补植木荷对湿地松林林木生长及林分碳密度的影响

周巧晴,周美才,潘 萍,宁金魁,邬可钰,欧阳勋志*

(1.江西农业大学 林学院,鄱阳湖流域森林生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室,江西 南昌 330045;2.安福县明月山林场,江西 吉安 343200)

作为全球碳循环的重要组成部分,森林生态系统具有保存现有碳库、增加碳汇[1-2],以及缓解气候变化的能力[3]。森林碳储量占全部陆地碳储量的46%[4-5],其固碳功能对陆地生态系统固碳和全球及区域气候变化具有重要影响[6-8]。尽管造林和再造林是固碳增汇的重要的途径之一[9-10],但依靠扩大造林面积增汇空间有限。我国第九次全国森林资源清查表明,全国人工林面积为7 954.28万hm2,人工林面积居世界第一,因此,提高人工林固碳能力是增加我国森林碳汇的重要途径。人工林采取什么经营模式以促进固碳能力提高方面的研究日益受到学者们的关注[11-12],常见的经营措施有间伐抚育、林窗疏伐、带状采伐以及补植乡土阔叶树种等,而现在对针叶纯林的改造措施多为林下补植,营造针阔混交林。如赖国桢等[13]研究马尾松(Pinusmassoniana)木荷(Schimasuperba)混交得出飞播马尾松林中补植木荷有利于提高植被的固碳能力;卢立华等[14]研究结果表明马尾松红椎(Castanopsishystrix)混交林生态系统碳储量显著高于纯林;明安刚等[15]研究结果表明马尾松杉木(Cunninghamialanceolata)人工林通过近自然化改造(疏伐、补植),能够显著提升其生物量和生产力并且可以为增强植被固碳能力创造有利条件。然而,针对研究对象或补植树种等的不同,其固碳功能的变化可能存在一定的差异。

湿地松(Pinuselliottii),为速生常绿乔木树种,原产于美国东南部,于20世纪30年代引入我国,已成为南方丘陵区主要的造林树种之一。关于湿地松的研究的主要集中在采脂[16]、种子孕育及性系遗传[17]、生长方程[18]、生物量[19]等方面,对其固碳能力研究较少。在2008年我国南方严重的冰冻灾害中湿地松林受灾严重,灾后恢复主要是采取补植等措施。本研究以具有代表性湿地松种植区的江西省吉水县为研究区,探讨湿地松纯林补植木荷后对林木生长及碳密度的影响,为湿地松纯林改造及其碳汇经营策略的制订提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吉水县(114°38′-115°36′E,26°52′-27°33′N)地处江西省中部。地貌以丘陵为主,土壤以红壤为主,占62.5%。气候为中亚热带湿润季风气候,年平均气温18.8 ℃,年平均降水量为1 527 mm。研究区较早引进并人工栽植湿地松,已成为其主要造林树种之一,据2019年森林资源二类调查结果,其面积达3.54万hm2,占全县乔木林面积的24.5%。现有湿地松人工林多为纯林,主要分布在丘陵、岗地,林下灌木以柃木(Euryajaponica)、檵木(Loropetalumchinense)、杜鹃(Rhododendronsimsii)、石楠(Photiniaserratifolia)等为主;草本植物以茅草(Imperatacylindrica)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)为主。2008年的严重冰雪灾害对湿地松林危害很大,大量林木被压倒或折断,灾后管理主要是清理受灾木,对部分受灾林采用见缝插针式补植木荷。

1.2 样地设置及调查

于2013年12月,在湿地松生长状况及林龄相同的地段上设置补植(受灾林木清理后见缝插针式补植1年生木荷,平均地径为0.5 cm,苗高45 cm,穴规格为30 cm×30 cm×40 cm)与对照(受灾林木进行了清理但没有补植)配对固定样地,共设置5组配对样地,每组配对样地在地域上相邻,其土壤均为红壤,且坡向、坡位、坡度等立地条件基本一致,海拔106～155 m,样地面积均为400 m2(20 m×20 m)。对胸径≥2 cm的湿地松及其他树种进行每木检尺,并调查其树高及立地因子等,样地基本概况见表1。在每个样地的上、中、下分别布设1个2 m×2 m的灌木样方,灌木样方内中再各设置1个1 m×1 m的草本样方及1个0.5 m×0.5 m的凋落物样方。采用“样方全收获法”分别调查灌木、草本和凋落物层的生物量,其中,灌木生物量分叶、枝、根;草本生物量分地上与地下部分;凋落物生物量分为分解与半分解。分别收集样品并称其鲜质量,并各称取大约200 g的样品带回实验室进行烘干并计算其含水量。在样地中选择具有代表性地段挖土壤剖面,记录下各样地的土壤类型、土层厚度、腐殖质层厚度和石砾含量;采用环刀法按0～10、10～20、20～30 cm土层分别取样用于测定土壤的物理性质,同时每层取约1 kg的土壤带回实验室自然风干用于测定土壤有机碳含量。所有调查内容于2021年7月进行复查。

表1 样地基本概况(2013年)

1.3 生物量测定

乔木层生物量的测定采用相对生长方程估算法,采用的相对生长方程见表2;林下植被及凋落物层通过样品含水量,进而可以算出整个样方的生物量,最后推算出每块标准地的总生物量[20-21]。

表2 主要乔木树种生物量相对生长方程

1.4 碳密度计算

将烘干的灌木、草本、凋落物样品及风干的土壤样品研磨粉碎,过0.25 mm筛,所有样品均采用重铬酸钾氧化-外加热法测定其碳含量。乔木层碳密度为乔木层的生物量乘以其碳含量,其中湿地松与木荷的碳含量采用王兵等[22]的研究数据,分别为0.521和0.496。林下植被层、凋落物层碳密度为各组分生物量乘以相对应的碳含量。土壤碳密度计算公式如下[23]

式中:Dsoc为土壤碳密度(t·hm-2);Ci为土壤有机碳含量(g·kg-1);Di为土壤容重(g·cm-3);Ei为土层厚度(cm);Gi为直径>2 mm的石砾所占体积百分比(%);k为土层数。

1.5 数据处理

运用SPSS 25.0软件进行配对样本T检验,差异显著性以P<0.05为基准。统计数据采用Microsoft Excel 2010。

2 结果与分析

2.1 对湿地松生长的影响

由表3可知,2013年补植样地与对照样地的湿地松平均胸径、平均单株材积均不存在显著差异(P>0.05),而到2021年补植样地的平均胸径显著高于对照样地(P<0.05),但平均单株材积差异不显著。从增长量来看,补植样地与对照样地的平均胸径、平均单株材积的增长量均不存在显著差异,但补植样地的平均胸径、平均单株材积较2013年分别提高了4.2 cm和0.079 5 m3,而对照样地较2013年分别提高了3.3 cm和0.048 5 m3,补植样地的平均胸径、平均单株材积的增长量分别比对照样地的提高了27.27%、63.92%。可见,补植木荷对湿地松生长具有促进作用。

表3 湿地松平均胸径、平均单株材积及其增长量

2.2 对湿地松林碳密度影响

2.2.1 植被碳含量及碳密度 林下植被及凋落物碳含量结果见表4。由表4可知,植物根的碳含量低于地上部分,灌木的碳含量表现为叶>枝>根,草本的碳含量地上>地下。对照样地与补植样地各组分碳含量并无显著差异性(P>0.05)。

表4 林下植被及凋落物碳含量

植被碳密度计算结果见表5。由表5可知,2013年补植样地与对照样地的乔木层、林下植被层、凋落物层以及整个植被(乔木层+林下植被层+凋落物层)碳密度均不存在显著差异(P>0.05)。

表5 植被碳密度及其变化量

补植木荷8 a后,尽管补植样地与对照样地的乔木层碳密度不存在显著差异(P>0.05),但其增量存在显著差异(P<0.05),补植样地的增量(31.36 t·hm-2,包括木荷11.37 t·hm-2)比对照样地的(19.35 t·hm-2)高出62.01%;对于林下植被层的碳密度,2021年及其变化量补植样地与对照样地间均不存在显著差异(P>0.05),且碳密度均有所减少,分别减少了1.15 t·hm-2和1.02 t·hm-2;2021年补植样地的凋落物层碳密度显著高于对照样地(P<0.05),较2013年分别提高了9.16 t·hm-2和4.39 t·hm-2,但其增长量差异并不显著(P>0.05);从植被(乔木层+林下植被层+凋落物层)碳密度看,2021年补植样地与对照样地不存在显著差异(P>0.05),但补植样地植被碳密度增量(39.24 t·hm-2)比对照样地的(22.72 t·hm-2)高59.60%,增长量呈极显著差异(P<0.01)。可以看出,补植木荷对植被碳密度具有显著的增加作用。

2.2.2 土壤层碳密度 由图1可知,补植样地与对照样地的土壤碳密度均随土层深度的增加而逐渐降低,其中0～10 cm土壤层碳密度最大。2013、2021年补植样地与对照样地的0～10、10～20、20～30 cm以及0～30 cm土层的碳密度及其增量均不存在显著差异(P>0.05),但补植木荷8 a后,补植样地各土层碳密度的增量比对照样地的增量分别高134.01%、35.19%、22.38%、40.09%,分别为3.98、1.64、0.96、5.1 t·hm-2,其中,以0～10 cm土壤层碳密度增加最为明显。因此,补植木荷有利于提升湿地松林土壤的固碳功能,尤其是0～10 cm表土层碳密度的提高最为明显。

图1 土壤碳密度及其变化量

2.2.3 林分总碳密度 林分总碳密度(植被与土壤碳密度之和)及变化量见图2。由图2可知,2013年补植样地与对照样地林分总碳密度分别为69.64 t·hm-2和63.81 t·hm-2,两者间不存在显著差异(P>0.05),其植被碳密度分别占林分总碳密度的48.61%和55.73%;2021年补植样地与对照样地林分总碳密度分别为121.82 t·hm-2和99.20 t·hm-2,两者间存在显著差异(P<0.05),其植被碳密度分别占林分总碳密度的60.00%和58.75%。从增量看,2013、2021年,补植样地与对照样地的增长量分别为57.01 t·hm-2和35.39 t·hm-2,存在显著差异(P<0.05),与对照样地相比,补植样地林分总碳密度增长量提高了41.31%。可见,补植木荷能够显著提升林分总碳密度,增强林分的固碳能力。

3 讨论

3.1 营造针阔混交林对林木生长的影响

本研究发现,补植木荷8 a后,湿地松的平均胸径有显著增大(P<0.05),其湿地松的平均单株材积增长量也高于对照样地,比没有补植木荷的提高了63.92%,表明补植木荷对湿地松的生长具有一定的促进作用,这与许多学者得出的结论一致。如郭丽玲等[24]研究表明间伐后补植木荷对马尾松低效林的生长具有显著的增加作用;方碧江[25]研究杉木与灰木莲(Manglietiaglauca)混交得出,混交林中杉木的树高、胸径、单株材积均高于杉木纯林;刘涛等[26]选用杉木与观光木(Micheliaodorum)进行异龄复层混交得出,混交林中林木的树高、胸径均显著高于纯林;王良衍等[27]对次生马尾松、金钱松(Pseudolarixamabilis)进行针阔异龄混交林改造,改造完发现林分平均蓄积年生长量比改造前提高50%。究其原因可能是针叶纯林补植阔叶树种,营造针阔混交林,阔叶树的凋落物的分解,加快了营养元素的释放与归还,有助于土壤养分的积累,提高了土壤肥力,从而促进林木的生长[28],且这阶段补植的幼树在竞争养分、水等资源能力相对较低,而大树因长期的生存和生长使其适应了当地的环境,并且占据了适宜的生态位,两者对邻近的资源可以相互分享和协调,彼此间在养分等环境竞争中几乎互不干扰[29]。研究表明,补植的密度不同对林木生长产生的效果存在差异,如黄云鹏[30]研究杉木与红锥不同比例混交得出,在相似的郁闭度下,7杉3锥混交比例(造林密度2 100株·hm-2)的效果最佳,这与本研究结果有所差异,原因可能是由于树种组成及其年龄等不同所导致,在本研究中,木荷是后来补植,补植密度虽然较大,但还是能促进林木的生长,这可能是补植后的时间还不够长,其补植树种还未进入主林层,未来木荷进入主林层后,林分空间结构与环境均会发生变化,后期林木生长状况如何变化将有待进一步调查分析。

3.2 营造针阔混交林对林分碳密度的影响

本研究表明,补植木荷8 a后,补植样地植被碳密度(乔木层+林下植被层+凋落物层)增长量与对照样地存在极显著差异性(P<0.01)。其中,乔木层碳密度显著增加,补植的木荷已经发挥其固碳效益,这与明安刚等[15]研究结果类似,其生物量增加速度加快的主要原因可能是补植乡土阔叶树种后,主林层生物量增加,且补植树种快速生长共同促使乔木层碳密度总量增加;补植样地与对照样地湿地松林林下植被碳密度均减少,补植样地减少量大于对照样地,这可能是因为由于林木的生长林分郁闭度逐渐增大,光照的减少使得林下植被层生长受限[31],崔秋芳等[32]研究也表明人为干扰与林分郁闭度增大会影响林下植被的生长,从而影响林下植被的固碳;而凋落物碳密度增加的原因可能是当年湿地松林下被清理了部分凋落物,随着林木的生长尤其是补植木荷后而增大了凋落物的积累,这与林德喜等[33]研究结果类似。本研究表明,补植木荷8 a后0～10 cm土壤层碳密度增量明显高于对照样地,而10～20、20～30 cm增量与对照样地无明显差异。原因可能是因为补植木荷后凋落物量增加,而凋落物的分解是有机质增加的重要来源,其分解对土壤表层的有机质积累影响比较明显[34]。可见,湿地松纯林通过补植木荷改造成针阔混交林可以显著促进林分碳密度增加,这与郭春燕等[35]研究得出的结论类似,但也有学者得出不同的结果,如郭丽玲等[24]研究间伐补植木荷对马尾松林分总碳密度的短期影响得出,实施间伐补植措施4年后马尾松低效林林分总碳密度降低,这可能是因为补植后的时间短,同时间伐导致大量碳的损失还未能恢复。

4 结论

通过对湿地松纯林(对照样地)和补植2年生木荷(补植样地)8 a后的分析,得出以下结论:1)补植木荷后能够有效促进湿地松林林木生长;2)补植木荷可显著促进植被(乔木层+林下植被层+凋落物层)碳密度增加,其中增加最为明显的为乔木层与凋落物层,林下植被碳密度有所减少;3)补植木荷可促进土壤碳密度增加,其中增加最为明显的为0～10 cm土层;4)补植木荷显著提高了林分总碳密度,补植样地的植被与土壤碳密度分别比对照样地增加了59.60%和40.09%,但随着木荷的生长,林分结构将发生变化,后期对湿地松林林木生长及林分碳密度的影响有待通过较长期时期的监测以进一步分析。