作為高效碳匯林的樹種選項(xiàng);而對于大徑材林培育,則建議優(yōu)先選擇米老排、樂昌含笑、陰香和紅錐。
關(guān)鍵詞:杉木;人工林退化;碳儲量;生產(chǎn)力;碳匯經(jīng)濟(jì)價值
中圖分類號:S718.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-1498(2024)06-0093-11
森林是陸地生物圈的主要碳儲存庫,在全球碳循環(huán)和應(yīng)對氣候變化中具有重要作用,森林生物量和生產(chǎn)力大小是評價森林碳循環(huán)貢獻(xiàn)的基礎(chǔ),準(zhǔn)確估算森林生物量對于評估并追蹤森林碳庫現(xiàn)狀及其變化速率、預(yù)測森林在區(qū)域和全球碳循環(huán)中的作用和反饋具有重要作用。森林生物量可通過直接測量和間接估算兩種途徑得到。前者為完全收獲法,具有準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn),但對生態(tài)系統(tǒng)的破壞性大且耗時費(fèi)力;后者是利用生物量模型、生物量估算參數(shù)和3S(GIS、GPS、RS)技術(shù)等方法進(jìn)行估算。其中,生物量模型在森林生物量的估算中得到廣泛應(yīng)用。1944年,Kittredge首次將相對生長模型引入樹木,并評估了葉的質(zhì)量,隨后許多學(xué)者應(yīng)用模型估計林木器官的生物量,目前,國內(nèi)外學(xué)者普遍采用相對生長模型W=a(D2H)b(典型冪函數(shù)方程)估算喬木的生物量,通過建立整株樹木或不同器官生物量與胸徑(D)、樹高(H)或D'H等因子之間的異速生長模型來估算生物量,該方法是林木生物量估算中運(yùn)用最廣的一種方法。
杉木(Cunninghamialanceolata (Lamb.) Hook)作為中國南方的主要造林樹種,其具有干形直、木材耐腐蝕、速生豐產(chǎn)和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),據(jù)第八次全國森林資源清查數(shù)據(jù),杉木人工林面積增加了1 100萬公頃,占中國人工林總面積的18.2%,占全球的6%。純杉木人工林的林分結(jié)構(gòu)簡單,易受植物病蟲害影響而損害其生態(tài)系統(tǒng)功能,導(dǎo)致土壤退化和地力下降。此外,杉木人工林經(jīng)營過程中,因密植、精耕細(xì)作和短輪伐期連作等導(dǎo)致杉木人工林大面積的生產(chǎn)力下降和衰退。目前,杉木人工林連栽生產(chǎn)力下降問題日趨嚴(yán)重,已成為學(xué)術(shù)界和林業(yè)生產(chǎn)部門共同關(guān)注的焦點(diǎn),對杉木退化林分進(jìn)行近自然改造,是促進(jìn)其樹木生長、增加林分碳儲量、提高林分質(zhì)量和地力的有效途徑。篩選出適應(yīng)性強(qiáng)、生長迅速和材質(zhì)優(yōu)良的闊葉用材樹種用于將純針葉林轉(zhuǎn)變?yōu)殚熑~多層林分是近自然改造策略的主要手段。在南亞熱帶地區(qū)已開展了相關(guān)的研究,但對一些有發(fā)展?jié)摿Φ某>G闊葉樹種生長特性了解還不夠深入,不同樹種間的對比研究也較匱乏;退化杉木林分改造的研究多側(cè)重于土壤養(yǎng)分狀況或者土壤功能、凋落物、植物多樣性和林分結(jié)構(gòu)等,且以短期的試驗(yàn)研究為主,關(guān)于樹種改造后林分碳儲量和生物量長期效益評估的研究較少,安曉圓等研究了45年生杉木人工林碳儲量的影響因素,結(jié)果表明:林分因子是影響杉木人工林碳儲量的主導(dǎo)因子;蔣晨陽等以28年生杉木純林、杉木米老排(Mytdaria laosensis Lec.)混交林和杉木火力楠混交林為研究對象,分析了林分生物量和碳儲量,結(jié)果顯示:混交林的碳儲量和生物量均高于杉木純林;趙樟等研究了22年生杉木和紅錐林,前者的喬木層碳儲量顯著高于后者。本研究在廣東省樂昌林場選取同立地條件下,同一時期造林(退化杉木林采伐跡地上)的10個樹種人工林(經(jīng)營措施和林分初始密度相同),進(jìn)行生物量和碳儲量研究,旨在了解和對比10種闊葉樹種生物量和碳儲量差異,為評估人工林生產(chǎn)力和碳匯潛力提供科學(xué)參考,為區(qū)域退化杉木人工林提質(zhì)增效改造和高效碳匯林建設(shè)的樹種選擇提供技術(shù)支撐。
1材料和方法
1.1研究區(qū)和林分概況
研究地位于廣東省樂昌林場,地理坐標(biāo)位于113°11′~113°23′E,25°06′~25°19′N,其面積5 398.3 hm2,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫和降水量分別為19.6℃和1522.3 mm,年均相對濕度76%。
研究區(qū)的杉木人工林已連栽4代,導(dǎo)致林地地力明顯退化,林分生產(chǎn)力下降。于2003年進(jìn)行皆伐,伐后保留萌芽株。2004年在杉木采伐跡地上營造的米老排(Mytilaria laosensis Lec.)、火力楠(Michelia macclurei Dandy)、深山含笑(Michelia maudiae Dunn)、黃樟(Cinnamomum porrectum(Roxb.) Kosterm.)、紅錐(Castanopsis hystrixJ.D.Hooker et Thomson ex A. De Candolle)、陰香(Cinnamomum burmanni (Neesamp;T.Nees)Blume)、楓香(Liquidambar formosana Hance)、樂晶含笑(Michelia chapensis Dandy)、木荷(Schima superba Gardn. et Champ.)和觀光術(shù)(Micheila odora (Chun) Nooteboomamp;B.LChen) 10種針闊混交林分,闊葉樹種栽植在杉木植株中間位置。整地措施為帶墾和雜枝護(hù)坡,前3a進(jìn)行除草撫育,且于2008、2011和2019年共進(jìn)行過3次清除雜灌等透光伐。之后自然生長形成了改造樹種與杉木組成的混交林分(初始密度為3975株·hm-2),灌木層以九節(jié)(Psychotria asiaticaWall.)、五指毛桃(Ficus hirta Vahl)、毛果算盤子(Glochidion eriocarpum Champ. ex Benth.)和毛冬青(llex pubescens Hook,et Arn.)為主,草本層則主要以狗脊(Woodwardia japonica (L.f) Sm.)、金毛狗蕨(Cibotium barometz (Linn.)J,Sm.)和芒萁(Dicranopteris pedata (Houtt.)Nakaike)等蕨類為主。
1.2樣地設(shè)置和野外調(diào)查
2023年7月,在上述10種林分中,選擇代表性的林分中分別設(shè)置3個20m×30 m的固定調(diào)查樣地,其概況見表1。對樣地內(nèi)所有喬木進(jìn)行每木檢尺,記錄植物名、胸徑、樹高、枝下高、相對坐標(biāo)和生長狀況等。
1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
1.3.1森林碳儲量和林分生產(chǎn)力 參考書籍《中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量-生物量方程》和研究文獻(xiàn)中的樹種生物量方程計算相關(guān)樹種林分的生物量,計算公式為:
森林碳儲量由生物量和平均碳含量換算而成,采用目前國際上常用的轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5,即碳儲量為林木生物量與轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5的乘積。采用林分年凈生物量量化評價林分生產(chǎn)力高低,其計算公式如下:
1.3.2碳匯經(jīng)濟(jì)價值 森林碳匯經(jīng)濟(jì)價值主要是指森林生態(tài)系統(tǒng)固碳和釋氧功能的價值。參照國家標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》(LY/T1721-2008)所公布的參數(shù),采用碳稅法評估森林碳匯經(jīng)濟(jì)價值,計算公式如下:
采用Excel 2010和SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析,將每種林分3個樣地的所有單株胸徑數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,以4 cm為間隔劃分為8、12、16和20 cm徑階,而后參照文獻(xiàn)結(jié)合實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)將DBHgt;20 cm的定義為大徑木,胸徑8 cm≤DBHlt; 20 cm為中徑木,1 cm≤DBHlt;8cm為小徑木。將每個樣地的數(shù)據(jù)視為一個重復(fù)(共3個重復(fù)),采用方差分析林分指標(biāo)的(胸徑、樹高、密度降幅、器官生物量、生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值)的差異,采用Duncan's法進(jìn)行多重比較。應(yīng)用Origin 2021繪圖。
2結(jié)果與分析
2.1胸徑和樹高特征及密度變化
觀光木、木荷、樂昌含笑、楓香、陰香、紅錐、黃樟、深山含笑、火力楠和米老排10種林分中的大徑木(DBHgt;20 cm)、小徑木(1 cm≤DBHlt;8 cm)和中徑木(8 cm≤DBHlt; 20 cm)占比值的區(qū)間分別為3%~59%、1%~28%和40%~81%。其中,大徑木的比例最高的是米老排,陰香、樂昌含笑、紅錐和楓香順序次之;小徑木比例則是黃樟和深山含笑的并列最高,觀光木次之;除米老排外,剩余9種林分的徑階比例均是中徑木的最高(圖1)。
方差分析結(jié)果表明,10種樹種林分的胸徑和樹高分別為6.5~21.3 cm和8.0~22.6 m,且均呈現(xiàn)極顯著的差異。其中,米老排胸徑值極顯著大于深山含笑和觀光木(plt;0.01),樹種間樹高差異與胸徑相同,亦表現(xiàn)為米老排樹高極顯著高于觀光木和深山含笑(plt;0.01)。10種樹種密度降幅為750~3 119株·hm-2,米老排的密度降幅最大,陰香和紅錐順序次之,且均極顯著高于深山含笑(plt;0.01;圖2)。
2.2林分生物量和碳儲量差異
10種樹種林分的干、枝、葉、根和總生物量分別為56.54~140.69、13.22~43.97、2.72~9.17、3.22~80.35、82.78~274.18 t·hm-2。林分間的此5種生物量均呈現(xiàn)極顯著的差異,且生物量值最大的均是米老排,但值最小的卻不同。其中,干生物量表現(xiàn)為米老排極顯著大于陰香(plt;0.01);枝則是米老排極顯著大于觀光木、陰香和紅錐(plt;0.01);米老排的葉生物量極顯著大于陰香和紅錐(plt;0.01);根生物量最小的則是木荷和紅錐,且均極顯著低于米老排(plt;0.01),林分總生物量則是米老排極顯著高于陰香(plt;0.01)。10種林分碳儲量的值為41.39~137.09 t·hm-2,其顯著性差異結(jié)果與總生物量的相同,即米老排的碳儲量極顯著高于陰香(plt;0.01;圖3)。
10種林分中,闊葉樹種與杉木的生物量比例及樹種的碳儲量如圖4所示,生物量比例表現(xiàn)為除米老排(生物量取整100%)外其余的9種林分中,杉木均占有一定生物量,具體為觀光木、木荷、樂昌含笑、楓香、陰香、紅錐、黃樟、深山含笑和火力楠林分中,杉木生物量的比例25%~73%。改造樹種生物量比例高于杉木的有木荷(75%)、樂昌含笑(54%)、陰香(56%)、黃樟(60%)和米老排(100%)。10種改造樹種的碳儲量為15.43~136.66 t·hm-2,米老排樹種的碳儲量極顯著高于觀光木和深山含笑(plt;0.01)。
10種闊葉樹種的器官生物量分配具有共性和差異性。共性表現(xiàn)為器官生物量中最小的均是葉生物量(比例為1%-3%);差異性則體現(xiàn)在,其一,觀光木根生物量(44%)最大,且高于干(40%)、枝(12%)和葉,其余9種樹種則是干生物量最大(47%~80%)。其二,但生物量枝和根的分配策略不同,如:木荷、楓香、陰香和紅錐的器官生物量中,枝生物量(14%~20%)高于根生物量(2%~15%),但樂昌含笑、黃樟、深山含笑、火力楠和米老排則是根生物量(20%~35%)高于枝(15%~18%;圖5)。
2.3樹種生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值
10種改造樹種的生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值分別為1.62-4.38t·hm-2·a-1和0.18~2.39萬元·hm-2。其中,米老排的生產(chǎn)力極顯著高于除木荷以外的其余樹種(plt;0.01)。碳匯經(jīng)濟(jì)價值則是米老排極顯著高于除木荷和楓香以外的其余樹種(plt;0.01;圖6)。
3討論
3.1林木生長和生物量特征
本項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),10種不同的闊葉樹種之間,在林分的胸徑、樹高和密度方面呈現(xiàn)出明顯的差異。同時,林分的密度降低幅度越大,其胸徑和樹高的數(shù)值往往更大(圖2)。在林分的徑階中,大徑木所占的比重也相應(yīng)增加,如米老排、紅錐、陰香和樂昌含笑(圖1、2)。這與Farooq等的研究結(jié)果相似,即隨著林分密度的降低,樹木的胸徑也會增大。造成這一結(jié)果的原因可能是較大的密度降低幅度(即較低的密度)導(dǎo)致樹木對生存資源的競爭減弱,從而使資源得以合理分配和充分利用。此外,樹木還具有一種資源分配的權(quán)衡機(jī)制,在光線較弱的條件下,它們通常會快速生長,并將更多的資源用于高生長,相比胸徑增長相對較弱。這也可能是高密度林分中小徑樹木比例較高的原因,例如觀光木和深山含笑等。與低密度林地相比,高密度林地中的樹木更加細(xì)長,這是為了爭奪更有利的生存空間以及實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢樹冠位置和最大程度爭取更多光資源用于維持自身發(fā)育。在高密度林地中,與胸徑相比,樹木往往更傾向于高的生長。
林分生長發(fā)育影響著林木養(yǎng)分分配循環(huán)和生物量高低。不同樹種生長速率、養(yǎng)分利用效率和養(yǎng)分需求等存在差異。氣候等外界條件等改變也影響著林木的生長發(fā)育。本研究中,10種林分生物量為82.78~274.18 t·hm-2,林分之間呈現(xiàn)極顯著的差異。其中,除了陰香(82.78 t·hm-2)低于中國森林的平均值(84.08 t·hm-2)外,其余林分均高于中國森林的平均值,除米老排生物量外(274.18 t·hm-2),其余9種林分的生物量均低于西南地區(qū)森林平均值(148.66 t·hm-2),樹種生物量差異化原因可能是樹種特性、土壤特性和凋落物養(yǎng)分歸還差異等造成的。本研究的10種林分是于退化杉木林分采伐跡地上(采伐前杉木已連載4代)更新起來,因此樹種生物量的差異可能是土壤養(yǎng)分含量低下導(dǎo)致的,已有研究指出杉木林第3次連續(xù)輪作后,土壤的TN,TP和TK分別下降了36%,61.2%和11.4%。杉木針葉林的凋落物分解速率低,隨著林分發(fā)育,養(yǎng)分年吸收量和養(yǎng)分利用效率增加,養(yǎng)分歸還量減少,導(dǎo)致土壤肥力低下且酸性強(qiáng)。杉木與闊葉樹組合形成的混交林,不僅對凋落物的分解、養(yǎng)分有效性提高和銨態(tài)氮的吸收等均有促進(jìn)作用,而且增加土壤微生物多樣性,從而影響土壤的結(jié)構(gòu)和礦物質(zhì)分解等影響林木的生長。這些也可能是樹種生物量差異化的原因,10種闊葉樹種的器官生物量分配中,觀光木根生物量最大,其余9種樹種則是干生物量最大,木荷、楓香、陰香和紅錐枝生物量高于根生物量,但樂昌含笑、黃樟、深山含笑、火力楠和米老排則是根生物量高于枝(圖5),這可能是不同闊葉樹個體以及與杉木個體間的生長競爭導(dǎo)致的,在森林演替過程中,相鄰個體對于有限資源(光、水和營養(yǎng)物)存在競爭,杉木人工林的連載,因鋁毒性、凋落物分解、根分泌物的自毒性和土壤群落的不平衡狀態(tài)等導(dǎo)致地力下降,本研究是于已連載4代的杉木人工林采伐跡地上種植的林分,養(yǎng)分資源等限制環(huán)境可能會加劇個體對于生存資源的競爭,導(dǎo)致不同闊葉樹的生物量器官分配存在差異。
林分生物量包括地上和地下生物量,涵蓋了森林生態(tài)系統(tǒng)中的喬木層、灌木層、草本層、枯枝落葉層、森林土壤層以及枯死木等的生物量。本研究中僅分析了喬木層生物量,并未系統(tǒng)研究,在未來的研究中應(yīng)該綜合評估不同層級的生物量,以使研究結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確。此外,有研究表明林下植被和微生物群落之間的互惠共生關(guān)系有助于維持生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性。因此,林下植被的發(fā)展和土壤微生物多樣性的增加可能是改善森林土壤特性、恢復(fù)人工林生產(chǎn)力的重要生物學(xué)途徑。林下植被和凋落物對根系分泌物的類型和數(shù)量產(chǎn)生影響,從而影響微生物的類型和數(shù)量,特別是對根際微生物反饋效應(yīng)產(chǎn)生影響,為了實(shí)現(xiàn)杉木人工林的近自然發(fā)展,一個有效的方法是增加林下植被的多樣性,尤其是灌木物種的多樣性,從而增加土壤微生物的多樣性。未來的研究可以結(jié)合考慮林下植被和土壤微生物等因素進(jìn)行深入探究。
3.2碳儲量生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值
林分結(jié)構(gòu)影響著森林生產(chǎn)力,復(fù)雜的林分結(jié)構(gòu)(增強(qiáng)光捕獲)可以顯著增加森林的碳儲存和生產(chǎn)。本研究分析了10種闊葉樹種林分的碳儲量、生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)價值等,研究結(jié)果表明10種林分間的碳儲量和生產(chǎn)力均呈現(xiàn)極顯著差異,但研究未深入從土壤和凋落物等方面解析導(dǎo)致樹種的碳儲量和生產(chǎn)力差異的原因。有研究指出杉木純林向混交林轉(zhuǎn)換的過程中,混交林土壤理化性質(zhì)和酶活性分別比純林提高了13.97%和36.34%;闊葉樹種引入改變了土壤酸性細(xì)菌亞群組成和氮素循環(huán)基因豐度;樹種混交提高了土壤肥力,增加了土壤有機(jī)碳儲量,顯著提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,因混交林土壤的C/N比純林的值大,其會影響微生物相關(guān)的土壤有機(jī)質(zhì)礦化的活性,從而間接保持土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。在混交林中,土壤有機(jī)質(zhì)的含量和儲存可能會增加,主要是通過增加地上和地下凋落物輸入,如:凋落物質(zhì)量和細(xì)根生物量,群落植物物種組成的變化可能極大地影響土壤特性,特別是對于氮和土壤有機(jī)質(zhì)輸入,導(dǎo)致土壤肥力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的改變;植物物種結(jié)構(gòu)和多樣性的變化可能影響土壤微環(huán)境,改變土壤微生物活性和團(tuán)聚體穩(wěn)定性;此外,混交林凋落物較針葉林增加,其覆蓋在土壤頂層,有助于減少降雨和徑流引起的表層土壤侵蝕,提高抗退化能力。在后續(xù)研究中可結(jié)合土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤微生物、細(xì)根生物量、凋落物輸入和植物多樣性等方面,深入剖析退化杉木林改造中,闊葉樹種引入后,這些因素對于森林的生產(chǎn)力的影響機(jī)制。
本研究中,粵北地區(qū)退化杉木人工林改造中,建議在粵北地區(qū)進(jìn)行退化杉木人工林改造時,優(yōu)先選擇米老排、木荷和楓香等作為高效碳匯林建設(shè)的樹種。除此之外,雖然樂昌含笑、陰香和紅錐等樹種的生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值稍低,但仍適用于大徑材林培育。這些樹種的生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值低的原因是因?yàn)榇髲侥镜谋壤^高,導(dǎo)致單位面積上株數(shù)較少,從而降低了生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)價值。在這項(xiàng)研究中,僅考慮了林術(shù)的生長、碳儲量和碳匯經(jīng)濟(jì)價值等因素對退化杉木人工林樹種的選擇進(jìn)行評估,而未綜合考慮樹種的抗火性。在未來的研究中,可綜合考慮樹種的抗火性開展。
4結(jié)論
不同混交模式(10種闊葉樹種與杉木混交的林分)的碳儲量、生產(chǎn)力和碳匯經(jīng)濟(jì)價值存在顯著差異。林分間平均胸徑、樹高和密度降幅以及干、枝、葉、根和總生物量均存在顯著差異。林分大徑木的比例最高是米老排,其余9種樹種則以中徑木為主。在粵北地區(qū)退化杉木人工林改造中,可依據(jù)既定的培育目標(biāo),參考本研究結(jié)果選擇樹種,如:優(yōu)先選擇米老排、木荷和楓香建設(shè)高效碳匯林,大徑材林培育,建議選擇米老排、樂昌含笑、陰香和紅錐。