皆伐炼山对华西雨屏区杉木人工林碳库的影响

马松莉，邹成坤，兰立达，李德文

(1.松潘县林业局，四川 松潘 623300;2.旺苍县林业和园林局，四川 旺苍 628200;3.四川省林业调查规划院，四川 成都 610081)

中国是世界上人工林面积最大的国家，目前人工林面积已达到0.62×104hm2，占森林总面积的三分之一［1］。杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国亚热带地区特有的用材树种，栽培历史悠久［2］，目前的栽培面积达835×104hm2。在我国南方人工林林区，成熟人工林“皆伐－炼山－再造林”这一过程被广泛应用，炼山引起的有关生态学问题已引起了林业专家的极大关注［3］。

人工林生态系统的C 储量是陆地生态系统主要的碳库之一，在全球碳循环中发挥着重要的作用。皆伐炼山这一人为经营活动，使采伐剩余物、凋落物及林下植被等大量有机质被烧毁，产生的大量烟会对空气质量和温室效应产生负面影响，炼山过程中的高温，也使土壤有机质挥发或细粒尘埃损失［4］。人工林经营过程中的皆伐炼山措施会导致土壤有机碳含量急剧下降［5］，对人工林系统土壤碳库具有重要的影响［6～10］。Yang 等研究发现，皆伐火烧后两天表层(0～10 cm)土壤有机碳(SOC)储量下降17%［9］。方晰等研究表明，炼山后林地的碳储量比未炼山林地的碳储量低15.20 t·hm－2，相当于每hm2损失20.7%的有机碳量，特别是土壤表层更加明显［11］。总体而言，炼山过后的土壤有机C 含量减少，尤其是表层土(0～10 cm)的有机碳含量［12～14］。

华西雨屏区为四川盆地西部边缘独特的自然地理区域。东西宽50 km～70 km，南北长400 km～450 km，总面积约2.5万km2，是中国年平均降雨量最大，日照时间最短的地区，是分布于我国比较罕见的气候地理单元，生物多样性异常丰富，拥有大量珍稀独特的动植物。同时，该区域的人口密度也相当高，认为活动频繁，天然植被大面积采伐后营造人工杉木、柳杉、水杉和各种桉树林。因此，人工林成熟后“皆伐－炼山－再造林”是非常普遍的营林模式之一。但该区域的杉木人工林成熟后的皆伐炼山对人工林系统C 库的影响研究鲜有报道。本文以位于华西雨屏区的洪雅林场28 a 生杉木人工林为研究对象，研究“皆伐炼山”1 d 后的杉木人工系统C库动态，以期回答皆伐和炼山对杉木人工林系统C库的影响，为华西雨屏区的林业经营活动提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

洪雅林场隶属于四川省眉山市洪雅县，地处四川盆地西南边缘，邛崃山支脉，峨眉山系大相岭东北坡的青衣江南岸，其地理坐标为102°49'～103°32'E、29°24'～30°00'N，海拔范围为900 m～3 522 m，区域年平气温为8.0℃，年降雨量可达到2 400 mm。洪雅林场总面积65 921.1 hm2，其中天然林面积52 673.9 hm2，占有林地的80.9%，人工林面积12 385.0 hm2，占有林地的19.1%。区域内土层深厚肥沃，结构疏松，林区森林植被垂直带状分布明显，低山区以人工针叶纯林为主，主要树种为柳杉(Cryptomeria japonica)、杉木(Cunninghamia lanceolata)等;中山区大多数为针阔天然混交林，主要树种为峨眉冷杉(Abies fabri)、栲(Castanopsis platyacantha)、石栎(Lithocarpus hancei)等;高山区以灌丛为主，主要有杜鹃(Rhododendron simsii)、冷竹(Bashania faberi)、箭竹(Fargesia spathacea)等。

1.2 样地调查与采样

本研究以四川省洪雅林场目禅寺工区的28 a生杉木人工林为对象。2011年9月对洪雅县林场目禅寺工区一块约10.0 hm2的杉木林(103°15.272'E、29°41.434'N，海拔930 m～960 m，东北坡向，坡度15°)进行实地踏查后，随机设置了3个0.1 hm2的样地进行每木检尺，其样地编号为1、2 和3。同时，在每个样地的4个角和对角线中心点各设置1个2 m×2 m 的样方，采用全收获法测定林下层植被的生物量和凋落物量，并取样烘干至恒重后称重。2012年3月初，在采伐迹地上随机设置了9个2 m×2 m 的样方，采用全收集法仅对采伐剩余物进行现场收集，并取样烘干至恒重后称重(取样后的采伐剩余物返回取样样方内)。

1.3 土样采集与制备

在炼山前，在采伐迹地内随机设置了9个土样固定采集点，每个土样采集点按0～20 cm(简称土壤表层，下同)、20 cm～40 cm(简称土壤中层，下同)、40 cm～60 cm(简称土壤底层，下同)分层取样，然后把9个点的同一层土壤混合均匀作为一个土样。待采伐剩余物和土样取样完成后，对采伐迹地实施了当地传统的炼山模式进行炼山。炼山1 d后，在固定土壤采集点采用上述的同样方法进行土壤采样。土壤样品采集后带回实验室风干备用。另外，在炼山前后对每个土样固定采集点的不同层次用环刀法测定土壤容重。风干后的土样过20目筛、100目筛，备用。

1.4 分析方法

(1)木材生物量估算

利用杉木干材B (生物量，kg)=0.0293(D2H)0.9593估算干材生物量［15］;其中D为胸径(cm)、H为树高(m)。

(2)有机物C 含量测定

将烘干后的植物样品进行研磨、过筛;称取0.2g 左右放入TOC 测定仪测定。

(3)土壤有机碳含量

重铬酸钾法测定:将一定浓度的重铬酸钾加入土样并加入5 ml 浓硫酸，在恒温的油浴锅中加热5 min 左右，取出冷却，用硫酸亚铁溶液滴定。

1.5 统计分析方法

用SPSS11.0 软件进行方差分析(One-way ANOVA)。

2 结果与分析

2.1 干材生物量与C 总量

经过传统的抚育、卫生伐、间伐等营林措施后，28 a 生杉木人工林的活立木密度为1 070(±70)株·hm－2、平均胸径为19.9(±0.2)cm、平均树高为14.7(±1.5)m、干材生物量为172.0(±15.2)t·hm－2，其干材C 总量为85.9(±7.6)t·hm－2(表1)。因此，在杉木林皆伐过程中，每hm2将有172 t干材生物量和85.9 吨C 移出杉木林生态系统，这部分C 将以木材形式而转移、保存或其它方式存在。

2.2 采伐剩余物生物量与C 总量

28 a 生杉木人工林的采伐剩余物(枝桠、树梢、叶片以及劈裂物等)为17.1(±0.5)t·hm－2、其C总量为8.8(±0.3)t·hm－2(表2)。在杉木林皆伐后的炼山过程中，这些采伐剩余物将全部被“焚烧”，植物有机碳以CO2形式释放到大气中，其释放的CO2量为32.27 t·hm－2。

表1 杉木林平均密度、胸径与树高以及干材生物量和C 总量估算结果

表2 杉木林采伐剩余物生物量及其C 总量估算结果

2.3 林下层、凋落物生物量与C 总量

28 a 生杉木人工林的林下层植物主要有八月竹、柃木、蕨类和禾草类等，其生物量为0.41(±0.04)t·hm－2，其C 总量为0.19(±0.02)t·hm－2;林下凋落物生物量为5.84(±0.18)t·hm－2，其C总量为2.80(±0.08)t·hm－2(表3)。在华西雨屏区的传统皆伐炼山过程中，这些林下层植物和凋落物将被全部焚烧，这些植物有机碳以CO2形式释放到大气中，其释放的CO2量为10.96 t·hm－2。

2.4 土壤C 总量

与对照相比，炼山能显著减低土壤表层、中层和底层的C 储量(表4)。炼山1 d 后，土壤表层、中层、底层以及0～60 cm 层的C 储量分别比对照降低了45.93%、50.13%、16.01%和38.91%。这一结果说明，炼山对土壤0～60 cm 的有机碳含量与储量有显著的影响，大大降低了土壤有机碳的含量。

表3 杉木林下层、凋落物生物量及其C 总量估算结果

表4 炼山后土壤0～60 cm 层的C 总量估算 (单位:t·hm －2)

2.5 系统C 损失

28 a 生杉木人工林皆伐炼山后，总的C 损失为137.2 t·hm－2，其中木材转移C 损失占总C 损失的62.6%，是人工林系统的主要C 损失部分，其次是土壤有机碳的损失，占总C 损失量的28.8%;总C损失最小的部分是林下层植物，仅占总C 损失的0.1%(表5)。另外，炼山直接造成的C 损失为51.3 t·hm－2，占总C 损失量的37.4%。如果炼山形成的高温而造成的采伐剩余物、林下层植物、凋落物和土壤有机质挥发，则释放CO2量为188.1 t·hm－2。由此可见，人工林皆伐炼山所造成的环境负效应不容忽视，尤其是目前正处于全球气候变暖的时代。

表5 皆伐炼山后的杉木人工林系统的C 损失(单位:t·hm －2)

3 小结

通过本研究表明，华西雨屏区28 a 生杉木人工林皆伐炼山后的C 损失结果如下:

(1)皆伐后的干材转移生物量172.0(±15.2)t·hm－2，其对应的C 损失为85.9(±7.6)t·hm－2;

(2)采伐剩余物生物量为17.1(± 0.5)t·hm－2，其对应的C 损失为8.8(±0.3)t·hm－2;

(3)林下层植物的生物量为0.41(±0.04)t·hm－2，其对应的C 损失为0.19(±0.02)t·hm－2;

(4)林下凋落物层的生物量为5.84(±0.19)t·hm－2，其对应的C 损失为2.80(± 0.08)t·hm－2;

(5)土壤有机碳损失为39.5(±1.0)t·hm－2;

(6)整个杉木人工林系统，皆伐炼山后的植物有机质损失量为195.35 t·hm－2，总的C 量损失137.2 t·hm－2，其中干材转移和土壤有机碳损失最大。

总之，炼山形成的高温而造成的采伐剩余物、林下层植物、凋落物和土壤有机质燃烧和挥发，释放CO2量为188.1 t·hm－2。在全球气候变化(大气CO2浓度升高、升温、海平面上升等)情景下，人工林皆伐炼山所造成的环境负效应不容忽视，值得深思。

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