杉木人工林伐后2种恢复模式碳储量的比较

施志娟，白彦锋，孙 睿，彭 阳，姜春前*，汪思龙

(1.中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091; 2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016)

杉木人工林伐后2种恢复模式碳储量的比较

施志娟1，白彦锋1，孙 睿1，彭 阳1，姜春前1*，汪思龙2

(1.中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091; 2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016)

湖南会同；杉木人工林；自然恢复；人工恢复；碳储量；碳含量

对森林恢复的研究可以追溯到20世纪30年代，美国最早发现生态系统退化问题并进行恢复研究，此后，德国、英国、日本和马来西亚等陆续针对大气污染下的退化森林恢复、寒温带针叶林采伐后植被恢复、东南亚森林采伐后恢复、受损和退化天然林生态恢复等进行了一系列研究[5]。中国自20世纪50年代以来，也陆续开展川西亚高山退化针叶林[6]、长江上游退化天然林[7]、喀斯特退化森林[8]、黄土丘陵区[9-10]和干热河谷区[11]等退化植被的恢复和重建研究。张远东等[12]研究发现，不同森林类型恢复过程中，次生针阔混交林地上生物量和林分蓄积量一直高于次生桦木林和人工云杉林；高成杰等[13]研究发现，与纯林恢复模式相比，采用混交林恢复能获得更多的生物量；康冰等[14]、李东胜等[15]也对植被恢复过程中土壤有机质和养分变化进行了研究，并取得一定成果；但当前的研究主要集中于森林恢复过程中，植被种类结构和生产力的变化特征及其对周围环境和土壤的影响等方面，关于植被恢复对森林生态系统碳储量影响的研究相对仍较少。

本文以湖南会同森林生态实验站(简称会同实验站，下同)杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)人工林采伐后经自然恢复和人工恢复20年的森林生态系统为研究对象，通过分析2种不同恢复模式乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量及其空间分布的差异，探讨植被恢复模式对森林生态系统碳库的影响，为进一步研究植被恢复对森林碳汇能力的影响提供科学依据。

1 研究区概况

本研究在杉木人工林皆伐后自然更新恢复林地(简称自然恢复样地，下同)和杉木人工林皆伐后通过人工栽植杉木纯林林地(简称人工恢复样地，下同)内进行，2个样地的地理位置相距较近，立地条件相似且皆伐前为密度相同的20年生1代杉木人工林，各样地基本特征见表1。

表1 样地基本特征

2 研究方法

2.1 样地设置及植被调查

2.1.1 自然恢复样地

2.1.1.1 乔木层和林下植被层调查 2015年10月在自然恢复样地中按照坡位由上到下设置5个20 m×20 m调查样方，对样方中的乔木进行每木检尺，记录树种、胸径和树高；同时在每个样方中再设置1个10 m×10 m的样方，对其中所有的灌木和草本进行调查，记录种名、基径和株高；在样地中选取一些主要灌木、草本植株，测量其基径和株高后挖取全株带回实验室,在75℃下烘干至恒质量，称量并记录每株的总干质量以及灌木各器官干质量，草本植物记录地上、地下部分干质量。

2.1.1.2 凋落物层调查 在每个样方中按品字形设置5个1×1 m小样方，收集小样方内全部凋落物，按照枯枝、枯叶、落果进行分类称质量，将凋落物各组分取样，带回实验室在75℃的恒温箱中烘干至恒质量。

2.1.2 人工恢复样地 2009年10月在人工恢复样地中按照坡位由上到下设置10个8 m×10 m调查样方，对样方中的乔木进行每木检尺，记录树种、胸径和树高，对样方中所有的灌木和草本进行调查，记录种名、基径和株高。凋落物层和土壤层调查方法同自然恢复样地调查方法一致。

2.2 碳储量计算方法

2.2.1 生物量计算方法 结合乔木、灌木每木检尺和实验站数据库中各乔、灌树种异速生长方程计算乔木层、灌木层生物量，各树种异速生长方程详见会同实验站数据集[16]。利用采集的主要灌木植株基径、树高和实测生物量辅助选择最优异速生长方程。

实验站数据库中含有多年利用挖掘法测定的多种草本单株地上、地下生物量，由于相同基径、株高的同种草本具有相似生物量，利用计算机在数据库中查找与调查时记录的草本同种且基径株高一致的植株，将这些条件相同的草本生物量平均值作为所测草本植株的生物量。

利用调查时获得的干/鲜质量比计算含水率，进而根据鲜质量和含水率推算凋落物的生物量现存量。

2.2.2 碳含量测定方法 采用重铬酸钾—浓硫酸氧化外加热法测定采集的杜茎山、鼠刺等13种主要灌木草本各器官碳含量及自然恢复样地凋落物和土壤的碳含量，乔木、未采集的灌木草本及人工恢复样地凋落物和土壤的碳含量引自生态站长期监测数据库中的数据。

2.2.3 碳储量计算方法 根据乔木层、灌木层、草本层、凋落物层不同部位生物量和测定的相应碳含量，计算林分各层的碳储量，土壤层碳储量计算公式[17]：

式中:S为土壤层有机碳储量(t·hm-2)，Ci为第i层土壤有机碳含量(%)，di为第i层平均土壤密度(g·cm-3)；Hi表示第i层土壤的厚度(m)；n为土壤层数。

2.3 数据处理

采用Excel软件对数据进行处理，用SPSS19.0

软件进行单因素方差分析，应用最小显著差异法(LSD)分析不同数据组间的差异性，显著性水平设置为α=0.05。

3 结果与分析

3.1 自然恢复与人工恢复乔木层碳储量的比较

由表2看出：自然恢复模式的乔木层碳储量为99.21 t·hm-2，比人工恢复模式显著高22.56%。乔木层各器官碳储量中，除自然恢复模式的树干碳储量略比人工恢复模式小外，其它器官均比人工恢复模式的大，且枝、叶、根碳储量均显著比人工恢复模式的高。此外，恢复模式对乔木层各器官碳储量分配比有一定影响，人工恢复模式为干﹥根﹥枝﹥皮﹥叶；而自然恢复模式为干﹥枝﹥根﹥叶﹥皮。虽然2种模式中均以树干碳储量的分配最大，但人工恢复模式中树干碳储量达到乔木层总碳储量的62.30%，而自然恢复模式中只有47.87%，二者差异显著。

表2 2种恢复模式乔木层碳储量及其分布特征

注：表中数据是平均值±标准差，不同大写字母表示不同恢复模式碳储量差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示乔木层植被不同器官碳储量差异显著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in carbon storage in different organs of the tree layer significantly(P<0.05).

3.2 自然恢复与人工恢复灌木层碳储量的比较

由表3可知：自然恢复模式的灌木层总碳储量显著比人工恢复模式的高。恢复20 a时，自然恢复模式灌木层碳储量约为人工恢复模式的3.99倍，干、枝、叶、根碳储量分别为人工恢复模式相应器官碳储量的3.77、3.16、3.29、5.94倍。恢复模式对灌木层各器官碳储量分配比有一定影响，主要表现在根器官，人工恢复模式各器官碳储量分配比为：干﹥枝﹥根﹥叶，自然恢复模式分配比为：干﹥根﹥枝﹥叶。人工恢复模式根仅占灌木层总碳储量的20.88%，而自然恢复模式根所占比例为31.15%，二者差异显著。可见，自然恢复模式更有利于灌木层碳的积累。

3.3 自然恢复与人工恢复草本层碳储量的比较

由表4可知：自然恢复模式草本层碳储量显著比人工恢复模式的高。自然恢复模式草本层地上部分、地下部分和总碳储量分别为人工恢复模式的5.08、9.00、5.94倍，自然恢复模式地上部分与地下部分碳储量之比为1.36，而人工恢复模式为2.40，说明自然恢复模式更有利于草本层碳储量的积累，而且更能促进地下部分碳储量的积累。

表3 2种恢复模式灌木层碳储量及其分布特征

注：表中数据是平均值±标准差，不同大写字母表示不同恢复模式碳储量差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示灌木层植被不同器官碳储量差异显著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in carbon storage in different organs of the shrub layer significantly(P<0.05).

表4 2种恢复模式的草本层碳储量及其分布特征

注：表中数据是平均值±标准差，不同大写字母表示不同恢复模式碳储量差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示草本层植被不同器官碳储量差异显著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in carbon storage in different organs of the herb layer significantly(P<0.05).

3.4 自然恢复与人工恢复凋落物层碳储量比较

由表5可以得到：自然恢复模式凋落物层碳储量略高于人工恢复模式，但恢复模式对凋落物各器官分配比有一定的影响，两种恢复模式中枯枝碳储量所占比例的差异不显著，自然模式枯叶碳储量所占比例大于人工恢复模式，但是落果碳储量所占比例仅为2.78%，显著比人工恢复模式的小。

表5 2种恢复模式凋落物层碳储量及其分布特征

注：表中数据是平均值±标准差，不同大写字母表示不同恢复模式碳储量差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示不同器官凋落物碳储量差异显著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in carbon storage in different organs of the litter layer significantly(P<0.05).

3.5 自然恢复与人工恢复土壤层碳储量比较

表6 2种恢复模式土壤层碳储量及其分布特征

注：表中数据是平均值±标准差，不同大写字母表示不同恢复模式碳储量差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示不同土壤层碳储量差异显著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05),different lowercase letters indicate differences in levels of carbon storage in soil layers significantly(P<0.05).

3.6 自然恢复与人工恢复生态系统总碳储量比较

由表7可知：自然恢复模式生态系统总碳储量略高于人工恢复模式。生态系统中除土壤层碳储量为自然恢复模式小于人工恢复模式外，其它组分碳储量均为自然恢复模式大于人工恢复模式，且乔木层、灌木层、草本层在2种恢复模式下差异显著，其中，自然恢复模式乔木层碳储量比人工恢复模式高18.26 t·hm-2，约占人工恢复模式林地生态系统总碳储量的22.56%。

表7 2种恢复模式生态系统碳储量及其分布特征

注：表中数据是平均值±标准差，不同大写字母表示不同恢复模式碳储量差异显著(P<0.05)。

Note: Mean ± standard deviation is given in the table data,different capital letters indicate the different restoration approach carbon stocks significantly different(P<0.05).

2种恢复模式碳储量在生态系统各组分中的分配有一定差异，自然恢复模式生态系统乔木层碳储量最大，占总储量的56.08%，其次是土壤层，占41.47%，凋落物层、灌木层和草本层碳储量较小；而人工恢复模式土壤层碳储量最大，占总储量的49.49%，其次是乔木层，占48.64%，凋落物层、灌木层和草本层碳储量也较小，这表明恢复模式对碳储量在生态系统各组分的分配产生一定影响。

4 讨论

4.1 杉木人工林伐后不同恢复模式对植被层碳储量的影响

本研究发现，自然恢复模式植被层碳储量大于人工恢复模式，与邸月宝等[18]得出的自然更新林地固碳能力显著高于人工更新林地的结论一致。

2种恢复模式林地乔木层碳储量差异显著，这可能是因为自然恢复模式形成了次生针阔混交林，人工恢复模式形成了杉木纯林。许多研究发现，混交林中树种较多，占据不同生态位的树种可以互补；同时混交林具有更好的抗干扰性，可以积累较多的植被生物量和碳汇[19-21]。此外，恢复模式对乔木层各器官碳储量分配比有一定影响，这可能有两方面的原因：其一，2种恢复模式形成的林分树种具有差异，不同树种各器官碳储量分配比有所不同[22]；其二：自然恢复模式形成的次生针阔混交林中有许多后期萌发的幼龄树，不同林龄的树木各器官生物量、碳储量分配比也有所不同[23]。

2种恢复模式林下植被层碳储量的差异显著，这可能是因为自然恢复模式形成的次生针阔混交林林内树种较多，灌木、草本种子和萌芽较多，其生物量和碳储量相对较大。此外，人工恢复模式营造杉木纯林郁闭较早，罗达等[24]研究发现,随乔木生长,乔木和林下灌草之间资源竞争加剧,导致林下灌草生长受限，也会在一定程度上影响生物量和碳储量。

4.2 杉木人工林伐后不同恢复模式对土壤层碳储量的影响

自然恢复模式土壤总碳储量小于人工恢复模式，但表层土壤碳储量却相反。这可能是自然恢复模式形成的次生针阔混交林植被生物量较大，凋落物也较多，表层土壤的有机碳输入量较大,同时自然恢复模式中幼龄树较多，土壤深层中的根系生物量和分泌物相对较少，土壤有机碳输入较少[24]。

4.3 杉木人工林伐后不同恢复模式对森林生态系统总碳储量的影响

杉木人工林伐后林地在不同恢复模式恢复20 a时生态系统各组分的分配比产生了明显差异，说明恢复模式除对生态系统总碳储量产生一定影响外，对碳储量在生态系统各组分的分配也产生了一些影响。

本研究得到自然恢复模式恢复林地总碳储量大于人工恢复模式，说明杉木人工林伐后林地自然恢复模式固碳能力高于人工恢复模式，但在实际林地恢复中除考虑林分碳储量问题，还要考虑蓄积量、出材量等问题。此外，本研究中人工恢复模式仅考虑杉木纯林一种模式，许多研究表明，造林密度、树种、结构等都会影响林地碳储量[20]，因此,不同恢复模式对杉木人工林伐后恢复林地碳储量的影响还有待进一步研究。

5 结论

(1)自然恢复模式植被层碳储量明显大于人工恢复模式，其中，乔木层碳储量为自然恢复模式高出人工恢复模式22.56%。2种恢复模式乔木层各器官的碳储量分配格局也有所不同，人工恢复模式为干﹥根﹥枝﹥皮﹥叶；而自然恢复模式为干﹥枝﹥根﹥叶﹥皮。林下植被层和凋落物层碳储量所占比例非常小，自然恢复模式灌木层、草本层和凋落物层碳储量分别为人工恢复模式的3.99、5.94、1.14倍。

(3)自然恢复模式生态系统总碳储量略高于人工恢复模式，2种模式下杉木人工林生态系统碳储量在各组分的分配情况具有明显差异，自然恢复模式各组分碳储量为乔木层﹥土壤层﹥凋落物层﹥灌木层﹥草本层，而人工恢复模式为土壤层﹥乔木层﹥凋落物层﹥灌木层﹥草本层。杉木人工林皆伐后林地自然恢复模式固碳能力高于人工恢复模式。

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(责任编辑：詹春梅)

A Comparative Study on Carbon Storage in Chinese Fir Plantations with Two Restoration Approaches

SHIZhi-juan1，BAIYan-feng1，SUNRui1，PENGYang1，JIANGChun-qian1，WANGSi-long2

(1.Research Institute of Forestry, Chinese Academy Forestry, Beijing 100091, China; 2.Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, Liaoning, China)

[Objective]To explore the effect of restoration approach on carbon pool of forest ecosystem.[Method]By positioning research, the differences in carbon storage and its spatial distribution of Chinese fir plantations restored 20 years ago with two restoration approaches (natural restoration and artificial restoration) were compared in Huitong Experimental Station of Forest Ecology, Hu’nan Province.[Result](1) Compared with those treated by artificial restoration, the carbon storage treated by natural restoration was significantly higher in vegetation layer, specifically, 22.56% higher in tree layer. Treated by natural restoration, the distribution ratio of carbon storage in each organ showed in an order of stem > branch > root > leaf > bark, while that treated by artificial restoration showed in an order of stem > root > branch > leaf > bark. The proportion of carbon storage of vegetation layer under canopy and litter layer were very small. Still, the carbon storages of shrub layer, herb layer and litter layer by natural restoration were 3.99, 5.94 and 1.14 times that by artificial restoration, respectively. (2) The soil carbon storage in a Chinese fir plantation ecosystem restored 20 years ago treated by natural restoration was lower than that by artificial restoration. The soil carbon content and carbon storage in the surface layer (0-10 cm) by the natural restoration was higher than that by artificial restoration, while the other layers were opposite. By both restoration, the soil carbon content and soil carbon storage in the same unit (10 cm per layer) were all decreased with the increase of soil depth, and the distribution ratio of each layer was significantly different in terms of soil carbon content and soil carbon storage. (3) The carbon storage of the plantation ecosystem by natural restoration was in the order of tree layer > soil layer > litter layer > shrub layer > herb layer, and that under artificial restoration was in the order of soil layer > tree layer > litter layer > shrub layer > herb layer. [Conclusion]The natural restoration approach is more conducive to the restoration of carbon storage in the vegetation layer, while the artificial restoration approach is more conducive to the restoration of soil carbon storage.From the whole forest ecosystem,the carbon sequestration capacity of Chinese fir plantation ecosystem restored 20 years ago by natural restoration was higher than that by artificial restoration, restoration approach also have some impact on the distribution of carbon storage in ecosystem components.

Huitong County of Hu’nan Province; Chinese fir plantation; natural restoration; artificial restoration; carbon storage; carbon content

2016-01-28 基金项目： 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金项目(CAFYBB2014MB001) 作者简介： 施志娟(1990—)，女，硕士研究生.主要研究方向：碳汇计量. E-mail：shizhijuan90@163.com * 通讯作者：姜春前，研究员. E-mail：jiangchuq@caf.ac.cn

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.02.005

S714

A

1001-1498(2017)02-0214-08