不同林分密度對側柏生長指標及其土壤碳含量的影響

高晴，王瑞江，韓冠苒，田慧，李利萍，王傳江，耿宗琴，雷瓊

(1.山東省林業保護和發展服務中心，山東 濟南 250014；2.沂水縣國有沂山林場，山東 臨沂 276414；3.費縣國有祊河林場，山東 臨沂 273411；4.沂水縣林業發展中心，山東 臨沂 276499；5.臨沂大學農林科學學院，山東 臨沂 276000)

林分密度是樹木生長發育的重要影響因子。合理的林分密度不僅可以提高森林的固碳能力，還能提高林木抗病蟲害能力，對森林的生長和健康狀態有重要作用。樹木的生長指標主要包括胸徑、樹高、冠幅等。有研究發現，林分密度較低時，胸徑和樹高均有大幅提高，低林分密度的樹木生物量明顯高于高林分密度的。在樹木的生長指標中，樹冠是樹木進行光合作用的主要場所，其大小在一定程度上可以反映樹木固碳能力高低。

林分密度對土壤碳含量產生一定的影響，有學者研究表明，森林土壤碳的輕微改變可能會影響生態系統中碳的匯源平衡，土壤有機碳在全球碳循環中發揮著決定作用。土壤微生物是土壤有效養分的重要來源，不僅參與物質轉化過程中的許多生化反應，而且通過自身的代謝和周轉，促進養分的循環和吸收，對植物生長發育具有重要的意義。

側柏()是山東省主要造林樹種之一，因其對土壤條件要求不高、耐旱等特性，在干旱瘠薄山地丘陵廣泛栽植。但大部分林地由于撫育不及時，出現林分結構不合理、林木生長不良等低質低效問題，亟須改造提升。為此，本研究以側柏人工近熟林為研究對象，通過分析不同林分密度對側柏生長指標及其土壤碳含量影響，以期為側柏人工林林分結構改造和碳匯能力提升提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于山東省濟南市華山林場(36°22′—36°28′ N，117°22′—117°33′ E)內，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同期，年均降水量800 mm。林場屬魯中南山地泰山支脈，境內山巒起伏，溝壑縱橫，土壤類型為山地棕壤；林場有喬木50科200多種，形成以側柏、松類、刺槐為主體的森林群落結構。

研究區域選取側柏人工純林，林齡65 a，林分為公益林，禁伐。隨著時間的推移，因自然稀疏、人為間伐和旅游開發干擾等因素，密度逐漸產生差異。

1.2 樣地設置及調查

在華山林場，通過典型樣地法選取4種現存林分密度D1(1 125±90)株·hm、D2(1 425±90)株·hm、D3(1 725±90)株·hm、D4(2 025±90)株·hm的側柏人工林，每種林分密度各設置4個20 m×20 m標準樣地，每塊標準樣地的坡向、坡位及海拔等條件基本一致。對樣地內的喬木(胸徑≥5 cm)進行每木檢尺，記錄每株樹木的胸徑、樹高、冠幅等指標。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本概況

1.3 土壤樣品的采集與測定

在每個標準樣地內按對角線布設3個取樣點，將取樣點的表層土(1～2 cm)去除后，利用土鉆分兩層對0～20和>20～40 cm土壤進行取樣，將采集的土壤樣品過篩后進行土壤有機碳和微生物生物量碳測定。

1.4 數據統計分析

采用SPSS18.0統計分析軟件對數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)，在5%水平上檢驗不同樣地測定結果的差異性。

2 結果與分析

2.1 林分密度對側柏土壤有機碳的影響

圖1所示，在同一土層深度上，土壤有機碳隨林分密度的升高而降低，就0～20 cm的土層來看，D1、D2、D3、D4的土壤有機碳含量分別為10.12、5.98、3.63和3.70 g·kg，通過單因素方差分析發現，除D3和D4之間差異不顯著外(>0.05)，其他林分密度之間差異明顯(<0.05)。而>20～40 cm的土層深度中，林分密度1 125株·hm的土壤有機碳含量明顯高于其他林分密度(<0.05)，分別為D2、D3和D4的1.34、1.86和2.47倍，但是林分密度D2和D3、D3和D4之間差別不大(>0.05)。可見，林分密度是影響土壤有機碳的重要因子。

圖1 林分密度對側柏土壤有機碳的影響注：同一土層厚度不同小寫字母表示不同林分密度之間差異顯著(P<0.05)。

在同林分密度上，上層(0～20 cm)土壤有機碳含量明顯高于下層(>20～40 cm)土壤。其中 D1、D2、D3、D4林分密度中，下層土壤有機碳含量分別為上層的0.46%、0.58%、0.68%、0.50%，說明土壤有機碳主要分布在土壤上層。

2.2 林分密度對側柏土壤微生物生物量碳的影響

土壤微生物生物量碳在森林生態系統碳循環過程中發揮著重要的作用，被公認為土壤生態系統變化的預警和敏感指標。圖2所示，在相同林分密度上，0～20 cm土層的土壤微生物生物量碳含量明顯高于>20～40 cm的土層，且上下層之間差異顯著(<0.05)，可見上層土壤有效養分含量明顯高于下層。就相同土層深度而言，土壤微生物生物量碳含量隨著林分密度的升高而降低，在0～20 cm土層上，D1、D2、D3、D4的土壤微生物生物量碳分別為120.53、101.98、86.49和76.70 mg·kg，各林分密度之間差異顯著(<0.05)；在>20～40 cm土層上，除D3和D4之間的土壤微生物生物量碳相差不顯著外，其他各林分密度之間差異顯著，這可能由于高密度的林分土壤有機碳流動較慢導致的。

圖2 林分密度對土壤微生物生物量碳的影響注：同一土層厚度不同小寫字母表示不同林分密度之間差異顯著(P<0.05)。

2.3 林分密度對側柏胸徑的影響

圖3所示，在相同的林分密度下，側柏株數隨著樹木胸徑的增大呈現先升高后降低的偏正態分布趨勢。從D1來看，側柏胸徑主要分布在>13～23 cm范圍上，占樹木總數的81.53%，其中>19～21 cm徑級的側柏株數最多，為樹木總數的20.13%，5～7 cm徑級的側柏株數最少為0。就D2、D3來看，側柏胸徑主要分布在>11～21 cm范圍上，分別為樹木總數的77.13%和76.94%，兩個林分密度之間相差不大，但是胸徑>25 cm的樹木D3明顯多于D2，為D2的1.25倍。當林分密度達到D4時，側柏胸徑分布在>7～19 cm范圍內的樹木明顯升高，為樹木總數的96.24%，其中，胸徑≤15 cm的樹木達到總數的68.85%，細樹明顯增多。

圖3 不同林分密度下側柏胸徑的分布

總體來看，林分密度越大，大徑級的側柏占比越低，小徑級側柏越多。這是林分密度增加造成的自疏現象。

2.4 林分密度對側柏樹高和冠幅的影響

林分密度影響樹木個體之間的營養空間，造成樹木在高度上的差異。圖4A所示，隨著林分密度的增加，側柏的樹高呈現先升高后降低的變化趨勢。其中林分密度1 725株·hm時，樹木平均樹高最大，為13.33 m；林分密度1 125株·hm最小，為11.48 m；D2和D4之間樹高差異不大，分別為12.41和12.22 m。可見隨著林分密度的升高，樹木之間的競爭作用增強，而林分密度達到1 725株·hm時，側柏之間的密度效應最強，而林分密度為1 725株·hm時，側柏樹高降低可能是因為個體之間的營養空間效應增強造成的。

圖4 林分密度對側柏樹高和冠幅的影響

樹冠是樹木進行光合作用的主要場所，是樹木在生長過程中反映長期競爭水平的重要指標，樹冠衰退會導致冠幅狹窄。冠幅常用于指導森林經營的生長指標。圖4B所示，側柏冠幅隨著林分密度的升高而降低，其中D1的樹木平均冠幅最大，D4的最小。D1側柏平均冠幅分別為D2、D3、D4的1.11、1.23和1.42倍，通過單因素方差分析可以看出，各林分密度之間差異顯著(<0.05)。可見，林分密度越大，樹冠越容易發生衰退現象。

3 討論與結論

林分密度對土壤碳含量產生一定的影響，土壤碳含量總體取決于土壤有機碳儲量。本研究中，側柏林土壤有機碳隨著林分密度的升高而降低，但當林分密度達到1 725株·hm，隨林分密度的增長差別不大，說明側柏低林分密度有利于土壤碳儲量的增加。本研究中下層土壤有機碳含量明顯低于上層，這與向慧敏等發現森林土壤碳隨土壤深度增加而降低的結果一致。有學者研究發現，土壤有機碳含量的變化可影響土壤微生物量碳的含量，本研究0～20 cm土層上，林分密度1 125、1 425、1 725和2 025株·hm的土壤微生物量碳的含量分別為120.53、101.98、86.49和76.70 mg·kg，隨著林分密度的升高顯著降低(<0.05)，這是否與土壤有機碳的降低有關還需要進一步研究。

樹木的生長是通過光合作用固定CO過程，樹木生長指標可在一定程度上反映樹木的固碳能力。本研究中，隨著林分密度的升高，大徑級的樹木株數占總樹木株數之比降低，小徑級增加，且林分密度越高冠幅越小，可見單株側柏固碳能力隨林分密度的升高而降低。就樹高而言，隨著林分密度的升高呈現先升高后降低的變化趨勢，當林分密度達1 725株·hm時樹高最大，密度效應最強，但結合樹木胸徑來看，此林分密度是否具有森林最大固碳能力還有待進一步研究。