杉木闊葉化改造對生態系統碳儲量的影響

廖祥明

(福建省寧化國有林場，福建 寧化 365400)

1 引言

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方地區最主要的用材林造林樹種之一，其生長快、材質好，在木材供給和生態環境保護方面發揮了重要作用。據第九次全國森林資源清查結果，杉木人工林面積達9.90×106hm2，總蓄積量達7.55×108m3，分別占全國人工喬木林總面積的17.33%和蓄積量的22.30%[1]。杉木也是福建省的主要造林樹種和主產區之一，在林業生產中一直占有重要地位。然而，大多數杉木人工林仍采用純林經營模式，尤其是多代連栽，導致杉木地力衰退、生產力降低、穩定性下降等問題日益突出[2,3]。研究表明，2代和3代15年生杉木樹高分別比1代杉木下降7%和23%，3代林分比1代林分下降2個地位指數[4]。2代杉木林蓄積量比一代下降近28%～40%，3代比1代減少47%～69%[5]。而營造杉木混交林可改善林分結構，顯著提高林分生產力[6]。此外，杉木混交林有利于降低土壤養分損失，提高養分有效性，改善林地土壤質量[7]。

近年來，“碳達峰、碳中和”受到全球廣泛關注，我國也將其列為政府重點工作之一。森林在全球碳循環和碳平衡過程中發揮了重要作用，是陸地生態系統最大的碳庫[8]。因此，加強森林經營管理，提高森林碳匯功能對實現碳達峰、碳中和具有積極意義。以往的研究主要關注杉木混交林營建技術、林分生產力和土壤質量變化等方面，已開展的一些杉木混交林碳儲量的研究也以新營造的混交林為研究對象[9,10]，對二代萌生杉木純林闊葉化改造如何影響生態系統碳儲量尚缺乏系統研究。為此，本文以二代杉木萌生林為研究對象，伐除部分萌條，引入闊葉樹構建杉木闊葉樹混交林，調查杉木闊葉化改造6年后喬木層、林下植被層、凋落物層和土壤層的碳儲量變化特征，以期為杉木混交林高效培育和碳匯功能提升提供參考。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

試驗區位于福建省寧化國有林場，該場地處閩西北丘陵地帶，現有人工林以杉木和馬尾松(Pinusmassoniana)為主。年平均氣溫15～18 ℃，年降水量1700～1900 mm，無霜期214～246 d，屬中亞熱帶季風氣候。山場海拔高度在300～1000 m，土壤以紅壤為主。

2.2 林分調查

供試杉木林分位于67林班27大班1-2小班，2012年將一代杉木進行皆伐作業，2013年在皆伐后的杉木林內補植1年生閩楠(Phoebebournei)、木荷(Schimasuperba)和榿木(Alnuscremastogyne)容器苗改造為杉木闊葉樹混交林，同時伐除約50%的杉木萌條，以未改造的杉木萌條純林為對照。每種杉木闊葉樹混交林面積約0.5 hm2，3種杉木闊葉樹混交林和杉木純林保留密度約2000株/hm2。對所有林分連續3年進行全面劈草和撫育。

2019年10月選擇立地條件基本一致的杉木混交林和純林林分，在每種林分內各建立3個20 m×20 m的樣地，共12個樣地。對所有試驗小區內的林木進行每木檢尺，林木平均樹高和胸徑見表1。在每個樣地內選擇6株平均木(杉木和闊葉樹各3株)，每種處理杉木和闊葉樹各9株，杉木純林9株。采用全挖法測量全株生物量，在野外分段分別測定各組分(葉、枝、干和根)的鮮重，同時各組分分別取小樣密封后帶回實驗室在70 ℃烘至恒重，測定含水率，換算出各器官干物質重量及全株的干生物量，然后根據樣地林分密度、干生物量和各器官含碳量推算碳儲量。每塊樣地內，在樣地對角線設置5個1 m×1 m的小樣方，收獲樣方內所有林下植被，稱取鮮重，然后取小樣烘干后測定林下植被生物量。同時，收集每個樣方內所有凋落物稱量，烘干后計算凋落物生物量。林下植被和凋落物碳儲量根據干生物量和含碳量來計算。在每個樣地內用土鉆(Φ=4 cm)分層(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)隨機采集5個樣點的土壤樣品，每個小區內多點土樣混合后裝入土樣袋并編號，用于土壤有機碳含量測定。杉木各組分、林下植被、凋落物和土壤有機碳含量均采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[11]。

表1 不同林分基本特征

2.4 數據分析

采用Excel 2013和SPSS20.0統計分析軟件對所有數據進行分析處理，不同杉木闊葉樹混交林各組分碳儲量的差異采用單因素方差分析進行檢驗，如果差異顯著進一步進行Duncan多重比較，顯著性水平設為0.05。

3 結果與分析

3.1 不同杉木闊葉樹混交林喬木層各器官碳儲量

對不同杉木闊葉樹混交林喬木層各器官碳儲量的分析表明，3種混交林各器官碳儲量的分配模式與杉木純林類似，均為樹根碳儲量>樹干碳儲量>樹枝碳儲量>樹葉碳儲量(表2)。樹干碳儲量以杉木+榿木混交林最高，其次為杉木+木荷混交林和杉木純林，杉木+閩楠混交林樹干碳儲量最低。樹枝碳儲量的變化特征與樹干碳儲量一致。杉木+榿木混交林和杉木純林樹葉碳儲量較高，二者沒有顯著差異(P>0.05)，但均顯著高于杉木+木荷和杉木+閩楠混交林(P<0.05)。樹根碳儲量以杉木純林最高，其次為杉木+榿木和杉木+木荷混交林，杉木+閩楠混交林樹根碳儲量顯著低于其他林分(P<0.05)。杉木+榿木混交林喬木層碳儲量與杉木純林接近，二者沒有顯著差異(P>0.05)，杉木+木荷和杉木+閩楠混交林喬木層碳儲量顯著低于杉木純林(P<0.05)。杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林喬木層碳儲量分別為杉木純林的60.90%、76.41%和99.39%?？梢?，不同樹種混交對喬木層碳儲量及其各器官分配有顯著影響。

表2 杉木闊葉樹混交林喬木層各器官碳儲量

3.2 不同杉木闊葉樹混交林林下植被碳儲量

林下植被碳儲量以杉木+閩楠混交林最高，其次為杉木純林，杉木+木荷和杉木+榿木混交林林下植被碳儲量較低(圖1)。杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林林下植被碳儲量分別為杉木純林的119.68%、78.13%和48.04%。

圖1 不同杉木闊葉樹混交林林下植被碳儲量特征

3.3 不同杉木闊葉樹混交林凋落物碳儲量

杉木+閩楠和杉木+木荷混交林凋落物碳儲量與杉木純林之間沒有顯著差異(P>0.05)，但杉木+榿木混交林凋落物碳儲量顯著低于杉木純林(P<0.05)(圖2)。杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林凋落物碳儲量分別為杉木純林的86.57%、79.22%和63.37%，表明杉木闊葉化改造一定程度上減少了地表凋落物碳儲量積累。

圖2 不同杉木闊葉樹混交林凋落物碳儲量特征

3.4 不同杉木闊葉樹混交林土層土壤有機碳儲量

從圖3可以看出，杉木+木荷和杉木+榿木混交林在0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機碳儲量均顯著高于杉木純林(P<0.05)，而杉木+閩楠混交林與杉木純林之間沒有顯著差異(P>0.05)，40～60 cm土層土壤碳儲量在4種不同林分之間均沒有顯著差異(P>0.05)。可見，杉木混交林對0～40 cm土層土壤有機碳儲量的影響較大。0～20 cm土層杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林土壤有機碳儲量分別比杉木純林增加了7.41%、17.04%和24.98%，20～40 cm土層土壤有機碳儲量比杉木純林增加了5.33%、18.87%和33.97%。就整個剖面而言，0～60 cm土層杉木+閩楠、杉木+木荷和杉木+榿木混交林土壤有機碳儲量分別比杉木純林增加了4.50%、15.50%和21.99%。

圖3 杉木混交林不同土層土壤碳儲量

3.5 不同杉木闊葉樹混交林生態系統碳儲量

對不同混交林生態系統碳儲量的分析顯示，杉木+木荷和杉木+榿木混交林生態系統總碳儲量分別比杉木純林增加了6.20%和15.27%，而杉木+閩楠混交林生態系統總碳儲量比杉木純林減少了4.58%(表3)。杉木混交林和杉木純林生態系統各組分碳儲量的分配模式類似，均為土壤層碳儲量>喬木層碳儲量>林下植被層碳儲量>凋落物層碳儲量，其中土壤層碳儲量的比例高達76.06%～83.30%，林下植被層和凋落物層碳儲量的比例均較低，二者合計僅為1.29%～3.21%。杉木純林改造為混交林后喬木層碳儲量的比例均不同程度減小，土壤層碳儲量的比例明顯增加，而林下植被層和凋落物層碳儲量的比例變化較小。

表3 杉木混交林生態系統各組分碳儲量及其相對比例

4 結論與討論

二代杉木萌芽林改造為杉木闊葉樹混交林對喬木層碳儲量影響與引入樹種生長特性有關。杉木萌芽林內引入速生的榿木并沒有對喬木層碳儲量產生顯著影響，而引入木荷和閩楠均降低了喬木層碳儲量。這是因為杉木萌條前期生長較快，木荷和閩楠生長較慢，尤其是閩楠樹高僅為杉木萌條的44%。張駿等[12]研究也表明，幼齡杉木混交林喬木層生物量比杉木純林低，中齡和成熟的杉木混交林生物量高于杉木純林。對中亞熱帶典型杉闊混交林碳儲量的研究發現，喬木層年均固碳量分別為2.51、3.41和3.69 t/hm2，均高于該地區的杉木人工純林[13]。然而，明安剛等[14]研究表明，26年生杉木+紅錐混交林喬木層碳儲量低于杉木純林。因此，在營建針闊混交林時應充分考慮不同闊葉樹種特性及其固碳速率，杉木混交林發育階段的不同也對林分碳儲量有重要影響。此外，本研究3種杉木混交林和杉木純林喬木層各器官碳儲量均為樹根碳儲量>樹干碳儲量>樹枝碳儲量>樹葉碳儲量。而其他研究表明，杉闊混交林喬木層碳儲量為樹干碳儲量>樹根碳儲量>樹枝碳儲量>樹葉碳儲量[13,14]。這種差異主要是由于本研究杉木為二代萌芽林，根系較大，因而根系碳儲量也最高，可以預見隨著林齡增加樹干碳儲量的比例將會逐漸增大。

本研究林下植被層和凋落物層碳儲量的比例較低，這與其他一些研究結果一致[12,13]。盡管如此，林下植被在維持生態系統生物多樣性方面發揮了重要作用[15]，而凋落物是土壤養分的主要來源[16]。因此，林下植被和凋落物在生態系統元素循環過程中至關重要。本研究中杉木+木荷和杉木+榿木混交林在0～40 cm土層土壤有機碳儲量顯著高于杉木純林，而杉木+閩楠混交林與杉木純林之間沒有顯著差異，這表明杉木萌條與速生樹種混交有利于短期內增加林地碳儲量，尤其是與速生落葉樹種榿木混交土壤碳儲量增幅較大。這可能是杉木與落葉樹種混交促進凋落物分解，增加土壤有機物輸入有關。對福建省20年生杉木+米老排混交林和杉木純林土壤碳庫研究也表明，混交林0～60cm土層土壤碳儲量在上坡、中坡和下坡分別比杉木純林增加了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土層碳儲量高于杉木純林，40～100 cm土層純林和混交林土壤碳儲量差異較小。而26年生杉木+紅錐混交林0～100 cm土層土壤碳儲量比杉木純林低18.4%。由此可見，不同杉木闊葉樹混交林對土壤碳儲量影響也具有較大差異。

本研究杉木+木荷和杉木+榿木混交林生態系統總碳儲量均高于杉木純林，而杉木+閩楠混交林生態系統總碳儲量略低于杉木純林。唐學君等[13]研究表明，江西省不同林齡杉木闊葉樹混交林生態系統總碳儲量是杉木純林的115%～118%，隨著林齡增加，杉木混交林碳儲量逐漸增大。盡管如此，杉木闊葉樹混交林碳儲量也受到混交樹種、混交比例、配置方式、立地條件等因素的影響[17]。本研究僅研究了7年生杉木萌條闊葉樹混交林碳儲量的變化特征，隨著林齡增加，杉木與闊葉樹之間競爭關系逐漸激烈。因此，開展不同杉木萌條闊葉樹碳儲量的長期定位研究，對于揭示杉木混交林碳匯功能變化，構建高碳匯杉木混交林優化模式至關重要。