抚育间伐对秦岭南坡锐齿栎天然次生林碳密度的影响

武朋辉，党坤良，常　伟，李明雨

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100)



抚育间伐对秦岭南坡锐齿栎天然次生林碳密度的影响

武朋辉，党坤良，常伟，李明雨

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 探索森林抚育间伐强度对秦岭南坡锐齿栎天然次生林不同碳库的影响，为秦岭林区锐齿栎林合理抚育间伐提供参考。【方法】 在陕西省宁东林业局沙沟林场，按照不同坡向(阴坡和阳坡)和抚育间伐强度设置锐齿栎天然次生林标准地24块，间伐强度分别为林分蓄积量的5%，15%和25%，并设置不间伐的对照样地。通过样地调查，研究不同强度间伐3年后锐齿栎天然次生林植被层、枯落物层以及土壤层有机碳密度的变化规律。【结果】 5%间伐对阳坡和阴坡乔木层碳密度均无显著影响，而阳坡15%，25%间伐的林分乔木层碳密度分别比对照低10.53%和21.00%，阴坡分别低14.91%和23.39%；阳坡5%，15%间伐的林分乔木层有机碳密度增加量分别比对照高19.03%和21.19%，而25%间伐的林分与对照无显著差异；阴坡5%间伐的林分乔木层有机碳密度增加量比对照高16.76%，而15%和25%间伐的林分均与对照无显著差异；阳坡、阴坡林下灌木和草本植物碳密度均随抚育间伐强度的增加而增大；不同抚育间伐强度对枯落物层和土壤层有机碳密度均没有显著影响；5%间伐对2个坡向的锐齿栎次生林总有机碳密度均无显著影响，15%，25%间伐分别使阳坡林分总有机碳密度降低7.10%和13.64%，使阴坡林分总有机碳密度降低8.84%和13.66%。【结论】 抚育间伐在一定程度上降低了秦岭南坡锐齿栎天然次生林的碳储量，然而合理的抚育间伐强度能够提高其乔木层单位面积碳吸存量；秦岭南坡锐齿栎天然次生林在阳坡采取15%间伐强度、阴坡采取5%间伐强度短期内有利于提高林分的固碳能力。

间伐强度；锐齿栎；天然次生林；碳密度

抚育间伐通过调整林分密度、优化林木的生长环境和营养空间来促进林木生长，是森林经营的重要措施[1]。森林碳库是陆地生态系统碳库的主体，在吸收和固定CO2、应对全球气候变化中发挥着重要作用[2]。前人就抚育间伐对森林生态系统植被和土壤2个碳库的影响已有一些研究，成向荣等[3]、Horner等[4]、游伟斌等[5]的研究结果均显示，合理的抚育间伐强度能够增加乔木层碳密度；徐金良等[6]、Nilsen等[7]的研究结果则显示，抚育间伐在不同程度上降低了乔木层的碳储量；一些研究表明抚育间伐后森林土壤碳密度不同程度降低[8-10]，也有研究表明抚育间伐对土壤碳密度没有产生显著影响[2-3,6,11]或在一定程度上有所增加[12]。这些不同甚至相反的结论可能是研究的立地条件、林分类型、抚育间伐强度、起始期和间伐后持续时间各异所致。以往的研究对象多集中在杉木、马尾松、落叶松等人工林类型中，而关于抚育间伐对天然次生林影响的研究则较少。中幼龄天然次生林是中国森林的主体，在结构组成、林木生长、生产力、林分环境等方面与原始林和人工林显著不同[13]。研究抚育间伐对天然次生林碳库的影响有利于其碳库管理水平的提高。

20世纪50─80年代采伐后恢复的中幼龄锐齿栎天然次生林是秦岭林区的主要森林类型之一，其分布面积约占该林区的40%，在该地区发挥着非常重要的生态作用[14]。由于缺乏必要的经营管理措施，秦岭锐齿栎次生林普遍存在密度过大、丛生等现象，其生产力低下，碳汇功能难以得到充分发挥。目前针对秦岭锐齿栎林群落类型[14]、生产力[15]以及碳密度[16]等方面已有研究，而抚育间伐等森林经营活动对其碳汇能力的影响则未见报道。本研究以秦岭南坡锐齿栎天然次生林为对象，研究了阳坡和阴坡锐齿栎天然次生林植被层、枯落物层及土壤层碳库对抚育间伐强度的响应，以期为秦岭林区锐齿栎天然次生林碳库管理及科学经营提供参考。

1　研究区概况

试验样地设置在秦岭南坡宁陕县境内的陕西省宁东林业局沙沟林场。地理位置108°33′～108°48′E，33°43′～34°47′N。年平均气温6～10 ℃，海拔964～2 362 m，年降水量920～1 230 mm。该地区森林植被在20世纪50-80年代遭到过度砍伐，90年代基本恢复，形成大面积天然次生林。常见森林群落类型有锐齿栎林、阔叶混交林、松栎混交林、油松林、华山松林等。主要成林树种有锐齿栎(Q.alienavar.acuteserrata)、油松(Pinustabulaeformis)、华山松(Pinusarmandii)等，主要伴生树种有漆树(Toxicodendronvernicifluum)、青榨槭 (Acerdavidii)、灯台树(Bothrocaryumcontroversum)等。其土壤主要为山地棕色森林土，土层厚约50 cm。

研究样地设在林龄35年左右的锐齿栎天然次生林中，树种组成为锐齿栎64.8%～84.0%，漆树9%～18%，灯台树11%～16%，青榨槭、华椴(Tiliachinensis)、灰榆(Ulmusglaucescens)等阔叶树种2%～13%(以蓄积量计)，阳坡样地中散生有个别油松和华山松。主要灌木为悬钩子类及白檀(Symplocospaniculata)、菝葜(Smilaxchina)等，主要草本植物为白茅(Imperatacylindrica)、蛇梅(Duchesneaindica)、茜草(Rubiacordifolia)等。

2　研究方法

2.1研究样地的布设与调查

2011年9月分别在阳坡和阴坡选择生长状况基本相似的锐齿栎林，在坡面中部按照不同的抚育间伐强度设置面积为20 m×20 m的研究样地共24块，间伐强度分别为林分蓄积量的5%(T5)、15%(T15)和25%(T25)，并设置不间伐的对照样地(CK)，不同处理在2个坡向各重复3次。间伐样地采用下层抚育的方法进行抚育间伐处理，优先伐除林分平均胸径以下长势较差及干形不良的林木个体，间伐木就地打枝，树干移出林地，剩余物均匀铺于林地表层。利用GPS确定每个样地的位置，记录每块样地的海拔、坡度、坡位、坡向等立地因子。调查林分郁闭度，进行每木检尺，分别记录每个样地内每株乔木(胸径>4 cm)的树种、树高、胸径和冠幅，并对其进行编号和标记。2014年9月份对研究样地进行复测。研究样地概况见表1。

表 1　秦岭南坡锐齿栎天然次生林研究样地概况Table 1　General information of plots in Quercus aliena var.acuteserrata natural secondary forest on southern slope of Qinling Mountains

2.2乔木、林下植被及枯落物碳密度测算

2014年9月在每个研究样地内选取2株平均标准木，分别采集叶、皮、枝、干(去皮)和根各1 000 g左右记录其质量，带回实验室在85 ℃下烘至恒质量，测定各器官的含水率。利用研究区已有的锐齿栎生物量估算模型[15]，根据样地调查数据分别估算出2011年和2014年锐齿栎林乔木各器官生物量。样地内所有乔木个体生物量相加即为样地乔木生物量。在每个样地沿对角线布设灌木(2 m×2 m)、草本(1 m×1 m)和枯落物(1 m×1 m)调查样方各3个。采用收获法将每个样方内灌木和草本连根挖出，枯落物全部收集。分别称量每个样方内灌木叶、枝干和根，草本地上和地下部分鲜质量，以及枯落物鲜质量。分别取样，带回实验室在85 ℃下烘至恒质量，测定其含水率。根据样方均值估算每个样地灌木和草本单位面积生物量及枯落物量。将烘干的植物和枯落物样品粉碎，过0.074 mm (200目)筛，用德国ELEMENTAR公司LIQUIC TOCⅡ总有机碳分析仪测定各部分含碳率。各部分单位面积生物量乘以含碳率即为其碳密度。

2.3乔木层有机碳密度增加量的计算

为了研究抚育间伐强度对不同坡向锐齿栎次生林乔木碳吸存的影响，本研究以抚育间伐后乔木层碳密度的增加量估算乔木层有机碳积累量，它可以反映抚育间伐后短期内乔木层吸收和固定CO2能力的大小。不同间伐处理的样地乔木层有机碳密度增加量为其2014年复测时的碳密度与2011年间伐后碳密度的差值，计算公式如下：

I=D2014-D2011。

(1)

式中：I为乔木层有机碳密度增加量(t/hm2)，D2014为2014年乔木层碳密度(t/hm2)，D2011为2011年伐后乔木层碳密度(t/hm2)。

2.4土壤有机碳密度测定

在每个调查样地内沿对角线挖取3个土壤剖面，按照0～15，15～30和30～45 cm分层，在每层中间取样，将同一样地相同土层的3个土样混合。同时用环刀法分别测定各土层土壤体积质量，挑出其中的植物根和粒径大于2 mm的砾石，用排水法测定其体积含量。土样风干后磨碎，过0.074 mm (200目)筛，用德国ELEMENTAR公司 LIQUIC TOCⅡ 总有机碳分析仪测定样品含碳率，土壤有机碳密度计算公式如下：

(2)

式中：SOCD为土壤有机碳密度(t/hm2)，n=3，ρi为第i层土壤平均体积质量(g/cm3)，θi为第i层粒径>2 mm石砾含量(%)，ci为第i层土壤含碳率(g/kg)，di为第i层土层厚度(cm)。

2.5数据处理

数据统计分析采用EXCEL 2003和SPSS 18.0统计软件。用单因素方差分析(ANOVA)和Duncan’s新复极差法判断不同间伐处理间锐齿栎林乔木层、林下植被层、枯落物层和土壤层碳密度的差异显著性，以P<0.05表示差异显著。

3　结果与分析

3.1抚育间伐对不同坡向锐齿栎天然次生林乔木层有机碳密度的影响

研究结果(图1)表明，不同抚育间伐强度对阳坡和阴坡锐齿栎天然次生林乔木层有机碳密度均影响显著，且均表现为CK>T5>T15>T25。在2个坡向上，乔木层有机碳密度在T5样地与CK样地间均无显著差异，而T15、T25样地则显著低于CK和T5样地。阳坡T15、T25样地乔木层有机碳密度分别比CK低 10.53%和21.00%，阴坡T15、T25样地乔木层有机碳密度分别比CK低14.91%和23.39%。

图 1间伐强度对秦岭南坡锐齿栎天然次生林乔木层有机碳密度的影响

图柱上标不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。下图同

Fig.1Effect of thinning intensity on total organic carbon density (TOCD) of tree layer ofQuercusalienavar.acuteserratasecondary forest on southern slope of Qinling Mountains

Different small letters mean significant difference (P<0.05).The same below

由图2可知，2个坡向不同间伐强度的样地间伐3年后乔木层碳密度较刚间伐时均有不同程度增加，阳坡乔木层有机碳密度的增加量为T15(20.69 t/hm2)>T5(20.32 t/hm2)>T25(17.12 t/hm2)>CK(17.07 t/hm2)，与2011年刚间伐时相比，CK、T5、T15、T25样地分别增加了16.19%，19.79%，23.13%和21.37%；T5和T15样地乔木层有机碳密度增加量显著高于CK，分别高出CK 19.03%和21.19%，T25样地略高于CK，但差异不显著。阴坡乔木层有机碳密度增加量为T5(19.32 t/hm2)>CK(16.54 t/hm2)>T15(15.47 t/hm2)>T25(14.64 t/hm2)，与2011年刚间伐后相比，CK、T5、T15和T25分别增加了18.03%，22.26%，20.18%和21.42%；T5样地乔木层有机碳密度增加量显著高于CK，高出CK 16.76%，T15和T25样地与CK相比则略有降低，分别比CK样地低6.49%和11.54%，但彼此之间以及与CK之间差异均不显著。由图2还可以看出，阳坡不同抚育间伐强度的林分乔木层有机碳密度增加量均高于阴坡，这可能是因为在秦岭林区水分条件较好的情况下，阳坡较好的光照条件更有利于锐齿栎的生长和乔木层碳密度的积累。

图 2间伐强度对秦岭南坡锐齿栎天然次生林乔木层有机碳密度增加量的影响

Fig.2Effect of thinning intensity on increase of organic carbon density of tree layer ofQuercusalienavar.acuteserratasecondary forest on southern slope of Qinling Mountains

3.2抚育间伐对不同坡向锐齿栎天然次生林林下植被和枯落物碳密度的影响

林下植被和枯落物碳库在森林生态系统中所占的比例较小，然而由于其周转较快，是森林生态系统植被碳库向土壤碳库转移的重要途径，因此在生态系统碳循环中具有重要作用。由表2可知，不同坡向灌木碳密度均随抚育间伐强度的增加而增大。2个坡向T15和T25灌木碳密度均较CK显著增加，阳坡分别比CK样地高出72.26%和125.55%，阴坡分别高出60.95%和66.67%。草本碳密度在不同坡向也均随抚育间伐强度增加而增大。阳坡T15和T25草本碳密度较CK显著增加，分别比CK高出51.22%和90.24%；阴坡不同抚育间伐强度的样地草本碳密度均较CK显著增加，T5、T15、T25分别比CK高出54.84%，90.32%和119.35%。不同坡向枯落物碳密度均随抚育间伐强度的增加而减小，但2个坡向各处理间差异均不显著。

表 2　间伐强度对秦岭南坡锐齿栎天然次生林林下植被和枯落物碳密度的影响Table 2　Effect of thinning intensity on carbon density of underground vegetation and litter of Quercus aliena var.acuteserrata secondary forest on southern slope of Qinling Mountains　t/hm2

3.3抚育间伐对不同坡向锐齿栎天然次生林土壤有机碳密度的影响

由表3可以看出，阳坡不同间伐强度的样地土壤有机碳密度均低于CK，T5、T15、T25分别比CK低3.17，2.29和3.18 t/hm2；阴坡T5处理的土壤有机碳密度比CK高0.50 t/hm2，T15和T25则分别比CK低1.20 和1.19 t/hm2。阳坡0～15 cm土层土壤有机碳密度在不同间伐强度的林分中相比于CK均有下降趋势，T5、T15、T25分别比CK低2.09，1.23 和1.81 t/hm2；阴坡T5 处理0～15 cm土层土壤有机碳密度比CK高0.99 t/hm2，而T15和T25则分别比CK低0.97和0.74 t/hm2。15～30 cm土层土壤有机碳密度在阳坡和阴坡均有随抚育间伐强度增加而下降的趋势，阳坡和阴坡不同间伐强度处理的样地分别较CK下降0.70～1.49和0.35～0.73 t/hm2。30～45 cm土层土壤有机碳密度在2个坡向随抚育间伐强度均无明显变化规律。方差分析结果表明，在阳坡和阴坡不同抚育间伐强度的林分各土层碳密度和土壤剖面总碳密度均与CK之间无显著差异。可见抚育间伐强度在较短时期内对阳坡和阴坡锐齿栎林土壤有机碳密度不会产生实质性影响。

表 3　间伐强度对秦岭南坡锐齿栎天然次生林土壤有机碳密度的影响Table 3　Effect of thinning intensity on carbon density of soil of Quercus aliena var.acuteserratasecondary forest on southern slope of Qinling Mountains　t/hm2

3.4抚育间伐对不同坡向锐齿栎天然次生林总有机碳密度的影响

阳坡和阴坡不同间伐强度间锐齿栎天然次生林总有机碳密度(包括乔木、林下植被、枯落物和土壤)差异均显著，均表现为CK>T5>T15>T25(图3)。T5与CK在阳坡和阴坡差异均不显著；阳坡T15、T25总有机碳密度分别比CK低7.10%和13.64%，阴坡T15、T25总有机碳密度分别比CK低8.84%和13.66%。阳坡CK、T5、T15、T25乔木层碳密度占林分总碳密度的比例分别为61.88%，62.67%，59.59%和56.59%；阴坡CK、T5、T15、T25乔木层碳密度占林分总碳密度的比例分别为58.07%，57.32%，54.17%和51.47%。2个坡向乔木层碳库均为锐齿栎次生林碳库的主体部分，占林分碳库一半以上。由于采伐木的移除，乔木在锐齿栎次生林碳库中的比例在2个坡向均随间伐强度增加而降低。

图 3间伐强度对秦岭南坡锐齿栎天然次生林总有机碳密度的影响

Fig.3Effect of thinning intensity on total organic carbon density ofQuercusalienavar.acuteserratasecondary forest on southern slope of Qinling Mountains

4　结论与讨论

本研究结果表明，由于采伐木的移除，不同间伐强度均在一定程度上降低了秦岭南坡锐齿栎天然次生林乔木层的碳储量，这与徐金良等[6]、Nilsen等[7]的研究结果相同。Horner等[4]、成向荣等[3]、游伟斌等[5]的研究结果则显示，中度抚育间伐增加了乔木层碳密度；明安刚等[17]的研究结果显示乔木层碳密度随抚育间伐强度的增加而增大。这可能是因为在不同的研究中间伐起始期、间伐强度、间伐方式不尽相同，抚育间伐对保留木生长的促进不同，而且由于树种特性、年龄结构、立地条件以及气候等自然条件均会对林木的生长产生影响，因此间伐强度对林分乔木层碳密度积累的影响可能存在差异。

不同强度的抚育间伐虽然提高了保留木的单株生产力和生物量[18]，然而由于单位面积株数的减少，单位面积生物量和生产力并不随间伐强度任意加强而增加，反而可能会降低[19]。这使得不同间伐强度的林分乔木层碳密度的积累量不同。在本研究中，阳坡间伐强度为5%和15%的林分以及阴坡间伐强度为5%的林分乔木层有机碳密度增加量显著高于对照林分，这表明秦岭南坡锐齿栎次生林在阳坡采取5%和15%的间伐强度、在阴坡采取5%的间伐强度能够提高乔木层的固碳能力。由于碳密度积累量的提高，从长期来看，阳坡5%和15%间伐的林分以及阴坡5%间伐的林分乔木层有机碳密度有可能会高于未间伐的林分。然而抚育间伐对林分生长的影响会随时间的推移而逐渐减弱[20]，抚育间伐强度对秦岭锐齿栎次生林乔木碳密度的长期影响有待于进一步研究。

本研究中阳坡和阴坡的灌木与草本碳密度均随间伐强度增加而增大，这与方晰等[9]、马履一等[21]、赵朝辉等[22]、段劼等[23]的研究结果相同。抚育间伐改善了林内光照和水分条件，从而促进了林下植被的生长发育，因此林下植被生物量和碳密度增加。Campbell等[18]认为，间伐后林下植被的发育能够在一定程度上补偿采伐木移除带走的碳储量，本研究中由于林下植被在生态系统碳库中所占的比例较小，这种补偿效果并不明显。由于采伐木的移除，较大强度的抚育间伐短期内会减少林分枯落物的年凋落量[10]。间伐后林分密度减小，地面温度升高，因而会加快枯枝落叶的分解[24]，然而间伐后林下植被的发育则在一定程度上增加了枯落物的输入[8]，间伐后枯落物理化性质的变化也可能影响其分解速率[25]。抚育间伐对枯落物输入与分解速率相互关系的影响决定了抚育间伐后枯落物层碳密度的变化。本研究中阳坡和阴坡锐齿栎次生林枯落物层碳密度在不同间伐强度和对照林分之间均无显著差异。这可能是枯落物输入与分解动态平衡的结果。枯落物在生态系统碳库中所占的比例虽然较小，但却是植物碳库与土壤碳库的重要纽带，在生态系统物质循环中具有重要作用。抚育间伐强度对秦岭锐齿栎林枯落物层碳库的影响机制值得进一步研究。

本研究中抚育间伐强度对锐齿栎次生林土壤有机碳密度没有显著影响。以往的研究结果表明，经过不同强度间伐后林地透光性增强，土壤温度升高，增强了土壤生物活性，土壤呼吸增强，加速了土壤有机质的分解和释放，从而导致林地土壤中的碳储量下降[7,9,26]。然而林下植被的发育能够减小抚育间伐对土壤水分和温度的影响[8]，采伐剩余物的分解能够增加土壤有机碳的输入[3]，从而增加土壤碳密度。在本研究中，林下植被碳密度随间伐强度的增加而增大，林下植被的发育以及采伐剩余物的分解补偿了土壤呼吸带来的有机碳的释放，这可能是本研究中抚育间伐短期内对土壤有机碳密度的影响较小的主要原因。

综上所述，间伐后3年内，不同间伐强度均在一定程度上降低了秦岭南坡锐齿栎天然次生林的碳储量，然而阳坡5%和15%间伐的林分以及阴坡5%间伐的林分乔木层有机碳密度增加量显著高于对照林分。因此，对于秦岭南坡胸高断面积为23 m2/hm2的锐齿栎天然次生林，阳坡采取15%间伐强度、阴坡采取5%间伐强度在短期内有利于提高林分的固碳能力。

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Effects of forest thinning on carbon density ofQuercusalienavar.acuteserratanatural secondary forest on southern slope of Qinling Mountains

WU Penghui,DANG Kunliang,CHANG Wei,LI Mingyu

(CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 Effects of forest thinning on carbon density ofQuercusalienavar.acuteserratanatural secondary forest were analyzed to provide reference for optimal thinning in Qinling Mountains.【Method】 The carbon density of different pools (tree,soil,underground vegetation and litter) ofQ.alienavar.acuteserratanatural secondary forest on southern slope of Qinling Mountains was investigated with 24 experimental plots.The thinning intensities were 0% (control),5%,15%,and 25%.After 3 years of thinning,the carbon densities in vegetation layer,litter layer and soil layer were investigated.【Result】 The 5% thinning had no significant effect on tree carbon density on both sunny and shady slopes,15% and 25% thinning decreased the tree carbon density by 10.53% and 21.00% on sunny slope,and by 14.91% and 23.39% on shady slope.The increases of organic carbon density of tree layer in 5% and 15% thinning stands were 19.03% and 21.19% higher than that of control on sunny slope.The 25% thinning treatment had no difference compared to control while 5% thinning stand had 16.76% higher increase compared to that of control on shady slope.The carbon density of underground vegetation increased with the increase of thinning intensity on both sunny and shady slopes.Thinning intensity had no significant effect on soil and litter carbon density.The 5% thinning had insignificant effects on total carbon density of ecosystem on both sunny and shady slopes.In 15% and 25% thinning plots,total carbon densities of ecosystem were decreased by 7.10% and 13.64% on sunny slope and 8.84% and 13.66% on shady slope.【Conclusion】 Thinning decreased the carbon density ofQ.alienavar.acuteserratanatural secondary forests on southern slope of Qinling Mountains.Carbon sequestration in tree layer might be increased by suitable thinning intensity.The suggested thinning intensity was 15% (in volume) on sunny slope and 5% on shady slope.

thinning intensity;Quercusalienavar.acuteserrata;natural secondary forest;carbon density

时间:2016-09-0709:02DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.10.011

2015-03-19

林业公益性行业科研专项“秦岭天然次生公益林抚育经营关键技术研究”(201204502)

武朋辉(1990-)，陕西西安人，在读硕士，主要从事森林生态学和森林抚育经营技术研究。E-mail:ttwph@163.com

党坤良(1960-)，陕西蒲城人，副教授，硕士生导师，主要从事森林生态学和森林抚育经营技术研究。

E-mail:Dangkl@126.com

S753.7+5；S792.189.02

A

1671-9387(2016)10-0075-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160907.0902.022.html