间伐对落叶松解剖特征与碳素储存关系的影响1)

胡思颖 关鑫 郭明辉 王金满

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (福建农林大学) (东北林业大学)

责任编辑:戴芳天。

大气二氧化碳的摩尔分数已经由工业革命前(1750年)的280 μmol·mol-1增加到391 μmol·mol-1(2011年)。从大气二氧化碳分布来看，赤道以北的工业化国家是主要碳排放源，也表明化石燃料燃烧和土地使用变化是人为活动排放大气二氧化碳的主要原因［1-2］。陆地生态系统是大气二氧化碳吸收固定的主要媒介之一，是通过中高纬度植被光合作用和氮沉降减少大气中温室气体的含量［3］。在自然系统中，碳素储存过程是在不同时间尺度下实现的，并以有机体的形式储存在自然碳库中，其形式可以是短生命周期的树叶、细根，也可是长生命周期的树干、土壤等［4-6］。

植被碳素储存量约占陆地生态系统的20%，其中热带森林的植被碳素储存量最高，其次为北方森林，森林和湿地的碳素储存量远高于农田和草地，毁林及森林退化将天然碳库转变为碳源［7-8］。然而，任何事物都具有两面性，人为干预增加碳库储碳量成为热点研究问题［9］。

帽儿山属于中纬度北方森林地区，植被种类繁多，地带性植被是以红松为主的针阔混交林，但人为活动的干预，使地带性植逐渐被取代，人工林落叶松因成材时间短、出材率高而得到大范围栽种。

人工林碳素储存量在时间尺度变化过程的分析已经成为全球温室效应减缓的核心内容。笔者以人工林落叶松为研究对象，在时间尺度上，研究间伐强度、解剖构造特征与人工林落叶松乔木层碳素储存量之间复杂的相互作用及其异质性，确定碳素储存量的高值期，提出科学的人为干预方式。

1 材料与方法

1.1 试样采集

试材采自东北林业大学帽儿山实验林场落叶松人工林林分内。在不同间伐强度(轻度间伐、重度间伐、未间伐)的林分内取样，取样方法按照国家标准GB 1927—91《木材物理力学试材采集方法》的规定进行。在每个样地上，选取5 株样木，在胸高1.3 m 处截取25、50 mm 厚圆盘各一个，记号带回实验室，作为木材解剖特征的试样。采样具体情况见表1。

1.2 解剖特征测定

管胞长度、管胞长宽比、管胞直径、管胞壁腔比和胞壁率5 项为测试指标，具体测定方法见参考文献［10］。

表1 试样采集信息

1.3 碳素储存量评估

基于生长轮分析法评估人工林落叶松碳素储存量，计算公式如下:Mc=(1/2)×r×V×n。式中，Mc为木材的储碳量;r 为胞壁率，是碳素储存量研究的重要指标;V 为木材材积，采用伐倒木区分求积法进行计算;n 为转化系数。

根据此公式可以估算任意时间范围内的木材储碳量，最小时间间隔为半年(环孔材)或一年(散孔材和半散孔材)，在时间尺度上研究木材年碳素储存量及分析人为干预方式效应具有明显优势［11］。

2 结果与分析

图中黑色深浅用来评价碳素储存量的多少，颜色越浅，碳素储存量越多。

2.1 管胞长度与连年碳储量

图1为不同间伐强度下生长轮龄、管胞长度与连年碳储量的关系。可知，对于轻度间伐，较高的连年碳储量分布在两个区域，一个是生长轮龄在5 a以内;一个是生长轮龄在10～26 a，且管胞长度小于2.4 mm。对于重度间伐，较高的连年碳储量分布在生长轮龄小于5 a，且管胞长度大于3.8 mm。但结合前期的研究结果可知，较小的管胞长度对应较高的连年碳储量，因此把范围确定在黄色区域，即生长轮龄在4～20 a，且管胞长度小于2.6 mm。对于未间伐而言，较高的连年碳储量分布在生长轮龄30 a以上，且管胞长度小于2.6 mm。综合来看，轻度间伐是比较合理的培育措施，因为在生长初期，管胞长度的大小对连年碳储量无影响，且连年碳储量较高，而后进入成熟期，小的管胞长度对应较高的连年碳储量，而长的管胞长度虽然连年碳储量相对较低，但其分布在黄色区域，也是较为理想的。

图1 不同间伐强度下生长轮龄、管胞长度与连年碳储量的关系

2.2 长宽比与连年碳储量

由图2可知，对于轻度间伐，生长轮龄小于10 a的连年碳储量较高。对于重度间伐，较高的连年碳储量分布在两个区域，一个区域是生长轮龄小于10 a，且管胞长宽比大于110;另一个区域是生长轮龄小于20 a，且管胞长宽比小于85。对于未间伐，较高的连年碳储量分布在生长轮龄小于30 a，且管胞长宽比小于110。综合对比分析，从管胞长宽比的角度考虑比较合理的培育措施是未间伐，其幼龄期和成熟期的连年碳储量相对较高，是培育优质高固碳量人工林落叶松的合理培育措施。

2.3 管胞直径与连年碳储量

由图3可知，对于轻度间伐，生长轮龄小于25 a的连年碳储量较高;对于重度间伐，生长轮龄小于20 a 的连年碳储量较高;对于未间伐，生长轮龄小于20 a 的连年碳储量较高。综合前面的分析结果，从管胞直径的角度考虑，三者的差异性不大。

2.4 管胞壁腔比与连年碳储量

由图4可知，对于轻度间伐，较高的连年碳储量分布在3 个区域，一个是生长轮龄小于5 a，管胞壁腔比小于1.6;一个是生长轮龄在12～22 a，管胞壁腔比大于1.7;一个是生长轮龄在12～22 a，管胞壁腔比小于0.8。对于重度间伐，较高的连年碳储量分布在2 个区域，一个是生长轮龄小于20 a，管胞壁腔比大于1.4;一个是生长轮龄在0～26 a，管胞壁腔比小于0.95。对于未间伐，较高的连年碳储量分布于生长轮龄小于5 a。综合前面的分析结果，较为合理的培育措施是重度间伐，在幼龄期和成熟期，除较高的连年碳储量，其余的连年碳储量分布在黄色区域，也是相对较高的。

图2 不同间伐强度下生长轮龄、管胞长宽比与连年碳储量的关系

图3 不同间伐强度下生长轮龄、管胞直径与连年碳储量的关系

图4 不同间伐强度下生长轮龄、管胞壁腔比与连年碳储量的关系

2.5 胞壁率与碳素储存量

图5 不同间伐强度下生长轮龄、胞壁率与连年碳储量的关系

由图5可知，对于轻度间伐，生长轮龄小于10 a的连年碳储量相对较高;对于重度间伐，生长轮龄小于25 a 的连年碳储量相对较高;对于未间伐，生长轮龄小于10 a 的连年碳储量相对较高。综合对比分析可知，重度间伐是较为合理的培育措施，幼龄期和成熟期的连年碳储量相对较高，且幼龄期的连年碳储量不受胞壁率影响，而成熟期的连年碳储量随胞壁率的增加而增加。应温度170 ℃、催化剂用量5%。在此条件下沙柳木粉液化率为97.84%;核磁共振图谱分析得出沙柳在多元醇液化过程中，发生了降解、缩聚反应，产物主要生成了糠醛类化合物、愈创木基型木质素结构以及脂类化合物。另外纤维素、木质素降解生成的小分子化合物之间缩聚产生大分子量的化合物;液化产物的羟值、酸值都随着液化率的增高而增加。产物的黏度在反应开始阶段较高，之后产物黏度值随反应时间的增加先降低又升高。

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