基于FORECAST模型模拟造林密度对杉木人工林碳储量的影响

毛行元，唐学君,2*，王伟峰

(1.国家林业局 华东林业调查规划设计院，浙江 杭州 310019；2.国家林业局 林木培育重点实验室/中国林业科学研究院 林业研究所，北京100091；3.内蒙古林业科学研究院 生态功能与森林碳汇研究所，内蒙古 呼和浩特 010010)

密度对林分碳储量的影响是一个复杂的科学问题，植物个体对水分和养分的竞争能力不同，个体的生长发育受到影响，进而影响到整个生态系统的固碳能力。密度是造林时考虑的首要因素，由于不同的密度产生水分、热量、光照时间和强度等环境因子的差异必然会产生林木生长的差异，适宜的密度既能充分利用资源环境，而且能使森林达到最大的固碳效益[1]。杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]是我国亚热带地区的主要人工林树种，地理分布范围很广，面积达1239.1万hm2，占全国人工林面积的26.55%，杉木商品材占我国总商品材的20%～25%[2]。然而，在生产实践中杉木人工林的多代连栽会产生立地生产力下降的问题，立地生产力的下降除了立地养分的供给亏缺，还与林木的经营技术密切相关，如造林密度、轮伐期、施肥、采伐剩余物的处理方式等[3-4]。森林的经营管理是提升森林质量的有效途径，在以往研究过程中，由于监测数据的限制及其技术手段的缺乏，对杉木人工林碳储量的研究主要集中在短期的影响效应评估上，然而森林的可持续经营是一个长期的过程。本研究充分考虑了经典的采伐收获数据，又考虑了不同造林密度对杉木人工林固碳的反馈作用。在不同的立地条件下，多大的造林密度比较科学合理？通过应用加拿大不列颠哥伦比亚大学开发的FORECAST森林经营管理模型(经验模型与机理模型相结合)，模拟了不同造林密度对杉木人工林碳储量的长期影响，为杉木人工林的可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

本研究基于野外观测样地数据与模型模拟相结合的方法，野外观测样地主要分布于江西省赣州市崇义县、上犹县和龙南县。研究区地处中亚热带南缘，属典型的亚热带湿润季风气候，四季分明，雨量充沛。年平均气温 18.9 ℃，无霜期287 d，≥10 ℃的积温为6012 ℃·d(265 d)，年平均降雨量为1574 mm，年降水总量为630.13亿m3。林下植被主要有盐肤木(Rhuschinensis)、南烛(Vacciniumbracteatum)、木姜子(Litseapungens)、山苍子(Litseacubeba)、檵木(Loropetalumchinensis)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、菝葜(Smilaxchina)、麦冬(Ophiopogonjaponicus)、铁线蕨(Adiantumcapillus)、凤尾蕨(Spiderbrake)、朱砂根(Ardisiacrenata)、竹叶草(Phyllostachysheterocycla)等。观测样地数据主要用来验证FORECAST模型，这些数据是基于不同立地条件下的杉木人工林年龄序列数据(20～40 a)，主要包括树高、胸径、地上生物量和地被物量等。

FORECAST模型是基于混合模型原理而开发的，该模型充分结合了过程模型和机理模型的优势，建立在整个森林生态系统的物质生产和养分循环规律之上。研究表明，一个森林生态系统的生产力大小取决于该系统的叶量和光合效率，FORECAST模型的驱动机制就是叶氮效率(foliage nitrogen efficiency，FNE)，它从输入的基础数据中计算获得[5]。该模型的参数可以分为必需参数和非必需参数，与植物生长、土壤养分等相关的参数为必需参数，其他参数(如坡面渗漏、矿物质风化、生物固氮等)可采用系统的默认值或相近区域的数据，非必需参数的缺省不会对模型结果产生本质影响。在模型中，系统可以创建3种立地条件(好、中、差)并用立地指数(site index，SI)表示。以杉木人工林为例，通过不同立地条件下的树高生长数据，用模型可拟合相应的生长过程，SI=17、21、27分别代表差、中、好3种立地条件下的优势木平均高(基准年龄为50 a)；模型的参数选择、校准与验证过程见参考文献[6]。

通过野外观测并结合文献资料，为了增强结果的对比性，模拟情景设置为好立地和差立地条件(SI=17、27)，造林密度根据生产实践中常用的密度设计为1667、2500、3333、5000 株/hm2，轮伐期为25 a(正常轮伐期)，模拟时间跨度为150 a，即6个完整的轮伐期。为了研究不同造林密度对杉木人工林碳固存的影响，定义以下参数作为分析依据：(1)地上生物量碳(ABCS)：指乔木层的树干、树皮、树枝、树叶等固碳量；(2)地下生物量碳(UBCS)：指地下根系(粗根、中根和细根)的固碳量；(3)总生物量碳(TBCS)：指地上生物量碳与地下生物量碳之和，TBCS=ABCS+UBCS；(4)土壤有机碳(SOC)：指地上凋落物和土壤有机质(通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体的合称)中的固碳量；(5)总固碳量(TCS)：总生物量碳与土壤有机碳之和，TCS=TBCS+SOC。

2 结果与分析

2.1 造林密度对杉木人工林总固碳量和年均固碳量的影响

在差立地条件下(图1)，各造林密度的总生物固碳量分别为180.10、198.42、205.82、205.82 t/hm2；土壤有机固碳量分别为104.89、108.87、109.61、109.61 t/hm2；总固碳量分别为285.00、307.29、315.43、315.43 t/hm2。

图1 造林密度对总固碳量的影响(SI=17)

如表1所示，4种造林密度条件下的年均总固碳量依次为1.89、2.04、2.10、2.10 t/hm2；每个轮伐期内的总碳储量依次为47.50、51.22、52.57、52.57 t/hm2；总生物碳储量依次为30.02、33.07、34.30、34.30 t/hm2；土壤有机碳储量依次为17.48、18.14、18.27、18.27 t/hm2。

在好立地条件下(图2)，各密度的总生物固碳量分别为468.64、516.66、533.29、533.29 t/hm2；土壤有机固碳量分别为220.35、226.65、229.16、229.16 t/hm2；总固碳量分别为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个轮伐期碳储量(SI=17)

图2 造林密度对总固碳量的影响(SI=27)

如表2所示，4种造林密度条件下的年均总固碳量依次为4.59、4.96、5.08、5.08 t/hm2；每个轮伐期内的总碳储量依次为114.83、123.89、127.08、127.08 t/hm2；总生物碳储量依次为78.11、86.11、88.88、88.88 t/hm2；土壤有机碳储量依次为36.72、37.77、38.19、38.19 t/hm2。

2.2 造林密度对杉木人工林土壤有效氮的影响

如图3和图4所示，不同立地条件下，造林密度对土壤有效氮的影响有一定的差异。在差立地条件下，低密度(1667 株/hm2)和高密度(5000 株/hm2)林分的土壤有效氮从第1个轮伐期到第2个轮伐期都下降明显，后趋于稳定，低密度林分的土壤有效氮略高于高密度林分。在好立地条件下，低密度和高密度林分的土壤有效氮在每个轮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。土壤有效氮变化对植物细根生长、发育、寿命及呼吸有直接影响，土壤质地、温度、大气CO2浓度和氮沉降等相关因素对植物根系生长也有重要影响。造林密度不同，植物的根系生物量也不同，进而影响植被的固碳效应，而土壤有效氮又与土壤有机碳存在耦合关系，共同调控植被和土壤碳库。

表2 不同造林密度下的年均固碳量和每个轮伐期碳储量(SI=27)

图3 造林密度对土壤有效氮的影响(SI=17)

3 讨论与结论

林分密度影响林分的生长和竞争，从而影响林分生物量的积累。据相关报道[7-8]，在相同立地条件下，林分密度从1530株/hm2逐渐增加到2955株/hm2，林分总生物碳储量不断增加；林分密度为2955株/hm2的生物量比密度为1530株/hm2的高出21.1%；而林分密度从3690株/hm2增加到5085株/hm2，林分总生物量不断下降。因此，不同林分存在一个相应的最适林分密度。在低于最适林分密度的范围内，林分生物碳储量随密度增加而增加；高于最适林分密度时，林分生物碳储量随林分密度增加而下降。盛炜彤等[9]研究发现，杉木人工林通常培育密度较大，一般为3000～4500株/hm2，同时为提高蓄积量，一般不间伐或进行强度较小(株数的15%～25%)的间伐。因此杉木人工林的密度较大，林下植被不发达并发育较迟，群落结构很单一，形不成乔、灌、草多层群落结构，生物多样性低，目前生产上实行的密度管理不利于杉木人工林地力的维护。邓伦秀[10]研究发现，林分自然稀疏强度与初植密度和立地质量的关系密切。自然稀疏总强度随着林龄和初植密度的增大而增大，初植密度越大，发生自然稀疏的林龄越早。初植密度相同时，立地指数级越大，自然稀疏总强度越大、时间越早。初植密度与立地指数级都相同时，自然稀疏总强度受局部小环境的影响很大，肥力越好，林木生长量越大，郁闭越早，发生自然稀疏的时间越早，强度越大。林分优势高的大小取决于立地指数，而非林分密度；在过密与过稀的林分中，密度对林分平均高有显著影响。立地指数级和林龄相同时，林分平均胸径、单株材积、冠幅随初植密度的增大而减小，林分断面积、总材积、蓄积、高径比、枝下高随初植密度的增大而增大；初植密度和林龄相同时，立地指数级越大所有测树因子的值越大。

图4 造林密度对土壤有效氮的影响(SI=27)

本研究表明，随着杉木造林密度的增加，地上生物碳储量、地下生物碳储量、总生物碳储量、土壤有机碳储量、总碳储量都在增加，但在密度超过3333株/hm2时趋于稳定；当密度为1667～2500株/hm2时每个轮伐期内的总生物碳储量都在减少。且高密度造林会引起种间对光、水、肥等竞争的加剧，不利于森林生态系统的碳积累。根据立地条件的不同，适宜的造林密度为2500～3333株/hm2。此外，杉木人工林的土壤碳库与氮库存在一定的耦合关系，共同影响植被和土壤固碳功能。

[1] 魏文俊,王兵,白秀兰.杉木人工林碳密度特征与分配规律研究[J].江西农业大学学报,2008,30(1):73-80.

[2] 姚利辉,康文星,赵仲辉,等.会同杉木人工林不同生长阶段植物固碳特征[J].生态学报,2015,35(4):1187-1197.

[3] 王伟峰,段玉玺,张立欣,等.不同轮伐期对杉木人工林碳固存的影响[J].植物生态学报,2016,40(7):669-678.

[4] 田大伦,杨超,闫文德,等.连栽杉木林不同生育阶段林下植被生物量[J].林业科学,2011,47(5):145-149.

[5] Kimmins J, Blanco J, Seely B, et al. Complexity in modelling forest ecosystems: How much is enough?[J]. Forest Ecology and Management, 2008，256(10):1646-1658.

[6] 王伟峰,魏晓华,段玉玺,等.采伐剩余物处理方式对杉木人工林固碳量的长期影响[J].水土保持研究,2016,23(6):198-203.

[7] 惠刚盈,童书振,刘景芳,等.杉木造林密度试验研究IV.密度对幼林生物量的影响[J].林业科学研究,1988(4):15-18.

[8] 汪家社.杉木生态系统生物量与固碳能力的分析与评价[J].福建林业科技,2008,35(2):4.

[9] 盛炜彤,范少辉,等.杉木及其人工林自身特性对长期立地生产力的影响[J].林业科学研究,2002,15(6):629-636.

[10] 邓伦秀.杉木人工林林分密度效应及材种结构规律研究[D].北京:中国林业科学研究院,2010.