毛行元，唐學(xué)君,2*，王偉峰

(1.國(guó)家林業(yè)局 華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310019；2.國(guó)家林業(yè)局 林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京100091；3.內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院 生態(tài)功能與森林碳匯研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

密度對(duì)林分碳儲(chǔ)量的影響是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)問題，植物個(gè)體對(duì)水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)能力不同，個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育受到影響，進(jìn)而影響到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。密度是造林時(shí)考慮的首要因素，由于不同的密度產(chǎn)生水分、熱量、光照時(shí)間和強(qiáng)度等環(huán)境因子的差異必然會(huì)產(chǎn)生林木生長(zhǎng)的差異，適宜的密度既能充分利用資源環(huán)境，而且能使森林達(dá)到最大的固碳效益[1]。杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]是我國(guó)亞熱帶地區(qū)的主要人工林樹種，地理分布范圍很廣，面積達(dá)1239.1萬(wàn)hm2，占全國(guó)人工林面積的26.55%，杉木商品材占我國(guó)總商品材的20%～25%[2]。然而，在生產(chǎn)實(shí)踐中杉木人工林的多代連栽會(huì)產(chǎn)生立地生產(chǎn)力下降的問題，立地生產(chǎn)力的下降除了立地養(yǎng)分的供給虧缺，還與林木的經(jīng)營(yíng)技術(shù)密切相關(guān)，如造林密度、輪伐期、施肥、采伐剩余物的處理方式等[3-4]。森林的經(jīng)營(yíng)管理是提升森林質(zhì)量的有效途徑，在以往研究過程中，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的限制及其技術(shù)手段的缺乏，對(duì)杉木人工林碳儲(chǔ)量的研究主要集中在短期的影響效應(yīng)評(píng)估上，然而森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。本研究充分考慮了經(jīng)典的采伐收獲數(shù)據(jù)，又考慮了不同造林密度對(duì)杉木人工林固碳的反饋?zhàn)饔?。在不同的立地條件下，多大的造林密度比較科學(xué)合理？通過應(yīng)用加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)開發(fā)的FORECAST森林經(jīng)營(yíng)管理模型(經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c機(jī)理模型相結(jié)合)，模擬了不同造林密度對(duì)杉木人工林碳儲(chǔ)量的長(zhǎng)期影響，為杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

本研究基于野外觀測(cè)樣地?cái)?shù)據(jù)與模型模擬相結(jié)合的方法，野外觀測(cè)樣地主要分布于江西省贛州市崇義縣、上猶縣和龍南縣。研究區(qū)地處中亞熱帶南緣，屬典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛。年平均氣溫 18.9 ℃，無(wú)霜期287 d，≥10 ℃的積溫為6012 ℃·d(265 d)，年平均降雨量為1574 mm，年降水總量為630.13億m3。林下植被主要有鹽膚木(Rhuschinensis)、南燭(Vacciniumbracteatum)、木姜子(Litseapungens)、山蒼子(Litseacubeba)、檵木(Loropetalumchinensis)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、菝葜(Smilaxchina)、麥冬(Ophiopogonjaponicus)、鐵線蕨(Adiantumcapillus)、鳳尾蕨(Spiderbrake)、朱砂根(Ardisiacrenata)、竹葉草(Phyllostachysheterocycla)等。觀測(cè)樣地?cái)?shù)據(jù)主要用來(lái)驗(yàn)證FORECAST模型，這些數(shù)據(jù)是基于不同立地條件下的杉木人工林年齡序列數(shù)據(jù)(20～40 a)，主要包括樹高、胸徑、地上生物量和地被物量等。

FORECAST模型是基于混合模型原理而開發(fā)的，該模型充分結(jié)合了過程模型和機(jī)理模型的優(yōu)勢(shì)，建立在整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)和養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律之上。研究表明，一個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力大小取決于該系統(tǒng)的葉量和光合效率，F(xiàn)ORECAST模型的驅(qū)動(dòng)機(jī)制就是葉氮效率(foliage nitrogen efficiency，F(xiàn)NE)，它從輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中計(jì)算獲得[5]。該模型的參數(shù)可以分為必需參數(shù)和非必需參數(shù)，與植物生長(zhǎng)、土壤養(yǎng)分等相關(guān)的參數(shù)為必需參數(shù)，其他參數(shù)(如坡面滲漏、礦物質(zhì)風(fēng)化、生物固氮等)可采用系統(tǒng)的默認(rèn)值或相近區(qū)域的數(shù)據(jù)，非必需參數(shù)的缺省不會(huì)對(duì)模型結(jié)果產(chǎn)生本質(zhì)影響。在模型中，系統(tǒng)可以創(chuàng)建3種立地條件(好、中、差)并用立地指數(shù)(site index，SI)表示。以杉木人工林為例，通過不同立地條件下的樹高生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，用模型可擬合相應(yīng)的生長(zhǎng)過程，SI=17、21、27分別代表差、中、好3種立地條件下的優(yōu)勢(shì)木平均高(基準(zhǔn)年齡為50 a)；模型的參數(shù)選擇、校準(zhǔn)與驗(yàn)證過程見參考文獻(xiàn)[6]。

通過野外觀測(cè)并結(jié)合文獻(xiàn)資料，為了增強(qiáng)結(jié)果的對(duì)比性，模擬情景設(shè)置為好立地和差立地條件(SI=17、27)，造林密度根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中常用的密度設(shè)計(jì)為1667、2500、3333、5000 株/hm2，輪伐期為25 a(正常輪伐期)，模擬時(shí)間跨度為150 a，即6個(gè)完整的輪伐期。為了研究不同造林密度對(duì)杉木人工林碳固存的影響，定義以下參數(shù)作為分析依據(jù)：(1)地上生物量碳(ABCS)：指喬木層的樹干、樹皮、樹枝、樹葉等固碳量；(2)地下生物量碳(UBCS)：指地下根系(粗根、中根和細(xì)根)的固碳量；(3)總生物量碳(TBCS)：指地上生物量碳與地下生物量碳之和，TBCS=ABCS+UBCS；(4)土壤有機(jī)碳(SOC)：指地上凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)(通過微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體的合稱)中的固碳量；(5)總固碳量(TCS)：總生物量碳與土壤有機(jī)碳之和，TCS=TBCS+SOC。

2 結(jié)果與分析

2.1 造林密度對(duì)杉木人工林總固碳量和年均固碳量的影響

在差立地條件下(圖1)，各造林密度的總生物固碳量分別為180.10、198.42、205.82、205.82 t/hm2；土壤有機(jī)固碳量分別為104.89、108.87、109.61、109.61 t/hm2；總固碳量分別為285.00、307.29、315.43、315.43 t/hm2。

圖1 造林密度對(duì)總固碳量的影響(SI=17)

如表1所示，4種造林密度條件下的年均總固碳量依次為1.89、2.04、2.10、2.10 t/hm2；每個(gè)輪伐期內(nèi)的總碳儲(chǔ)量依次為47.50、51.22、52.57、52.57 t/hm2；總生物碳儲(chǔ)量依次為30.02、33.07、34.30、34.30 t/hm2；土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量依次為17.48、18.14、18.27、18.27 t/hm2。

在好立地條件下(圖2)，各密度的總生物固碳量分別為468.64、516.66、533.29、533.29 t/hm2；土壤有機(jī)固碳量分別為220.35、226.65、229.16、229.16 t/hm2；總固碳量分別為688.98、743.31、762.46、762.46 t/hm2。

表1 不同造林密度下的年均固碳量和每個(gè)輪伐期碳儲(chǔ)量(SI=17)

圖2 造林密度對(duì)總固碳量的影響(SI=27)

如表2所示，4種造林密度條件下的年均總固碳量依次為4.59、4.96、5.08、5.08 t/hm2；每個(gè)輪伐期內(nèi)的總碳儲(chǔ)量依次為114.83、123.89、127.08、127.08 t/hm2；總生物碳儲(chǔ)量依次為78.11、86.11、88.88、88.88 t/hm2；土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量依次為36.72、37.77、38.19、38.19 t/hm2。

2.2 造林密度對(duì)杉木人工林土壤有效氮的影響

如圖3和圖4所示，不同立地條件下，造林密度對(duì)土壤有效氮的影響有一定的差異。在差立地條件下，低密度(1667 株/hm2)和高密度(5000 株/hm2)林分的土壤有效氮從第1個(gè)輪伐期到第2個(gè)輪伐期都下降明顯，后趨于穩(wěn)定，低密度林分的土壤有效氮略高于高密度林分。在好立地條件下，低密度和高密度林分的土壤有效氮在每個(gè)輪伐期都有一定的下降，并且高密度林分的土壤有效氮略高于低密度林分。土壤有效氮變化對(duì)植物細(xì)根生長(zhǎng)、發(fā)育、壽命及呼吸有直接影響，土壤質(zhì)地、溫度、大氣CO2濃度和氮沉降等相關(guān)因素對(duì)植物根系生長(zhǎng)也有重要影響。造林密度不同，植物的根系生物量也不同，進(jìn)而影響植被的固碳效應(yīng)，而土壤有效氮又與土壤有機(jī)碳存在耦合關(guān)系，共同調(diào)控植被和土壤碳庫(kù)。

表2 不同造林密度下的年均固碳量和每個(gè)輪伐期碳儲(chǔ)量(SI=27)

圖3 造林密度對(duì)土壤有效氮的影響(SI=17)

3 討論與結(jié)論

林分密度影響林分的生長(zhǎng)和競(jìng)爭(zhēng)，從而影響林分生物量的積累。據(jù)相關(guān)報(bào)道[7-8]，在相同立地條件下，林分密度從1530株/hm2逐漸增加到2955株/hm2，林分總生物碳儲(chǔ)量不斷增加；林分密度為2955株/hm2的生物量比密度為1530株/hm2的高出21.1%；而林分密度從3690株/hm2增加到5085株/hm2，林分總生物量不斷下降。因此，不同林分存在一個(gè)相應(yīng)的最適林分密度。在低于最適林分密度的范圍內(nèi)，林分生物碳儲(chǔ)量隨密度增加而增加；高于最適林分密度時(shí)，林分生物碳儲(chǔ)量隨林分密度增加而下降。盛煒彤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，杉木人工林通常培育密度較大，一般為3000～4500株/hm2，同時(shí)為提高蓄積量，一般不間伐或進(jìn)行強(qiáng)度較小(株數(shù)的15%～25%)的間伐。因此杉木人工林的密度較大，林下植被不發(fā)達(dá)并發(fā)育較遲，群落結(jié)構(gòu)很單一，形不成喬、灌、草多層群落結(jié)構(gòu)，生物多樣性低，目前生產(chǎn)上實(shí)行的密度管理不利于杉木人工林地力的維護(hù)。鄧倫秀[10]研究發(fā)現(xiàn)，林分自然稀疏強(qiáng)度與初植密度和立地質(zhì)量的關(guān)系密切。自然稀疏總強(qiáng)度隨著林齡和初植密度的增大而增大，初植密度越大，發(fā)生自然稀疏的林齡越早。初植密度相同時(shí)，立地指數(shù)級(jí)越大，自然稀疏總強(qiáng)度越大、時(shí)間越早。初植密度與立地指數(shù)級(jí)都相同時(shí)，自然稀疏總強(qiáng)度受局部小環(huán)境的影響很大，肥力越好，林木生長(zhǎng)量越大，郁閉越早，發(fā)生自然稀疏的時(shí)間越早，強(qiáng)度越大。林分優(yōu)勢(shì)高的大小取決于立地指數(shù)，而非林分密度；在過密與過稀的林分中，密度對(duì)林分平均高有顯著影響。立地指數(shù)級(jí)和林齡相同時(shí)，林分平均胸徑、單株材積、冠幅隨初植密度的增大而減小，林分?jǐn)嗝娣e、總材積、蓄積、高徑比、枝下高隨初植密度的增大而增大；初植密度和林齡相同時(shí)，立地指數(shù)級(jí)越大所有測(cè)樹因子的值越大。

圖4 造林密度對(duì)土壤有效氮的影響(SI=27)

本研究表明，隨著杉木造林密度的增加，地上生物碳儲(chǔ)量、地下生物碳儲(chǔ)量、總生物碳儲(chǔ)量、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、總碳儲(chǔ)量都在增加，但在密度超過3333株/hm2時(shí)趨于穩(wěn)定；當(dāng)密度為1667～2500株/hm2時(shí)每個(gè)輪伐期內(nèi)的總生物碳儲(chǔ)量都在減少。且高密度造林會(huì)引起種間對(duì)光、水、肥等競(jìng)爭(zhēng)的加劇，不利于森林生態(tài)系統(tǒng)的碳積累。根據(jù)立地條件的不同，適宜的造林密度為2500～3333株/hm2。此外，杉木人工林的土壤碳庫(kù)與氮庫(kù)存在一定的耦合關(guān)系，共同影響植被和土壤固碳功能。

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