不同林分密度杨树人工林的固碳释氧和积累营养物质研究

王晓荣 胡兴宜 唐万鹏 崔鸿侠 漆荣 黄生员 石凤 荣新军

摘 要： 以江汉平原石首市6种不同密度（2 500，1 666，833，625，416，208株·hm-2）6 a生的杨树人工林为研究对象，对其林木碳储量、固碳释氧和积累营养物质等生态功能进行研究。研究结果表明：不同密度6 a生杨树人工林林木碳储量变化范围为15.72～73.88 t·hm-2，林木固碳量为2.33～10.94 t·hm-2·a-1，释氧量为6.24～29.30 t·hm-2·a-1，积累营养物质量为0.06～0.27 t·hm-2·a-1。随着林分密度的增加，6 a生的杨树人工林的林木碳储量、固碳释氧和积累营养物质均随之增加。对于生长早期的杨树林，较高的杨树林密度有利于林分尽快郁闭，林木生产力和生物量也较高，有利于其生态功能更好地发挥。

关键词： 杨树人工林;林分密度;固碳释氧;积累营养物质;江汉平原

中图分类号：S718.5 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2020）03-0001-04

Study on Carbon Fixation，Oxygen Release and Nutrient Accumulation

in Poplar Plantation With Different Stand Densities

Wang Xiaorong（1） Hu Xingyi（1） Tang Wangpeng（1） Cui Hongxia（1） Qi Rong（2）Huang Shengyuan（2） Shi Feng（2） Rong Xinjun（4）

（1.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075; 2.Hubei Jiusen Forestry co.ltd Wuhan 430070;

3. Lijiazhou Forestry Farm of Huangzhou Country Huanggang 438000;4.Shishou Research Institule of Poplar，Hubei Academy of Forestry Jingzhou 434400）

Abstract： A study of ecological function including stand carbon storage， carbon fixation and oxygen release， nutrient accumulation were carried out in 6-year-old poplar plantation with six densities （2 500 plants/hm2， 1 666 plants/hm2， 833 plants/hm2， 625 plants/hm2， 416 plants/hm2， 208plants/hm2）in Jianghan Plain of Hubei Province. The results showed that the variation range of carbon storage in poplar plantations with different densities was 15.72～73.88 t·hm-2，carbon sequestration of trees was 2.33～10.94 t·hm-2·a-1， oxygen release was 6.24～29.30 t·hm-2·a-1， and accumulated nutrient mass was 0.06～0.27 t·hm-2·a-1. With the increase of stand density， the stand carbon storage， carbon fixation and oxygen release， nutrient accumulation of 6-year-old poplar plantation increased. For the poplar plantation in the early growth stage， the higher density of poplar forest is conducive to forest canopy closing as soon as possible， the higher tree productivity and biomass， which may lead to its higher ecological function.

Key words： poplar plantations; stand density; carbon fixation and oxygen release; nutrient accumulation; Jianghan plain

森林是陸地生态系统的主体，在涵养水源、改善环境、调节气候等方面发挥着重要作用[1]。人工林是世界森林资源重要的组成部分，随着人工林面积和蓄积量的持续增加，人工林在全球气候变化中占据了越来越重要的位置[2]。然而，长期以来人工林的经营目标只是最大限度地获取木材，对林下生物多样性的生态功能考虑甚少，人工林生产力下降、树种单一、林分结构简单或不合理，导致生物多样性锐减、地力衰退等诸多问题，严重影响了人工林的可持续经营[3]。

杨树具有适应性强、分布广、种植品种多、容易繁殖等特点，是中国人工林发展的重要树种，也是世界人工林发展的三大速生树种之一。湖北省具有非常优越的水、土、温、光等自然条件，是南方型杨树最适宜生长的地区之一[4]，自20世纪70年代黑杨派杨树引种成功以来，杨树在湖北省的栽培获得迅猛发展，目前杨树已成为该地区营造速生丰产林和生态防护林最主要的树种之一[5]。对杨树人工林的研究也取得了大量的研究成果，重点主要集中在育种育苗[6]、造林密度[7]、生产量和生产力[8]、复合模式经营[9]、土壤理化性质[5]、碳储量动态[2]、综合效益评估[10]等方面，但对于不同密度杨树人工林生态效益分析鲜见报道。

林分密度对林木生长有重要的作用[11]，是林分经营的首要环节之一，直接影响到人工林群落的光、热、水分等生态因子的分配[12]，通过管理林分密度，改善林地的微气候、养分循环以及生态系统的活力等，使林分发挥最大的生态效益。本研究以江汉平原地区不同密度6 a生杨树人工林为对象，对不同密度杨树人工林在林木碳储量、固碳释氧和积累营养物质等生态功能的变化进行分析研究，旨在为湖北省杨树人工林可持续管理和杨树产业快速发展提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于江汉平原的石首市。江汉平原地处长江中游，是由长江、汉水及湖泊泛滥淤积而形成的冲积平原。江汉平原地势低平，海拔一般低于100 m，大部分40 m以下，平原边缘的蚀余丘陵海拔高度也多为200～300 m。属典型的亚热带季风气候区，年日照时数2 000 h左右，年均气温15～17 ℃，≥10 ℃年积温5 000～5 400 ℃，无霜期240～270 d，年降水量1 100～1 300 mm。区域内河网交织、湖泊众多、堤垸纵横，大小湖泊约300多个。水、热、光、温等资源丰富，且土壤质地好，水热同季，是长江中游重要的杨树速生丰产林基地[2]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与调查

于6～7月，选取立地条件、品种一致且均为6 a生的6种不同密度（2 500，1 666，833，625，416，208株·hm-2）杨树人工林作为研究对象，其初始造林密度分别为2.0 m×2.0 m、2.0 m×3.0 m、3.0 m×4.0 m、4.0 m×4.0 m、4.0 m×6.0 m、6.0 m×8.0 m。每种林分密度设置3个样地，面积20 m×20 m，共计18个样地。对所有样地进行每木检尺，主要记录各样地内树木的胸径、树高等生长指标。

1.2.2 生物量与生产力测定

对杨树人工林单木生物量的估算，采用在江汉平原杨树人工林已建立的生物量回归模型（表1），结合各样地立木胸径和树高的实测数据，并根据栽植密度和林分年龄推算单位面积杨树人工林林分的生物量和生产力[8]。

1.2.3 林木碳储量计算

林木碳储量由生物量乘以碳含量转换系数得出。一般碳含量的转换系数取值为0.45～0.50，本文碳含量的转换系数采用0.5。

1.2.4 固碳释氧量计算

根据光合作用化学反应式，林木每积累1.0 g干物质，可以吸收1.63 g CO2，释放1.19 g O2。单位面积林分年固碳量、释氧量以中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》[13]所对规定的公式计算，见公式（1）和（2）。

G碳=1.63R碳B年   （1）

G氧=1.19B年   （2）

式中： G碳—单位面积林分年固碳量（t·hm-2·a-1）;

G氧—单位面积林分年释氧量（t·hm-2·a-1）;

R碳—CO2中碳的含量，为27.27%;

B年—林分年净生产力（t·hm-2·a-1）。

1.2.5 积累营养物质量计算

单位面积林分年积累营养物质量采用公式（3）计算：

G营养=（N营养+P营养+K营养）B年 （3）

式中： G营养—单位面积林分年固定氮磷钾量（t·hm-2·a-1）;

N营养—林木中氮元素含量（%）;

P营养—林木中磷元素含量（%）;

K营养—林木中钾元素含量（%）;

B年—林分年净生产力（t·hm-2·a-1）。

2 结果与分析

2.1 不同密度杨树人工林碳储量

森林碳储量是以森林生物量为载体的，林木碳储量变化规律与生物量变化具有一致性[2]。从表3可知，不同密度6 a生杨树人工林林木生物量范围在31.44～174.75 t·hm-2之间，生产力为5.24～174.75 t·hm-2·a-1，林木碳储量为15.72～73.88 t·hm-2。随着造林密度增加，杨树林木生物量、生产力及碳储量随之增加。其中，代表高密度的2种类型林木碳储量平均为63.64 t·hm-2，代表中密度的2种类型林木碳储量平均为32.51 t·hm-2，代表低密度的2种类型林木碳储量平均为19.29 t·hm-2，高密度林碳储量是中密度林分的0.96倍，低密度林分的2.29倍。

2.2 不同密度杨树人工林固碳释氧量

森林生态系统固碳释氧主要是指通过树木光合作用固定碳素，释放氧气的功能，这对维持大气中二氧化碳和氧气的动态平衡、减少温室效应有着巨大和不可替代的作用[14]。从图1可知，不同密度6 a生杨树人工林林木固碳量范围在2.33～10.94 t·hm-2·a-1之间，释氧量为6.24～29.30 t·hm-2·a-1。随着林分密度的增加，楊树人工林固碳量和释氧量均随之增加。其中，代表高密度的2种类型林木固碳量平均为，释氧量平均为25.23 t·hm-2·a-1，代表中密度的2种类型林木固碳量平均为4.82 t·hm-2·a-1，释氧量平均为12.90 t·hm-2·a-1，代表低密度的2种类型林木固碳量平均为2.86 t·hm-2·a-1，释氧量平均为7.66 t·hm-2·a-1。