程傳鵬，徐明潔，劉慧峰

1.河南財經(jīng)政法大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.中國科學(xué)院千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，江西 吉安 343700；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽 110866

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，在調(diào)節(jié)氣候變化和改變?nèi)蛱佳h(huán)方面起著重要的作用（Wang et al.，2016；Taye et al.，2021），因其巨大的碳匯潛能而在全球變化研究中備受矚目（王小玲等，2013；F?rster et al.，2021）。研究表明，發(fā)展林業(yè)是增加碳匯的重要措施，受到國際社會的廣泛關(guān)注（Chen et al.，2017；楊博文，2021）。中國人工林發(fā)展迅速，面積居世界首位，為全球碳增匯做出了巨大貢獻（Piao et al.，2009；國家林業(yè)和草原局，2019）。同時，也面臨著林分結(jié)構(gòu)失衡、林地生產(chǎn)力低、生態(tài)系統(tǒng)功能脆弱、造林土地空間越來越少、造林難度越來越大等問題（梅夢媛等，2019；薛蓓蓓等，2021）。隨著應(yīng)對氣候變化、環(huán)境保護、生態(tài)文明與美麗中國建設(shè)的需要增加，中國人工林建設(shè)迫切需要通過林業(yè)管理措施促進林產(chǎn)品供應(yīng)、經(jīng)濟價值、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等增加。

間伐是提高林木品質(zhì)和經(jīng)濟效益的重要森林管理措施，通過調(diào)節(jié)地上、地下生物過程和環(huán)境因子，影響生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)和碳匯功能（Lindgren et al.，2013；Cheng et al.，2021）。目前，間伐對森林碳動態(tài)及碳匯功能影響研究還存在很大不確定性，這既與間伐強度、森林類型和環(huán)境條件有關(guān)，也與觀測方法的精度有關(guān)，多數(shù)研究僅限于對碳收支特定生態(tài)過程的影響，難以綜合把握間伐對森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的整體影響（Chiang et al.，2010；Wang et al.，2018；張娟等，2021）。還有一些研究僅對比單個通量塔間伐前后通量差異，可能存在忽視通量觀測年際間變化影響的可能性；而通量觀測巨大的年際變化完全有可能改變間伐所產(chǎn)生的影響（Xu et al.，2014；Bautista et al.，2021）。因此，有必要采用多種研究方法，精確研究間伐不同時間后森林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)對間伐的響應(yīng)機制。

森林兼具資源與環(huán)境雙重屬性，在提供木材和多種林副產(chǎn)品、維持生態(tài)平衡、減緩全球氣候變暖以及促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展方面都有重要作用（謝聰?shù)龋?020；Taye et al.，2021；馬浩然等，2021）。研究表明，森林碳減排成本遠(yuǎn)低于工業(yè)減排，使得森林碳匯效益成為森林綜合效益的重要組成部分（Zanchi et al.，2019；張娟等，2021）。森林碳匯經(jīng)濟價值主要是指森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧功能的價值，目前公認(rèn)的計算森林碳匯經(jīng)濟價值的方法尚不多，更多的是針對生態(tài)系統(tǒng)碳固持經(jīng)濟價值的研究，其釋氧價格因缺乏歷史資料和國內(nèi)外經(jīng)驗借鑒而研究方法單一（Viccaro et al.，2019；胡原等，2020）。森林碳固持經(jīng)濟價值的計量方法主要包括造林成本法、人工固定二氧化碳法、碳稅法、碳稅率法、市場價格法、均值法等，得出的碳匯價格相差很大，而碳價格是決定碳固持經(jīng)濟價值的一個很重要因素，對估算森林碳匯的經(jīng)濟價值造成了很大影響（張春華，2018；Austin et al.，2020；張娟等，2021）。

亞熱帶是中國南方一個特殊的生態(tài)類型區(qū)，原始常綠闊葉林遭到嚴(yán)重破壞后，于1980年代開始種植人工速生林，主要樹種為馬尾松（Pinus massoniana Lamb.）、杉木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.）和濕地松（Pinus elliottii）（馬澤清等，2020）。該生態(tài)區(qū)面積約為45×104km2，以恢復(fù)的人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)為主，在江西、福建、浙江等地均有分布，中國科學(xué)院千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站（以下簡稱“千煙洲站”）馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)為該區(qū)域人工林生態(tài)系統(tǒng)典型代表之一。為此，本研究選在千煙洲站開展間伐對亞熱帶馬尾松人工林碳動態(tài)及碳固定經(jīng)濟價值的影響研究，對掌握森林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)組分對森林經(jīng)營管理措施的響應(yīng)具有重要參考價值，也可以為利用市場手段實現(xiàn)中國“森林增匯”戰(zhàn)略目標(biāo)政策制定提供理論參考，對中國有效執(zhí)行京都議定書、建設(shè)美麗中國、實現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”具有重大現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

千煙洲站（26°44′48″N，115°04′13″E）屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫 17.9 ℃，年平均蒸發(fā)量1110.3 mm，年均相對濕度84%，無霜期290 d，年日照時數(shù)1406 h，太陽總輻射量43.36×108J·m-2，多年平均降水量1489 mm（Cheng et al.，2017）。現(xiàn)有森林是1985年前后營造的人工針葉林，主要樹種包括馬尾松、濕地松、杉木以及木荷（Schima superba Gardner & Champ.）、柑橘（Citrus reticulata Blanco）等，覆蓋率95%以上（馬澤清等，2020）。造林前整地；造林后有補植，未撫育、施肥和間伐等人工干預(yù)，曾有割脂活動。

試驗站有兩座通量觀測塔，首個建于2002年（通量塔一），2008年在距離1200 m處建立了第二個（通量塔二），均以渦度相關(guān)技術(shù)進行碳、水和熱量通量觀測。同時配備冠層氣象要素觀測設(shè)備同步觀測氣象要素。千煙洲站于2012年10月—2013年6月間完成通量塔二區(qū)域40 hm2林地間伐工作，間伐強度30%（密度）。

1.2 樣地設(shè)置

采用完全隨機實驗設(shè)計，于2014年7月設(shè)置30 m×30 m馬尾松人工林樣地6塊，隨機分為兩組，其中一組3塊作為未間伐對照樣地（Unthinned），另一組3塊作為間伐樣地，于2014年12月進行間伐作業(yè)（30%，密度）（T2014：間伐時間2014年12月）。樣地以馬尾松為主，鮮有其他喬木，間伐前平均密度1467 plant·hm-2。為便于操作，間伐前清灌，殘體留于樣地中。間伐時只將喬木樹干具有經(jīng)濟價值部分（木材）運出，其余均勻散落在樣地內(nèi)，伐樁亦不做處理，一般高度25—35 cm。間伐前，對比T2014間伐樣地與Unthinned對照樣地表層土壤基本理化性質(zhì)、冠層結(jié)構(gòu)及光照輻射透過率。結(jié)果表明，樣地間無顯著性差異（數(shù)據(jù)未給出）。

Unthinned樣地使用通量塔一配套同步常規(guī)氣象要素觀測數(shù)據(jù)。T2014樣地環(huán)境要素數(shù)據(jù)使用林下氣象站獲得，2014年9月在樣地氣象站配置林下環(huán)境要素監(jiān)測設(shè)備，測定總輻射、空氣溫濕度、光合有效輻射、5 cm和10 cm土壤溫度、5 cm和10 cm土壤含水量。所有數(shù)據(jù)利用CR1000數(shù)據(jù)采集器（ModelCR1000，Campbell Scientific）記錄并儲存。

1.3 馬尾松人工林碳動態(tài)的測定

生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)為碳吸收（喬木層碳吸收和林下植被碳吸收）與碳排放（喬木層碳排放、林下植被碳排放、土壤碳排放）之和。采用不同方法計算2014年12月—2016年12月間人工林碳動態(tài)組分?jǐn)?shù)據(jù)，各組分碳動態(tài)數(shù)據(jù)為樣地（900 m2）年總CO2排放質(zhì)量，為便于對比分析，分析人工林碳動態(tài)時將單位換算成 g·m-2·a-1（以C計）。

1.3.1 馬尾松人工林喬木層碳吸收的測定

使用MAESTRA模型計算馬尾松人工林喬木層總光合作用。根據(jù)模型要求設(shè)置輸入文件參數(shù)，包括樹木胸徑、冠幅、樹冠高度、喬木樹葉面積（L：Leaf area）（使用胸徑(D)通過公式(1)計算（李軒然等，2007））、其他氣象數(shù)據(jù)、葉片形態(tài)指標(biāo)、輻射數(shù)據(jù)、光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線擬合參數(shù)。

根據(jù)喬木胸徑分布，在每個樣地選擇4株代表性標(biāo)準(zhǔn)木，分別于2014年12月、2015年6月、2015年12月、2016年6月和2016年12月采集樹冠陽面上部和下部代表性針葉，獲取葉片形態(tài)指標(biāo)。另取代表性針葉剪碎，測定葉綠素a（Chla），葉綠素b（Chlb）和總?cè)~綠素（Chltot）含量。

同時，在晴朗天氣上午09:00—12:00使用手提式6400光合儀（LI-6400XT，Li-Cor，Inc.，USA）在同一標(biāo)準(zhǔn)木上選取相鄰枝條測定針葉光響應(yīng)曲線及CO2響應(yīng)曲線，獲得光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線擬合參數(shù)。

1.3.2 馬尾松人工林林下植被碳吸收和碳排放的測定

林下植被光合作用和呼吸作用采用透明靜態(tài)箱實測法估算：在樣地林下植被均勻具代表性處設(shè)置2個1 m×1 m×1 m（長×寬×高）透明靜態(tài)箱，每周1次測定透明靜態(tài)箱透光及遮光條件下CO2通量，用于估算林下光合作用和呼吸作用。計算公式為：

式中：

Ftr、Fsh、Frs、Fbs及Fbp——透光時靜態(tài)箱產(chǎn)生、遮光時靜態(tài)箱產(chǎn)生、土壤總呼吸產(chǎn)生、林下植被自身呼吸作用產(chǎn)生及林下植被自身光合作用產(chǎn)生CO2濃度凈交換通量（mg·m-2·h-1）。土壤總呼吸產(chǎn)生CO2濃度凈交換通量使用2個0.5 m×0.5 m×0.2 m（長×寬×高）不銹鋼不透明靜態(tài)箱測定。

靜態(tài)箱抽氣方式如下：抽氣取樣選在晴天上午09:00—11:00，在40 min時段內(nèi)，每隔10分鐘用100 mL注射器抽取1次氣樣，每個靜態(tài)箱采集5個氣樣。同時，利用溫度計測定箱內(nèi)溫度，利用溫濕度采集器測量地表、5 cm、10 cm土層處的溫度和5 cm處的土壤體積含水量。根據(jù)抽氣日期時間，查表獲得樣地林下光合有效輻射。采集氣體樣品利用氣相色譜儀測定CO2濃度，利用公式（4）計算通量：

式中：

F——CO2凈交換通量（mg·m-2·h-1）；

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2密度（1.96 kg·m-2）；

V——采樣箱的有效體積（m3）；

A——采樣箱所覆蓋的土壤面積（m2）；

θ和θ0——觀測時箱內(nèi)溫度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度（℃）；

P和P0——觀測時的大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（kPa）；

dCt/dt——箱內(nèi)氣體濃度隨時間變化的斜率（μL·L-1）。

地表溫度和土壤溫度與林下植被光合作用和呼吸作用（Rs）的關(guān)系使用公式（5）模擬；土壤濕度（M）和林下光合有效輻射（P）與林下植被光合作用以及土壤濕度（M）和呼吸作用（Rs）的關(guān)系使用公式（6）模擬；溫度和土壤濕度（光合有效輻射）與林下植被光合作用以及溫度和土壤濕度與呼吸作用（Rs）的關(guān)系使用公式（7）模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，使用氣象站及通量觀測系統(tǒng)常規(guī)氣象要素結(jié)果擬合各個樣地林下植被光合作用和呼吸作用，結(jié)合樣地面積計算林下植被碳吸收和碳排放。

T2014樣地間伐前后（2014年12月和2015年6月），使用45 mm直徑土鉆在每個樣方的9個10 m×10 m小樣方內(nèi)分土壤層次（0—10 cm和10—20 cm深度）取樣，測定土壤pH、無機氮（IN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）含量。

同時，在晴朗天氣時使用TRAC（Tracing Radiation and Architecture of Canopies，Canada）和半球照片技術(shù)測定冠層結(jié)構(gòu)和光照透過率。TRAC在上午測定，半球照片則在早上或者傍晚采集。葉面積指數(shù)（LAI）通過TRAC測定值使用TRACWIN計算得到；冠層開度、總太陽輻射透過率（Ttot）、直接太陽輻射透過率（Tdir）和散射太陽輻射透過率（Tdif）使用Sidelook和GLA（Gap Light Analyzer）分析半球照片得到。

1.3.3 馬尾松人工林喬木層碳排放的測定

喬木層碳排放包括喬木層葉片呼吸作用和喬木層樹干呼吸作用引起的碳排放兩部分。葉片呼吸從1.3.1模型結(jié)果中得到。樹干呼吸使用LI-8100實測，選取代表性標(biāo)準(zhǔn)木5株，在樹高1.3 m處陽面安裝PVC管呼吸環(huán)，PVC管直徑11 cm，高度6.5 cm左右。同時在呼吸環(huán)上方3 cm處鉆取3 cm深的洞，用于測定樹干溫濕度。在晴天上午09:00—12:00使用LI-8100每月測定2次，同時測定樹干溫濕度及呼吸環(huán)處空氣溫濕度。

空氣溫度（θa）和樹干溫度（θ3）與樹干呼吸（RStem）的關(guān)系使用公式（8）模擬；樹干含水率（Ms）與樹干呼吸的關(guān)系使用公式（9）模擬；溫度和樹干含水率與樹干呼吸的關(guān)系使用公式（10）模擬。根據(jù)模擬結(jié)果中空氣溫度與樹干呼吸關(guān)系，使用氣象站及通量觀測系統(tǒng)常規(guī)氣象要素結(jié)果擬合單位面積樹干呼吸速率。

利用樣地胸徑（D）、樹高（H）調(diào)查數(shù)據(jù)使用公式（11）計算樣地樹干面積（S），計算樹干碳排放總量。胸徑、樹高與樹干面積的關(guān)系通過樹干解析結(jié)果得出，共分析不同徑級標(biāo)準(zhǔn)樣木14株。

1.3.4 馬尾松人工林土壤碳排放的測定

土壤碳排放為土壤呼吸碳排放和伐樁呼吸碳排放之和。其中，Unthinned計算時將伐樁呼吸碳排放設(shè)置為0，因為該樣地未產(chǎn)生伐樁，用于伐樁呼吸及伐樁呼吸碳排放計算的實際為樹干呼吸，這部分碳排放已在1.3.3中計算，進行統(tǒng)計分析時仍將本部分樹干呼吸作為Unthinned伐樁呼吸。

土壤呼吸產(chǎn)生CO2凈交換通量使用0.5 m×0.5 m×0.2 m（長×寬×高）不銹鋼不透明靜態(tài)箱測定。伐樁呼吸碳排放是指由伐樁呼吸過程引起的碳排放。伐樁呼吸及周圍土壤呼吸產(chǎn)生CO2凈交換通量使用2個直徑為0.5 m、高為0.4 m一體式圓形靜態(tài)箱及可拆式圓形靜態(tài)箱測定。每次測定前2天，將靜態(tài)箱內(nèi)雜灌清除。靜態(tài)箱抽氣方式、測定日期、環(huán)境因素測定方法及計算通量公式參見1.3.2。伐樁自身呼吸通過圓形靜態(tài)箱和土壤呼吸靜態(tài)箱測定結(jié)果，結(jié)合伐樁表面積及圓形靜態(tài)箱內(nèi)土壤面積計算得到。根據(jù)模擬結(jié)果，使用氣象站及通量觀測系統(tǒng)常規(guī)氣象要素結(jié)果擬合土壤呼吸和伐樁呼吸，結(jié)合樣地伐樁表面積和樣地面積計算土壤呼吸碳排放和伐樁呼吸碳排放。

1.4 馬尾松人工林碳固定經(jīng)濟價值的計算

生態(tài)系統(tǒng)碳匯經(jīng)濟價值評估主要參考生態(tài)系統(tǒng)固定碳量和碳匯價格兩個方面，不考慮生態(tài)系統(tǒng)釋氧功能，公式表示為：

Q——碳固定經(jīng)濟價值（單位：yuan）；

C——森林固定碳量（單位：t）；

P——碳價格（單位：yuan·t-1）

C——1.3中獲得生態(tài)系統(tǒng)固定碳量，為單位面積林地年固碳量。

P選擇以下3種：

（1）國家標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》（LY/T1721—2008）中規(guī)定的固碳價格1200 yuan·t-1C（國家林業(yè)局，2008）；

（2）瑞典碳稅率150 US dollars·t-1C（人民幣924 yuan·t-1C）（張峰等，2021）（2014年，平均匯率6.14）；

（3）2013—2015年全國7個碳交易試點市場碳交易平均價格34.38 yuan·t-1C（朱梅鈺等，2021）。

鑒于間伐產(chǎn)生部分木材收益，分含與不含間伐木材經(jīng)濟價值兩種情景，根據(jù)實地調(diào)查和木材市場價格數(shù)據(jù)，馬尾松木材價格平均值為550 yuan·m-3，木材數(shù)量由間伐后實際測量得到，木材收益僅計入間伐第一年，即2015年。

1.5 數(shù)據(jù)處理

取每個樣地的平均值代表該樣方用于統(tǒng)計分析及模型運算。不同處理間差異使用配對t-檢驗完成。使用逐步線性回歸分析相關(guān)性。所有的統(tǒng)計分析利用SPSS軟件（22.0版本），繪圖利用Sigmaplot軟件（10.0版本）完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松人工林碳動態(tài)

從表1可知，間伐顯著影響亞熱帶人工馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)，間伐后森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能顯著降低，間伐后第一年甚至由碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯奶荚?，但其碳匯功能恢復(fù)迅速，間伐后第二年恢復(fù)至70.0%（表1）。生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)組分表現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律，生態(tài)系統(tǒng)碳吸收顯著降低20.3%和25.7%，主要是因為去除部分喬木導(dǎo)致喬木層碳吸收顯著降低（表2）；第一年生態(tài)系統(tǒng)碳排放并沒有顯著降低，而在第二年顯著降低了33.7%，這與生態(tài)系統(tǒng)喬木層碳排放顯著降低和土壤碳排放顯著增加之間的差異有關(guān)，一方面，喬木層碳排放第一年顯著降低21.1%，第二年顯著降低58.5%，而土壤碳排放第一年顯著增加13.5%，第二年顯著增加9.6%；另一方面，從兩年喬木層碳排放顯著降低量和土壤碳排放顯著增加量來看，喬木層碳排放顯著降低量分別為649.74 kg C和3449.45 kg C，而土壤碳排放顯著增加量僅分別為190.41kg C和151.80 kg C。

表1 間伐對亞熱帶馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)的影響Table 1 Effects of thinning on ecosystem carbon dynamics in subtropical Pinus massoniana plantation

2.1.1 馬尾松人工林喬木層碳吸收

喬木層年累計碳吸收分別由 7450.67 kg C和9635.55 kg C顯著降低到5750.90 kg C和7159.25 kg C，分別降低22.8%和25.7%。從兩年結(jié)果看，喬木層年累計碳吸收年際差異較大，間伐對喬木層年累積碳吸收影響差別不大，一方面環(huán)境因素（溫度、濕度等）年際差異較大，導(dǎo)致人工林喬木層碳吸收能力年際差異增大；另一方面，林下植被的快速生長大量消耗了土壤養(yǎng)分，改變了林下環(huán)境因子，影響了喬木生長（表3；Cheng et al.，2017），另外，喬木葉片形態(tài)特征、葉綠素含量、光合能力變化也說明了這一差異。結(jié)果表明，間伐半年后，0—10 cm土壤NH4+-N、NO3--N和無機氮含量與LAI顯著降低，冠層開度、Ttot、Tdir和Tdif顯著提高（表3）。

表2 間伐對亞熱帶馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)各組分的影響Table 2 Effects of thinning on components of ecosystem carbon dynamics in subtropical Pinus massoniana plantation

表3 間伐對亞熱帶馬尾松人工林土壤理化性質(zhì)、冠層結(jié)構(gòu)和光照透過率的影響Table 3 Effects of thinning on soil physical and chemical properties,canopy structure and light transmittance in subtropical Pinus massoniana plantation

2.1.2 馬尾松人工林林下植被碳吸收和碳排放

綜合來看，間伐降低了林下植被年碳吸收，升高了林下植被年碳排放，林下植被年碳吸收間伐后第一年略有降低，第二年顯著降低 25.8%；林下植被年碳排放間伐兩年后顯著提高 39.3%和35.5%（表2）。長期結(jié)果表明，幾年后林下植被年碳吸收將逐漸恢復(fù)并超過未間伐樣地水平，而林下植被年碳排放則逐漸升高（數(shù)據(jù)未給出）。一方面是因為間伐初期林下植被快速萌發(fā)，為取得競爭優(yōu)勢不得不通過構(gòu)建更多根系搶占生態(tài)空間，激烈的種間競爭增加了林下植被碳排放；另一方面，隨著林下植被生長，過多的林下植被生物量加劇了林下植被之間的競爭，處于競爭劣勢的林下植被，生長受限，光合能力變?nèi)酰踔了劳?，林下植被年碳吸收反而降低；一段時間后，林下生態(tài)位分配布局調(diào)整完成，適宜的林下環(huán)境將使林下植被碳吸收能力達(dá)到最佳。

2.1.3 馬尾松人工林喬木層碳排放

喬木層碳排放顯著降低比例年際差異較大（21.1%和58.5%），而樹干碳排放顯著降低比例年際差異很?。?8.2%和19.7%），都低于碳排放顯著降低比例，且樹干碳排放第二年降低比例遠(yuǎn)低于喬木層碳排放降低比例（表2、圖1）。從喬木層葉片碳排放與樹干碳排放所占比例來看，葉片碳排放占到了大部分，間伐后喬木層碳排放降低比例的不穩(wěn)定主要是因為喬木層葉片碳排放的變異較大。間伐提高了樹干碳排放所占比重，一方面是因為保留木的快速生長增大了樹干面積，另一方面針葉形態(tài)特征改變和光合能力增強為樹干呼吸增加了呼吸底物，這說明間伐后馬尾松固定了更多的生物量用于樹干生長，也從另一方面說明間伐有利于林業(yè)木材生產(chǎn)。

圖1 間伐對亞熱帶馬尾松人工林樹干呼吸碳排放的影響Figure 1 Effects of thinning on carbon emissions of stem respiration in subtropical Pinus massoniana plantation

2.1.4 馬尾松人工林土壤碳排放

土壤碳排放是土壤呼吸碳排放和伐樁呼吸碳排放的綜合結(jié)果，土壤碳排放顯著提高10.5%和9.6%，其中伐樁呼吸碳排放顯著提高68.9%和166.4%，伐樁呼吸碳排放提高比例遠(yuǎn)高于土壤碳排放提高比例；土壤呼吸碳排放僅在第一年顯著提高4.6%（表2、圖2、3）。從土壤呼吸碳排放與伐樁呼吸碳排放所占比例來看，土壤呼吸碳排放占到了大部分，土壤碳排放變化規(guī)律與伐樁呼吸碳排放規(guī)律相同，盡管伐樁呼吸碳排放占比很少（3.3%—8.2%）。土壤碳排放年際變異規(guī)律主要與土壤呼吸碳排放和伐樁呼吸碳排放增加量及其呼吸過程有關(guān)。這是因為間伐初期土壤表面輸入了大量新鮮掉落物，增加了土壤呼吸底物數(shù)量，但掉落在土壤表面新鮮掉落物存續(xù)時間有限，很快額外增加的土壤呼吸底物將被消耗殆盡，而因間伐去除林木導(dǎo)致的掉落物輸入減少卻沒有補充來源；而伐樁分解規(guī)律相對復(fù)雜，產(chǎn)生初期伐樁根系尚未死亡，大量CO2通過伐樁創(chuàng)面排放；一段時間后（6個月左右）根系死亡，伐樁表面（樹皮）易分解部分分解開始，隨著時間推移伐樁分解加快。

圖2 間伐對亞熱帶馬尾松人工林土壤呼吸碳排放的影響Figure 2 Effects of thinning on carbon emissions of soil respiration in subtropical Pinus massoniana plantation

2.2 馬尾松人工林碳固定經(jīng)濟價值

馬尾松人工林碳固定經(jīng)濟價值在不同情景下差距較大（表4）：木材經(jīng)濟收益 19604.08 yuan·hm-2，考慮木材經(jīng)濟價值時，在碳價格分別為1200元、150美元和34.38元3種情境下，第一年碳固定經(jīng)濟價值分別顯著提高 218.9%、327.6%和12386.6%，分別增加 11956.81、13734.80和19384.99 yuan·hm-2；不考慮木材經(jīng)濟價值時，第一年碳固定經(jīng)濟價值顯著降低 140.0%，分別減少7647.27、5869.28 和219.09 yuan·hm-2；第二年碳固定經(jīng)濟價值分別顯著降低 33%，分別減少1623.75、1246.23 和46.53 yuan·hm-2?？傮w來看，是否考慮間伐收獲木材經(jīng)濟價值對馬尾松人工林碳固定經(jīng)濟價值影響較大，將木材經(jīng)濟價值計入間伐后第一年考慮，木材經(jīng)濟價值可以完全抵消因間伐導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力降低而損失的碳固定經(jīng)濟價值。更長時間來看，將木材經(jīng)濟價值計入間伐后前兩年考慮，木材經(jīng)濟價值依然可以完全抵消損失的碳固定經(jīng)濟價值，這凸顯了長期研究間伐對森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定經(jīng)濟價值影響的必要性。若在評價人工林碳固定經(jīng)濟價值時，不考慮間伐收獲木材經(jīng)濟價值，則碳價格成為影響馬尾松人工林碳固定經(jīng)濟價值主要因素，不同碳價格計量方式顯著影響間伐對馬尾松人工林碳固定經(jīng)濟價值改變量，這顯示了實施統(tǒng)一碳價格的重要性。

表4 間伐對亞熱帶馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳固定經(jīng)濟價值的影響Table 4 Effects of thinning on the economic value of ecosystem carbon sequestration in subtropical Pinus massoniana plantation

3 討論

3.1 間伐對亞熱帶人工馬尾松林碳動態(tài)的影響

本研究間伐強度為30%，間伐后兩年內(nèi)亞熱帶人工馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)對間伐響應(yīng)激烈，生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能分別顯著降低117.2%和33.0%（表1），降低比例大于間伐強度，第一年甚至由碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚矗傮w趨勢與其他研究結(jié)果一致，但具體比例相差較大（Lindroth et al.，2018；Aun et al.，2021a，b），如 Aun（2021a）等研究蘇格蘭松（PinussylvestrisL.）天然次生林間伐30%（斷面積）兩年后，生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力僅降低 10%；該團隊（Aun et al.，2021b）在歐洲白樺（Betula pendula Roth）天然次生林的研究則表明，間伐20%（斷面積）后第二年生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力降低30%，結(jié)果差異同樣較大。這與森林類型、氣候條件、間伐方式等有關(guān)，也與觀測方法的精度有關(guān)（Wang et al.，2018；Lull et al.，2020；Bautista et al.，2021）。一方面，土壤條件的較大差異使得蘇格蘭松和歐洲白樺天然次生林林下植被快速恢復(fù)的同時，肥沃土壤保持了較穩(wěn)定的土壤呼吸碳排放，而中國南方馬尾松針葉林種植于嚴(yán)重退化的紅壤丘陵區(qū)，間伐后林下植被的快速增長導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分快速消耗在一定程度上降低了間伐后喬木生長對森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的補償，同時較淺的土壤層也加快了地面新輸入殘落物的快速分解（表3，馬澤清等，2020）；另一方面，亞熱帶地區(qū)豐富的水熱光條件，使得間伐后林下水熱光條件改變更明顯，林下植被生長競爭加劇，同時升高的土壤溫濕度，在促進林下植被快速生長的同時，加快了土壤表面殘落物的分解過程（尤其是伐樁）（表2，3，Cheng et al.，2017）；另外，作為先鋒物種的馬尾松，速生、廣適性的遺傳特性也使得其對間伐響應(yīng)更劇烈，一般闊葉物種相較針葉樹種可以更好維持土壤肥力和改善土壤生態(tài)質(zhì)量，進一步的可以更好的適應(yīng)間伐引起的環(huán)境和土壤養(yǎng)分?jǐn)_動（楊尚東等，2014）。同時，我們的綜合實測方法也可以更好把握馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)各個組分對間伐的響應(yīng)過程，提高研究精度（表2）。

對比發(fā)現(xiàn)，試驗站通量觀測結(jié)果與本文實測結(jié)果盡管數(shù)值差異較大，但變化規(guī)律相同，間伐兩年后對照和間伐樣地的NEE分別為531.16、507.98 g·m-2·a-1（以C計）和365.04、352.16 g·m-2·a-1（以C計），分別下降31.27%和30.67%，下降后緩慢恢復(fù)，與實測結(jié)果趨勢相同，變化幅度差距較大，另外可以看出年際間差異較大。瑞典中部的間伐實驗結(jié)果也表明，間伐25%（密度）后第一年生長季森林碳匯能力降低30%，而后8年逐漸恢復(fù)，但仍未完全恢復(fù)（Lindroth et al.，2018；Xu et al.，2021）。由于無法對間伐前兩通量塔通量數(shù)據(jù)誤差進行校正，我們無法準(zhǔn)確判斷間伐對森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量的影響；對比實測結(jié)果，再次說明了使用其他方法驗證通量觀測結(jié)果的重要性，或許可以通過實測數(shù)據(jù)對通量結(jié)果進行校正，進而得出準(zhǔn)確的森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量變異規(guī)律?？傮w來看，本研究采用的實測方法可以更好的反映森林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)及各組分對間伐的響應(yīng)，因為不同森林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)組分對環(huán)境條件響應(yīng)差異較大，通量觀測無法區(qū)分不同森林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)組分結(jié)果差異（Xu et al.，2014；Lindroth et al.，2018；Xu et al.，2021）。實測結(jié)果表明，間伐后生態(tài)系統(tǒng)碳吸收降低比例為20.3%和25.7%，略低于30%，接近間伐強度，改善的環(huán)境條件促進保留木快速生長在一定程度上彌補了間伐剔除林木導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)碳吸收降低（表2、3）；而生態(tài)系統(tǒng)碳排放降低比例分別為-2.3%和33.7%，第二年降低比例超過間伐強度，第一年卻略有增加，一方面，間伐后新鮮殘落物的大量輸入增加了土壤呼吸碳排放底物，同時環(huán)境條件改變（尤其是土壤溫濕度的升高）提高了土壤呼吸速率（表2，Bautista et al.，2021）；另一方面，林下環(huán)境的快速改善，加劇了林下植被生長競爭，升高了林下植被碳排放，而后林下植被生態(tài)位分化趨向均衡，競爭減弱（Cheng et al.，2017）。盡管生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)變化規(guī)律與生態(tài)系統(tǒng)碳吸收變化規(guī)律一致，生態(tài)系統(tǒng)碳排放才是決定生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力的主要因素（表1）。因此，深入研究亞熱帶人工馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)各組分對間伐的響應(yīng)，細(xì)化研究方法，將更有利于剖析間伐對生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)及碳固定能力的影響機制。

生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)組分對間伐的響應(yīng)差異，是導(dǎo)致間伐后生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能差異的主要因素（Lull et al.，2020；Acuna et al.，2021；Gong et al.，2021）。間伐導(dǎo)致的部分林木剔除對林分結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分、環(huán)境因素、植物間競爭關(guān)系等的影響，不可避免的導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)各組分的響應(yīng)差異（Austin et al.，2020；Lull et al.，2020）。間伐后第一年，森林生態(tài)系統(tǒng)由較強的碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)槿醯奶荚?，主要是因為生態(tài)系統(tǒng)碳吸收下降了20.31%，而生態(tài)系統(tǒng)碳排放并沒有等比例下降，反而略有提高（表1）；其中，喬木層碳吸收降低22.81%，林下植被碳吸收也略有下降（表2），喬木層碳排放降低 21.1%，林下植被碳排放和土壤碳排放卻分別升高39.3%和10.5%，而土壤碳排放中伐樁呼吸碳排放升高比例達(dá)到68.9%（表2，圖3）。總的來看，林下植被碳排放及伐樁呼吸碳排放升高（盡管所占比例不高）是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)由匯變源的主要原因。這是因為間伐后冠層及林下光照條件改善，空氣溫濕度變化（表3），一方面林下環(huán)境改善后，林下植被將更多資源用于根系發(fā)展搶占林下空間，增加了碳排放（李瑞霞等，2012；Cheng et al.，2017）；另一方面，間伐損傷使得伐樁在根系死亡過程中釋放大量碳，同時伐樁表皮分解進一步增加了伐樁呼吸碳排放（Wang et al.，2018；Cheng et al.，2021）。第二年，生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能快速恢復(fù)，盡管生態(tài)系統(tǒng)碳吸收下降比例依然較大（25.7%），生態(tài)系統(tǒng)碳排放不但沒有提高，還大比例下降（33.7%）（表1）；其中，喬木層碳吸收和林下植被碳吸收分別降低25.7%和25.8%，林下植被碳排放和土壤碳排放分別升高35.5%和9.6%，喬木層碳排放降低58.5%，而土壤碳排放中伐樁呼吸碳排放升高比例達(dá)到166.4%（表 2，圖3）。總的來看，喬木層碳排放降低和林下植被碳排放及伐樁呼吸碳排放升高（盡管所占比例不高）在森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能恢復(fù)中發(fā)揮了主要作用。一方面，保留木對新環(huán)境的快速適應(yīng)使得保留木碳循環(huán)分配更加合理（Cheng et al.，2017；Xu et al.，2021）；另一方面，林下植被生態(tài)位最優(yōu)布局完成改變了林下植被碳循環(huán)模式，而伐樁死亡后表皮分解短期內(nèi)相對穩(wěn)定（Wang et al.，2018；Gong et al.，2021）。

圖3 間伐對亞熱帶馬尾松人工林伐樁呼吸碳排放的影響Figure 3 Effects of thinning on carbon emissions of stump respiration in subtropical Pinus massoniana plantation

3.2 間伐對亞熱帶人工馬尾松林碳固定經(jīng)濟價值的影響

間伐產(chǎn)生剔除木木材經(jīng)濟價值是研究間伐這一經(jīng)營管理措施經(jīng)營經(jīng)濟價值的重要方面，考慮木材經(jīng)濟價值與否，對于全面評估間伐對林業(yè)收益的影響方式、時間、程度等至關(guān)重要（Chen et al.，2017；Eggers et al.，2020；Enríquez-de-Salamanca，2021）。本研究中，間伐去除30%（密度）馬尾松獲得木材經(jīng)濟收益19604.08 yuan·hm-2，高于其他研究，主要是因為該處馬尾松種植密度較大，且未受到外界過度干擾（Xu et al.，2014；馬澤清等，2020）。若不考慮木材經(jīng)濟收益，間伐顯著降低亞熱帶人工馬尾松林碳固定經(jīng)濟價值140.0%和33%，損失金額隨碳價格升高而增大，從 46.53—7647.27 yuan·hm-2不等（表4）?？傮w來看，間伐后第一年生態(tài)系統(tǒng)碳固定經(jīng)濟價值損失較大，第二年逐漸減少，隨生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能恢復(fù)而逐漸減少（Lindroth et al.，2018；Acuna et al.，2021）；若將間伐去除的林木作為林地森林生態(tài)系統(tǒng)碳固持的一部分，計算獲得木材經(jīng)濟收益，則可以完全彌補間伐后兩年內(nèi)因碳匯能力降低導(dǎo)致的碳固持經(jīng)濟價值損失，且有大量剩余，而間伐后森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力將快速恢復(fù)，生態(tài)系統(tǒng)碳固定經(jīng)濟價值也將逐漸升高（Austin et al.，2020；Enríquez-de-Salamanca，2021）。

碳匯價格是影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定經(jīng)濟價值評估的重要因素（Austin et al.，2020；Acuna et al.，2021）。在考慮和不考慮間伐木材經(jīng)濟價值兩種情境下，不同碳價格對亞熱帶人工馬尾松林碳固定經(jīng)濟價值均造成較大影響，差距范圍可從減少7647.27 yuan·hm-2到增加19384.99 yuan·hm-2，相差3.53倍（表4），經(jīng)濟效益甚至在正負(fù)之間，這也是目前評估間伐對森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟價值影響差異較大的重要原因之一，如使用不同碳市場碳價格評估福建省歷年森林碳匯量經(jīng)濟價值結(jié)果相差1.27—1.63倍（Zanchi et al.，2019；Taye et al.，2021；張娟等，2021）。同時，顯示出了碳價格在決定森林經(jīng)營管理措施經(jīng)濟價值評估中的重要作用，也反映出了建設(shè)完善碳交易市場維持穩(wěn)定碳價格的重要性，隨著中國全國碳市場的建立，統(tǒng)一穩(wěn)定碳價格的形成將大大促進有關(guān)碳匯經(jīng)濟價值研究開展。

綜合起來，考慮木材經(jīng)濟收益，長期來看間伐將提高森林生態(tài)系統(tǒng)碳固持經(jīng)濟價值（表4，Eggers et al.，2020）。本研究采用實測方法分析森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力，并不是簡單的估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，相較于其他研究對森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能經(jīng)濟價值的評估更加精細(xì)，分別評估了間伐對生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)組分的影響，更有利于綜合評估間伐這一管理措施對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，并揭示其影響原理和發(fā)生機制（胡原等，2020；張峰等，2021；張娟等，2021）。遺憾的是，本研究未同時評估森林管理措施的成本和其他收益，無法綜合評估間伐對森林生態(tài)系統(tǒng)綜合收益的影響。在以后的研究中需要采用多種方法對森林生態(tài)系統(tǒng)各種收益進行綜合比較，以便更好地評價森林管理措施對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響。

4 結(jié)論

間伐對森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境因素、土壤養(yǎng)分、植物關(guān)系等的改變，顯著影響了亞熱帶人工馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)組分，并共同影響了生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)及碳固定能力，進而改變其碳固定的經(jīng)濟價值。3種價格情境下，間伐后第一年，碳固定的經(jīng)濟價值分別減少 7647.27、5869.28、219.09 yuan·hm-2，因為生態(tài)系統(tǒng)由碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚?，碳固定能力顯著降低，林下植被碳排放及伐樁呼吸碳排放升高是導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因；第二年，碳固定的經(jīng)濟價值減少數(shù)量降低，分別減少1623.75、1246.23、46.53 yuan·hm-2，因為生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力逐步恢復(fù)，碳固定能力降低幅度變少，喬木層碳排放降低和林下植被碳排放及伐樁呼吸碳排放升高在這一過程中發(fā)揮了主要作用。若將間伐獲得木材經(jīng)濟收益計算在內(nèi)，則亞熱帶人工馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳固定的經(jīng)濟價值將大幅提升，這表明了綜合評估森林生態(tài)系統(tǒng)綜合收益的重要性。