间伐对杉木人工林生态系统碳储量的短期影响

王有良，林开敏*，宋重升，崔朝伟，彭丽鸿，郑 宏，郑鸣鸣，任正标，邱明镜

(1.福建农林大学林学院，国家林业和草原局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002；2.福建省洋口国有林场，福建 南平 353211； 3.贵州黔南布依族自治州林业局，贵州 黔南州 558000；4.福建省沙县官庄国有林场，福建 三明 350803)

随着全球CO2排放量不断增加，大气温室气体含量增加，气候变化对生态系统造成了严重威胁，也成为了国际上的重要政治议题[1]。提升吸收大气中的CO2能力并控制CO2排放成为缓解全球气候变化的有效途径之一。我国适时提出“碳达峰”和“碳中和”的工作目标，倡议为实现人类可持续发展做出应有贡献。为减缓全球气候变化，对森林实施特定管理策略，可增加土壤碳输入[2-3]，通过提高森林生产力来增强稳定碳库的储存能力。

森林作为陆地生态系统最重要的组成部分之一，储存着地球上70%以上的土壤有机碳和80%以上植被碳，是陆地生态系统最大的碳库，在缓解全球气候变暖、维持全球碳平衡中发挥着重要作用[4-6]。随着人工林面积和蓄积量不断增加，人工林生态系统及其碳循环受到广泛关注[7-8]。研究表明，合理的经营方式可以保证森林生态系统碳的稳定，并作为可持续的碳汇封存大气中的CO2[9-10]，从而在缓解全球气候变暖方面发挥重要作用。间伐是重要的营林措施之一，通过改变林分密度，可增加林分空间，促进林木单株材生长[11]。目前关于间伐的研究大多集中于对林木产品的影响[12]、林下植物物种多样性[13-14]、土壤养分[15]等方面，而对森林碳汇的影响较少受到关注。加强人工林经营对森林碳储量影响的研究，对了解我国森林生态系统碳汇有十分重要的科学意义。杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方重要的速生用材树种，具有速生、丰产、材质优良等特性，在我国南方地区广泛种植[16]。为此，以福建省沙县官庄国有林场11年生杉木人工林为对象，研究不同间伐强度对杉木人工林生物量和碳储量的短期影响，为进一步优化林分经营管理措施，提高人工林固碳增汇能力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验林位于福建省沙县官庄国有林场(117°35′～117°50′E,26°24′～27°38′N)所属的池村，地处武夷山脉与戴云山脉之间，属中亚热带季风气候，年平均气温18.0 ℃，年平均降水量1 700 mm。试验地平均海拔150～350 m，平均坡度25°，土壤以山地红壤为主，土层较厚且腐殖质含量较高，适合杉木生长。林下植物较少，主要以杜茎山(Maesajaponica)、紫麻(Oreocnidefrutescens)、冬青(Ilexchinensis)、粗叶榕(Ficushirta)、芒萁(Dicranopterispedata)、江南双盖蕨(Diplaziummettenianum)、傅氏凤尾蕨(Pterisfauriei)等为主。

1.2 样地设置与样品采集

1.2.1 样地设置

试验林分于2009年完成造林，初植造林密度为3 250株/hm2，于2017年11月完成间伐，2020年11月进行间伐后林分情况调查，林分概况见表1。

表1 样地基本信息

选取坡度、坡位、土壤条件相对一致的杉木林地，采用完全随机区组设计，按照间伐后林分密度设3个间伐强度处理(表1)，分别是弱度间伐(31%，LIT)、中度间伐(45%，MIT)、强度间伐(63%，HIT)，每个处理3个重复，共9块样地，每块样地大小均为20 m×20 m。

1.2.2 土壤样品采集

2020年10月，在每个样地内，按照“S”形挖9个100 cm深的土壤剖面，每个剖面分6层[0～10 cm(第1层)，≥10～20 cm(第2层)，≥20～40 cm(第3层)，≥40～60 cm(第4层)，≥60～80 cm(第5层)，≥80～100 cm(第6层)]，在每层中部用100 cm3的环刀取样，用于土壤物理性质分析。另在每层均匀取土1 kg左右，贮存在自封袋中带回实验室，土壤样品分两部分保存，一部分放在4 ℃的冰箱内保存，用于土壤微生物生物量碳的测定；另一部分在实验室内自然风干后过孔径2 mm及0.149 mm筛，用于化学性质分析，土壤理化性质见表2。

表2 试验林地土壤理化性质

1.3 碳储量估算

1.3.1 试验样品碳含量的测定

林下植被碳含量和土壤总有机碳含量采用元素分析仪(Elementar Vario EL，德国)测定。

1.3.2 乔木层碳储量的估算

本研究试验地为长期观测样地，为了不破坏样地内林木，采用李燕等[17]前期在福建省邵武市卫闽林场样地建立的杉木各器官生物量数学模型(表3)来估算各样地乔木层杉木各器官生物量。基于此，在杉木11年生时，采集样地内标准木的各个器官带回实验室测定含碳率。其中，叶含碳率为49.61%，枝含碳率为45.39%，干皮含碳率为47.34%，去皮干含碳率为49.29%，根篼含碳率为49.18%，根含碳率为48.53%。以此分析不同间伐强度下乔木层碳储量的变化。

表3 杉木人工林单木生物量模型[17]

1.3.3 林下植被层碳储量的估算

在样地内按照上、中、下设置9个2 m×2 m的小样方用于灌木层生物量测定，并在2 m×2 m的小样方内设1 m×1 m小样方用于草本层生物量测定。灌木层和草本层地上和地下部分采用全部收获法(收集地上和地下的全部样品)实测生物量。灌木层按照枝、叶、根分别称其鲜质量，草本层按照地上和地下部分分别称其鲜质量；对同一样地内样品充分混合后，取一定量的样品带回实验室，并将新鲜植物样品在105 ℃杀青30 min，然后在85 ℃烘干至质量恒定，计算含水率；烘干的样品粉碎后过孔径0.149 mm筛，利用碳氮分析仪测定碳含量，用于碳含量分析，并计算灌木层和草本层碳储量。

1.3.4 凋落物层碳储量的估算

在每个样地内按照上、中、下设置9个0.5 m×0.5 m的小样方，采用全部收获法收集样方内凋落物并称质量，同一个样地内的凋落物充分混合后，取一定量的凋落物带回实验室烘干至质量恒定，用于计算含水率。烘干的样品粉碎后过孔径0.149 mm筛，利用碳氮分析仪测定碳含量，用于碳含量分析，测定并计算凋落物层碳储量。

1.3.5 土壤层碳储量的估算

土壤碳密度 (SOCD，式中表示为SSOCD) 采用下式计算[18]：

式中：SSOCD表示土壤碳密度，t/hm2；i表示土层1～6；0.1表示单位转换系数；Ci表示土壤有机碳含量，g/kg；Di表示土壤容重，g/cm3；Hi表示土层厚度，cm；Si表示土层中粒径>2 mm的石砾占比，%。

1.5 数据处理

利用Excel 2013软件进行数据处理和统计分析，Origin 2017软件作图；采用SPSS 19.0软件进行方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(Duncan法)。

2 结果与分析

2.1 间伐对乔木层各器官碳储量分配的影响

研究发现，间伐前，不同间伐强度下乔木层总碳储量大小表现为MIT>HIT>LIT，且不同间伐强度下乔木层总碳储量及各器官碳储量均无显著性差异(P>0.05)。间伐后3年内，乔木层总碳储量及各器官碳储量随着间伐强度的增加而下降，即LIT>MIT>HIT，依次为66.16、58.78、49.71 t/hm2。其中，LIT处理乔木层总碳储量及各组分碳储量显著高于MIT和HIT处理(P<0.05)，乔木层各器官碳储量分配总体上呈去皮干>干皮>根蔸>根>叶>枝(表4)。由此可见，间伐后3年内，乔木层碳储量随着间伐强度增加逐渐降低，主要是因为强度间伐后林木株数快速减少，而弱度间伐强度下林分林木株数较多，在光合作用中积累更多有机物质，高间伐强度林分虽然能为林木生长提供足够的生长空间，但林分短期内生物量的降低也使得林分碳储量降低，且短期内难以恢复。

表4 不同间伐强度杉木人工林乔木层各器官碳储量

从乔木层各器官碳储量占比来看，在间伐后3年，不同间伐处理下均以去皮干碳储量占比最高，占乔木层总碳储量的54.60%～55.79%；其次是干皮和根篼，分别占乔木层总碳储量的13.77%～14.00%和13.43%～13.72%；叶、枝和根碳储量占比较小，分别占乔木层总碳储量的6.08%～6.43%、4.07%～4.59%和6.63%～6.89%。

2.2 间伐对林下植被层和凋落物层生物量及其碳储量的影响

经分析发现(表5)，间伐后3年不同间伐强度下杉木人工林灌木层各组分碳含量为枝(383.17～458.80 g/kg)、叶(397.76～453.68 g/kg)、根(372.84～442.32 g/kg)，草本层地上(397.30～469.93 g/kg)、地下(410.19～487.71 g/kg)，凋落物层(440.91～458.64 g/kg)，灌木层、草本层碳含量在3种间伐处理中大多表现出显著性差异(P<0.05)，而凋落物层碳含量在不同间伐处理之间不存在显著差异。

表5 不同间伐强度杉木人工林林下灌木层、草本层、地表凋落物碳含量

林下灌木层和草本层碳储量随着间伐强度的增加而增大，3种间伐处理下灌木层碳储量大多呈显著性差异(P<0.05)，但草本层地上部分大多差异显著(P<0.05)，地下部分无显著性差异。凋落物层碳储量随着间伐强度的增加呈下降的趋势，且3种间伐处理下凋落物层碳储量差异不显著。灌木层HIT样地碳储量较MIT、LIT高1.17、4.63倍，草本层HIT样地碳储量较MIT、LIT高2.09、3.37倍，凋落物层LIT样地碳储量较MIT、HIT高1.61、1.69倍(表6)。

表6 不同间伐强度杉木人工林林下灌木层、草本层、地表凋落物碳储量

2.3 间伐对土壤层碳储量的影响

经研究发现(图1A)，不同土层土壤有机碳含量在3种间伐处理中呈显著性差异(P<0.05)， 其中，除0～10 cm土层土壤有机碳含量表现为MIT>LIT>HIT外，其他土层土壤有机碳含量均呈现出随着间伐强度的增加而减小的趋势。0～10 cm土层土壤有机碳含量最高，且极显著高于其他土层(P<0.01)。从图1B可知，间伐3年后，杉木人工林土壤有机碳储量整体上随着间伐强度的增加而减小，LIT、MIT、HIT处理下样地碳储量分别为100.02、98.99、67.30 t/hm2，除60～80 cm土层外，土壤有机碳含量未达显著性差异(P>0.05)，0～10、≥10～20、≥20～40、≥40～60、≥80～100 cm土层大多显著性差异(P<0.05)。相同处理下各土层之间碳储量呈显著性差异(P<0.05)，且随着土层深度的增加大多递减。经测算，MIT和HIT处理较LIT处理样地土壤有机碳储量低1.03%和32.71%。

不同小写字母代表相同土层不同处理之间显著差异(P<0.05)，不同大写字母代表相同处理不同土层之间显著差异(P<0.05)。 Different lowercase letters indicated significant differences among different treatments in the same soil layer (P<0.05), different uppercase letters indicated significant differences among different soil layers in the same treatment (P<0.05).

2.4 间伐对杉木人工林生态系统碳储量的影响

经研究发现(表7)，间伐3年后，杉木人工林生态系统总碳储量随着间伐强度的增加而减小，LIT、MIT、HIT处理样地总碳储量依次为173.85、161.12、121.73 t/hm2。方差分析结果显示，3种间伐强度处理总碳储量大多表现出极显著差异(P<0.01)。在不同间伐处理下杉木人工林生态系统总碳储量组成中，均以土壤层碳储量最大，占比57.53%～61.44%，且随着间伐强度的增加呈先上升后下降的趋势，这说明土壤层是杉木人工林生态系统的一个重要的碳库；地上部分中，乔木层碳储量占比为36.47%～40.84%，位居第2；乔木层和土壤层碳储量之和占比超过90.00%，灌木层、草本层和凋落物层占总碳储量的比例较小，灌木层碳储量占生态系统碳储量分别为0.03%、0.12%、0.19%，草本层碳储量占生态系统碳储量分别为0.01%、0.02%、0.67%，凋落物层碳储量占生态系统碳储量分别为4.32%、2.89%、3.65%。由此可见，间伐对杉木人工林生态系统碳储量各层次之间分配的影响较大。

表7 不同间伐强度杉木人工林生态系统碳储量

3 讨 论

在11年生杉木人工林样地，间伐后3年，随着间伐强度增加，乔木层的碳储量显著降低，这与许多学者的研究结果基本一致[19-22]。这是由于间伐虽能显著促进林分的生长，但由于间伐后部分林木被移出林地，林地内林木减少，郁闭度降低，导致林地内的生产力和碳储量降低，短期内林地的生物量和碳储量随着间伐强度的增加而下降[23-24]。但也有研究表明，如游伟斌等[25]、成向荣等[26]研究发现，合理的间伐强度能够提高油松(Pinustabuliformis)和麻栎(Quercusacutissima)乔木层碳储量。因此间伐强度对乔木层的碳储量的影响，可能受具体的林分类型、经营措施等多种因素的影响，需进行长期的动态监测。此外本研究还表明，凋落物层碳储量随着间伐强度的增加呈下降的趋势，而间伐强度的增加则显著提高了灌木层和草本层碳储量。这可能与林分间伐后林内光照增加，林内的气温、地表温度、土壤含水率等环境因子得到有效改善，不仅促进了林下植被的生长，改善了枯枝落叶的组成，还提供了有利于凋落物分解的良好环境，提高了土壤微生物活性，加快了凋落物的分解速率。但徐金良等[21]研究发现，间伐15年后对杉木林下植被碳储量并无显著影响；也有研究者认为，植被或土壤碳储量变化气候水文、林分状况关系更密切[27]，而Ruiz-Peinado等[28]研究则发现间伐26年后地中海地区海岸松(Pinuspinaster)林下植被碳储量显著降低。因此间伐对于杉木林分林下植被碳储量的影响同样需进一步监测。

森林土壤碳库的变化主要是由碳输入和输出综合决定的结果[20]。本研究发现，土壤层碳储量随着间伐强度的增加而显著降低。现有的研究普遍认为，抚育间伐后，由于林内光照增加，生物活性和土壤呼吸增强，加速了土壤有机质的分解和释放，是导致林地土壤碳储量下降的一个重要原因[29]。此外，Kurth等[30]通过对毛白杨(Populustomentosa)人工林的长期监测发现，间伐后，土壤碳含量与土壤质地有关，间伐会导致沙土林地的土壤有机碳含量降低，黏土白杨林地有机碳含量则增加，这是因为沙土土壤质地粗糙，不利于土壤有机碳的积累，而黏土不仅可以提高土壤的蓄水保肥能力，提高植被生产力，而且黏土矿物通过吸附作用，有效缓解土壤有机碳的流失，从而有利于土壤有机碳的积累[31]。本研究地区土壤属于红壤，砂粒含量较高，这可能是导致间伐后土壤碳含量降低的另一重要原因。

综上所述，间伐后3年，随着间伐强度的增加，杉木人工林碳储量一定程度上降低，杉木人工林生态系统碳储量各层次之间的分配发生改变。其中强度间伐降低了乔木层、土壤层和凋落物层碳储量，而灌木层和草本层则与之相反。本次仅研究了杉木人工林生态系统碳储量，对碳的输入、输出以及立地条件、水分条件、恢复时间等因素对碳储量影响并未涉及，全面评估间伐对森林碳储量的变化机制，需要对杉木人工林碳储量的变化进行长期监测。