不同林龄阶段杉木人工林生物量和碳储量的分布特征

宋良友, 何功秀

(湖南省农林工业勘察设计研究总院, 湖南 长沙 410007)

随着社会的经济发展，人类活动对全球气候变化的影响引起了对森林碳储量和碳平衡的关注[1-2]。森林在应对全球气候变化中起着至关重要的作用[3]，森林维持着陆地生态系统植被碳库的84%左右、土壤碳库的72%左右[4-5]，对二氧化碳的吸收以及维持碳平衡等方面都具有重要地位。在森林生态系统中，植被的地上部分器官和地下部分器官碳分配过程对整个森林生态系统的碳循环起着重要的作用。生物量是森林生态系统中的重要碳库，林木生物量包括根、干、枝、叶、皮等[6-7]。森林中的生物量、碳储量及其碳汇功能存在着紧密的联系，是学界研究的热点[8]，近些年受到极大的重视[9]。森林生态系统中的碳储量计算方法一般通过植被的生物量乘以碳素含量进行估算，森林植被的碳素含量及其生物量是碳储量研究的关键因素[10]。

杉木Cunninghamialanceolata是我国南方主要的用材树种，其具有生长快、产量高和多用途等特点，是我国重要的商品材种之一[11]，其栽植面积约占我国人工林总面积的四分之一左右[12-13]。杉木所具备的优点对于提高我国生态系统碳汇水平有着重要的作用，然而目前对于不同年龄阶段杉木林生长过程中碳源的一些变化的研究比较缺乏。因此本文以湖南省绥宁县堡子岭国有林场的不同发育阶段的杉木人工林为研究对象，探究幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林4个不同发育阶段杉木林的生物量和碳储量，估算杉木人工林生态系统的碳汇能力，为当地杉木人工林的合理经营提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于湖南省绥宁县(109°49′48″—110°32′09″E，26°16′11″—27°08′25″N)，属中亚热带季风湿润气候。境内气候温暖湿润、四季分明、雨量充沛，年均降水量1 325 mm，年平均气温16.7 ℃，年均无霜期308 d。县内以山地为主，海拔在1 000 m以上的山峰有348座，兼有丘陵、岗地、溪谷平原等地貌。南、北、东三面高山环抱，中部纵向隆起，地势高低起伏，变化多姿。试验区的土壤类型主要为石灰岩发育而成的石灰土，土层瘠薄，pH值约为5.0～6.6。

1.2 研究方法

1.2.1 标准地设置 标准地设置在湖南省绥宁县堡子岭国有林场的杉木人工林内，共选取了12块标准地进行调查，林龄涉及幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林4个阶段，每个标准地分上坡、中坡和下坡3块。标准地设置为正方形，面积为20 m×20 m。对标准地内林木进行每株检尺，实测胸径、树高等测树因子，同时记录标准地所处的地形地貌、土壤类型、群落结构和林下植被等内容。不同林龄杉木人工林标准地的基本概况(表1)。

表1 不同林龄杉木人工林标准地概况Tab.1 SurveyofstandardplotofCunninghamialanceolataplantationwithdifferentages林龄阶段林龄/a胸径/cm树高/m郁闭度/%海拔/m土层厚度/cm林下层主要植被幼龄林<10 9.57±0.97 8.39±1.0260678±1270±2柃木、胡枝子、五节芒、蕨类中龄林11～2013.07±0.5514.71±0.8770650±5 75±1柃木、胡枝子、五节芒、蕨类近熟林21～2517.30±0.7421.09±1.1255685±1765±3盐肤木、白栎、乌饭、蕨类成熟林26～4021.50±1.1523.16±1.3490745±1360±2盐肤木、白栎、乌饭、蕨类

1.2.2 生物量的测定 对每块标准地内的林木进行每株检尺，选取3株标准树，共选取36株。采用“分层切割法”，从根颈处将标准树伐倒，对其干、枝、叶、皮进行称鲜重记录，按照“混合取样法”对各器官进行取样。人工将树根全部挖出，分别称得根桩(≥5 cm)、粗根(2～5 cm)、细根(≤2 cm)3个部分的鲜质量。将采集的样品带回实验室，在105 ℃下烘干至恒量，计算出各器官的干生物量。采用“样方收获法”测得林下植被层生物量。在每个标准地内随机选取有代表性的1 m×1 m样方10个，齐地面整体收割样方内的灌木、草本，挖出地下部分。对收割的灌木、草本进行称鲜重记录，把取样带回实验室，在105 ℃下烘干至恒重后称得干生物量，测定其含碳率，换算为单位面积干生物量。

1.2.3 碳储量的测定 分别将烘干后的乔木层地上部分、灌木、草本样品粉碎、过0.25 mm筛，采用“重铬酸钾-浓硫酸外加热法”测得含碳率。根据乔木层地上部分各器官(干、枝、叶、皮)、灌木层以及草本层生物量与其含碳率的乘积得到各自的碳储量。

1.2.4 数据处理 利用Excel2016图表和SPSS17.0对标准地现场调查结果和实验室测得数据进行方差分析。

2 结果

2.1 不同林龄阶段杉木林单株生物量和单位面积生物量

不同林龄阶段杉木林单位面积生物量和各器官生物量之间存在极显著性差异(P<0.001)，均随林龄增大而呈增加的趋势。4个林龄阶段(幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林)的单株生物量分别为20.23、36.83、110.75、211.33 kg，单位面积生物量分别为40.36、73.48、220.95、421.60 t·hm-2。近熟林和成熟林生物量及各器官生物量均显著高于幼龄林和中龄林。从杉木各器官生物量看，幼龄林各器官生物量大小依次为干>根>叶>枝>皮，中林龄和成熟林各器官生物量大小依次为干>根>皮>叶>枝，近熟林各器官生物量大小依次为干>根>枝>皮>叶(表2)。

表2 不同林龄阶段杉木林单株各器官生物量和单位面积生物量Tab.2 BiomassperplantandorgansandbiomassperunitareaofCunninghamialanceolatastandsatdifferentages林龄阶段根/kg干/kg枝/kg叶/kg皮/kg总计/kg单位面积生物量/(t·hm-2)幼龄林 3.16±0.51d 10.83±0.66c 1.95±0.33c2.56±0.05b 1.73±0.18c 20.23±0.98c 40.36±1.96c中龄林 9.27±1.64c 19.45±1.9c 2.39±0.43c3.10±0.57b 2.62±0.45c 36.83±3.33c 73.48±6.64c近熟林17.02±0.95b 76.24±10.06b 7.49±1.39b4.32±1.41b 5.67±0.72b110.75±13.15b220.95±26.23b成熟林29.27±4.34a138.40±10.37a16.26±3.22a9.83±1.72a17.56±2.61a211.33±21.71a421.60±43.31aP值0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000 注:表中数据为平均值±标准差;字母表示同列不同行之间差异显著(P<0.05)

2.2 不同林龄阶段杉木林林下层单位面积生物量

幼龄林和中龄林阶段林下灌木层和草本层单位面积生物量显著高于近熟林和成熟林(P<0.05)。其中：幼龄林阶段林下灌木层单位面积生物量最高、为3.22 t·hm-2，草本层单位面积生物量为1.23 t·hm-2；中龄林阶段灌木层和草本层单位面积生物量分别为2.5和1.12 t·hm-2；近熟林和成熟林阶段灌木层单位面积生物量分别为0.84和0.75 t·hm-2，草本层单位面积生物量分别为0.28和0.22 t·hm-2(图1)。

图1 不同林龄阶段杉木林林下层单位面积生物量

2.3 不同林龄阶段杉木林单株各器官含碳率

不同林龄阶段杉木单株各器官含碳率均无显著性差异(P>0.05)，平均含碳率在49.33%～50.63%之间。幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林4个阶段根的含碳率分别为50.13%、48.77%、47.99%和51.04%；近熟林阶段单株干的含碳率最低、为48.34%，幼龄林阶段枝的含碳率中最低、为45.9%。所有器官中，叶的含碳率最高、范围在55.69%～60.22%之间，皮的含碳率在45%左右(表3)。

表3 不同林龄阶段杉木林单株各器官含碳率Tab.3 CarboncontentofindividualtreeandorgansindifferentagestagesofCunninghamialanceolataplantation%林龄阶段根干枝叶皮平均幼龄林50.13±2.48a49.88±1.12a45.9±1.75a55.69±7.89a45.07±0.39a49.33±1.49a中龄林48.77±1.82a50.06±2.42a46.9±3.29a60.22±0.47a45.42±0.95a50.27±1.49a近熟林47.99±1.90a48.34±0.91a47.53±1.15a59.33±2.51a45.16±3.19a49.67±1.12a成熟林51.04±1.27a50.05±2.06a49.6±1.25a57.63±2.37a44.84±1.12a50.63±0.89a 注:表中数据为平均值±标准差;字母表示同列不同行之间差异显著(P<0.05)

2.4 不同林龄阶段杉木林林下层含碳率

各林龄阶段各灌木层和草本层间的平均含碳率均无显著变化(P>0.05)。幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林4个阶段的灌木层平均含炭率分别为48.64%、47.08%、48.84%和45.48%；草本层的平均含碳率分别为49.93%、49.99%、51.02%和49.73%。近熟林阶段灌木层和草本层平均含碳率为最高，成熟林阶段灌木层和草本层平均含碳率为最低(图2)。

图2 不同林龄阶段杉木林林下层平均含碳率

2.5 不同林龄阶段杉木林碳储量及其占比

随着林龄的增长，杉木林碳储量显著增大，幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林4个阶段的单位面积碳储量分别为22.27、38.59、108.27和212.38 t·hm-2，呈逐步增长的趋势；各林龄阶段乔木层的单位面积碳储量占比均超过90%(幼龄林90.21%、中龄林95.49%、近熟林98.97%、成熟林99.54%)；成熟林阶段乔木层的碳储量及其占比最高(211.41 t·hm-2、99.54%)，近熟林阶段次之(107.15 t·hm-2、98.97%)；幼龄林阶段灌木层和草本层的碳储量及其占比分别为1.57 t·hm-2、7.05%和0.61t·hm-2、2.74%，中龄林阶段和草本层平均碳素含量中最高分别降为1.18 t·hm-2、3.06%和0.56 t·hm-2、1.45%，成熟林阶段灌木层和草本层的碳储量及其占比最低，分别为0.75 t·hm-2、0.35%和0.22 t·hm-2、0.10%(表4、图3)。

表4 不同林龄阶段杉木林林下层碳储量Tab.4 CarbonstorageindifferentlayersofCunning-hamialanceolataforestatdifferentagest·hm-2林龄阶段乔木层灌木层草本层总计幼龄林20.091.570.6122.27中龄林36.851.180.5638.59近熟林107.150.840.28108.27成熟林211.410.750.22212.38

图3 不同林龄阶段杉木林林下层碳储量占比

3 讨论

3.1 不同林龄阶段杉木人工林及单株生物量

不同林龄的杉木人工林及其单株各器官生物量的差异显著，均随林龄增大呈现增加的趋势，很多研究表明：乔木的生物量会随着树龄的增长而迅速增长[14]。其中成熟林的单株平均木总生物量约为幼龄林的10倍以上，这一结果与日本落叶松[15]、马尾松[16]、桉树[17]和长白落叶松[18]的研究结果一致。森林生物量受许多因素的影响，比如区域的气候、土壤、林龄以及活立木密度等[14，19]。

3.2 不同林龄阶段杉木林单株各器官及林下层各组分含碳率

不同林龄阶段杉木单株各器官含碳率均无显著性差异(P>0.05)，平均含碳率在49.33%～50.63%之间。各林龄阶段根的含碳率在47.99%～51.04%之间，近熟林阶段干的含碳率最低、为48.34%，幼龄林阶段枝的含碳率最低、为45.9%。所有器官中，叶的含碳率最高、范围在55.69%～60.22%之间，皮的含碳率在45%左右。

各林龄阶段灌木层和草本层的平均碳素含量均无显著变化(P>0.05)。幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林4个阶段的灌木层平均碳素含量分别为48.64%、47.08%、48.84%和45.48%；草本层的平均碳素含量分别为49.93%、49.99%、51.02%和49.73%。近熟林阶段灌木层和草本层平均碳素含量最高，成熟林阶段木层和草本层平均碳素含量最低。

3.3 不同林龄阶段杉木林单位面积碳储量及其占比

杉木林的碳储量随着林龄的增长而逐步增大，近熟林和成熟林阶段更加明显。各林龄阶段乔木层的碳储量占比均达90%以上。幼龄林和中龄林林下灌木层和草本层单位面积碳储量均显著高于近熟林和成熟林，这一结果与涂宏涛等[23]人的研究一致。随着林龄的增长，在中龄林阶段杉木人工林生长加快，对养分需求的竞争导致林下灌木层和草本层养分获取减少，影响了灌木层和草本层的生长。同时，随着林分郁闭度的提高，林下灌木层和草本层的光照获取减少，也是导致近熟林和成熟林林下灌木层和草本层单位面积生物量和单位面积碳储量较低的原因。

4 结论

(1)不同林龄阶段杉木人工林单位面积生物量和各器官生物量之间存在极显著性差异(P<0.001)，均随林龄增大而呈增加的趋势。4个林龄阶段单株生物量分别为20.23、36.83、110.75、211.33 kg，单位面积生物量分别为40.36、73.48、220.95、421.60 t·hm-2。

(2)不同林龄阶段杉木人工林单株各器官含碳率均无显著性差异(P>0.05)，平均含碳率在49.33%～50.63%之间。所有器官中，叶的含碳率最高、范围在55.69%～60.22%之间。各林龄阶段灌木层和草本层的平均碳素含量均无显著变化(P>0.05)。灌木层和草本层平均碳素含量中最高的均为近熟林阶段，最低的均为成熟林阶段。

(3)杉木人工林的碳储量随着林龄的增长而逐步增大，幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林4个阶段的单位面积碳储量分别为22.27、38.59、108.27和212.38 t·hm-2。成熟林阶段乔木层的碳储量及其占比最高，近熟林阶段次之。幼龄林和中龄林林下层灌木层和草本层单位面积碳储量均显著高于近熟林和成熟林，成熟林林下灌木层和草本层的单位面积碳储量及其占比最低。