杉木阔叶化改造对生态系统碳储量的影响

廖祥明

(福建省宁化国有林场，福建 宁化 365400)

1 引言

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方地区最主要的用材林造林树种之一，其生长快、材质好，在木材供给和生态环境保护方面发挥了重要作用。据第九次全国森林资源清查结果，杉木人工林面积达9.90×106hm2，总蓄积量达7.55×108m3，分别占全国人工乔木林总面积的17.33%和蓄积量的22.30%[1]。杉木也是福建省的主要造林树种和主产区之一，在林业生产中一直占有重要地位。然而，大多数杉木人工林仍采用纯林经营模式，尤其是多代连栽，导致杉木地力衰退、生产力降低、稳定性下降等问题日益突出[2,3]。研究表明，2代和3代15年生杉木树高分别比1代杉木下降7%和23%，3代林分比1代林分下降2个地位指数[4]。2代杉木林蓄积量比一代下降近28%～40%，3代比1代减少47%～69%[5]。而营造杉木混交林可改善林分结构，显著提高林分生产力[6]。此外，杉木混交林有利于降低土壤养分损失，提高养分有效性，改善林地土壤质量[7]。

近年来，“碳达峰、碳中和”受到全球广泛关注，我国也将其列为政府重点工作之一。森林在全球碳循环和碳平衡过程中发挥了重要作用，是陆地生态系统最大的碳库[8]。因此，加强森林经营管理，提高森林碳汇功能对实现碳达峰、碳中和具有积极意义。以往的研究主要关注杉木混交林营建技术、林分生产力和土壤质量变化等方面，已开展的一些杉木混交林碳储量的研究也以新营造的混交林为研究对象[9,10]，对二代萌生杉木纯林阔叶化改造如何影响生态系统碳储量尚缺乏系统研究。为此，本文以二代杉木萌生林为研究对象，伐除部分萌条，引入阔叶树构建杉木阔叶树混交林，调查杉木阔叶化改造6年后乔木层、林下植被层、凋落物层和土壤层的碳储量变化特征，以期为杉木混交林高效培育和碳汇功能提升提供参考。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

试验区位于福建省宁化国有林场，该场地处闽西北丘陵地带，现有人工林以杉木和马尾松(Pinusmassoniana)为主。年平均气温15～18 ℃，年降水量1700～1900 mm，无霜期214～246 d，属中亚热带季风气候。山场海拔高度在300～1000 m，土壤以红壤为主。

2.2 林分调查

供试杉木林分位于67林班27大班1-2小班，2012年将一代杉木进行皆伐作业，2013年在皆伐后的杉木林内补植1年生闽楠(Phoebebournei)、木荷(Schimasuperba)和桤木(Alnuscremastogyne)容器苗改造为杉木阔叶树混交林，同时伐除约50%的杉木萌条，以未改造的杉木萌条纯林为对照。每种杉木阔叶树混交林面积约0.5 hm2，3种杉木阔叶树混交林和杉木纯林保留密度约2000株/hm2。对所有林分连续3年进行全面劈草和抚育。

2019年10月选择立地条件基本一致的杉木混交林和纯林林分，在每种林分内各建立3个20 m×20 m的样地，共12个样地。对所有试验小区内的林木进行每木检尺，林木平均树高和胸径见表1。在每个样地内选择6株平均木(杉木和阔叶树各3株)，每种处理杉木和阔叶树各9株，杉木纯林9株。采用全挖法测量全株生物量，在野外分段分别测定各组分(叶、枝、干和根)的鲜重，同时各组分分别取小样密封后带回实验室在70 ℃烘至恒重，测定含水率，换算出各器官干物质重量及全株的干生物量，然后根据样地林分密度、干生物量和各器官含碳量推算碳储量。每块样地内，在样地对角线设置5个1 m×1 m的小样方，收获样方内所有林下植被，称取鲜重，然后取小样烘干后测定林下植被生物量。同时，收集每个样方内所有凋落物称量，烘干后计算凋落物生物量。林下植被和凋落物碳储量根据干生物量和含碳量来计算。在每个样地内用土钻(Φ=4 cm)分层(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)随机采集5个样点的土壤样品，每个小区内多点土样混合后装入土样袋并编号，用于土壤有机碳含量测定。杉木各组分、林下植被、凋落物和土壤有机碳含量均采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[11]。

表1 不同林分基本特征

2.4 数据分析

采用Excel 2013和SPSS20.0统计分析软件对所有数据进行分析处理，不同杉木阔叶树混交林各组分碳储量的差异采用单因素方差分析进行检验，如果差异显著进一步进行Duncan多重比较，显著性水平设为0.05。

3 结果与分析

3.1 不同杉木阔叶树混交林乔木层各器官碳储量

对不同杉木阔叶树混交林乔木层各器官碳储量的分析表明，3种混交林各器官碳储量的分配模式与杉木纯林类似，均为树根碳储量>树干碳储量>树枝碳储量>树叶碳储量(表2)。树干碳储量以杉木+桤木混交林最高，其次为杉木+木荷混交林和杉木纯林，杉木+闽楠混交林树干碳储量最低。树枝碳储量的变化特征与树干碳储量一致。杉木+桤木混交林和杉木纯林树叶碳储量较高，二者没有显著差异(P>0.05)，但均显著高于杉木+木荷和杉木+闽楠混交林(P<0.05)。树根碳储量以杉木纯林最高，其次为杉木+桤木和杉木+木荷混交林，杉木+闽楠混交林树根碳储量显著低于其他林分(P<0.05)。杉木+桤木混交林乔木层碳储量与杉木纯林接近，二者没有显著差异(P>0.05)，杉木+木荷和杉木+闽楠混交林乔木层碳储量显著低于杉木纯林(P<0.05)。杉木+闽楠、杉木+木荷和杉木+桤木混交林乔木层碳储量分别为杉木纯林的60.90%、76.41%和99.39%。可见，不同树种混交对乔木层碳储量及其各器官分配有显著影响。

表2 杉木阔叶树混交林乔木层各器官碳储量

3.2 不同杉木阔叶树混交林林下植被碳储量

林下植被碳储量以杉木+闽楠混交林最高，其次为杉木纯林，杉木+木荷和杉木+桤木混交林林下植被碳储量较低(图1)。杉木+闽楠、杉木+木荷和杉木+桤木混交林林下植被碳储量分别为杉木纯林的119.68%、78.13%和48.04%。

图1 不同杉木阔叶树混交林林下植被碳储量特征

3.3 不同杉木阔叶树混交林凋落物碳储量

杉木+闽楠和杉木+木荷混交林凋落物碳储量与杉木纯林之间没有显著差异(P>0.05)，但杉木+桤木混交林凋落物碳储量显著低于杉木纯林(P<0.05)(图2)。杉木+闽楠、杉木+木荷和杉木+桤木混交林凋落物碳储量分别为杉木纯林的86.57%、79.22%和63.37%，表明杉木阔叶化改造一定程度上减少了地表凋落物碳储量积累。

图2 不同杉木阔叶树混交林凋落物碳储量特征

3.4 不同杉木阔叶树混交林土层土壤有机碳储量

从图3可以看出，杉木+木荷和杉木+桤木混交林在0～20 cm和20～40 cm土层土壤有机碳储量均显著高于杉木纯林(P<0.05)，而杉木+闽楠混交林与杉木纯林之间没有显著差异(P>0.05)，40～60 cm土层土壤碳储量在4种不同林分之间均没有显著差异(P>0.05)。可见，杉木混交林对0～40 cm土层土壤有机碳储量的影响较大。0～20 cm土层杉木+闽楠、杉木+木荷和杉木+桤木混交林土壤有机碳储量分别比杉木纯林增加了7.41%、17.04%和24.98%，20～40 cm土层土壤有机碳储量比杉木纯林增加了5.33%、18.87%和33.97%。就整个剖面而言，0～60 cm土层杉木+闽楠、杉木+木荷和杉木+桤木混交林土壤有机碳储量分别比杉木纯林增加了4.50%、15.50%和21.99%。

图3 杉木混交林不同土层土壤碳储量

3.5 不同杉木阔叶树混交林生态系统碳储量

对不同混交林生态系统碳储量的分析显示，杉木+木荷和杉木+桤木混交林生态系统总碳储量分别比杉木纯林增加了6.20%和15.27%，而杉木+闽楠混交林生态系统总碳储量比杉木纯林减少了4.58%(表3)。杉木混交林和杉木纯林生态系统各组分碳储量的分配模式类似，均为土壤层碳储量>乔木层碳储量>林下植被层碳储量>凋落物层碳储量，其中土壤层碳储量的比例高达76.06%～83.30%，林下植被层和凋落物层碳储量的比例均较低，二者合计仅为1.29%～3.21%。杉木纯林改造为混交林后乔木层碳储量的比例均不同程度减小，土壤层碳储量的比例明显增加，而林下植被层和凋落物层碳储量的比例变化较小。

表3 杉木混交林生态系统各组分碳储量及其相对比例

4 结论与讨论

二代杉木萌芽林改造为杉木阔叶树混交林对乔木层碳储量影响与引入树种生长特性有关。杉木萌芽林内引入速生的桤木并没有对乔木层碳储量产生显著影响，而引入木荷和闽楠均降低了乔木层碳储量。这是因为杉木萌条前期生长较快，木荷和闽楠生长较慢，尤其是闽楠树高仅为杉木萌条的44%。张骏等[12]研究也表明，幼龄杉木混交林乔木层生物量比杉木纯林低，中龄和成熟的杉木混交林生物量高于杉木纯林。对中亚热带典型杉阔混交林碳储量的研究发现，乔木层年均固碳量分别为2.51、3.41和3.69 t/hm2，均高于该地区的杉木人工纯林[13]。然而，明安刚等[14]研究表明，26年生杉木+红锥混交林乔木层碳储量低于杉木纯林。因此，在营建针阔混交林时应充分考虑不同阔叶树种特性及其固碳速率，杉木混交林发育阶段的不同也对林分碳储量有重要影响。此外，本研究3种杉木混交林和杉木纯林乔木层各器官碳储量均为树根碳储量>树干碳储量>树枝碳储量>树叶碳储量。而其他研究表明，杉阔混交林乔木层碳储量为树干碳储量>树根碳储量>树枝碳储量>树叶碳储量[13,14]。这种差异主要是由于本研究杉木为二代萌芽林，根系较大，因而根系碳储量也最高，可以预见随着林龄增加树干碳储量的比例将会逐渐增大。

本研究林下植被层和凋落物层碳储量的比例较低，这与其他一些研究结果一致[12,13]。尽管如此，林下植被在维持生态系统生物多样性方面发挥了重要作用[15]，而凋落物是土壤养分的主要来源[16]。因此，林下植被和凋落物在生态系统元素循环过程中至关重要。本研究中杉木+木荷和杉木+桤木混交林在0～40 cm土层土壤有机碳储量显著高于杉木纯林，而杉木+闽楠混交林与杉木纯林之间没有显著差异，这表明杉木萌条与速生树种混交有利于短期内增加林地碳储量，尤其是与速生落叶树种桤木混交土壤碳储量增幅较大。这可能是杉木与落叶树种混交促进凋落物分解，增加土壤有机物输入有关。对福建省20年生杉木+米老排混交林和杉木纯林土壤碳库研究也表明，混交林0～60cm土层土壤碳储量在上坡、中坡和下坡分别比杉木纯林增加了16.42%、26.59%和19.57%[9]。郭家新等[10]研究也表明，15年生杉木+火力楠混交林0～40 cm土层碳储量高于杉木纯林，40～100 cm土层纯林和混交林土壤碳储量差异较小。而26年生杉木+红锥混交林0～100 cm土层土壤碳储量比杉木纯林低18.4%。由此可见，不同杉木阔叶树混交林对土壤碳储量影响也具有较大差异。

本研究杉木+木荷和杉木+桤木混交林生态系统总碳储量均高于杉木纯林，而杉木+闽楠混交林生态系统总碳储量略低于杉木纯林。唐学君等[13]研究表明，江西省不同林龄杉木阔叶树混交林生态系统总碳储量是杉木纯林的115%～118%，随着林龄增加，杉木混交林碳储量逐渐增大。尽管如此，杉木阔叶树混交林碳储量也受到混交树种、混交比例、配置方式、立地条件等因素的影响[17]。本研究仅研究了7年生杉木萌条阔叶树混交林碳储量的变化特征，随着林龄增加，杉木与阔叶树之间竞争关系逐渐激烈。因此，开展不同杉木萌条阔叶树碳储量的长期定位研究，对于揭示杉木混交林碳汇功能变化，构建高碳汇杉木混交林优化模式至关重要。