采伐剩余物处理方式对2代杉木林碳储量的影响

陈 杰

(福建省南平葫芦山国有林场，福建 南平 353015)

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)是中国南方特有的速生造林树种，栽培面积大，具有巨大的碳汇功能。近几十年来，由于杉木纯林连栽、短轮伐期经营、大面积皆伐、炼山等不合理的经营措施，造成该树种地力衰退较为严重，表现为土壤理化性质恶化，生态系统碳汇功能和生产力逐代下降，引起广大林业工作者和国内外学者的普遍关注[1-10]。为了探索杉木地力衰退的内在机理，1996年在国际林业研究中心(Center for International Forestry Research，CIFOR)的资助下，在福建省南平葫芦山国有林场峡阳分场选择1片即将采伐的第1代杉木成熟林(29年生)，设置永久性标准地，研究第1代杉木林采伐后不同采伐剩余物处理方式对更新的第2代杉木人工林长期生产力的影响[11-21]。本文对第1代杉木林采伐剩余物不同处理方式对第2代12年生杉木林生态系统碳储量的影响进行研究。

1 试验地概况

试验地位于福建省南平葫芦山国有林场峡阳分场(原福建省南平峡阳国有林场)黄坑工区，地处东经117°59′、北纬26°48′，海拔约230 m，平均坡度34°，土壤为页岩发育的山地红壤，土层较厚(80 cm以上)，土壤质地较粘重，富含有机质，为I、II类地，适宜培育杉木大径材。试验地所在的南平市延平区在试验观测期间(1997—2008年)年平均降水量1662 mm，年均气温20.1 ℃，极端最高气温41.8 ℃，极端最低气温-4.7 ℃。试验地为1968年春造林的第1代杉木成熟林。

2 研究方法

2.1 试验设计

5种采伐剩余物处理方式为处理1(全部收获)：移走地面上全部有机剩余物，包括树木、林下植被和枯枝落叶；处理2(全树收获)：收获树木的全部地上部分，林下植被和枯枝落叶留在原地；处理3(树干和树皮收获)：仅收获树干与树皮，杉木枝叶、林下植被和枯枝落叶留在原地；处理4(加倍采伐剩余物)：移走树干和树皮，将全树收获处理的树枝和树叶移到这个处理中；处理5(炼山)：除了火烧采伐剩余物，其余处理与树干和树皮收获处理相同。除了试验标准地按照5种处理方式外，试验标准地外的所有林地全部按照树干和树皮收获进行采伐剩余物处理。为了便于造林施工和防止村民采集树枝当作薪柴，将处理3和处理4林地上的采伐剩余物中的树枝用柴刀截成20 cm左右的短棍并均匀铺在林地上。采用完全随机区组设计4个区组(重复)，每个区组5个固定标准地，每个标准地面积600 m2，分别对应5种采伐剩余物处理。

2.2 试验施工

于1996年11—12月杉木成熟林采伐后按照试验设计进行采伐剩余物处理。穴状整地规格50 cm×50 cm×40 cm，于1997年2月营造第2代杉木林，造林密度为2500株·hm-2(每个标准地150株)。1997年5月施N、P、K复合肥，每株100 g。造林后前3年，每年幼林抚育2次，第4年(2000年)抚育1次。

2.3 调查项目和方法

1996年10月调查第1代杉木林、造林后第12年测定第2代杉木林生长量，包括胸径、树高、冠幅等。按照每100 m2选择1株优势木的标准，每个标准地面积为600 m2，选出6株优势木进行测定。胸径测定采用围径尺，树高测定采用中国人民解放军第5708工厂(贵州贵阳)生产的铝合金测高杆。采用断面积加权法测定各标准地的平均树高和平均胸径，采用算术平均法测定优势木平均高，采用杉木二元材积公式[22]：V=0.00005877042D1.9699831H0.89646157计算杉木单株材积，采用文献[19]的方法计算地位指数。

在每个区组标准地外各选择3株平均标准木，伐倒后测定标准木叶、枝、树干(去皮)、树皮、树根生物量，用各标准地单位面积的胸高总断面积与标准木胸高断面积总和之比乘以标准木生物量的总和，计算出单位面积林分生物量。每个标准地设置5个2 m×2 m的林下植被小样方测定林下植被(灌木和草本)和枯枝落叶层生物量。采用生物量乘以0.45的通用系数的方法计算植物碳储量[23]。

1996年10月、造林后第12年，采用“之字形”布点方法，每个标准地选择5个土壤取样点，挖掘土壤剖面，测定土壤A层厚度、土层厚度，分别不同土壤层次(0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm)，用100 cm3环刀采集土壤水分-物理性质样品，用土壤刀采集化学分析样品，按照森林土壤分析国家标准介绍的方法处理土壤样品，测定土壤容重、孔隙度和土壤含碳量等化学性质指标[24-26]。土壤化学分析样品永久储存，以便今后测定其他土壤指标。采用不同层次土壤碳含量、容重和各层次土层厚度计算各土层土壤碳储量。

2.4 统计分析方法

采用单因素方差和多重比较方法(Duncan氏新复极差法检验法)测定不同采伐剩余物处理的差异显著性。

3 结果分析

3.1 第1代杉木林生长量和土壤碳储量

从表1和表2可见，试验前不同处理杉木的平均密度、胸径、树高、优势木平均高、地位指数、蓄积量、土壤容重、土壤碳含量和土壤碳储量本底值均有一定差异。杉木地位指数是20年生的杉木林分优势木平均高，用于衡量杉木林地生产力等级。从地位指数看，试验前不同处理均为20地位指数级，大小顺序为：处理2>处理4>处理3>处理5>处理1。土壤碳含量和碳储量是衡量土壤肥力的重要指标。不同处理试验前土壤0～40 cm土层土壤碳储量为：处理4>处理1>处理2>处理3>处理5。方差分析结果表明，不同处理试验前的杉木平均密度、胸径、树高、优势高、地位指数、蓄积量、土壤容重、土壤碳含量和土壤碳储量均无显著差异(P>0.05)，说明试验前各处理土壤本底条件基本一致，这为下一步开展长期定位研究奠定了基础。

表1 第1代杉木成熟林(29年生)处理前的生长状况

*：数值以平均值±标准差表示，样本数=4；下同。

表2 第1代杉木成熟林(29年生)处理前的土壤容重、碳含量和碳储量

3.2 造林后第12年杉木生长量和乔木层碳储量

造林后12 a，各采伐剩余物处理的杉木林生长状况见表3，乔木层各器官碳储量见表4。

表3 不同采伐剩余物处理的第2代杉木林(12年生)生长状况

表4 不同采伐剩余物处理的第2代杉木林(12年生)乔木层碳储量 t·hm-2

从表3和表4可见，12年生第2代杉木林生长良好，地位指数不但没有降低，还略微有上升，其中处理4已进入22地位指数级。胸径和树高的大小顺序均为：处理4(加倍采伐剩余物)>处理2(全树收获)>处理3(树干和树皮收获)>处理1(全部收获)>处理5(炼山)。与试验前相比，处理4胸径和树高排名上升2位，处理1排名上升1位，处理2、处理3、处理5排名均下降1位。12年生第2代杉木林优势木平均高和地位指数的大小顺序均为：处理4>处理3>处理2>处理1>处理5。与试验前相比，处理4、处理3、处理1优势木平均高和地位指数排名均上升1位，处理2排名下降2位，处理5排名下降1位。12年生第2代杉木林蓄积量的排序为：处理4>处理2>处理1>处理3>处理5，与试验前相比，处理4蓄积量上升了4位，处理5下降1位，处理3下降3位，处理1和处理2的排序不变。12年生第2代杉木林乔木层碳储量大小顺序为：处理4(61.03 t·hm-2)>处理2(57.57 t·hm-2)>处理1(55.64 t·hm-2)>处理3(54.38 t·hm-2)>处理5(49.00 t·hm-2)。方差分析结果表明，不同采伐剩余物处理对第2代杉木林各生长量指标、乔木层各器官碳储量和乔木层总碳储量无显著影响(P>0.05)。

尽管不同采伐剩余物处理方式对第2代杉木林各生长量指标和乔木层碳储量没有显著影响，但从试验前后各处理生长量排序的变化看，加倍采伐剩余物处理的第1代杉木林各生长量指标都不是最高的，但其第2代12年生杉木林各生长量指标和乔木层碳储量均为最高；而炼山处理的第1代杉木林各生长量指标都不是最低的，但其第2代12年生杉木林各生长量指标和乔木层碳储量均为最低；说明采伐后保留采伐剩余物对林地长期生产力的维持是有利的，而炼山则不利于长期生产力的保持。

3.3 造林后第12年土壤碳储量

土壤碳储量取决于土壤容重和土壤碳含量。从表5可见，12年生第2代杉木林不同采伐剩余物处理0～10 cm土壤容重排序为：处理5>处理3>处理4>处理1>处理2，10～20 cm土壤容重排序为：处理5>处理1>处理2>处理3>处理4，20～40 cm土壤容重排序为：处理1>处理5>处理2>处理4>处理3；0～10 cm土壤碳含量大小为：处理4>处理2>处理3>处理1>处理5，10～20 cm土壤碳含量大小为：处理4>处理2>处理3>处理5>处理1，20～40 cm土壤碳含量大小为：处理3>处理2>处理4>处理5>处理1；0～40 cm土壤碳储量大小顺序为：处理4(99.49 t·hm-2)>处理2(95.63 t·hm-2)>处理3(94.81 t·hm-2)>处理1(91.55 t·hm-2)>处理5(91.23 t·hm-2)，与试验前相比，处理1的排序下降2位，处理2和处理3的排序均上升1位，而处理4和处理5的排序不变。不同处理各层次土壤容重、碳含量和0～40 cm土层土壤碳储量的差异均未达显著水平(P>0.05)。

表5 不同采伐剩余物处理的第2代杉木林(12年生)土壤碳储量

表6 不同采伐剩余物处理的第2代杉木林(12年生)土壤碳储量增量(与第1代比较)

与第1代杉木林采伐前相比，第2代杉木林造林后12 a，不同处理土壤各层次容重均有不同程度的增加，而土壤碳含量和碳储量则有增有减。第2代杉木林造林后12 a，0～10 cm土壤碳含量，处理3、处理4分别提高0.12 g·kg-1、0.03 g·kg-1，其它3个处理均降低；10～20 cm土壤碳含量，处理4提高0.04 g·kg-1，其它处理均降低；而20～40 cm土壤碳含量，处理5增加0.10 g·kg-1，其它处理均降低；0～40 cm土壤碳储量除了处理1降低0.04 t·hm-2外，其余处理均有不同程度的提高(表6)。方差分析表明，不同处理试验前后土壤容重、碳含量和碳储量的改变均不显著(P>0.05)。

尽管各采伐剩余物处理对第2代杉木林土壤容重、碳含量和碳储量等指标没有显著影响，但从试验前后各处理0～40 cm土层土壤碳储量排序的变化和土壤碳含量变化来看，保留采伐剩余物有利于保持土壤碳储量。

3.4 造林后第12年杉木林生态系统碳储量

土壤碳储量在生态系统碳储量中占据优势地位，第2代杉木林生态系统总碳储量大小顺序与土壤碳储量一致，其排序为：处理4(162.80 t·hm-2)>处理2(155.56 t·hm-2)>处理3(151.24 t·hm-2)>处理1(149.14 t·hm-2)>处理5(142.29 t·hm-2)。处理4、处理2、处理3、处理1生态系统碳储量分别比炼山高14.41%、9.33%、6.29%、4.81%(表7)，但差异均达不到显著水平(P>0.05)。

表7 第2代12年生杉木林生态系统碳储量 t·hm-2

4 结论与讨论

在福建南平第1代杉木成熟林中设置固定标准地，研究第1代杉木林采伐后采用5种采伐剩余物处理方式对连栽的第2代杉木林长期生产力的影响。研究结果表明：本试验区20地位指数级的第1代杉木成熟林采伐后采用炼山、不炼山等5种采伐剩余物处理方式营造的第2代12年生杉木人工林的地位指数、土壤碳储量与第1代相比均未出现明显下降，保留采伐剩余物较多的处理其乔木层碳储量和土壤碳储量均较高，但不同处理间差异均不显著。

1)试验前不同处理第1代杉木林均为20地位指数级，杉木平均密度、胸径、树高、优势木平均高、地位指数、蓄积量、土壤容重、土壤碳含量和土壤碳储量均无显著差异(P>0.05)，土壤本底条件基本一致。

2)试验后12年生第2代杉木林生长良好，地位指数不但没有降低，还略微有上升，其中加倍采伐剩余物处理已进入22地位指数级，这可能与试验地土壤肥力较高和第2代杉木林采用良种造林有关。

3)不同处理12年生第2代杉木林乔木层碳储量大小顺序为：加倍采伐剩余物(61.03 t·hm-2)>全树收获(57.57 t·hm-2)>全部收获(55.64 t·hm-2)>树干和树皮收获(54.38 t·hm-2)>炼山(49.00 t·hm-2)。尽管各采伐剩余物处理对第2代杉木林各生长量指标和乔木层碳储量没有显著影响，但从试验前后各处理生长量排序的变化看，试验前加倍采伐剩余物处理的第1代杉木各生长量指标都不是最高的，但其第2代12年生杉木林各生长量指标和乔木层碳储量均为最高；而试验前炼山处理的第1代杉木林各生长量指标都不是最低的，但其第2代12年生杉木林各生长量指标和乔木层碳储量均为最低；说明采伐后保留采伐剩余物对林地长期生产力的维持是有利的，而炼山则不利于长期生产力的保持。

4)不同处理12年生第2代杉木林土壤(0～40 cm土层)碳储量大小顺序为：加倍采伐剩余物(99.49 t·hm-2)>全树收获(95.63 t·hm-2)>树干和树皮收获(94.81 t·hm-2)>全部收获(91.55 t·hm-2)>炼山(91.23 t·hm-2)。与试验前相比，第2代12年生杉木土壤(0～40 cm)碳储量除了全部收获处理降低0.04 t·hm-2外，其它处理均有少量增加，但差异均不显著。在生态系统碳储量中，土壤碳储量占优势，且不同处理土壤平均碳储量的极差(最大值-最小值)为8.26 t·hm-2，小于乔木层碳储量的极差(13.37 t·hm-2)，说明不同采伐剩余物处理方式对土壤碳储量的影响小于对乔木层碳储量的影响。

5)不同处理第2代12年生杉木林生态系统总碳储量大小顺序为：加倍采伐剩余物(162.80 t·hm-2)>全树收获(155.56 t·hm-2)>树干和树皮收获(151.24 t·hm-2)>全部收获(149.14 t·hm-2)>炼山(142.29 t·hm-2)。加倍采伐剩余物处理、全树收获处理、树干和树皮收获处理、全部收获处理生态系统碳储量分别比炼山处理高14.41%、9.33%、6.29%、4.81%，但差异均达不到显著水平(P>0.05)。

*：试验得到国际林业研究中心(CIFOR)的资助和E.K.S.Nambiar、A.Tiarks、C.Cossalter、T.Toma、J.Ranger、徐大平等专家的现场技术指导，参加本试验的还有范少辉、何宗明、翁贤权、杨承栋、陈清山、林思祖、林同龙、廖祖辉、陈建宇、黄跃延、杨旭静、苏惠琴、林文清等同志，谨此致谢。