近自然化改造對(duì)馬尾松和杉木人工林生物量及其分配的影響

明安剛, 劉世榮, 李 華, 曾 冀, 孫冬婧, 雷麗群, 蒙明君, 陶 怡, 明財(cái)?shù)?/p>

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,憑祥 532600 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,北京 100091 3 廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,憑祥 532600

近自然化改造對(duì)馬尾松和杉木人工林生物量及其分配的影響

明安剛1,2,3, 劉世榮2,3,*, 李 華1,3, 曾 冀1,3, 孫冬婧1,3, 雷麗群1,3, 蒙明君1,3, 陶 怡1,3, 明財(cái)?shù)?,3

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,憑祥 532600 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,北京 100091 3 廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,憑祥 532600

近自然化改造作為森林新增碳匯的最有希望的選擇之一,將如何通過(guò)改變林分結(jié)構(gòu)影響林分生物量和生產(chǎn)力進(jìn)而影響林分固碳能力和潛力目前尚不清楚,因此,了解近自然化改造對(duì)人工林生物量及其分配的影響,對(duì)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳管理具有重要意義。以馬尾松近自然化改造林(P(CN))、馬尾松未改造純林(P(CK))、杉木近自然改造林(C(CN))和杉木未改造純林(C(CK))4種人工林為研究對(duì)象,采用樣方調(diào)查和生物量實(shí)測(cè)的方法,分析4種林分生物量差異,旨在揭示近自然化改造對(duì)馬尾松和杉木人工林生物量及其分配的影響。結(jié)果表明：馬尾松杉木人工林近自然化改造通過(guò)調(diào)整林分結(jié)構(gòu)顯著提升馬尾松和杉木人工林生物量和生產(chǎn)力,8a后馬尾松和杉木林分生物量分別增加46.71%和37.24%。喬木層生物量在林分生物量總量中占主導(dǎo)地位(95.48%—98.82%),并對(duì)林分生態(tài)系統(tǒng)總生物量變化起決定性作用。林分生物量和生產(chǎn)力的增加主要因?yàn)榻匀换脑旄淖兞肆址秩郝浣Y(jié)構(gòu),進(jìn)而提高了喬木層生產(chǎn)力。研究結(jié)果表明,合理的經(jīng)營(yíng)措施不僅可以改善林分結(jié)構(gòu),提升林分生產(chǎn)力,并可為增強(qiáng)植被固碳能力創(chuàng)造有利條件。

近自然化改造；馬尾松和杉木人工林；生物量；生產(chǎn)力；分配

生物量和生產(chǎn)力是反映人工林群落結(jié)構(gòu)組成的重要指標(biāo),較高的林分生物量和生產(chǎn)力是人工林生態(tài)系統(tǒng)健康和活力的重要體現(xiàn)。同時(shí),生物量和生產(chǎn)力也是研究人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的基礎(chǔ),是評(píng)估人工林固碳潛力的主要內(nèi)容和反映人工林生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能的重要指標(biāo)之一[1- 2]。因而,準(zhǔn)確測(cè)算人工林生物量與生產(chǎn)力,對(duì)人工林的健康經(jīng)營(yíng)和生態(tài)系統(tǒng)碳管理具有重要意義。

當(dāng)前,人工林生物量受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[3- 5],國(guó)外近些年報(bào)道的樹(shù)種有輻射松(Pinusradiata)、美洲栗(Castaneaamericana)、肯寧南洋杉(Araucariacunninghamii)、夏櫟(Quercusrobur)、藍(lán)桉(Eucalyptusglobulussubsp.globulus)、狄氏黃膽木(Naucleadiderrichii)和綿白楊(Populustomentosa)等[6- 12]；國(guó)內(nèi)對(duì)人工林生物量和生產(chǎn)力早期研究的樹(shù)種主要是馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、桉樹(shù)(Eucalyptussp.)等一些用材樹(shù)種[13- 16],最近10年來(lái)報(bào)道的主要樹(shù)種既包括較多的松、杉、桉等傳統(tǒng)造林樹(shù)種[17- 18],還有樟樹(shù)(Cinnamomumcamphora)[19]、小黑楊(Populusnigra)[20]、楠木(Phoebezhennan)[21]、紅椎(Castanopsishystrix)[22]、米老排(Mytilarialaosensis)[23]、格木(Erythrophleumfordii)[24]等鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種。

我國(guó)南亞熱帶地區(qū),人工林主要以馬尾松、杉木和桉樹(shù)等短周期樹(shù)種為主導(dǎo)[25],其中,針葉純林占72%。人工針葉純林的樹(shù)種結(jié)構(gòu)單一,徑級(jí)結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,再加上不合理的經(jīng)營(yíng)方式,不僅造成生物多樣性銳減,而且降低人工林生物量和生產(chǎn)力,進(jìn)而影響人工林的固碳能力和潛力[26- 28]。因而,通過(guò)疏伐補(bǔ)植的措施將針葉純林改造成針闊異齡混交的近自然林,正逐漸成為替代大面積針葉人工純林最有希望的選擇途徑之一[29- 30]。針葉人工林近自然化改造在提升地力,提高林分生產(chǎn)力、碳儲(chǔ)量和物種多樣性等方面發(fā)揮重要作用[30- 32]。馬尾松、杉木人工林經(jīng)過(guò)近自然經(jīng)營(yíng)措施(疏伐、補(bǔ)植),如何通過(guò)改變林分結(jié)構(gòu)和群落組成改變林分的生物量和生產(chǎn)力,進(jìn)而影響林分植被碳儲(chǔ)量,有待深入研究。

本研究以四種不同經(jīng)營(yíng)方式的人工林：馬尾松未改造純林P(CK)、馬尾松近自然化改造林P(CN)、杉木未改造純林C(CK)和杉木近自然化改造林C(CN)為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)不同林分人工林生物量和生產(chǎn)力及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行研究,弄清近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)馬尾松和杉木人工林生物量和生產(chǎn)力的影響及動(dòng)態(tài),旨在為南亞熱帶人工林生態(tài)系統(tǒng)碳管理和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心(簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)林科院熱林中心)(22°10′N(xiāo), 106°50′E),是國(guó)家林業(yè)局管轄的森林生態(tài)定位研究站之一。該地區(qū)屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域內(nèi)的西南部,屬濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候,干濕季分明。境內(nèi)光照充足,全年日照時(shí)數(shù)1200—1600h；降水充沛,年平均降水1200—1500mm,主要發(fā)生在每年4—9月；年蒸發(fā)量1200—1400mm；相對(duì)濕度80%—84%；年平均氣溫20.5℃—21.7℃。主要地貌類(lèi)型以低山丘陵為主；土壤以磚紅壤和紅壤為主,其次為紫色土；成土母巖主要有泥巖夾砂巖、礫狀灰?guī)r、花崗巖和石灰?guī)r等,土層厚度在80cm以上,南亞熱帶常綠闊葉林是站區(qū)地帶性植被。

中國(guó)林科院熱林中心分布不同類(lèi)型的人工林近2萬(wàn)hm2,針葉樹(shù)種主要有馬尾松和杉木,鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種主要有大葉櫟(Quercusgriffithii)、格木、紅椎、米老排、西南樺(Betulaalnosensis)和降香黃檀(Dalbergialanceolata),外來(lái)樹(shù)種主要有桉樹(shù)和柚木(Tectonagrandis),其中,格木和降香黃檀為固氮樹(shù)種。而大葉櫟為速生闊葉樹(shù)種,具有較好的天然更新能力。用格木和大葉櫟改造馬尾松和杉木純林,既適合短周期用材和大徑級(jí)珍貴用材的需要,又可以實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種的自然更新,達(dá)到近自然經(jīng)營(yíng)的目的。

1.2 試驗(yàn)林概況

試驗(yàn)林均為1993年在杉木采伐跡地上營(yíng)造的馬尾松和杉木純林,初植密度為2500株/hm2,造林后連續(xù)鏟草撫育3年共6次,第7年透光伐撫育,第11年第一次撫育間伐,保留密度1200株/hm2。2007年開(kāi)始實(shí)施近自然化改造,主要改造措施是在保護(hù)天然更新的同時(shí),對(duì)馬尾松純林進(jìn)行疏伐(保留密度為600株/hm2),2008年初,在疏伐后的馬尾松和杉木林下1∶1均勻補(bǔ)植大葉櫟和格木,補(bǔ)植鄉(xiāng)土樹(shù)種密度為600株/hm2(格木和大葉櫟密度均為300株/hm2),形成總密度為1200株/hm2的針闊異齡混交林。同時(shí)保留與總密度一致(1200株/hm2)的未實(shí)施近自然改造的馬尾松和杉木純林為對(duì)照。4種林分均設(shè)置4個(gè)重復(fù)。目前,被改造的林分已經(jīng)郁閉,已演替成具有明顯復(fù)層結(jié)構(gòu)的針闊異齡混交林。2016年調(diào)查結(jié)果顯示,馬尾松、杉木及補(bǔ)植的大葉櫟和格木全部存活,大葉櫟平均胸徑和平均樹(shù)高分別為13.7cm和14.6m,格木平均胸徑和平均樹(shù)高分別為5.2cm和6.3m。4種林分基本情況與經(jīng)營(yíng)歷史見(jiàn)表1所示。

表1 4種林分基本情況與經(jīng)營(yíng)歷史

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用單因素兩水平的隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)4個(gè)區(qū)組,即為4個(gè)真重復(fù),每個(gè)區(qū)組各設(shè)置4種林分類(lèi)型,即馬尾松近自然化改造林(P(CN))、馬尾松未改造純林(P(CK))、杉木近自然改造林(C(CN))和杉木未改造純林(C(CN))。4個(gè)林分類(lèi)型,4個(gè)重復(fù)共16個(gè)試驗(yàn)小區(qū),每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為0.5hm2,小區(qū)之間的間隔在100m以?xún)?nèi)。

2 研究方法

2.1 喬木生物量的測(cè)定

4種林分涉及到的4個(gè)主要樹(shù)種的生物量均采用徑級(jí)平均木法測(cè)定,杉木、馬尾松和格木選擇熱林中心適合本研究的已有的生物量方程進(jìn)行估算[17,24,33],并新建大葉櫟生物量模型對(duì)大葉櫟生物量及其各器官進(jìn)行估算。根據(jù)樣方每木檢尺的調(diào)查結(jié)果,作出胸徑分布圖,再對(duì)每個(gè)樹(shù)種按徑級(jí)(2cm)選取標(biāo)準(zhǔn)木9株進(jìn)行喬木生物量測(cè)定。樣木伐倒后,地上部分按不同器官測(cè)定樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)枝、樹(shù)葉的鮮重；地下部分用“全挖法”測(cè)定根系的鮮重,收集全部直徑>2mm的根系。同時(shí),按器官采集植物樣品200g左右,帶回實(shí)驗(yàn)室在65℃烘箱中烘干至恒重,計(jì)算含水率并將各器官的鮮重?fù)Q算成干重。

根據(jù)9株標(biāo)準(zhǔn)木生物量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立大葉櫟各器官生物量(W)與胸徑(D)及胸徑平方與樹(shù)高的乘積(D2H)之間的相對(duì)生長(zhǎng)方程,用以估測(cè)大葉櫟各器官的生物量(表2)。

表2 熱林中心伏波實(shí)驗(yàn)場(chǎng)1林班大葉櫟單株生物量相對(duì)生長(zhǎng)方程

W:各器官生物量 Dry weight in different organs;D:胸徑 Diameter at breast height;H：樹(shù)高 Height of tree

2.2 林下植被生物量及凋落物現(xiàn)存量的測(cè)定

按“梅花五點(diǎn)法”在每個(gè)固定樣地布設(shè)5個(gè)2m×2m的小樣方,記錄每個(gè)小樣方內(nèi)的植物種名,分地上部分和地下部分,采用“收獲法”分別測(cè)定其鮮重,同種植物的相同器官取混合樣品,凋落物全部測(cè)定生物量,取混合樣品烘干至恒重后,計(jì)算出各組分的干重。

2.3 凋落物產(chǎn)量的測(cè)定

在每個(gè)樣地隨機(jī)布設(shè)6個(gè)1m×1m凋落物收集器,每個(gè)月底收集一次凋落物,1年為1個(gè)周期,共收集12次。每月收集的凋落物樣品先按器官(落葉、落枝、落皮、落果和雜物)分別測(cè)量鮮重,所選落葉再按樹(shù)種區(qū)分并測(cè)定鮮重。然后按樹(shù)種和器官取樣烘干后,計(jì)算凋落物干重和全年凋落物產(chǎn)量。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

用單因素方差分析(one Way-ANOVA)來(lái)檢驗(yàn)不同林分、不同組分之間生物量的差異性。用一元回歸分析(Simple regression)模擬大葉櫟各器官生物量回歸方程。用SPSS 19.0(SPSS,Inc,Chicago,IL)完成統(tǒng)計(jì)分析。作圖利用OringinPro 9.0和SigmaPlot 10.0軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分喬木生長(zhǎng)量

表3反映了2016年,即近自然化改造8年后,4種林分保留的松杉和補(bǔ)植樹(shù)種的平均樹(shù)高和平均胸徑情況。由表3可知,改造后,馬尾松和杉木平均胸徑顯著高于對(duì)照林,改造后的馬尾松和杉木平均胸徑分別高于對(duì)照林的45.0%和30.4%,可見(jiàn),近自然化改造顯著提高了馬尾松和杉木的胸徑生長(zhǎng)量,但同樣是改造8年后,馬尾松平均胸徑高出杉木平均胸徑的44.4%,而四種林分馬尾松和杉木的平均樹(shù)高均無(wú)顯著差異(P<0.05),此外,由表3我們還可以看出,無(wú)論是大葉櫟,還是格木,在馬尾松和杉木改造林中,平均胸徑和平均樹(shù)高均無(wú)顯著差異(P<0.05),表明,補(bǔ)植樹(shù)種的生長(zhǎng)量并未受到林冠層樹(shù)種不同的影響。

表3 2016年4種林分平均胸徑和平均樹(shù)高比較

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同一個(gè)指標(biāo)變量的不同字母代表差異顯著(P< 0.05)

3.2 不同林分生物量及其分配特征

3.2.1 喬木層生物量及其分配特征

圖1 不同林分喬木層各器官生物量 Fig.1 Biomass of different organs of tree layer in the four stands不同小寫(xiě)字母表示不同林分相同組分生物量差異顯著(P<0.05)；P(CK):馬尾松對(duì)照林 Control forest of P. massoniana plantation; P(CN):馬尾松改造林 Close-to-nature forest of P. massoniana plantation; C(CK):杉木對(duì)照林 Control forest of C. lanceolata plantation; C(CN):杉木改造林Close-to-nature forest of C. lanceolata plantation

圖1顯示了近自然化改造后的第8年(2016年)不同林分喬木層及其各器官生物量情況,P(CK)、P(CN)、C(CK)、C(CN)喬木層生物量總量分別為257.1、380.1、97.4、135.5t/hm2,無(wú)論是馬尾松、還是杉木,改造林喬木層生物量總量均高于其對(duì)照林,近自然化改造8年后,馬尾松和杉木人工林喬木層生物量分別提高47.8%和39.1%。 除樹(shù)皮外,改造林P(CN)和C(CN)的樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉和樹(shù)根生物量均顯著高于其對(duì)照林分P(CK)和C(CK)。無(wú)論改造與否,馬尾松林喬木生物量P(CK)和P(CN)均顯著高于C(CK)和C(CN)。

由圖2可以看出,樹(shù)干是4種林分生物量的主體部分,在喬木生物量的分配比例最大,占喬木生物量總量的55.4%—59.9%,其次是根系,再次是枝條和樹(shù)皮,葉片的生物量分配最小,不同林分樹(shù)枝和樹(shù)皮的分配比例有所差異,但樹(shù)枝和樹(shù)皮生物量分配比例的差異均不顯著(P> 0.05)。4種林分喬木層各器官生物量的分配也有所差異,改造林P(CN)和C(CN)枝條和葉片生物量的分配顯著高于對(duì)照林P(CK)和C(CK),但改造林P(CN)和C(CN)樹(shù)干和樹(shù)皮的生物量分配比例低于對(duì)照林P(CK)和C(CK),表明近自然化改造可以顯著促進(jìn)葉片和枝條的發(fā)育,而減少樹(shù)干和樹(shù)皮在林木生物量中的分配。而在不同的樹(shù)種之間,無(wú)論改造與否,馬尾松林P(CN)和P(CK)葉片的分配低于杉木林C(CN)和C(CK),而樹(shù)皮的分配比例高于杉木林。表明樹(shù)種不同,不同器官生物量在林木中的分配比例也存在差異。

圖2 不同林分喬木層各器官生物量分配 Fig.2 Biomass allocation of different organs of tree layer in the four stands

3.2.2 地被層生物量及其分配特征

在改造后的第8年,P(CK)、P(CN)、C(CK)、C(CN)4種林分灌木層生物量總量在0.287—0.329t/hm2之間,除C(CK)和C(CN)之間存在顯著差異外,其他林分間灌木層生物量總量均無(wú)顯著差異(P>0.05),灌木層地下部分雖然存在顯著差異,但并無(wú)明顯規(guī)律,地上部分生物量在4種林分間均無(wú)顯著差異(圖3)。表明近自然化改造后第8年,杉木林灌木層生物量有所下降,而馬尾松林并無(wú)顯著變化。

草本層生物量總量在0.130—0.645t/hm2之間。改造之后,馬尾松和杉木人工林草本層及各組分生物量均有所降低,且馬尾松林差異達(dá)到顯著水平(P< 0.05)。在馬尾松和杉木林之間,草本層生物量及其各組分生物量也存在顯著差異,杉木林C(CK)和C(CN)草本層生物量顯著高于馬尾松林P(CK)和P(CN) (P< 0.05)(圖3)。表明近自然化改造處理和樹(shù)種均對(duì)草本層生物量有顯著影響。

近自然化改造實(shí)施8a后,4種林分凋落物現(xiàn)存量總量在3.370—4.465t/hm2之間,不同林分間凋落物現(xiàn)存量總量及各組分現(xiàn)存量與對(duì)照林P(CK)和C(CK)之間均無(wú)顯著差異(P> 0.05),但未分解凋落物和半分解凋落物現(xiàn)存量在馬尾松林P(CK)、P(CN)和杉木林C(CK)、C(CN)之間存在顯著差異。馬尾松林半分解組分現(xiàn)存量顯著高于杉木林,而未分解組分現(xiàn)存量顯著低于杉木林(圖3)。表明近自然化改造對(duì)馬尾松和杉木人工林凋落物現(xiàn)存量總量均無(wú)顯著影響。

3.2.3 林分生物量及其分配

表4顯示了2016年4種人工林生態(tài)系統(tǒng)和各組分生物量及其分配情況,由表4可以看出,近自然化改造實(shí)施8年后,改造林分P(CN)和C(CN)生態(tài)系統(tǒng)生物量總量比對(duì)照林P(CK)和C(CK)分別高出46.71%和37.24%。其中,改造林喬木層生物量比對(duì)照林分別高出47.84%和39.08%。而灌木層、草本層生物量和凋落物現(xiàn)存量在改造8年后變化情況不同,或增或減,或無(wú)顯著變化。表明,近自然化改造可顯著提升喬木層生物量和林分生物量總量。此外,無(wú)論改造與否,馬尾松林P(CK)和P(CN)林分生物量總量也顯著高于杉木林C(CK)和C(CN)。

4種林分各組分在生態(tài)系統(tǒng)生物量總量中的分配比例,均以喬木層最大,凋落物層居次,灌木層和草本層最小,僅喬木層生物量就占據(jù)林分生物量總量的95.48%—98.82%,而凋落層現(xiàn)存量、灌木層和草本層三者生物量總和僅占林分生物量總量的1.18%—4.52%。由此可以看出,4種林分生態(tài)系統(tǒng)生物量基本由喬木層主導(dǎo),喬木層生物量的變化對(duì)各林分生態(tài)系統(tǒng)生物量總的變化起著決定性的作用。

表4 不同林分各組分生物量及其分配

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為各層次生物量占林分生物量總量的百分比

此外,相同組分生物量的分配在不同林分間也有所差異,各組分生物量分配的差異不僅出現(xiàn)在改造林和對(duì)照林之間,同時(shí)也出現(xiàn)在馬尾松和杉木兩個(gè)樹(shù)種之間,近自然化改造增加了喬木層生物量的分配,而降低了地被層(包括灌木層、草本層和凋落物層)生物量的分配,馬尾松林喬木層生物量的分配高于杉木林,而地被層生物量的分配低于杉木林。

3.3 不同林分喬木層年凈生產(chǎn)力

表5顯示了4種林分2007年至2016年間喬木層的年凈生產(chǎn)力,喬木生產(chǎn)力采用2007年至2016年共9年的年凈生物量增量的平均值與年凋落量的加和來(lái)計(jì)算。由表5可以看出,4種林分喬木層生產(chǎn)力存在顯著差異,改造林P(CN)和C(CN)高于對(duì)照林年凈生產(chǎn)力的56.3%和26.8%,僅喬木層年平均生物量?jī)粼隽烤头謩e高于對(duì)照林的92.1%和64.9%。由此可見(jiàn),經(jīng)過(guò)近自然化改造,林分喬木生產(chǎn)力大幅提升,且馬尾松人工林,近自然化改造對(duì)生產(chǎn)力的促進(jìn)效益更加明顯,改造后,喬木生產(chǎn)力提升到改造前的1.9倍。

表5 不同林分年凈生產(chǎn)力(2007—2016年)

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同一個(gè)指標(biāo)變量的不同字母代表差異顯著(P<0.05)

由表5還可以看出,馬尾松和杉木人工林近自然化改造后,林分生產(chǎn)力的提高主要?dú)w因于喬木生產(chǎn)力的大幅提升。因?yàn)楦髁址帜甑蚵淞坎o(wú)顯著差異,而且林分其他組分,諸如灌木層和草本層,因其生物量在林分所占的比例極小,對(duì)林分生產(chǎn)力并無(wú)顯著影響。因而,喬木生物量的快速增長(zhǎng)才是林分生產(chǎn)力提升的直接原因。

4 結(jié)論與討論

森林生物量和生產(chǎn)力的影響因素較多,氣候、土壤、水熱條件、森林類(lèi)型都會(huì)對(duì)森林生產(chǎn)力產(chǎn)生影響[5,34- 35],而對(duì)人工林來(lái)說(shuō)樹(shù)種、林齡、造林模式及經(jīng)營(yíng)管理活動(dòng)都會(huì)影響到林分的生物量和生產(chǎn)力[18,36- 39],人工林近自然化改造,通過(guò)強(qiáng)度間伐和林下補(bǔ)植兩種關(guān)鍵措施調(diào)整林分的群落結(jié)構(gòu),必然對(duì)生物量產(chǎn)生影響。本研究結(jié)果顯示近自然化改造8年后,馬尾松和杉木人工林林分生物量增加了46.71%和37.24%,年凈生產(chǎn)力提高56.3%和26.8%。由此看來(lái),近自然化改造對(duì)林分生長(zhǎng)量的促進(jìn)效果極為明顯,喬木生長(zhǎng)量的增加直接增加了林分生物量和生產(chǎn)力。生物量增加的速度加快的主要原因是補(bǔ)植珍貴鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種后,林分結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,林分的密度結(jié)構(gòu),樹(shù)種結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,一方面促使主林層林木生長(zhǎng)量和生物量的快速增長(zhǎng),另一方面促進(jìn)補(bǔ)植樹(shù)種的快速增長(zhǎng),二者共同促進(jìn)喬木層和林分生物量的快速增加。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),無(wú)論改造與否,馬尾松人工林喬木生物量都遠(yuǎn)高于杉木林,主要原因是南亞熱帶地區(qū)是杉木分布的邊緣產(chǎn)區(qū),20年后,林木生長(zhǎng)速度已經(jīng)過(guò)了高峰期,甚至生活力開(kāi)始下降,而馬尾松是該地區(qū)的鄉(xiāng)土樹(shù)種,作為馬尾松的主產(chǎn)區(qū),馬尾松在南亞熱帶地區(qū)具有最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境,23年生的馬尾松林正值生長(zhǎng)高峰期,因而無(wú)論改造與否,馬尾松林的喬木生物量遠(yuǎn)高于杉木林。

從林分生物量的分配上看,林分生物量總量的95.48%—98.82%由喬木層貢獻(xiàn),表明,喬木層生物量和生產(chǎn)力的提高對(duì)林分生物量增加起著主導(dǎo)作用。而地被層生物量雖然在林分間有顯著差異,但由于在林分生物量中所占的比重極小,對(duì)林分生物量總量變化的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì),這與先前的研究結(jié)論較為一致[2- 3,20]。這一結(jié)果同時(shí)反映了人工林林分結(jié)構(gòu)單一,林下植被稀少,喬木層的高度郁閉,限制了林下植被的生長(zhǎng)和發(fā)育,近自然化改造盡管改善了林分喬木層的結(jié)構(gòu)組成,大幅提升了喬木層的生物量,但對(duì)林下植被層生物量的貢獻(xiàn)極其有限。

本研究中,4種林分喬木層生物量的分配順序?yàn)闃?shù)干 > 樹(shù)根 > 枝條 > 樹(shù)皮 > 葉片,這一結(jié)果雖然與國(guó)內(nèi)外多數(shù)樹(shù)種人工林的結(jié)果相似[2,20,24,40],然而,不同經(jīng)營(yíng)模式的林分間,相同樹(shù)種的相同器官在林分中的分配比例有顯著差異,本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)近自然化改造可以顯著促進(jìn)葉片和枝條的發(fā)育,而減少樹(shù)干和樹(shù)皮在林木生物量中的分配。這表明,近自然化改造以后,尤其是強(qiáng)度間伐和林下補(bǔ)植的干擾,林分結(jié)構(gòu)得以改善,林木個(gè)體獲得較好的生長(zhǎng)條件和生長(zhǎng)空間而快速生長(zhǎng)。為增加生態(tài)系統(tǒng)光合生產(chǎn)力以滿(mǎn)足林木個(gè)體生長(zhǎng)的需求,林木個(gè)體通過(guò)增加枝條和葉片的數(shù)量(增加葉面積)和比重以達(dá)到增加光合生產(chǎn)力的目的。

如上所述,在人工林生物量和生產(chǎn)力的影響因子中,林齡對(duì)人工林生物量的影響是非常關(guān)鍵的[4,41- 42]。林齡不僅影響林分生物量的總量,而且影響到林分生物量在各組分的分配[4]。林分生物量隨林齡增長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化是反映森林生態(tài)系統(tǒng)活力的重要指標(biāo),尤其是生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期生物量動(dòng)態(tài)特征的研究,對(duì)森林健康程度和人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的研究意義重大[5,34]。本研究反映的是2016年對(duì)林分各組分生物量調(diào)查的結(jié)果,即近自然化改造8年后的林分生物量,因而得出的生物量結(jié)果是階段性的,無(wú)法代表近自然化改造對(duì)林分生物量的影響過(guò)程。然而近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)林分生物量的影響是長(zhǎng)期的,動(dòng)態(tài)的,尤其是林下灌木層和草本層生物量是往往受林下植被多樣性的影響,而光照、林分郁閉度是影響林下植物多樣性的重要影響因子[43]。而且,近自然化改造初期,由于間伐和補(bǔ)植作業(yè)對(duì)林地的擾動(dòng),可能導(dǎo)致林下植被生物量的減少,而后期由于間伐打開(kāi)了空間,林下植被生物量又開(kāi)始增加,直至補(bǔ)植樹(shù)種進(jìn)入次林層,再次郁閉,林下生物量可能又會(huì)下降,因而,林下植被生物量可能呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性。因此,準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)近自然化改造對(duì)林下植被生物量的影響,需要對(duì)林分作連年觀測(cè),了解其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)對(duì)人工林生物量和生產(chǎn)力的研究大多局限在不同人工林短期生物量和生產(chǎn)力的比較上,或者利用空間代替時(shí)間的方法研究生物量和生產(chǎn)力的動(dòng)態(tài)特征,缺乏對(duì)人工林生物量生產(chǎn)力的定位觀測(cè)研究[23- 24,41- 42,44- 46]。因而,準(zhǔn)確而充分的認(rèn)識(shí)近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)人工林生物量及其分配的影響規(guī)律,需要開(kāi)展長(zhǎng)期定位觀測(cè)研究,以便通過(guò)生物量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律深入了解近自然化改造對(duì)生物量及生產(chǎn)力的影響。

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Effectsofclose-to-naturetransformationonbiomassanditsallocationinPinusmassonianaandCunninghamialanceolataplantations

MING Angang1,2,3,LIU Shirong2,3,*,LI Hua1,3, ZENG Ji1,3,SUN Dongjing1,3,LEI Liqun1,3,MENG Mingjun1,3,TAO Yi1,3,MING Caidao1,3

1ExperimentalCenterofTropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Pingxiang532600,China2InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China3GuangxiYouyiguanForestEcosystemResearchStation,Pingxiang532600,China

Close-to-nature transformation is considered one of the most promising options for creating new forest carbon sinks, but the mechanism by which it influences the biomass by changing the forest structure and thereby influencing the ability and potential of the forest for carbon sequestration remains unclear. Therefore, there is an urgent need to understand these key effects of close-to-nature transformation on the biomass for carbon management in plantation ecosystems. Based on a close-to-nature forest ofPinusmassonianaplantation (P(CN)) and an unimproved pure stand ofP.massoniana(P(CK)), and a close-to-nature stand ofCunninghamialanceolata(C(CN)) and an unimproved pure stand ofC.lanceolata(C(CK)) as the research objects, the biomass and allocation difference of the four forest types were studied using the method of quadrat sampling combined with biomass measurement, aiming to reveal the influence of close-to-nature transformation on forest biomass and its allocation patterns inP.massonianaandC.lanceolataplantation. The results indicated that the biomass and productivity ofP.massonianaandC.lanceolataplantations can be significantly increased by close-to-nature transformation, and the biomass ofP.massonianaandC.lanceolataforest stands can be increased by 46.71% and 37.24%, respectively, after 8 years. The biomass of the arborous layer dominates the total biomass (95.48%—98.82%), which plays a vital role in the overall change in forest stand ecosystem biomass. The increase in biomass and productivity in the forest is mainly due to the change in the forest stand community structure, which increases the productivity of the arborous layer. Taken together, the results indicate that reasonable management measures can not only improve stand structure and productivity, but also create favorable conditions that enhance vegetation carbon fixation capacity and potential.

close-to-nature transformation;PinusmassonianaandCunninghamialanceolataplantations；biomass; productivity; allocation

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(CAFYBB2014QA033);廣西林業(yè)科技項(xiàng)目(桂林科字[2016]第37號(hào));廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014GXNSFBA118100)

2017- 04- 03;

2017- 09- 13

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Liusr@caf.ac.cn

10.5846/stxb201704030573

明安剛, 劉世榮, 李華, 曾冀, 孫冬婧, 雷麗群, 蒙明君, 陶怡, 明財(cái)?shù)?近自然化改造對(duì)馬尾松和杉木人工林生物量及其分配的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(23):7833- 7842.

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