撫育間伐對小興安嶺天然針闊混交林碳儲量的影響1)

劉慧 董希斌 曲杭峰 宋鑫彧 趙狀 韓敏

(森林持續經營與環境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業大學)，哈爾濱，150040)

森林作為陸地生態系統最大的碳庫，急劇的全球氣候變化將人們的注意力集中在森林中的碳匯上[1]，森林管理對森林碳吸收的影響早已成為焦點[2]。森林碳儲量，不僅在溫室氣體的減排和增加陸地碳匯中發揮重要作用，而且是有效評價森林生長狀況、林木質量以及森林生態系統穩定性的重要指標。影響森林生態系統碳儲量的因素很多，其中撫育間伐是影響生物量和碳儲量積累的重要因素[3-6]；科學撫育間伐，通過土壤溫度、呼吸速率及理化性質，改變土壤營養物質[7-8]，增強水循環促進林木水分吸收，調整林分密度、林分營養空間、生長環境促進林木生長[9-11]。黃雪蔓等[12]、殷博等[13]研究表明，與對照林地喬木層碳儲量相比，間伐在不同程度上降低了喬木層碳儲量。明安剛等[14]研究結果顯示，間伐有利于提高馬尾松林喬木層的碳儲量，但不利于積累林下地被物和凋落物碳儲量。徐金良等[15]研究結果顯示，試驗區杉木人工林間伐15 a后，隨著間伐強度的增大樹干碳儲量比例增加，枝、葉碳儲量比例則略低。因此，在森林生態經營過程中，研究作業方式對碳儲量的影響具有非常重要意義。

目前，國內外相關研究多數集中在撫育間伐對純林的林分結構、林地土壤養分[16-18]、物種多樣性[19]的影響以及對純林生物量、碳儲量[20-21]的研究等，關于撫育間伐對天然針闊混交林碳儲量影響的研究較少。本研究以小興安嶺天然針闊混交林為對象，分析不同間伐強度8 a內喬木層碳儲量的分配特征及動態變化，旨在為科學選擇森林經營作業方式、提高森林碳儲量提供參考。

1 研究地區概況

試驗樣地位于小興安嶺地區帶嶺林業實驗局東方紅林場，地理坐標128°37′46″～129°17′50″E、46°50′8″～47°21′32″N，平均海拔600 m。區域內山脈縱橫起伏，坡度14°。土壤以暗棕壤為主，平均厚度45 cm左右。試驗區年氣溫變化較大，全年平均氣溫約為1.4 ℃，年最低氣溫-40 ℃，年最高氣溫37 ℃。冬季干燥寒冷而漫長，夏季濕潤溫曖且短暫，屬典型的大陸性濕潤季風氣候。年平均降水量661 mm，降水時間集中在7—8月份，全年無霜期115 d左右。森林群落類型為針闊混交次生林，主要喬木樹種為紅松(PinuskoraiensisSieb. et Zucc.)、云杉(PiceaasperataMast.)、冷杉(AbiesfabriCraib.)、椴樹(TiliatuanSzyszyl.)、色木槭(AcermonoMaxim.)、青榨槭(AcerdavidiiFranch.)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)等。

2 研究方法

樣地設置：2011年，在天然林試驗區，根據采伐蓄積量與總蓄積量之比設置間伐強度分別為10%、15%、20%、25%、30%、35%共6塊樣地，樣地面積均為100 m×100 m。2012年各間伐區域補植落葉松、紅松、云杉，補植方案和依據均相同。2012—2019年進行每木檢尺，調查林分郁閉度，分別記錄樣地內每株喬木(胸徑≥5 cm)樹種、樹高、胸徑、活枝高、冠幅。利用GPS確定每塊樣地位置，記錄每塊樣地海拔、坡度等立地因子(見表1)。

表1 試驗樣地喬木層林分概況

樹干生物量測定：通過每木檢尺數據，在每塊樣地對各樹種分別選取3棵標準木，據地面1.3 m處利用生長錐分南北方向采集樹干樣品以備樹干碳質量分數的測定[22]，并在現場測定鮮質量和記錄。帶回實驗室，并在85 ℃烘干至恒質量。根據立木材積表[23]，針對不同的樹種，采用二元材積計算公式得出樣地各樹種立木材積。計算公式：V=c0Dc1Hc2；V為立木材積，D為胸徑，H為樹高，參數c0、c1、c2在相應的立木材積表中均可查得。利用基本密度與立木材積的乘積換算成生物量[24-25]。

樹冠生物量測定：采用標準枝分層抽樣剪枝，將樹冠平均分為上、中、下3層。在每層選擇3個標準枝，將葉片和標準枝分離，現場分別測定枝條和葉片的鮮質量并記錄。樣品測定鮮質量后帶回實驗室，與樹干樣品一起烘干后計算枝和葉的含水率，計算枝和葉的生物量。

喬木層碳儲量的計算：喬木各部分粉碎過篩后，利用重鉻酸鉀外加熱法測定并計算其碳質量分數，各部分生物量乘以碳質量分數即為其碳儲量。

數據處理：試驗數據采用Excel軟件處理，應用SPSS 21.0軟件的單因素方差分析法和最小顯著差異法分析比較各指標的差異顯著性。

3 結果與分析

3.1 撫育間伐對喬木層各器官生物量的影響

由表2可見：隨著間伐強度的增大，2019年生物量呈先增加后減少的趨勢，由大到小依次為對照、中度間伐(20%、25%)、弱度間伐(10%、15%)、強度間伐(30%、35%)。喬木地上部分生物量，中度間伐的顯著高于間伐10%、35%的。

天然針闊混交林喬木層地上部分生物量由干(含皮)、枝、葉3部分組成，由表2可見：不同間伐強度，樹干(含皮)占總生物量的77.85%～87.90%，枝、葉占總生物量的比例較小，枝占總生物量的8.99%～18.60%、葉占總生物量的2.60%～6.84%。與對照相比，各間伐樹干(含皮)生物量比例皆高于對照，25%、30%、35%間伐干生物量比例大致相同，20%間伐干生物量比例最大，比對照增加了0.16倍。由此可知，15%～20%間伐更有利于干生物量的積累，25%～35%更有利于枝葉生物量的積累。中度間伐更有利于喬木層地上部分生物量的增加，主要原因在于間伐強度增大到一定程度后，林內生態環境得到改善，林木的生長速度加快，各間伐針闊混交林喬木層各組分器官生物量會得到不同程度的差異補償。

表2 不同間伐強度的喬木層各器官生物量

3.2 撫育間伐對喬木層各器官碳儲量的影響

由表3可見：2019年各間伐碳儲量的大小順序與生物量基本一致。弱度間伐(10%、15%)、中度間伐(20%、25%)、強度間伐(30%、35%)處理，碳儲量分別為對照的61.90%、71.84%、81.98%、77.36%、70.41%、65.71%。其中，20%間伐強度碳儲量，顯著高于弱度間伐、強度間伐碳儲量。

對照和不同間伐強度，喬木層各器官碳儲量分配比例均以樹干最高，分別為77.54%和77.50%～89.81%；其次為枝，在對照和撫育間伐樣地中分別占總碳儲量比例15.41%和7.46～18.50%；葉的碳儲量比例最小，在對照和間伐樣地中為7.05%、2.73%～6.68%。不同間伐，樹干碳儲量比例均高于對照-0.04%～12.27%，其中20%間伐樹干碳儲量比例最高，是對照的1.05倍。是由于高度間伐，林分郁閉度降低，枯落物減少，土壤養分降低，所以不利于喬木層樹干碳儲量的積累；弱度間伐物種豐富，林分營養空間競爭大，所以不利于喬木層樹干碳儲量的積累；中度間伐土壤養分、光環境、水熱條件利于樹干碳儲量的積累，所以20%間伐相對有利樹干碳儲量比例的增加。35%間伐強度，樹枝碳儲量所占比例高于其它間伐強度，樹干碳儲量所占比例相對較小，說明強度間伐有利于樹枝碳儲量的累積。這一方面，是由于強度間伐使林木得到充足光照，側枝有更多的生長空間，從而相對降低了強度間伐樹干碳儲量比例。另一方面，因為強度間伐使林木冠層面積增加，通過樹冠截留的光反過來促進林木枝葉生物量積累，形成良性正反饋調節。

表3 不同間伐強度的喬木層各器官碳儲量

3.3 撫育間伐對混交林喬木層碳儲量的影響

由表4可見：2012、2015、2019年，對照碳儲量均顯著高于各間伐。2012年，25%間伐強度碳儲量顯著高于其余間伐強度，10%間伐強度碳儲量顯著低于各間伐強度。2015年，25%間伐強度的碳儲量，與15%、20%、30%間伐強度的碳儲量無顯著性差異，但顯著高于其余間伐強度的碳儲量。2019年，10%間伐強度碳儲量低于各間伐強度碳儲量。

2015年各間伐強度的碳儲量，比2012年各間伐強度的碳儲量增加24.75～31.71 t·hm-2，其中20%間伐強度的碳儲量增長量高于對照，其余各間伐強度的碳儲量均低于對照增長量。各間伐強度的碳儲量增長率均高于對照，其中：間伐強度為10%、20%的碳儲量增長率較大，分別高于對照63.54%、41.23%；間伐強度為20%的碳儲量增長量最大，為31.71 t·hm-2；間伐強度為25%的碳儲量增長量最小，為24.75 t·hm-2。2019年各間伐強度碳儲量，比2015年碳儲量增長19.82～33.06 t·hm-2，各間伐強度碳儲量增長率均高于對照。其中，間伐強度為20%的碳儲量增長量高于對照，其余各間伐強度的碳儲量均低于對照；弱度間伐(10%、15%)、中度間伐(20%、25%)碳儲量增長率較大，高于對照增長率5.68%～24.59%；對照、20%間伐碳儲量增長量較大，分別增長29.48、33.06 t·hm-2。2012—2019年，對照與間伐強度為20%的碳儲量增長量較大，間伐強度為10%、20%的碳儲量增長率較大。其中，間伐強度為20%的碳儲量增長量最高，各間伐強度的碳儲量增長率普遍高于對照?？傮w看，8 a內各間伐強度整體碳儲量逐步趨向穩定。短期間伐(間伐4 a內)，有利于間伐強度為20%的碳儲量迅速累積及林木生長。這是由于短期間伐后，間伐強度為20%，土壤肥力、林內光環境得到改善，同時能使更新苗木得到蔭庇，促進其初期生長。

表4 不同間伐強度的不同年份混交林喬木層碳儲量

4 結論與討論

撫育間伐后土壤微生物活動和水循環促進土壤養分積累，土壤養分質量優于對照樣地，有利于促進植被更新和演替，林木整體生長狀態較佳[26-27]。林下植被生物量增加及物種豐富度增大，影響根系對土壤養分的吸收。不同強度撫育間伐第8年，喬木層地上部分生物量為160.64～230.99 t·hm-2。隨著間伐強度的增加，喬木層地上部分生物量、碳儲量呈先增加再減小趨勢，但8 a內，各間伐生物量、碳儲量均顯著少于對照。徐慶祥[28]、羅艷等[29]研究認為，喬木層總碳儲量及各器官碳儲量比對照均顯著提高；本研究與他們的研究結果不同；主要是間伐時間、間伐強度、樹種組成、立地條件不同產生的差異。其中，各間伐喬木層樹干碳儲量整體占比高于對照，樹枝、葉碳儲量比例明顯降低，說明撫育間伐可以增加樹干碳含量及林木自然整枝的生長，進而提高單株林木的質量和碳儲量。

目前國際上很多學者對森林碳儲量研究時，多采用50%作為所有樹種的平均含碳率(碳質量分數)計算碳儲量[30-32]，IPCC報告提到森林生物量的含碳率(碳質量分數)為47%或50%。通過測定不同間伐喬木層各組分的含碳率(碳質量分數)可知，各間伐樣地中的喬木層平均含碳率(碳質量分數)約為50%。王智勇等[33]研究表明，通過生長、物種、林分空間結構等多方面分析，間伐強度為20%左右林分綜合健康水平最佳。本研究在間伐后前4 a，間伐強度為20%的比其他間伐強度的碳儲量迅速累積；間伐5～8 a內，強度間伐比其它間伐碳儲量積累速度顯著下降。伐后第8年，中、高度間伐林木平均胸徑較高，中度間伐平均樹高較低。15%～25%間伐喬木層生物量無顯著性差異，間伐20%喬木層碳儲量顯著高于弱度、強度間伐。胡云云等[34]研究中表明，通過林分生長狀況和年蓄積增長率得出，間伐20%左右，既能維持林分結構，又能加快林木生長。這說明20%間伐主要是通過林木胸徑的增加進行林木生長與碳儲量累積。

綜上所述，間伐后8 a內，不同間伐強度均在一定程度上降低了小興安嶺針闊混交林喬木層地上部分的生物量、碳儲量，但是不同間伐強度樹干生物量分配比例顯著高于對照；短期間伐(間伐4 a內)，有利于間伐20%喬木層碳儲量的迅速累積。由此可知，雖然間伐后8 a內小興安嶺天然針闊混交林喬木層地上部分碳儲量均降低，但合理間伐改善林木生長結構，有助于天然針闊混交林喬木層樹干碳儲量比例的累積。