亚热带杉木人工林生物量及其碳储量分布——以福建将乐县杉木人工林为例

涂宏涛，孙玉军，刘素真，董云飞，方 景

(北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083)

亚热带杉木人工林生物量及其碳储量分布
——以福建将乐县杉木人工林为例

涂宏涛，孙玉军，刘素真，董云飞，方 景

(北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083)

根据7块不同林龄杉木人工林标准地调查的数据，对亚热带杉木人工林生物量和碳储量及其垂直分布进行研究。结果表明：杉木人工林林木和各器官生物量随着林龄的增大而增加，树干所占比重最大且逐渐增大，在林龄28年时，乔木层的生物量最大为167.86t/hm2。杉木人工林碳储量垂直分布序列为乔木层＞凋落物层＞草本层，分别为 50.28t/hm2、4.32t/hm2、1.50t/hm2，平均年固碳量分别为 2.44t/hm2·a-1、0.19t/hm2·a-1、0.14t/hm2·a-1。杉木人工林总平均生物量、总平均碳储量和总平均年固碳量分别为119.05t/hm2、56.10t/hm2、2.77t/hm2·a-1。因此，乔木层作为森林生态系统中主要的碳库层，对于森林的碳汇功能发挥着重要的作用。

杉木人工林；生物量；碳储量；垂直分布；福建省将乐县

在当今社会科技以及文化各方面飞速发展下，人类活动所引起的气候全球化已经对生物多样性产生了极大的影响[1]。因此，深入的研究和科学地认知生态系统，从而缓解二氧化碳全球化具有十分重要的理论与现实意义。森林维持着陆地生态系统植被碳库的82％～86％和土壤碳库的70％～73％[2-3]，其在减缓全球气候变暖和维持碳平衡等方面具有重要的意义。

德国的Ebermeyer最早于1876年研究了森林生态系统的碳[4-5]，上世纪60年代，随着国际生物学计划(IBP)的建立，从而促使了森林生态系统碳储量的广泛研究，到九十年代后，对森林生态系统碳循环的研究进入了高峰时期[6-8]。Dixon[9]根据前人研究的成果，总结了1987～1990年全球生态系统土壤和植被的碳储量；法国Paul[10]以28年生人工林数据为对象，估算出了2年观测期内的碳储量；Roxburgh等[11]通过研究了澳大利亚新南威尔士州森林的碳储量，结果显示植被、粗木质残体和枯落物的碳储量比例为82％、16％和2％；方精云等[12-14]研究结果显示随着人工林的增长，森林碳储量也随着增加，年增量2200万t左右；王效科等[15-17]估算出全国生林生态系统植被碳储量约占全球的0.6％～0.7％。目前，估算森林碳储量的方法主要有测数学法、气体交换法、模型估算法[18-19]。

杉木Cunninghamia Lanceolata作为亚热带典型的速生用材树种，是我国南方集体林区的主要森林类型之一，其面积约为全国人工林总面积的25％[20-22]。因此，本文以福建将乐县杉木人工林为研究对象，研究了亚热带杉木人工林生物量、碳储量的空间分布特征和分配规律，为进一步研究杉木人工林生态系统碳循环、碳汇功能和林分经营提供基础数据和理论参考价值。

1 研究地概况

试验地设于福建西北部将乐县国有林场(东经 117°05′～117°40′，北纬26°25′～27°04′)，为低山丘陵地貌，海拔400～800m，地势呈西南向东北延伸的山间盆谷。土壤以红壤为主，土层厚度在60～80cm，水分充足，土壤肥沃。试验区属于亚热带季风气候，年平均气温14.6～18.7℃，年平均降雨量1 676.3mm，年平均蒸发量1 204mm，无霜日298.8d，气候温和。杉木人工林林分树种比较单一，林下植被主要有粗叶榕(Ficus hirta Vahl.)、檵木(Loropetalumchinensis(R.Br.)Oliv)、狗脊蕨(Woodwardia orientalis Sw.)、海金莎(Lygodium japonicum(Thunb.)Sw.)、芒萁(Dicranopteris dichotoma(Thunb.)Bernh.)等。林下木质物残体主要为杉木和林下植被层的枯枝落叶和剩余堆积物等。

2 材料与方法

2.1 杉木各组分生物量的测定

根据杉木人工林年龄为7～38年，包括幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林5个龄级设置7块20×30m2的标准地，林分基本特征因子如表1，对样地内林木进行每木调查，在每木调查的基础上，按标准地分别选取2～3株平均标准木，共19株。用“分层切割法”分别实测干材、皮、枝、叶鲜质量，并对各器官的样品按“混合取样法”取样，对于根采用“分层挖掘法”，按(0～20、20～40、40～60和60～80cm)将根按自然状态挖出，分别称取鲜质量并取样[23-26]。将上述样品带回实验室,在105℃烘箱中烘干至恒重,计算出各器官干物质质量。累计得到整株生物量，最后根据以D(胸径)、H(树高)、D2H为变量建立的估算杉木林分平均木各器官生物量经验方程计算各器官生物量和林分每公顷生物量。

表1 杉木人工林林分基本特征及调查因子Table 1 Basic characteristics and investigation factors of sampling sites of Chinese fir plantation

2.2 林下植被、凋落物生物量的测定

每个标准地设置4个3m×3m的灌木样方，4个1m×1m的草本样方，8个0.5m×0.5m的凋落物样方，分别记录每个样方内的植物种类数量、盖度，采取全挖法实测灌木、草本的地上和地下的鲜重，按器官分别取混合样品；采用全收获法直接取样测定凋落物的鲜重并取样。将样品烘干至恒重求得生物量，根据样方面积从而求算出林分每公顷的灌草生物量和凋落物生物量。

2.3 林分生物量及碳储量的测算

由于林木胸径、树高和各部生物量的密切相关性，构建生物量幂函数模型，求得单株各部生物量模型。根据标准地调查的相关数据构建生物量模型，将各标准地平均胸径和树高代入模型方程从而求出平均单株杉木各组分生物量和林分公顷生物量，并乘以各组分的含碳率求得杉木碳储量。(本实验林分各组分的含碳率如方晰等[27]所测定的湖南会同的杉木林分各组分含碳率，其中树皮为0.500 3，树叶为0.491 6，树枝为0.460 5，树干为0.474 4，树根为0.472 4，灌木层0.434 4，草本层0.400 9，凋落物层0.434 1)

3 结果与分析

3.1 不同年龄阶段杉木人工林单株木生物量及其分配

由表2可知，杉木人工林单株木各器官生物量随着林龄的增大而增加，其单株木的生物量由7年生的5.63kg/株，增长到38年生的94.17kg/株，表现出杉木的速生特性。从杉木各组分生物量分配比来看，树皮所占比例随着林龄的增大变化差异不大，大致在0.09～0.11；树干的生物量比重随着林龄的增加而增大，最大为0.66；树枝比重的变化则表现为在7～28年生的比重较大，而在28年生以后比重相对降低，比重最高为7年生的0.12，最低为31年生的0.04；树叶的比重随着林龄的增大而减少，比重最大为7年生的0.29，最低为38年生的0.04；根的比重表现为在7～15年，随着林龄的增大而增加，在24～15年，随着林龄的增大而减少，表现出“n”型变化，在15年达到最高值为0.25。从各林龄杉木单株木来看，各器官生物量及其分配的大小存在的明显的差异：7年生树干＞树叶＞树根＞活枝＞树皮＞死枝；10年生和15年生树干＞树根＞树叶＞树皮＞活枝＞死枝；24年生树干＞树根＞树皮＞树叶＞活枝＞死枝；28年生和38年生树干＞树根＞树皮＞活枝＞树叶＞死枝；31年生树干＞树根＞树皮＞活枝=树叶＞死枝。由此可知，7～15年杉木主要以营养生长为主，到15年后逐步转向为生殖生长为主。

从杉木林上(树冠)、中、(干皮)和下(根)垂直三部分来看(如图1)，随着林龄的增大，林木的树冠所占的比例逐渐降低，干皮的比例逐渐增大，而根所占比例波动幅度最小，基本维持在13％～26％。由此可知，随着林龄的不断增长，杉木林主要表现为材积生长，体现了在杉木人工林经营中主要以木材生产为主的目的，也体现了杉木林在幼龄林阶段主要为营养生长，逐渐转变为生殖生长。

表2 不同年龄阶段杉木人工林单株木生物量及其分配†Table 2 Single tree biomass and its allocation of Chinese fir plantation at different age stages

图1 杉木异林龄各组分生物量垂直分配Fig.1 Vertical distribution of components biomass in Chinese fir stands with different forest ages

3.2 不同年龄阶段杉木人工林生物量及其分配

根据标准地调查数据和19株样木数据，以D(胸径)、H(树高)、D2H为变量，方程模型选用W=aDbHc和W=a(D2H)b，选取最优模型求得平均单株各部生物量模型(如表3)。可知，杉木林各组分生物量最优模型的R2(决定系数)都达到了0.76以上，P(预估精度)值也达到了82％以上，除死枝外，E(平均相对误差)均在±0.012以内，e(平均相对误差绝对值)也都在0.53以下，表明生物量模型精度较高，能较好地预估各组分生物量模型。将杉木人工林不同林龄标准地的平均胸径(D)和平均高(H)，代入最优生物量模型，分别求出平均单株各组分生物量，再乘以公顷株数，从而求得杉木林分各组分公顷生物量(如表4)。可知，在7～28年，随着林龄的增大，杉木林分各组分公顷生物量逐渐增大；28～38年，随着林龄的增大，杉木林分各组分公顷生物量逐渐降低；从杉木总体而言，杉木林在28年生物量达到了峰值，为167.86t/hm2，分别为7年、10年、15年、24年、31年和38年的16.5、1.8、1.6、1.6、1.2和1.5倍，体现出杉木林的速生性，其最佳成熟年龄为28年，为杉木人工林的合理采伐经营提供科学依据。

表3 各组分生物量模型的估计参数及检验结果Table 3 Results of parameters estimation and examination for component biomass models

表4 不同年龄阶段杉木人工林各组分生物量及其分配Table 4 Components biomass and allocation of Chinese fir plantation at different ages

3.3 不同年龄阶段杉木人工林林下生物量及其分配

由表5可知，7～38年生杉木人工林林下总生物量随林龄的增大而逐渐增加，由10.61t/hm2增加到20.24t/hm2，其中灌木层和草本层的生物量随林龄由3.08t/hm2减少到0.11t/hm2，5.20t/hm2减少到1.08t/hm2，所占百分比也分别由28.49％下降到0.55，48.12％下降到5.33％；凋落物生物量则由7年生的2.53t/hm2逐渐增加到38年生的19.05t/hm2，所占百分比由23.39％增加到94.12％，灌草层和凋落物层的降低和增加明显，表明随着林龄的增大，林分郁闭度的增加，灌草的竞争生存空间逐渐缩小，其生长不断受到抑制，再加上人工的经营中对灌草的清除，从而导致灌草的生物量逐渐降低，林下凋落层生物量逐渐增加，另一方面，杉木人工林的林分结构也在不断的变化，凋落物的增加，对林地土壤肥力也起到了很好地改良作用。

表5 不同林龄杉木人工林林下生物量及分配Table 5 Under-story biomass and allocation proportion of Chinese fir plantation at different ages

从图2可知，凋落物的各分解层的生物量随着林分林龄的增加而逐渐增加，未分解层从1.74t/hm2增加到9.37t/hm2，增加了5.39倍；半分解层从0.68t/hm2增加到5.31t/hm2，增加了7.81倍；全分解层从0.11t/hm2增加到4.36t/hm2，增加了39.64倍。凋落物各层所占百分比中，未分解层整体呈下降趋势，最后趋于平稳约为50％；半分解层整体较为平稳约为30％；未分解层整体呈上升趋势，最后趋于平稳约为20％。

3.4 杉木人工林生态系统碳储量及空间分布

根据杉木人工林生态系统各层的生物量乘以相应的碳密度得出各层的碳储量如图3，对于乔木层碳储量，其变化呈“n”型特点，先随着林龄的增大而明显增加，到28年达到最大值为79.99t/hm2，后随林龄增加而降低；林下植被层由于林分密度增大，光照强度降低等原因，随着林龄的增加而逐渐降低，最大值为7年的3.42t/hm2，最低值为38年的0.48t/hm2；凋落物层则随着林龄的增大而逐渐增加，呈“S”型增长特点，由7年的1.10t/hm2增加到38年的8.27t/hm2，增长了近7.52倍，由此可知，凋落物层是杉木林生态系统重要碳库，对于群落结构和土壤肥力的改善起到了重要的作用。在杉木人工林生态系统各层的碳储量百分比中，由于乔木层碳储量所占比例远远大于林下层，因此杉木人工林生态系统的总碳储量变化随着乔木层的变化而变化，其最低值为9.40t/hm2，最大值为86.45t/hm2，其各层的百分比大小规律为，在7～10年，乔木层＞林下植被层＞凋落物层；10～38年，乔木层＞凋落物层＞林下植被层。

结合图3杉木人工林生态系统不同林龄各层的碳储量，除以各林龄从而求得不同林龄标准地杉木林分各层年固碳量如表6，乔木层和林下植被层年碳储量在10年时最高，分别为4.55t/hm2·a-1、0.27t/hm2·a-1，凋落物层年固碳量以31年最高，为0.24t/hm2·a-1，这一变化符合杉木林分生长状况，在10年时，林木与植被层生长旺盛时期，因而年固碳量最大，随着林龄的增大林分郁闭度降低，枯枝落叶量的增加从而是凋落物年固碳量增加。从整个杉木人工林生态系统来看，其平均总年固碳量为2.76t/hm2·a-1，各层平均年固碳量分别为乔木层 2.44t/hm2·a-1、林下植被层 0.14t/hm2·a-1、凋落物层0.19t/hm2·a-1，该结果略低于湖南会同速生阶段杉木林年固碳量3.489t/hm2·a-1，低于同处热带的马尾松天然林年固碳量5.473t/hm2·a-1，体现了林分生态系统的碳储量随着林分结构、树种组成和林地条件的不同而有所差异。

图2 不同林龄杉木人工林凋落物生物量及分配Fig.2 Litter biomass and allocation proportion of Chinese fir plantation at different ages

图3 不同林龄杉木人工林生态系统中碳贮量及空间分布Fig.3 Carbon storage and spatial distribution of Chinese fir plantation at different ages

表6 不同林龄杉木人工林生态系统年碳素固定量Table 6 Annual net carbon storage of Chinese fir plantation at different ages

4 结论与讨论

结果表明，杉木人工林各组分最优生物量模型分别为W树皮=9.03e-03D1.65H1.41，W树干=8.62e-03D1.95H0.5，W活枝=0.03D2.13H-0.24，W死枝=1.05e-04(D2H)1.05，W树叶=1.20e-01D1.75H-0.44，W树根=4.00e-02D2.11H-0.44，其中各组分生物量的比例依次为9.88∶62.57∶5.94∶1.14∶5.22∶15.25；杉木人工林生态系统乔木层、林下植被层和枯落物层的平均生物量分别为105.48t/hm2、3.63t/hm2、9.94t/hm2，平均固碳量分别为50.28t/hm2、1.50t/hm2、4.32t/hm2，平均年固碳量分别为2.44t/hm2·a-1、0.14t/hm2·a-1、0.19t/hm2·a-1。杉木人工林生态系统的总平均生物量、总平均碳储量和总平均年固碳量分别为119.05t/hm2、56.10t/hm2、2.77t/hm2·a-1，因此乔木层作为森林生态系统中主要的碳库层，对于森林的碳汇功能发挥着重要的作用。

杉木人工林生态系统的生物量及碳储量随着林龄的变化而变化，同时受到林分结构和立地条件的影响。在杉木人工林幼龄林阶段，林分密度较低，人工经营措施等因素，乔木层和草本层的生物量和碳储量增长较快，随着林龄的增加，林分空间减少，对光照与肥力的竞争增强，从而使得林木生长速度减慢，枯损率增加，导致林分植被层生物量和碳储量降低，而枯落物层增大。杉木人工林生态系碳储量空间分布序列为幼龄林中乔木层＞林下植被层＞凋落物层，中龄林及以上乔木层＞凋落物层＞林下植被层。虽然杉木人工林生态系统碳汇功能明显，但其固碳能力相比于其他自然林树种的固碳能力还较低，因此还需要进一步研究杉木人工林的林分结构和立地条件的，对提高杉木人工林生态系统的生产力和碳储量具有重大的科学、经济价值，从而在全球碳循环中发挥更大的作用。

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Stand biomass and carbon storage distribution of Chinese fir plantation in Subtropical China

TU Hong-tao,SUN Yu-jun,LIU Su-zhen,DONG Yun-fei,FANG Jing
(Key Lab.for Silviculture and Conservation Constructed by China Education Ministry and Beijing,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

Based on the data of 7 permanent plots,the storage and spatial distribution of carbon and biomass in Chinese fir plantations were researched in Jiangle County of Fujian Province.The results show that biomass of both arbor layer and organs increased signi fi cantly with the increasing of stand age,the tree trunk biomass occupied the largest share of whole tree and gradually increased,and when the stand age reached 28-year-old,the max biomass of arbor layer was 167.86t/hm2; The carbon storages of arbor,understory layers and litter in vertical distribution ranked from big to small as follows：arbor＞litter＞understory layers,they values were 50.28t/hm2,4.32t/hm2,1.50t/hm2respectively,their annual carbon storages of arbor,understory layers and litter were 2.44t/hm2·a-1,0.19,and 0.14t·hm-2a-1,the average biomass,average carbon storage and annual carbon storage of total Chinese fir plantations were 119.05t/hm2,56.10t/hm2,2.77t/(hm2·a).Obviously,the arbor layer as a major carbon stock of forest ecosystem plays an important role for collecting carbon.

Chinese fir plantations; biomass; carbon storage; vertical distribution; Jiangle County of Fujian Province

S718；S791.27

A

1673-923X(2015)07-0094-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.07.017

2014-12-13

国家林业局重点项目(201207)；林业科技成果国家级推广项目([2014]26)

涂宏涛，硕士研究生

孙玉军，教授；E-mail：sunyj@bjfu.edu.cn

涂宏涛,孙玉军,刘素真,等.亚热带杉木人工林生物量及其碳储量分布——以福建将乐县杉木人工林为例[J].中南林业科技大学学报，2015,35(7)：94-99.

[本文编校：吴 毅]