不同经营模式杉木人工林乔木层碳储量研究

曾 霞，张 勰，廖德志，唐 洁，杨 艳，黎 蕾，李永进，曾梦雪，吉悦娜，刘 珉，赵 文，易平英，阳 涛，徐建军

(1.湖南省林业科学院，湖南 长沙410004；2.国家林业和草原局发展研究中心，北京100714；3.攸县林业局，湖南 攸县412300；4.攸县黄丰桥国有林场，湖南 攸县412300；5.资兴市滁口国有林场，湖南 资兴423407)

随着全球CO2排放量不断增加，温室效应日趋加剧，“碳达峰”和“碳中和”的提出进一步凸显了森林生态系统在维持碳平衡中不可或缺的作用。森林作为陆地生态系统的主体，存储着70%以上的陆地植被碳，每年固碳量占陆地生物总固碳量近70%，在维持全球碳平衡及缓解全球气候变暖中具有不可替代的作用[1-7]。随着人们对森林碳汇的认识不断加深，森林碳汇功能的研究也日趋受到各界专家学者的重视，不同尺度的森林碳储量、碳分配格局以及森林固碳潜能等方面的研究也在逐年增加[8-10]。相关研究表明，因地制宜、因林施策，对森林开展适宜的经营措施，不仅可增加土壤碳输入，同时还能够通过提升森林生产力来增强森林生态系统的固碳能力[11-12]。近自然经营能够通过调整林分结构助力乔木及土壤、地被物碳的积累[13]；抚育后 3 年内的森林各库碳储量与间伐强度存在密切的相关性[14]。随着人工林面积的逐年增加，人工林在森林碳汇系统中扮演了举足轻重的角色。中国地域辽阔，其人工林面积接近全球人工林总量的一半，是北半球极重要的生物碳库，也是中国植被碳汇的重要载体[15-16]。

杉木(Cunninghamialanceolata)作为中国南方主要速生用材林树种，在中国亚热带森林生态系统中占有重要地位，其人工林面积已达7.68×106hm2，占中国南方人工林面积的60%～80%，是中国森林碳汇重要组成部分[17]，因此，开展杉木人工林碳储量研究十分必要。目前，杉木人工林的有关研究多侧重于林木生长[18-21]、林地土壤理化性质及微生物[22-25]、生物多样性[26-29]等方面的研究。而关于杉木人工林不同经营模式的碳储量研究较少，特别是林木各性状区域性差别较大的前提下，开展杉木人工林区域性碳储量的研究对指导当地森林碳汇研究具有十分重要的意义。本研究通过对湖南省株洲市攸县黄丰桥国有林场杉木人工林的实地调查与监测，以自然演替、近自然经营和间伐集约经营3种经营模式来分析杉木人工林乔木层碳储量的差异，探索提高杉木人工林固碳潜力的林木经营模式，为优化杉木人工林经营管理措施，提高杉木人工林固碳能力提供参考依据。

1 研究区概况

攸县黄丰桥林场位于湖南省株洲市，呈带状跨攸县东西部，地理坐标为113°43′01″—113°50′19″E，27°70′01″—27°14′52″N，地貌以中低山为主，境内最高海拔1 270 m，最低海拔115 m[30]。林场地处中亚热带季风湿润气候区，年平均气温17.8 ℃，极端最低温度-11.9 ℃，极端最高温度40 ℃，年平均无霜期为292 d，年平均日照时间为1 612 h，太阳辐射量年平均449.05 kJ·m-2，年平均降水量1 410.8 mm，适宜林木生长，是湖南省重点速生丰产林基地[31-32]。

林场内森林资源丰富，物种繁多，生态环境优良。现有林地总面积10 122.6 hm2，森林覆盖率为86.24%。现有木本植物430余种，树种主要以杉木、松类以及常绿阔叶树种为主，其中杉木面积3197.6hm2，占用材林面积的89.9%，蓄积量593738m3，占用材林的96.56%。林场内还有南方红豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)、银杏(Ginkgobiloba)、马褂木(Liriodendronchinense)、闽楠(Phoebebournei)等国家级珍稀濒危树种10余种[33]。

2 材料与方法

2.1 样地设置

林场内选择初始密度相同且立地一致的中龄林杉木人工林(见表1)，分别采取了自然演替(模式1)、近自然经营(模式2)和间伐及集约经营(模式3)3种经营模式对杉木人工林进行间伐和结构调整，待各种模式持续经营5 a以上且林分结构相对稳定后，通过野外线路踏查，根据不同经营措施分别设置大小为20 m×30 m的样地，每个样地设3个重复。

表1 样地基本情况Tab.1 Basic information of the sample plots经营模式样地设置时间林龄/a林分经营时间林分经营后密度/(株·667 m-2)具体经营措施模式12019年252016年145自然演替模式22019年252016年40斩除藤灌草、确定目标树、测土配方施肥、逐步伐除和移植干扰树、林下补植楠木和红豆杉模式32019年252016年50良种壮苗上山、适地适树造林,林下栽植魔芋

2.2 调查及采样方法

2019—2022年，连续3 a对各个样地林分进行每木检尺调查，分别记录样地内的各个树木的树种、树高、胸径等。在标准地中沿“S”型，活体采样，随机取5棵杉木平均木的枝、叶、皮，用生长锥取树干及树根，将5棵平均木的干、皮、枝、叶、根分类混合均匀，带回试验室用于测定各组织部位的含碳量。

2.3 含碳量的测定

将带回的样品置于烘箱进行干燥，之后将烘干后的各组织分别粉碎、过筛，采用 “重铬酸钾-浓硫酸外加热法”测算含碳率[34]。

2.4 数据整理与估算

2.4.1 乔木层生物量估算

利用各器官生物量方程和样地内每木胸径、树高数据，求得每木的树干、树皮、枝、叶、根生物量，将样地内每木相同器官生物量相加，得到样地内各器官生物量，计算得到单位面积树干、树皮、枝、叶、根的器官生物量和乔木层生物量。

各器官生物量(W，kg)估算方程[35]：

W树干=0.026 5D2h0.875 6(R2=0.98)

(1)

W树皮=0.003 7D2h0.873 1(R2=0.98)

(2)

W枝=0.003 9D2h0.874 3(R2=0.98)

(3)

W叶=0.002 1D2h0.884 3(R2=0.98)

(4)

W根=0.009 3D2h0.874 1(R2=0.98)

(5)

2.4.2 乔木层含碳量计算

根据所测定的杉木各组织的含碳率与不同杉木组织生物量乘积，计算杉木人工林乔木层各组织含碳量，统计不同经营措施林分乔木层的碳储量。

含碳量=杉木各组织的含碳率×

不同杉木组织生物量

(6)

2.5 数据整理与分析

利用Excel 2010整理数据、作图，运用SPSS 18.0对各测定指标进行方差分析和多重比较。

3 结果与分析

3.1 林分生长特征分析

根据不同经营模式胸径、树高以及蓄积量分析(见表2)，可以看出随着林分密度的减小，林分胸径、树高及蓄积量与经营模式1相比均呈现增加的趋势。间伐有效调整了林分密度与结构，各经营模式中杉木胸径增幅在0.35～0.50 cm之间，模式2和模式3样地中杉木胸径均高于模式1，分别达到模式1的1.5倍和1.4倍以上；各模式间胸径年增长量也存在一定的差异，特别是模式2，胸径增长量是模式1的1.28倍。各经营模式中杉木的树高也随着林分密度的调整，均有所增加，但增长不明显，各样地树高年生长量的增幅在0.1～0.3 m之间，其中树高增长最大的为模式2中的杉木，林分年平均增长量达到了0.3 m。采取经营措施的样地林分蓄积量及蓄积量增长量均高于模式1，其中模式3蓄积量及其增长量最大，与模式1相比分别高出111.33m3·hm-2和10.35 m3·hm-2。

表2 不同经营措施林分生长特征分析Tab.2 Analysis of stand growth characteristics under different management measures经营模式胸径/cm树高/m蓄积量/(m3·hm-2)平均值年增长量平均值年增长量平均值年增长量模式117.31±3.61 B0.39±0.22 b14.3±1.97 b0.1±0.20 a222.57±12.37 Bc8.7±0.65 Bc模式227.66±1.46 Aa0.5±0.09 a17.9±0.18 ac0.3±0.69 a273.86±21.55 b14.17±3.56 b模式324.28±4.21 b0.35±0.32 b18.6±1.64 a0.28±0.29 a333.9±5.23 Aa19.05±2.12 Aa 注:同一列不同大写字母表示差异极显著(P<0.01);不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2 乔木层生物量变化特征

由图1可以看出，杉木林的树干生物量占乔木层生物量的 58.3%，显著高于其他各器官占乔木层生物量的比例，表现为树干>根>枝>树皮>叶。各监测点的杉木各器官占乔木层生物量的比例差异较小，除枝外，各器官生物量占乔木层生物量的比例均与林木蓄积量具有相似的变化趋势。与模式1相比，模式2及模式3均有增加的趋势。

图1 不同经营模式乔木层各器官的生物量占比Fig.1 Biomass of organs in the arbor layer under different business models

3.3 林分乔木层碳储量分析

通过对乔木层各器官碳储量分析可知(见表3)，树干碳密度在3个经营模式的各器官碳密度中均为最大，从大到小依次为模式3(74.34 t·hm-2)>模式2(61.26 t·hm-2)>模式1(49.38 t·hm-2)；各经营模式的根碳密度位居第二，从大到小依次为模式3(26.74 t·hm-2)>模式2(22.04 t·hm-2)>模式1(17.77 t·hm-2)；树枝碳密度在3个经营模式中仅次于根碳密度，从大到小依次为模式3(11.22 t·hm-2)>模式2(9.25 t·hm-2)>模式1(7.46 t·hm-2)；树皮碳密度在3个经营模式中均较低，从大到小依次为模式3(10.47 t·hm-2)>模式2(8.63 t·hm-2)>模式1(6.96 t·hm-2)；叶的碳密度在3个经营模式中均为最小，从大到小依次为模式3(6.40 t·hm-2)>模式2(5.27 t·hm-2)>模式1(4.24 t·hm-2)。综合以上得出，在3个经营模式中，每1 hm2林分乔木层碳储量从大到小依次为模式3>模式2>模式1。

表3 乔木层各器官碳储量Tab.3 Carbon storage of various organs in the arbor layer器官模式1模式2模式3碳含量/(g·kg-1)碳密度/(t·hm-2)碳含量/(g·kg-1)碳密度/(t·hm-2)碳含量/(g·kg-1)碳密度/(t·hm-2)树干458.70±2.75 Bc49.38±3.45 Bc473.87±2.15 ABb61.26±5.25 ABb494.01±0.22 Aa74.34±5.88 Aa树皮466.14±3.54 Bc6.96±1.38 c481.58±1.42 ABb8.63±1.35 b501.97±1.48 Aa10.47±1.55 a枝470.49±2.85 Bc7.46±0.89 c488.02±1.47 ABb9.25±2.20 b508.56±2.72 Aa11.22±1.26 a叶485.64±4.18 Bc4.24±1.35 a501.67±1.39 ABb5.27±1.02 a523.21±0.82 Aa6.40±2.01 a根472.23±3.06 Bc17.77±5.00 b487.91±1.42 ABb22.04±6.01 a508.56±5.01 Aa26.74±5.32 a碳储量/(t·hm-2)85.81±8.17 Bc106.45±15.28 ABb129.17±19.35 Aa 注:不同大写字母表示不同模式的碳含量之间差异极显著(P<0.01);不同小写字母表示不同模式的碳含量之间和碳密度之间差异显著(P<0.05)。

4 结论与讨论

通过比较分析3种不同经营模式的杉木人工林生长情况以及乔木层碳储量，可以得出，林分密度是影响林木生长及森林碳储备的一个关键因子。自然演替(模式1)由于林内光照及通风条件较差，阻碍林木光合作用，严重影响林分养分的利用及碳的积累，因此，其林分林木平均胸径、树高及蓄积量均最低，依次分别为17.31 cm、14.3 m和222.57 m3·hm-2。近自然经营(模式2)和集约经营(模式3)的平均胸径、树高及蓄积量均较高，且差异不显著。具体原因可能是通过科学合理的间伐及林分结构调整，增加了林内光照，提升了林内的气温和地表温度，改善了林内小环境，激发了土壤酶活性，增加了土壤微生物多样性，促进了林下枯枝落叶的分解，为林木生长提供了光、热、养分等优良小环境，加快了林木干物质积累，进而提高林分质量及蓄积量。

林木碳储量是植物各器官组织存储的碳量，林分生长情况直接影响林木各器官的碳储量。由于林分中林木的生物量又受林分密度及林木单株生物量的影响，所以林木碳储量就间接的与林分密度有着不可分隔的联系。不同经营模式由于林分密度存在差异，林分乔木层各器官生物量也呈现出较大差异，主要表现为：树干>根>枝>树皮>叶。3种不同经营模式间乔木层林木生物量最大的为集约经营(模式3)，其次为近自然经营(模式2)，林分生物量最小的经营模式是自然演替(模式1)。不同经营模式碳储量因林木生物量不同也呈现出较大差异，其中乔木层碳储量最大的经营模式是集约经营(模式3)，乔木层总碳储量为129.17t·hm-2，其次是近自然经营(模式2)(106.45 t·hm-2)，自然演替(模式1)的乔木层总碳储量最小，仅为85.81 t·hm-2。各经营模式林木器官组织碳储量分布格局相同且和生物量分布格局具有相似性，同样表现为树干>根>枝>树皮>叶，表明合理的林分密度及稳定的林分结构能够有效增加林木生物量的积累，进而提升林分碳储量，该结论与王有良等[14]、游伟斌等[36]研究结果具有一致性。因此，不同经营模式的乔木层的碳储量，可能受具体的林分种类及结构、经营措施等多种因素的共同影响，欲探明其相互间的影响机制，还需进行长期的跟踪监测。