不同林分密度对侧柏生长指标及其土壤碳含量的影响

高晴，王瑞江，韩冠苒，田慧，李利萍，王传江，耿宗琴，雷琼

(1.山东省林业保护和发展服务中心，山东 济南 250014；2.沂水县国有沂山林场，山东 临沂 276414；3.费县国有祊河林场，山东 临沂 273411；4.沂水县林业发展中心，山东 临沂 276499；5.临沂大学农林科学学院，山东 临沂 276000)

林分密度是树木生长发育的重要影响因子。合理的林分密度不仅可以提高森林的固碳能力，还能提高林木抗病虫害能力，对森林的生长和健康状态有重要作用。树木的生长指标主要包括胸径、树高、冠幅等。有研究发现，林分密度较低时，胸径和树高均有大幅提高，低林分密度的树木生物量明显高于高林分密度的。在树木的生长指标中，树冠是树木进行光合作用的主要场所，其大小在一定程度上可以反映树木固碳能力高低。

林分密度对土壤碳含量产生一定的影响，有学者研究表明，森林土壤碳的轻微改变可能会影响生态系统中碳的汇源平衡，土壤有机碳在全球碳循环中发挥着决定作用。土壤微生物是土壤有效养分的重要来源，不仅参与物质转化过程中的许多生化反应，而且通过自身的代谢和周转，促进养分的循环和吸收，对植物生长发育具有重要的意义。

侧柏()是山东省主要造林树种之一，因其对土壤条件要求不高、耐旱等特性，在干旱瘠薄山地丘陵广泛栽植。但大部分林地由于抚育不及时，出现林分结构不合理、林木生长不良等低质低效问题，亟须改造提升。为此，本研究以侧柏人工近熟林为研究对象，通过分析不同林分密度对侧柏生长指标及其土壤碳含量影响，以期为侧柏人工林林分结构改造和碳汇能力提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于山东省济南市华山林场(36°22′—36°28′ N，117°22′—117°33′ E)内，属温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，年均降水量800 mm。林场属鲁中南山地泰山支脉，境内山峦起伏，沟壑纵横，土壤类型为山地棕壤；林场有乔木50科200多种，形成以侧柏、松类、刺槐为主体的森林群落结构。

研究区域选取侧柏人工纯林，林龄65 a，林分为公益林，禁伐。随着时间的推移，因自然稀疏、人为间伐和旅游开发干扰等因素，密度逐渐产生差异。

1.2 样地设置及调查

在华山林场，通过典型样地法选取4种现存林分密度D1(1 125±90)株·hm、D2(1 425±90)株·hm、D3(1 725±90)株·hm、D4(2 025±90)株·hm的侧柏人工林，每种林分密度各设置4个20 m×20 m标准样地，每块标准样地的坡向、坡位及海拔等条件基本一致。对样地内的乔木(胸径≥5 cm)进行每木检尺，记录每株树木的胸径、树高、冠幅等指标。样地基本情况见表1。

表1 样地基本概况

1.3 土壤样品的采集与测定

在每个标准样地内按对角线布设3个取样点，将取样点的表层土(1～2 cm)去除后，利用土钻分两层对0～20和>20～40 cm土壤进行取样，将采集的土壤样品过筛后进行土壤有机碳和微生物生物量碳测定。

1.4 数据统计分析

采用SPSS18.0统计分析软件对数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)，在5%水平上检验不同样地测定结果的差异性。

2 结果与分析

2.1 林分密度对侧柏土壤有机碳的影响

图1所示，在同一土层深度上，土壤有机碳随林分密度的升高而降低，就0～20 cm的土层来看，D1、D2、D3、D4的土壤有机碳含量分别为10.12、5.98、3.63和3.70 g·kg，通过单因素方差分析发现，除D3和D4之间差异不显著外(>0.05)，其他林分密度之间差异明显(<0.05)。而>20～40 cm的土层深度中，林分密度1 125株·hm的土壤有机碳含量明显高于其他林分密度(<0.05)，分别为D2、D3和D4的1.34、1.86和2.47倍，但是林分密度D2和D3、D3和D4之间差别不大(>0.05)。可见，林分密度是影响土壤有机碳的重要因子。

图1 林分密度对侧柏土壤有机碳的影响注：同一土层厚度不同小写字母表示不同林分密度之间差异显著(P<0.05)。

在同林分密度上，上层(0～20 cm)土壤有机碳含量明显高于下层(>20～40 cm)土壤。其中 D1、D2、D3、D4林分密度中，下层土壤有机碳含量分别为上层的0.46%、0.58%、0.68%、0.50%，说明土壤有机碳主要分布在土壤上层。

2.2 林分密度对侧柏土壤微生物生物量碳的影响

土壤微生物生物量碳在森林生态系统碳循环过程中发挥着重要的作用，被公认为土壤生态系统变化的预警和敏感指标。图2所示，在相同林分密度上，0～20 cm土层的土壤微生物生物量碳含量明显高于>20～40 cm的土层，且上下层之间差异显著(<0.05)，可见上层土壤有效养分含量明显高于下层。就相同土层深度而言，土壤微生物生物量碳含量随着林分密度的升高而降低，在0～20 cm土层上，D1、D2、D3、D4的土壤微生物生物量碳分别为120.53、101.98、86.49和76.70 mg·kg，各林分密度之间差异显著(<0.05)；在>20～40 cm土层上，除D3和D4之间的土壤微生物生物量碳相差不显著外，其他各林分密度之间差异显著，这可能由于高密度的林分土壤有机碳流动较慢导致的。

图2 林分密度对土壤微生物生物量碳的影响注：同一土层厚度不同小写字母表示不同林分密度之间差异显著(P<0.05)。

2.3 林分密度对侧柏胸径的影响

图3所示，在相同的林分密度下，侧柏株数随着树木胸径的增大呈现先升高后降低的偏正态分布趋势。从D1来看，侧柏胸径主要分布在>13～23 cm范围上，占树木总数的81.53%，其中>19～21 cm径级的侧柏株数最多，为树木总数的20.13%，5～7 cm径级的侧柏株数最少为0。就D2、D3来看，侧柏胸径主要分布在>11～21 cm范围上，分别为树木总数的77.13%和76.94%，两个林分密度之间相差不大，但是胸径>25 cm的树木D3明显多于D2，为D2的1.25倍。当林分密度达到D4时，侧柏胸径分布在>7～19 cm范围内的树木明显升高，为树木总数的96.24%，其中，胸径≤15 cm的树木达到总数的68.85%，细树明显增多。

图3 不同林分密度下侧柏胸径的分布

总体来看，林分密度越大，大径级的侧柏占比越低，小径级侧柏越多。这是林分密度增加造成的自疏现象。

2.4 林分密度对侧柏树高和冠幅的影响

林分密度影响树木个体之间的营养空间，造成树木在高度上的差异。图4A所示，随着林分密度的增加，侧柏的树高呈现先升高后降低的变化趋势。其中林分密度1 725株·hm时，树木平均树高最大，为13.33 m；林分密度1 125株·hm最小，为11.48 m；D2和D4之间树高差异不大，分别为12.41和12.22 m。可见随着林分密度的升高，树木之间的竞争作用增强，而林分密度达到1 725株·hm时，侧柏之间的密度效应最强，而林分密度为1 725株·hm时，侧柏树高降低可能是因为个体之间的营养空间效应增强造成的。

图4 林分密度对侧柏树高和冠幅的影响

树冠是树木进行光合作用的主要场所，是树木在生长过程中反映长期竞争水平的重要指标，树冠衰退会导致冠幅狭窄。冠幅常用于指导森林经营的生长指标。图4B所示，侧柏冠幅随着林分密度的升高而降低，其中D1的树木平均冠幅最大，D4的最小。D1侧柏平均冠幅分别为D2、D3、D4的1.11、1.23和1.42倍，通过单因素方差分析可以看出，各林分密度之间差异显著(<0.05)。可见，林分密度越大，树冠越容易发生衰退现象。

3 讨论与结论

林分密度对土壤碳含量产生一定的影响，土壤碳含量总体取决于土壤有机碳储量。本研究中，侧柏林土壤有机碳随着林分密度的升高而降低，但当林分密度达到1 725株·hm，随林分密度的增长差别不大，说明侧柏低林分密度有利于土壤碳储量的增加。本研究中下层土壤有机碳含量明显低于上层，这与向慧敏等发现森林土壤碳随土壤深度增加而降低的结果一致。有学者研究发现，土壤有机碳含量的变化可影响土壤微生物量碳的含量，本研究0～20 cm土层上，林分密度1 125、1 425、1 725和2 025株·hm的土壤微生物量碳的含量分别为120.53、101.98、86.49和76.70 mg·kg，随着林分密度的升高显著降低(<0.05)，这是否与土壤有机碳的降低有关还需要进一步研究。

树木的生长是通过光合作用固定CO过程，树木生长指标可在一定程度上反映树木的固碳能力。本研究中，随着林分密度的升高，大径级的树木株数占总树木株数之比降低，小径级增加，且林分密度越高冠幅越小，可见单株侧柏固碳能力随林分密度的升高而降低。就树高而言，随着林分密度的升高呈现先升高后降低的变化趋势，当林分密度达1 725株·hm时树高最大，密度效应最强，但结合树木胸径来看，此林分密度是否具有森林最大固碳能力还有待进一步研究。