李 晗，王 霞，孟京輝

（1.北京林業(yè)大學 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083；2.河北省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，河北 石家莊 050000）

工業(yè)化發(fā)展、大量CO2等溫室氣體的排放，導(dǎo)致全球平均地表溫度升高和海平面上升等，直接影響到人類的生存發(fā)展[1-3]。森林是最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，大約覆蓋了地球陸地表面的30%，發(fā)揮著重要的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益，同時承擔著碳匯與碳源的雙重角色[1,4]。1997年《京都議定書》、2007年“巴厘路線圖”和2009年“哥本哈根條約”無一不表明加強森林碳匯能力的迫切性與必要性，合理的森林經(jīng)營是提高森林質(zhì)量特別是森林碳匯能力的有效途徑。Colombo等[5]總結(jié)了1990-2012年10種森林經(jīng)營措施對碳儲量的影響，發(fā)現(xiàn)其中9種都能有效增加一個輪伐期內(nèi)的碳儲量，Winjum等[6]基于12個國家森林碳儲量變化的研究，提出積極有效的森林經(jīng)營是增加森林碳儲量的有效途徑。

森林經(jīng)營模式中的森林近自然林經(jīng)營，是一種提倡模仿自然、接近自然的經(jīng)營模式，在國內(nèi)外得到廣泛關(guān)注。近自然林是參照原生森林植被進行培育和管理，主要由鄉(xiāng)土樹種組成且具有多樹種混交的，逐步向多層次空間結(jié)構(gòu)和異齡林結(jié)構(gòu)發(fā)展的森林[7-9]。目前，國內(nèi)對近自然森林經(jīng)營做了大量的研究，尤其是人工林近自然化改造的研究，涉及到我國主要人工林樹種，如馬尾松Pinus massoniana[2,10-13]，杉木Cunninghamia lanceolata[14-15]，落葉松Larix gmelinii[16-17]，云南松P.yunnanensis[18-20]，油松P.tabuliformis[21-22]。

2008年，中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心，引入近自然森林經(jīng)營理論，系統(tǒng)地開展了馬尾松、杉木人工林近自然化改造。2014年，Meng等[2]對改造效果進行了分析評價，發(fā)現(xiàn)近自然化改造林在林分結(jié)構(gòu)、生物多樣性、生長量等方面明顯優(yōu)于未改造林分。然而，該研究并沒有對森林碳匯能力變化進行分析。本研究基于中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心3期238塊系統(tǒng)布設(shè)樣地，探討碳儲量變化規(guī)律，并對未來近自然林經(jīng)營和碳匯提升提出可行性建議。

1 研究區(qū)概況及樣地布設(shè)

中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心（以下簡稱熱林中心）（106°39′～ 106°59′E，21°57′～ 22°19′N）（圖1）成立于1979年9月，是中國林科院直屬的實驗基地、科技創(chuàng)新基地和科普教育基地，地處廣西壯族自治區(qū)西南的憑祥市，與越南毗鄰，實驗區(qū)橫跨龍州、寧明、憑祥二縣一市，面積190km2。該中心全年日照時數(shù)1 218～1 620 h，年平均氣溫20.5～21.7℃，年均降水量1 200～1 500 mm，年蒸發(fā)量1 261～1 388 mm，相對濕度80%～84%。地帶性土壤為花崗巖發(fā)育的磚紅壤，土層厚度＞80 cm，pH值4.8～5.5。人工林為主，少部分天然次生林，物種資源豐富，喬木樹種以杉木，馬尾松，殼菜果Mytilaria laosensis，紅錐Castanopsis hystrix，八角Illicium verum，格木Erythrophleum fordii，大葉櫟Quercus griffithii，柚木Tectona grandis，灰木蓮Manglietia glauca等為主。在試驗區(qū)內(nèi)按照系統(tǒng)抽樣方法在公里網(wǎng)（1 km×1 km）交叉點布設(shè)238個群團樣地，半徑為21.51 m。每個群團由3個子樣圓組成，子樣圓中心點與群團樣地中心點呈0°，120°，240°方位角三角輻射狀，子樣圓樣地半徑為6.51 m。本研究采用2011年、2013年、2015年復(fù)測數(shù)據(jù)，對熱林中心研究區(qū)域內(nèi)碳儲量動態(tài)變化展開研究。近自然林改造前林分特征如表1所示。

圖1 238塊系統(tǒng)抽樣樣地分布Figure1 Distribution of 238 systematic sampling plots

表1 改造前林分基本特征Table1 Information of sample plots before transformation

2 研究方法

2.1 樣地碳儲量計算

森林碳儲量的估算大多是以森林生物量為基礎(chǔ)的。估計森林生物量的方法可分為政府間氣候變化專門委員會法、生物量經(jīng)驗（回歸）模型法，轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法等方法[23-27]。目前，生物量回歸法最為常用。本研究采用汪珍川等[28]構(gòu)建的廣西主要樹種(組)生物量模型（表2），模型公式中D為樹種（組）的胸徑，W為對應(yīng)樹種（組）的生物量，以此公式對林木生物量進行估測。在林木生物量確定的基礎(chǔ)上，采用碳轉(zhuǎn)換系數(shù)得到每株林木的碳儲量。本研究采用李?？黐29]提出的廣西地區(qū)的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，其中馬尾松0.459 6，杉木0.520，桉樹0.525 3，櫟類（Quercus，櫟屬植物）0.500 4，硬闊類0.483 4，軟闊類0.495 6，八角和油茶Camellia oleifera0.47。然后將樣地所有林木碳儲量求和得到樣地的總體碳儲量，并換算成每公頃碳儲量。

表2 不同樹種（組）的生物量模型和參數(shù)Table2 Biomass models and parameters for different tree species(groups)

2.2 熱林中心碳儲量估算

本研究布設(shè)的樣地采用系統(tǒng)抽樣，因此采用系統(tǒng)抽樣估計量估計熱林中心不同年份的碳儲量。

系統(tǒng)抽樣平均數(shù)估計值：

式中，為樣地平均碳儲量，n為樣地數(shù)，yj為第j個樣地的碳儲量。

樣本平均數(shù)的標準誤：

式中，S(yˉ)為樣本平均數(shù)的標準誤。

估計誤差限：

式中，tα為可靠性指標，因本研究為大樣本，以95%可靠性進行估計時，t0.05=1.96。

估計精度：

式中，為估計誤差限；為樣地平均碳儲量；E為抽樣誤差；pc是估計精度總體林木碳儲量估計區(qū)間：

式中，為整個林分樣地數(shù)目。

2.3 統(tǒng)計方法

上述得到樣地碳儲量數(shù)據(jù)，用Excel軟件統(tǒng)計出總的碳儲量、不同樹種碳儲量、分坡度坡向碳儲量，將未進行近自然林改造和經(jīng)過近自然林改造的樣地分別統(tǒng)計，并用SPSS軟件做雙因素方差分析。

3 結(jié)果和分析

3.1 熱林中心的喬木林總碳儲量變化

由表3可知，熱林中心在2011-2015年期間，喬木林碳儲量由2011年605 826.95 t增加至2015年721 847.04 t，年均增加29 005.02 t，年均增長率4.48%；2011-2013年年均增長率5.35%，2013-2015年年均增長率3.62%。碳密度也有所增加，由2011年的35.94 t·hm-2增加至2015年的42.34 t·hm-2，精度均達到85%以上。

表3 2011－2015年熱林中心喬木林碳儲量Table3 Carbon stocks of arbor trees in experimental area in 2011,2013 and 2015

3.2 不同林分喬木林的碳儲量變化

不同的林分類型，碳儲量和碳密度也會有所差異。由圖2和表4可以看出，針葉林面積一直在減少，由2011年的9 312.73 hm2減少至2015年的8 357.54 hm2，碳儲量由2011年的413 753.07 t增加至2015年的479 611.05 t，占熱林中心喬木林碳儲量的比例由68.30%降低為66.44%，但仍是熱林中心喬木林碳儲量的主要貢獻者。

闊葉樹面積由2011年的7 115.16 hm2增加至2015年的8 166.48 hm2，碳儲量由2011年的192 073.88 t增加至242 235.99 t，占熱林中心喬木林碳儲量的比例也由31.70%增加至33.56%。針葉樹的平均碳密度高于闊葉樹，2011年、2013年和2015年的平均碳密度為44.43，51.55，57.39 t·hm-2，闊葉林則為27.00，34.01，29.66 t·hm-2，相差的比較大。

針葉樹的碳儲量主要集中在馬尾松，占2011年喬木林碳儲量的62.92%，2013年的62.86%，2015年的62.18%。其平均碳密度遠大于全國馬尾松平均碳密度26.67 t·hm-2，杉木與全國杉木平均碳密度39.38 t·hm-2相持平，而桉樹、櫟類等遠小于全國平均碳密度14.95，20.22 t·hm-2[29]。

表4 2011－2015年廣西熱林中心不同樹種（組）喬木林碳儲量Table4 Carbon stocks of different arbor species(groups)in experimental area in 2011,2013 and 2015

3.3 影響因素

3.3.1 自然因素 廣西熱林中心屬于亞熱帶季風氣候，利于植被的生長，碳儲量一直呈現(xiàn)增長狀態(tài)。森林碳儲量隨坡度變化而變化，表現(xiàn)為斜坡＞陡坡＞緩坡＞急坡＞平坡＞險坡（圖3），碳儲量隨坡向（除無坡）變化不大（圖4）。

圖3 碳密度隨坡度變化情況Figure3 Changes of carbon stocks with slope

圖4 碳密度隨坡向變化情況Figure4 Changes of carbon stocks with aspect

3.3.2 人為因素 不同的經(jīng)營管理方式對森林碳儲量的影響不一，一般認為采伐森林對其碳儲量影響不大，推行施肥等措施在一定程度上能提高森林碳儲量，不同的林網(wǎng)密度和林木栽培周期也會對森林碳儲量產(chǎn)生影響。廣西熱林中心采用近自然林經(jīng)營措施，目標樹經(jīng)營、擇伐強度的選擇以及混交林的設(shè)計在一定程度上都能提高碳儲量，主要是針對馬尾松純林，2007年進行間伐，選擇并標記90～120株·hm-2馬尾松目標樹，伐除干擾樹，保留密度375～450株·hm-2，并在2008年林下均勻補植一年生鄉(xiāng)土珍貴樹種容器苗、主要包括紅錐、格木、大葉櫟等，補植后連續(xù)3 a撫育管理，第4至第5年修枝整形。桉樹的改造是2007年皆伐之后保留萌芽條進行培育，2008年林下套種降香黃檀Dalbergia odorifera。選取造林時間與近自然經(jīng)營林分相差不超過1個齡級（5 a為1齡級）、立地條件大致相同的馬尾松、桉樹的純林和混交林樣地按照輪伐期經(jīng)營方式，在造林后第4至第5年進行1次透光伐，第12至第14年進行第1次撫育性間伐，間伐強度為株數(shù)的20%～30%，以后每5 a進行1次間伐，到林分主伐年齡31年進行皆伐作業(yè)，間伐作業(yè)時伐去一部分采伐林內(nèi)干形差、有病蟲害或受損害的林木、被壓木、個別主林層林木（如馬尾松、桉樹）以及非目的樹種的喬木和灌草。

表5 近自然林經(jīng)營對森林碳密度的影響Table5 Effect of near-nature forest management on carbon stocks

4 討論與結(jié)論

本研究通過對3期熱林中心系統(tǒng)抽樣樣地數(shù)據(jù)來估算整個熱林中心喬木林碳儲量，不僅為管理者和決策提供科學可靠的碳儲量數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，也可以為近自然經(jīng)營建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.1 結(jié)論

2008年至2015年，熱林中心按照森林近自然經(jīng)營理念進行改造，喬木林碳儲量呈逐年增長趨勢，年均增加 29 005.02 t，年均增長率 4.18%，碳密度 2011 年 35.94 t·hm-2，2013 年 40.82 t·hm-2，2015 年 42.34 t·hm-2。

馬尾松林有最大的碳儲量和碳密度，并遠大于全國的平均數(shù)。

經(jīng)過近自然林經(jīng)營林分的碳密度明顯大于未經(jīng)過近自然林經(jīng)營的林分，表現(xiàn)出顯著性差異（P＜0.05）。

4.2 討論

從碳密度來看，2011年熱林中心喬木林平均碳密度為35.94 t·hm-2，大于韓明臣等[30]研究的廣西2010年人工林平均碳密度21.77 t·hm-2，2015年平均碳密度與全國平均值44.91 t·hm-2相持平，但遠小于世界平均值86 t·hm-2[31]。熱林中心主要樹種馬尾松人工林喬木層平均碳密度為70.07 t·hm-2，高于周玉榮等[32]估算的我國暖性針葉林植被平均碳密度49.97 t·hm-2及毗鄰的廣東省2012年的23.01 t·hm-2[33]。從數(shù)據(jù)上看，廣西熱林中心有較大優(yōu)勢，這可能與熱林中心氣候有關(guān)，水熱條件較好，利于森林植被生長。

與自然因素相比，人為因素對森林碳儲量有著更大的影響。廣西熱林中心最大的人為因素就是采取的經(jīng)營模式。

經(jīng)營模式不同，碳密度也會有較大差別。采用人工林連作經(jīng)營的廣西平桂管理區(qū)2009年人工喬木林碳密度僅為15.98 t·hm-2[34]，而采用近自然林經(jīng)營模式的熱林中心碳密度是其2倍多，同時張濤等[35]的研究也發(fā)現(xiàn)對于油松人工林來說碳儲量表現(xiàn)為近自然經(jīng)營＞常規(guī)經(jīng)營。

近自然森林經(jīng)營能夠提高生物多樣性。國內(nèi)外很多研究表明森林生物多樣性與森林生產(chǎn)力呈正相關(guān)，Naeem等從建立的多個人工生態(tài)系統(tǒng)、LIANG等從全球尺度上證明了這一點[36-37]，近自然目標樹經(jīng)營能夠通過目標樹擇伐改善林內(nèi)的自然條件和微環(huán)境，使得群落豐富度提高[38]，形成的林隙使林下幼樹的生長成為進界木，微環(huán)境的改變也有利于更多的樹種進入。森林多樣性的提高能夠提高森林生產(chǎn)力，在此基礎(chǔ)上提高森林碳吸收率，從而增強森林碳匯能力。

結(jié)構(gòu)決定功能，近自然經(jīng)營通過目標樹擇伐使保留木得到更多的生長資源，直徑生長量和蓄積生長量增加，這與國外學者的研究結(jié)果一致[39-41]，相對應(yīng)的生物量也會隨之增加，國內(nèi)學者陸曉明[10]的研究證實了這一點。異齡混交林造林和補植珍貴鄉(xiāng)土樹種相結(jié)合，能夠有效地改善林分的不合理結(jié)構(gòu)，改變林分的樹種組成，增加生物多樣性，改良土壤肥力進而促進林分生長，延長碳循環(huán)周期，增加森林碳匯能力，從而實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營，與王懿祥[42]和劉憲釗[43]的研究結(jié)果一致。

本研究僅估算了熱林中心喬木層部分活立木的碳儲量，尚未包括其中的枯死木、灌木層、草本層、枯枝落葉層以及森林土壤層等部分的碳儲量，尤其是土壤中的碳儲量，有關(guān)研究已經(jīng)表明土壤是我國重要的碳庫，國內(nèi)森林土壤平均碳儲量為193.55 t·hm-2[32]，所以不能準確反映熱林中心森林植被的碳儲量情況和森林近自然經(jīng)營的全部效果，仍需補充和完善。