不同密度杉木人工林各组分碳贮量分析

魏永平

(福建省永安国有林场，福建 永安 365000)

森林生态系统是地球陆地面积、生物量最大的生态系统，在调节全球气候、涵养水源、保持水土、防风固沙等方面具有不可替代的作用[1]。研究结果表明，森林贮存了陆地76%～98%的有机碳[2]。随着全球气温的上升，森林在维持全球碳平衡的地位与作用越来越受到学者的密切关注。

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]是我国南方最重要的速生用材树种。据第八次全国森林资源清查结果表明，杉木人工林面积及蓄积皆居全国乔木用材树种的首位[3]。提高我国大面积杉木人工林的碳贮量，对于增加我国在全球气候谈判过程中的话语权具有重要作用。影响森林碳贮量的因素较多，其中林分密度是重要的影响因素之一[4-5]。据资料表明，我国学者对杉木人工林碳贮量的研究主要在不同气候区、不同林型杉阔混交林以及较低密度的杉木人工林等方面，而针对不同密度杉木人工林碳贮量的研究较少[6-9]。有鉴于此，本文以不同经营密度杉木人工林为研究对象，在测定不同密度杉木人工林地上部分及地下部分各器官生物量[10]基础上，进一步测定杉木人工林地上部分树干、树枝、树皮、宿留枯死枝叶、林下植被、凋落物及地下部分根等各组分的全碳含量，从而计算出杉木人工林各组分的碳贮量，研究结果可为定量评价杉木人工林的碳汇能力及提高杉木人工林碳吸存能力提供参考。

1 试验林概况

试验地位于福建农林大学莘口教学林场小湖工区半路洋15大班1小班(117°27′E、26°10′N)，属亚热带季风气候，年均降水量1689.0 mm，年均蒸发量1625.0 mm，年均气温19.2 ℃，全年日照时间1842 h，无霜期305 d。试验地海拔350 m，土壤为花岗岩发育的山地红壤，土层深度100 cm以上。

采用完全随机区组设计，设置3个处理A1、A2、A3，造林密度分别为1800、3000 、4500株·hm-2，3个区组，每个处理小区面积400 m2(20 m×20 m)。2007年2月在第1代杉木采伐迹地上采用1年生实生苗造林。种植当年6月、10月分别抚育1次并进行补植，造林后第2年、第3年10月各进行1次抚育，抚育主要以劈草、松土、扶兜为主。

2 研究方法

2.1 样地设置及材料取样

2019年5月，在对不同造林密度杉木人工林全面踏查的基础上，对样地内的杉木进行每木调查，测量其胸径、树高及枝下高。在样地内随机设置5个1 m×1 m的小样方，收集地上部分林下植被及凋落物并称重。依据样地调查数据，计算各个样地杉木加权平均胸径、加权平均树高、加权平均枝下高等数据作为选择平均木的参考数据。为不破坏试验林，在各个样地四周选1株与平均木各个生长指标尽量一致的单株作为平均木，每个造林密度选出3株平均木，共选出9株。林分生长情况见表1。

表1 不同密度杉木人工林生长情况

将各样地选出的平均木先取宿留枯死枝并称重后，用油锯齐地表伐倒后，测定每隔2 m树干、树皮及树枝生物量并算出其生物量所占比例，并按比例分别取树干、树皮及树枝样品共3 kg带回实验室。以平均木为圆心，半径1.5 m范围内挖取全部树根，依据杉木根系径级分级方法用游标卡尺进行径级分级，分出细根(D≤0.2 cm)、小根(0.25 cm)，称量每一径级根鲜重后带回实验室[11-12]。

2.2 各组分碳储量测定

将各组分样品置于105 ℃烘箱杀青1 h后，置于75 ℃烘箱烘至恒重后称重。烘干后样品用植物研磨机粉碎后过0.149 mm筛。称取每株平均木各组分样品0.15000 g置于干锅中放入元素分析仪(Elementar ELVario Max)测定全碳含量，3次重复。根据各组分测试样品的全碳含量换算成林分各组分的碳储量。

2.3 数据处理

应用 Microsoft Excel 2010软件进行数据处理。不同密度杉木人工林各组分碳储量差异采用SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析、差异性显著分析。

3 结果与分析

3.1 不同密度杉木人工林杉木各器官碳储量及其分配

不同密度对杉木人工林杉木各器官碳储量及其分配率具有不同的影响(表2)。密度1800、3000 株·hm-2的杉木人工林各器官碳储量及分配率表现为树干>枝叶>树皮>宿留枯死枝叶，而密度4500 株·hm-2的杉木人工林各器官碳储量及分配率表现为树干>宿留枯死枝叶>树皮>枝叶。随着密度增加，杉木人工林树干、树皮及宿留枯死枝叶碳储量呈逐渐增加趋势，而枝叶碳储量则表现为A2处理>A1处理>A3处理。密度4500 株·hm-2与密度1800、3000株·hm-2相比，树干及宿留枯死枝叶碳储量分别增加83.22%、34.28%及472.33%、75.00%。就分配率差异而言，树皮及宿留枯死枝叶碳储量分配率表现为随着密度的增加呈升高趋势，枝叶碳储量分配率则表现为随着密度的增加而呈下降趋势，树干碳储量分配率表现为A3处理>A1处理>A2处理。方差分析结果表明，不同密度杉木人工林的树干、树皮及宿留枯死枝叶碳储量差异达极显著水平；而密度1800、4500 株·hm-2与密度3000株·hm-2相比，其枝叶碳储量差异达极显著水平。

表2 不同密度杉木人工林杉木各器官碳储量及分配

3.2 不同密度杉木人工林不同径级根碳储量及其分配

由表3分析可知，不同密度对杉木人工林地下部分不同径级的根碳储量及分配率具有不同的影响。同一密度杉木人工林不同径级根碳储量及分配率均表现为粗根>大根>中根>小根>细根。随着密度增大，杉木人工林同一径级根碳储量呈上升的趋势，其中密度4500 株·hm-2与密度1800、3000 株·hm-2相比，粗根碳储量分别增加60.53%、35.31%，大根碳储量分别增加77.27%、38.30%，细根碳储量则分别增加100.00%、38.46%。就分配率差异而言，粗根碳储量分配率表现为A1处理>A2处理>A3处理，大根及细根碳储量分配率表现为A3处理>A2处理>A1处理，中根碳储量分配率表现为A1处理>A3处理>A2处理，而小根碳储量分配率表现为A2处理>A3处理>A1处理。方差分析结果表明，不同密度杉木人工林大根碳储量差异达极显著水平，密度4500株·hm-2的粗根、中根、小根及细根碳储量与密度1800、3000株·hm-2相比，差异达极显著水平，而密度3000株·hm-2的大根、小根及细根碳储量与密度1800株·hm-2的相比，差异达极显著水平。

表3 不同密度杉木人工林根碳储量及分配率

图1 不同密度杉木人工林各组成碳储量

3.3 不同密度杉木人工林各组分碳储量

不同密度对杉木人工林地上部分及地下部分各组分碳储量具有不同的影响(图1)。密度1800株·hm-2的杉木人工林各组分碳储量表现为乔木层>根系>林下植被层>凋落物层，而密度3000、4500株·hm-2的杉木人工林各组分碳储量表现为乔木层>根系>凋落物层>林下植被层。乔木层、根系及凋落物层碳储量表现为A3处理>A2处理>A1处理，而林下植被层碳储量表现为A1处理>A2处理>A3处理。方差分析结果表明，不同密度杉木人工林乔木层、根系、林下植被层及凋落物层各组分碳储量差异均达到极显著水平。

3.4 林分密度与杉木人工林各组分碳储量相关性分析

相关性分析结果(表4)表明，林分密度与树干、树根、宿留枯枝、宿留枯叶、凋落物碳储量呈极显著正相关，而与鲜叶碳储量呈显著负相关。

表4 杉木人工林林分密度与各组份碳储量相关性分析

4 小结与讨论

森林生态系统是陆地上面积最大、生物量最高的生系系统，它对全球气候变化、生物圈的碳循环及氮循环等方面都具有举足轻重的作用[13]。为了满足木材市场需求，林业工作者营造了大面积的人工林，而这种人工林的发展模式大都以牺牲天然林为代价。随着天然林面积日益萎缩，人工林的碳汇作用越来越受到科学家的密切关注[14]。人工林碳储量受多种因素的影响，而林分密度是最主要影响因素之一。方晰等[15]、那萌等[16]、刘贤安等[17]对不同密度的湿地松、水曲柳及华北落叶松人工林的碳储量研究表明，随着密度的提高，林分总碳储量也提高。本研究结果表明，杉木人工林有机物质碳储量随密度增大而呈逐渐上升趋势，这与前人研究结果相一致。随着密度升高，林下植被碳储量逐渐降低，而宿留枯死枝、凋落物碳储量逐渐提高，此结果与纪文婧[18]、樊后保等[19]的研究结果相似。随着林分密度增大，林分个体种内竞争强度逐渐加强，林分自然稀疏现象日益明显，这就导致了林分个体冠幅变窄，林分枝下高升高，林内凋落物层增多；同时，随着林分密度增大，林下光照强度减弱，林地温度降低，致使林下植被种类及生物量降低及林地凋落物层分解速度减慢，综合导致出现林下植被碳贮量降低，而凋落物层碳贮量增加的结果。

人工用材林是以获取木材作为最终经营目的的一种林分类型。为缓解全球温度上升，人工林的碳固定能力越来越受到重视。在新时代践行“绿水青山就是金山银山”理念的生产实践中，构建一种新型的人工用材林经营技术体系，从而实现经济效益与生态效益的最佳耦合，即人工用材林既能生产较多的高质量木材，而且还能最大程度地发挥其生态服务功能，这应是当今林业科技工作者急需解决的技术[20-22]。本文仅分析了12年生不同密度杉木人工林地上部分及地下部分不同径级根的碳储量，并未涉及土壤及微生物等其它组分的碳贮量。随着试验林分的生长，该杉木人工林生态系统碳储量的动态变化，有待于今后进一步跟踪测定。