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林地抚育对黔中地区杉木人工幼林生态系统碳储量的影响

刘延惠 丁访军 崔迎春 谢涛 马亨发 赵文君

刘延惠, 丁访军, 崔迎春, 谢涛, 马亨发, 赵文君. 林地抚育对黔中地区杉木人工幼林生态系统碳储量的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(1): 27-33. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021
引用本文: 刘延惠, 丁访军, 崔迎春, 谢涛, 马亨发, 赵文君. 林地抚育对黔中地区杉木人工幼林生态系统碳储量的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(1): 27-33. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021
LIU Yan-hui, DING Fang-jun, CUI Ying-chun, XIE Tao, MA Heng-fa, ZHAO Wen-jun. Effects of tending on carbon storage in the ecosystems of young Chinese fir plantations at the middle region of Guizhou Province, southwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(1): 27-33. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021
Citation: LIU Yan-hui, DING Fang-jun, CUI Ying-chun, XIE Tao, MA Heng-fa, ZHAO Wen-jun. Effects of tending on carbon storage in the ecosystems of young Chinese fir plantations at the middle region of Guizhou Province, southwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(1): 27-33. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021

林地抚育对黔中地区杉木人工幼林生态系统碳储量的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021
基金项目: 

贵州省人才团队建设项目 黔科合人才团队[2014]4004号

贵州省重大基础研究项目 黔科合JZ字[2014]200212

详细信息
    作者简介:

    刘延惠,博士,副研究员。主要研究方向:森林生态学。Email:liuyhgz@163.com  地址:550005  贵州省贵阳市南明区富源南路382号贵州省林业科学研究院

  • 中图分类号: S718.56

Effects of tending on carbon storage in the ecosystems of young Chinese fir plantations at the middle region of Guizhou Province, southwestern China

  • 摘要: 林地抚育(松土、割灌、锄草)是提高人工林林分成活率,促进林木生长的重要措施,但对其固碳功能的影响研究仍鲜见报道。本研究以杉木人工林为研究对象,分析了林地抚育(松土、割灌、锄草)对黔中地区杉木人工幼林生态系统碳储量及其组分(植被层、枯落物层、作为主根系层的0~60 cm土壤层的碳储量)的影响。结果表明:林地抚育使得杉木人工林林木的保存率、林分郁闭度、林木胸径、树高等均显著高于对照林分,林木单株生长的固碳能力大幅提高,其碳储量是对照林分的4.93倍。抚育杉木人工幼林生态系统的总碳储量(106.37 t/hm2)显著高于对照(78.61 t/hm2),其中植被碳库储量(26.07 t/hm2)是对照(4.64 t/hm2)的5.62倍,抚育后枯落物碳储量较对照高0.38 t/hm2。但是,林地抚育后表层土壤(0~10 cm)有机碳含量较对照下降5.44 g/kg,而10 cm以下土层较对照均表现为增加,土壤碳储量较对照总体增加3.30 t/hm2。因此,造林初期林地抚育可促进林木生长,提高植被、土壤和生态系统的碳储量,显著增强杉木幼龄林的碳汇功能。
  • 表  1  抚育和未抚育的人工杉木幼林基本特征比较

    Table  1.   Comparison in basic properties of tended stands (TS) and non-tended stands (CK) Chinese fir young plantations

    处理
    Treatment
    保存率
    Survival rate
    郁闭度
    Canopy density
    林分密度/(株·hm-2)
    Stand density/(tree·ha-1)
    灌木盖度
    Shrub coverage/%
    草本盖度
    Herb coverage/%
    胸径
    DBH/cm
    树高
    Tree height/m
    枝下高
    Under branch height/m
    冠幅
    Crown width/m
    高径比
    Height-DBH ratio
    TS0.84(0.05)**0.83(0.06)*2 858.33(411.05)**10.33(8.08)8.33(2.89)*9.02(1.60)*5.83(0.72)*1.71(0.25)**2.31(0.33)6.46(2.7)
    CK0.41(0.13)0.27(0.06)1 808.33(602.25)25.00(8.66)76.67(15.28)4.04(1.35)3.08(0.86)0.78(0.21)1.63(0.39)7.62(1.1)
    差值Difference0.430.571 050.00-14.67-68.334.992.750.930.68-0.26
    平均Mean0.630.552 333.3317.6742.506.534.461.241.970.81
    注:TS为抚育林分;CK为未抚育林分;括号内的值为均值的标准误;**为抚育和对照组间差异极显著(P<0.01),*为差异显著(P<0.05)。下同。Notes: TS means tended stands;CK means untended stands (control);The value in parentheses is stand error of mean;** means very significant difference (P<0.01) between TS and CK;* means significant difference (P<0.05) between TS and CK. The same below.
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    表  2  抚育和未抚育人工杉木幼林碳储量比较

    Table  2.   Comparison in individual tree carbon storage of Chinese fir young plantations between TS and CK

    处理
    Treatment
    叶Leaf枝Branch干Trunk根Root单株碳储量/(kg·株-1)
    Individual tree carbon storage/(kg·tree-1)
    碳储量
    Carbon storage/kg
    比例
    Percentage/%
    碳储量
    Carbon storage/kg
    比例
    Percentage/%
    碳储量
    Carbon storage/kg
    比例Percentage/%碳储量
    Carbon storage/kg
    比例
    Percentage/%
    TS1.48(0.26)**15.151.29(0.19)**13.175.53(1.55)**56.601.72(0.33)**17.649.77(1.55)**
    CK0.27(0.09)13.640.28(0.10)14.141.19(0.78)60.270.29(0.11)14.481.98(0.73)
    差值Difference1.211.511.01-0.974.34-3.671.443.167.79
    平均Mean0.8810.140.789.073.3638.941.0111.645.88
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    表  3  抚育和未抚育的人工杉木幼林植被碳密度比较

    Table  3.   Comparison in vegetation carbon density of Chinese fir young plantations between TS and CK

    处理
    Treatment
    乔木层Tree layer灌木层Shrub layer草本层Herb layer植被碳密度/(t·hm-2)Vegetation carbon density/(t·ha-1)
    碳密度/(t·hm-2)
    Carbon density/(t·ha-1)
    比例
    Percentage/%
    碳密度/(t·hm-2)
    Carbon density/(t·ha-1)
    比例
    Percentage/%
    碳密度/(t·hm-2)
    Carbon density/(t·ha-1)
    比例
    Percentage/%
    TS27.36(4.10)**98.740.27(0.09)0.960.10(0.06)0.3027.73(4.13)**
    CK2.74(1.79)75.550.79(0.46)21.690.12(0.10)2.763.65(1.51)
    差值Difference24.6223.19-0.52-20.73-0.02-2.4624.08
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    表  4  抚育及未抚育人工杉木幼林土壤有机碳含量及有机碳密度比较

    Table  4.   Comparison in soil organic carbon concentration and carbon density of Chinese fir young plantations between TS and CK

    土层
    Soil layer/cm
    土壤有机碳含量
    Soil organic carbon content/(g·kg-1)
    土壤碳密度/(t·hm-2)
    Soil organic carbon density/(t·ha-1)
    CKTS抚育后变化量
    Difference after tending
    CKTS抚育后变化量
    Difference after tending
    0~1024.0418.60-5.4427.0421.05-5.99
    10~2012.4314.231.8015.9119.073.16
    20~406.847.110.2718.2520.312.06
    40~604.425.751.3312.8516.934.08
    0~6011.9311.42-0.5174.0677.353.30
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    表  5  抚育及未抚育人工杉木幼林生态系统碳储量

    Table  5.   Carbon storage of TS and CK of Chinese fir young plantation ecosystems

    处理
    Treatment
    植被碳密度
    Vegetation carbon density
    枯落物碳密度
    Litter carbon density
    土壤有机碳密度
    Soil organic carbon density
    生态系统碳储量/(t·hm-2)
    Carbon storage of ecosystem/(t·ha-1)
    碳密度/(t·hm-2)
    Carbon density/(t·ha-1)
    比例
    Percentage/%
    碳密度/(t·hm-2)
    Carbon density/(t·ha-1)
    比例
    Percentage/%
    碳密度/(t·hm-2)
    Carbon density/(t·ha-1)
    比例
    Percentage/%
    TS27.73(4.13)26.071.29(0.52)1.2077.35(8.17)72.71106.37**
    CK3.65(1.51)4.640.91(0.73)1.1674.06(3.30)94.2078.61
    差值Difference24.080.383.3027.76
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-01-15
  • 修回日期:  2016-06-24
  • 刊出日期:  2017-01-01

林地抚育对黔中地区杉木人工幼林生态系统碳储量的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021
    基金项目:

    贵州省人才团队建设项目 黔科合人才团队[2014]4004号

    贵州省重大基础研究项目 黔科合JZ字[2014]200212

    作者简介:

    刘延惠,博士,副研究员。主要研究方向:森林生态学。Email:liuyhgz@163.com  地址:550005  贵州省贵阳市南明区富源南路382号贵州省林业科学研究院

  • 中图分类号: S718.56

摘要: 林地抚育(松土、割灌、锄草)是提高人工林林分成活率,促进林木生长的重要措施,但对其固碳功能的影响研究仍鲜见报道。本研究以杉木人工林为研究对象,分析了林地抚育(松土、割灌、锄草)对黔中地区杉木人工幼林生态系统碳储量及其组分(植被层、枯落物层、作为主根系层的0~60 cm土壤层的碳储量)的影响。结果表明:林地抚育使得杉木人工林林木的保存率、林分郁闭度、林木胸径、树高等均显著高于对照林分,林木单株生长的固碳能力大幅提高,其碳储量是对照林分的4.93倍。抚育杉木人工幼林生态系统的总碳储量(106.37 t/hm2)显著高于对照(78.61 t/hm2),其中植被碳库储量(26.07 t/hm2)是对照(4.64 t/hm2)的5.62倍,抚育后枯落物碳储量较对照高0.38 t/hm2。但是,林地抚育后表层土壤(0~10 cm)有机碳含量较对照下降5.44 g/kg,而10 cm以下土层较对照均表现为增加,土壤碳储量较对照总体增加3.30 t/hm2。因此,造林初期林地抚育可促进林木生长,提高植被、土壤和生态系统的碳储量,显著增强杉木幼龄林的碳汇功能。

English Abstract

刘延惠, 丁访军, 崔迎春, 谢涛, 马亨发, 赵文君. 林地抚育对黔中地区杉木人工幼林生态系统碳储量的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(1): 27-33. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021
引用本文: 刘延惠, 丁访军, 崔迎春, 谢涛, 马亨发, 赵文君. 林地抚育对黔中地区杉木人工幼林生态系统碳储量的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(1): 27-33. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021
LIU Yan-hui, DING Fang-jun, CUI Ying-chun, XIE Tao, MA Heng-fa, ZHAO Wen-jun. Effects of tending on carbon storage in the ecosystems of young Chinese fir plantations at the middle region of Guizhou Province, southwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(1): 27-33. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021
Citation: LIU Yan-hui, DING Fang-jun, CUI Ying-chun, XIE Tao, MA Heng-fa, ZHAO Wen-jun. Effects of tending on carbon storage in the ecosystems of young Chinese fir plantations at the middle region of Guizhou Province, southwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(1): 27-33. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160021
  • 森林生态系统作为陆地生态系统的主体,在全球碳循环中起着重要作用[1]。森林在减缓温室气体排放和应对全球变化方面发挥着重要作用。通过造林和森林经营等增加森林碳汇,是应对全球气候变化的主要途径。加强森林保育和管理,促进林木生长,增加森林土壤碳积累,是促进森林碳减排增汇的主要措施。我国是世界上人工林面积最大的国家,占全球人工林面积的近50%,20世纪70年代至1998年我国人工林碳汇增加达0.021 Pg/a[2]。因此,研究中国森林碳减排增汇,特别是人工林的碳减排增汇对于准确认识中国森林固碳能力具有重要意义。

    人工林是人为干扰强烈的森林生态系统,在人工林不同阶段,通过松土、施肥、林下植被清理、间伐等抚育措施,可促进林木生长。已有的研究表明,这些人为活动在提高人工林生产力的同时,也改变了土壤结构[3]、土壤肥力、森林地被物、林内环境的温度、湿度和微生物活动等,进而影响人工林的生长、固碳、凋落物分解、土壤呼吸[4-7]等过程,最终影响到人工林的碳储量。土壤有机碳积累速率、碳库储量依赖于气候、土壤、树种、森林经营间的相互作用以及优势树种凋落物的化学组分,精细整地、施肥、灌溉及速生树种、氮及微量元素等均可增强土壤固碳[8]。因此开展人工林经营活动对其固碳能力和碳储量的影响,对于提高人工林经营管理水平,增强人工林碳汇有重要意义。当前,关于森林抚育对人工林碳库影响的研究多集中于间伐及间伐强度、采伐剩余物管理、施肥等对人工林碳库的影响,对造林初期的林地抚育影响人工林碳库的研究很少,仅限于桉树(Eucalyptus)人工林、樟树(Cinnamomum camphora)人工林、毛竹(phyllostachy edulis)林等少数人工林型。杉木(Cunninghamia lanceolata)是广泛分布于我国南方的重要用材树种,其经营措施与林分碳库关系的研究,当前主要从间伐等角度对其植被、土壤碳库影响开展得较多。林地抚育作为人工林管理的主要措施之一,其对杉木人工林生态系统碳库影响的研究还鲜见报导。本研究通过比较在造林初期进行了抚育和未抚育的2组人工杉木幼龄林,分析林木生长、各层植被活体、死地被物的生物量碳、土壤有机碳含量的差异,分析林地抚育措施对杉木人工幼林生态系统植被生物量碳库和土壤有机碳库的影响,旨在为喀斯特地区以提高森林碳汇为目的的人工林经营管理提供科学依据。

    • 研究地点位于贵州中部的开阳县,26°55′50″~26°57′14″N、107°06′24″~107°08′03″E,海拔1 133~1 258 m。该区属亚热带季风气候区,年平均气温12 ℃,1月最低气温-8 ℃,7月最高气温36 ℃,全年无霜期平均276.5 d,年降雨量1 179.3~1 194.15 mm。出露岩石为碳酸盐岩,土壤为由覆盖在碳酸盐岩上的砂页岩发育的山地黄壤。杉木人工林造于2003年,现处于幼龄阶段。林下植被主要有茅栗(Castanea seguinii)、珍珠荚蒾(Viburnum foetidum var. ceanothoides)、铁仔(Myrsine africana)、琴叶悬钩子(Rubus panduratus)和山胡椒(Lindera setchuenensis)等灌木,草本植物主要为荩草(Arthraxon hispidus)、狗脊蕨(Woodwardia japonica)等。

    • 以人工杉木幼龄林为研究对象。为比较林地抚育对杉木人工林生长和林分碳储量的影响,在造林初期的前3年,每年对林地进行割灌、锄草和松土抚育,同时保留了部分林地未进行抚育措施作为对照。2013年12月,杉木林林龄为10年,在实验区内选择3块抚育过的杉木幼龄林设置样地作为抚育组(TS), 另在林区内的相邻且未经过抚育的杉木人工,也选择3块设置抚育处理的对照样地组(CK)。2组共6块样地均于2003年进行全垦整地植苗造林,造林初植密度均为3 333株/hm2。造林当年苗木成活率和保存率一致。2组样地立地条件相似,海拔在1 133~1 230 m。坡向均为半阴坡(东北坡及西北坡),样地间空间距离不超过1.5 km。为充分反映人工杉木幼龄林乔木、灌木和草本层植被特征,样地大小均设置20 m×20 m。

      样地植被调查。在各样地的中心位置用GPS测定并记录地理坐标和海拔,用罗盘仪测定样地坡度和坡向,目测乔木层郁闭度和灌木层、草本层植被覆盖度。对样地内乔木层胸径大于或等于4 cm的乔木逐株调查,测量胸径、树高、枝下高、冠幅。胸径小于4 cm的乔木计入林下灌木层调查。林下灌木层和草本层各设置3个样方分别调查。灌木样方设于样地中心及2个对角处,大小为5 m×5 m。草本层样方视样地内草本植被的生长分布情况,选择3个典型地块(草本盖度分别代表样地内的高、中和低3个水平)设置草本大小为1 m×1 m样方。在灌木样方内调查灌木的种类和数量,测量灌木地径、株高和冠幅。在草本样方内调查草本植物的种类、高度和多度等。

      土壤调查、取样及样品分析。在沿样地对角线,等距选择3处地块,挖掘土壤剖面,按0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm进行机械分层,分别对各层土壤用环刀进行原状土柱取样,进行土壤密度和持水性能的测定。分层取土壤样品带回实验室,测定土壤有机碳含量,土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[9]

      以单位林地面积各组分(乔木层植被、灌木层植被、草本层植被、枯落物层、土壤层)的碳储量,即碳密度(t/hm2)表征碳储量。植被碳密度用单位林地面积(hm2)各层植被的器官生物量(t)与器官含碳率(%)乘积累计计算。其中乔木层各器官生物量用样地调查所获取的每木胸径、树高和林木株数等参数,利用杉木各器官(干、枝、叶、根)生物量方程[9]计算得到。灌木层生物量的获取是通过对区域内主要灌木种进行整株采样,分别测定灌木器官(枝干、叶、根)生物量,建立混合种的器官生物量模型,结合灌木样方调查获取的灌木数量、地径等参数计算得到。草本层生物量采用收获法,对草本样方内全部植株的地上、地下部分收获后烘干称质量得到。用文献[10]杉木林各层植被的植物器官含碳率参数,将各层植被的生物量转换为碳密度。

      杉木个体碳密度计算:

      $$ {\text{T}}{{\text{C}}_{\text{d}}}{\text{ = }}\sum\limits_{i = 1}^n {{w_i}{C_j}} $$ (1)

      式中:TCd是杉木个体碳密度,t/hm2j是杉木的器官类别;wi为第i株杉木个体的第j类器官的生物量,kg;Cj是第j类器官的含碳率,%。

      植被碳密度计算:

      $$ {\text{V}}{{\text{C}}_{\text{d}}} = \sum\limits_{j = 1}^n {\frac{{\sum\limits_{k = 1}^m {({W_{jk}}{C_{jk}})} }}{{{A_j}}}} $$ (2)

      式中:VCd为植被碳密度,t/hm2jk分别为植被层次和植被器官类别,Wjk为第j层植被的第k类植物器官生物量,kg;Cjk为第j层植被的第k类植物器官含碳率,%;Aj为第j层植被样地(或样方)面积,hm2

      土壤及生态系统的碳储量计算详见文献[11]。

      用Excel进行数据处理,用统计分析软件SPSS 19.0进行数据单因素方差分析等统计分析。

    • 表 1是抚育组和对照组林分结构及林木生长差异。由表 1可见,在达到10年林龄时,经抚育和未经抚育的人工杉木林,表现出林分结构和林木生长方面的明显差异。方差分析显示,2组样地的林木保存率、林分密度和枝下高达到差异极显著水平。抚育后的杉木幼林保存率达到84%,较未抚育样地提高了43%。未经抚育的林分,因幼树保存率低(0.41),导致林木稀疏,林分郁闭度(0.27)大幅低于抚育林分(0.83),因此为林下植被生长提供差异明显的生境。抚育后的样地林下灌木层和草本层植被盖度均显著低于未抚育幼林,分别较未抚育幼林下降14.67%和68.34%。

      表 1  抚育和未抚育的人工杉木幼林基本特征比较

      Table 1.  Comparison in basic properties of tended stands (TS) and non-tended stands (CK) Chinese fir young plantations

      处理
      Treatment
      保存率
      Survival rate
      郁闭度
      Canopy density
      林分密度/(株·hm-2)
      Stand density/(tree·ha-1)
      灌木盖度
      Shrub coverage/%
      草本盖度
      Herb coverage/%
      胸径
      DBH/cm
      树高
      Tree height/m
      枝下高
      Under branch height/m
      冠幅
      Crown width/m
      高径比
      Height-DBH ratio
      TS0.84(0.05)**0.83(0.06)*2 858.33(411.05)**10.33(8.08)8.33(2.89)*9.02(1.60)*5.83(0.72)*1.71(0.25)**2.31(0.33)6.46(2.7)
      CK0.41(0.13)0.27(0.06)1 808.33(602.25)25.00(8.66)76.67(15.28)4.04(1.35)3.08(0.86)0.78(0.21)1.63(0.39)7.62(1.1)
      差值Difference0.430.571 050.00-14.67-68.334.992.750.930.68-0.26
      平均Mean0.630.552 333.3317.6742.506.534.461.241.970.81
      注:TS为抚育林分;CK为未抚育林分;括号内的值为均值的标准误;**为抚育和对照组间差异极显著(P<0.01),*为差异显著(P<0.05)。下同。Notes: TS means tended stands;CK means untended stands (control);The value in parentheses is stand error of mean;** means very significant difference (P<0.01) between TS and CK;* means significant difference (P<0.05) between TS and CK. The same below.

      抚育样地的林木生长明显优于对照样地,其树高、胸径、冠幅等各项指标均高于对照组(表 1)。其中,林木胸径增幅最明显,抚育样地林木平均胸径(9.02 cm),是对照样地(4.04 cm)的2.23倍。抚育样地林木平均树高(5.83 m)比对照(3.08 m)增加了2.75 m。抚育样地(TS)的林木枝下高(1.71 m)较未抚育样地林木(0.78 m)增加0.93 m,可见抚育后的林木自然整枝明显优于未抚育林分。高径比反映林木形态和林木高径生长速率间的差异,高径比的不同还可反映树木对风雪等灾害的抵抗力,对照组的林木高径比(9.4)大幅高于抚育组林木(6.8)。抚育组林木平均冠幅(2.31 m)高于对照组(1.63 m),是对照组的1.42倍,但2组差异不显著。

    • 表 2可见,抚育组的平均单株林木碳储量与对照组差异极显著(P<0.01),抚育组单株林木碳储量(9.77±1.55) kg是对照组(1.98±0.73) kg的近5倍。幼林阶段的抚育不仅影响了林木的固碳能力,还改变了林木碳储量在各器官间的分配格局。抚育组林木各器官的碳储量(kg/株)表现为:干(5.53)>根(1.72)>叶(1.48)>枝(1.29),对照组林木器官碳储量(kg/株)则表现为:干(1.19)>根(0.29)>枝(0.28)>叶(0.27)。林木碳储量总体表现为:抚育组树干的碳分配比例(56.60%)较对照组(60.27%)下降3.67%,枝的碳分配比例(13.17%)较对照组(14.14%)下降0.97%,而抚育组光合器官叶和水分养分吸收器官根的碳分配比例较对照组有所增加,其中叶的碳分配比例提高了1.51%,根的碳分配比例增加3.16%。

      表 2  抚育和未抚育人工杉木幼林碳储量比较

      Table 2.  Comparison in individual tree carbon storage of Chinese fir young plantations between TS and CK

      处理
      Treatment
      叶Leaf枝Branch干Trunk根Root单株碳储量/(kg·株-1)
      Individual tree carbon storage/(kg·tree-1)
      碳储量
      Carbon storage/kg
      比例
      Percentage/%
      碳储量
      Carbon storage/kg
      比例
      Percentage/%
      碳储量
      Carbon storage/kg
      比例Percentage/%碳储量
      Carbon storage/kg
      比例
      Percentage/%
      TS1.48(0.26)**15.151.29(0.19)**13.175.53(1.55)**56.601.72(0.33)**17.649.77(1.55)**
      CK0.27(0.09)13.640.28(0.10)14.141.19(0.78)60.270.29(0.11)14.481.98(0.73)
      差值Difference1.211.511.01-0.974.34-3.671.443.167.79
      平均Mean0.8810.140.789.073.3638.941.0111.645.88
    • 表 3是抚育样地和对照样地的乔木、灌木和草本各层植被的碳密度及其分配比例。结果表明:抚育组植被碳密度(27.73±4.13) t/hm2远大于对照组(3.65 ±1.51) t/hm2,抚育样地植被碳密度约为对照样地的10倍。其中,乔木层碳密度较对照增加了24.62 t/hm2;但灌木层和草本层碳密度较对照组均有所下降,其中灌木层碳密度较对照组减少0.52 t/hm2,草本层碳密度降幅较小,下降0.02 t/hm2。从植被碳储量的分配格局来看,抚育样地乔木、灌木和草本各层植被碳储量的分配比例分别为98.74%、0.96%和0.30%,对照组相应各层碳储量比例为75.55%、21.69%和2.76%,总体表现为抚育后乔木层的碳密度及其对植被碳库的贡献均大幅增加,而灌木层和草本层碳密度及其贡献均有所下降。

      表 3  抚育和未抚育的人工杉木幼林植被碳密度比较

      Table 3.  Comparison in vegetation carbon density of Chinese fir young plantations between TS and CK

      处理
      Treatment
      乔木层Tree layer灌木层Shrub layer草本层Herb layer植被碳密度/(t·hm-2)Vegetation carbon density/(t·ha-1)
      碳密度/(t·hm-2)
      Carbon density/(t·ha-1)
      比例
      Percentage/%
      碳密度/(t·hm-2)
      Carbon density/(t·ha-1)
      比例
      Percentage/%
      碳密度/(t·hm-2)
      Carbon density/(t·ha-1)
      比例
      Percentage/%
      TS27.36(4.10)**98.740.27(0.09)0.960.10(0.06)0.3027.73(4.13)**
      CK2.74(1.79)75.550.79(0.46)21.690.12(0.10)2.763.65(1.51)
      差值Difference24.6223.19-0.52-20.73-0.02-2.4624.08
    • 抚育后,各土层土壤有机碳含量较对照组呈不同程度的变化(见表 4),除表层土壤(0~10 cm)有机碳含量较未抚育林地有所下降(降幅5.44 g/kg), 中下层土壤(10 cm以下)较对照林分的土壤有机碳含量均有所增加,10~20 cm、20~40 cm和40~60 cm各层土壤有机碳含量相对未抚育林地提高了1.80、0.27和1.33 g/kg,0~60 cm矿质土层平均有机碳含量较对照组减少了0.51 g/kg。相应地,土壤有机碳密度也表现出相似的趋势,即抚育后表层土壤(0~10 cm)有机碳密度下降了5.99 t/hm2, 而10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm各层有机碳密度分别增加了3.16、2.06、4.08 t/hm2, 增幅分别为19.86%、11.29%和31.75%。整个矿质土壤层的有机碳密度较未抚育林地增加3.30 t/hm2

      表 4  抚育及未抚育人工杉木幼林土壤有机碳含量及有机碳密度比较

      Table 4.  Comparison in soil organic carbon concentration and carbon density of Chinese fir young plantations between TS and CK

      土层
      Soil layer/cm
      土壤有机碳含量
      Soil organic carbon content/(g·kg-1)
      土壤碳密度/(t·hm-2)
      Soil organic carbon density/(t·ha-1)
      CKTS抚育后变化量
      Difference after tending
      CKTS抚育后变化量
      Difference after tending
      0~1024.0418.60-5.4427.0421.05-5.99
      10~2012.4314.231.8015.9119.073.16
      20~406.847.110.2718.2520.312.06
      40~604.425.751.3312.8516.934.08
      0~6011.9311.42-0.5174.0677.353.30
    • 表 5是抚育和未抚育的杉木人工幼林生态系统碳密度及其各组分(植被、枯落物、土壤)碳密度的比较。由表 5可见,抚育后的杉木人工幼林生态系统碳密度(106.37 t/hm2)较对照生态系统(78.61 t/hm2)增加了27.76 t/hm2;其中植被碳密度增幅最大,增加659.73%,枯落物层碳密度增加了41.76%,土壤有机碳密度提高了4.44%。抚育和对照人工杉木幼林生态系统碳库构成中,各层碳密度的贡献均表现为:土壤>植被>枯落物。抚育后,植被碳密度对其生态系统碳库的贡献由对照组4.64%的贡献率增至26.07%,而土壤有机碳密度的贡献则由94.20%降至72.71%,枯落物的贡献率变化不大。

      表 5  抚育及未抚育人工杉木幼林生态系统碳储量

      Table 5.  Carbon storage of TS and CK of Chinese fir young plantation ecosystems

      处理
      Treatment
      植被碳密度
      Vegetation carbon density
      枯落物碳密度
      Litter carbon density
      土壤有机碳密度
      Soil organic carbon density
      生态系统碳储量/(t·hm-2)
      Carbon storage of ecosystem/(t·ha-1)
      碳密度/(t·hm-2)
      Carbon density/(t·ha-1)
      比例
      Percentage/%
      碳密度/(t·hm-2)
      Carbon density/(t·ha-1)
      比例
      Percentage/%
      碳密度/(t·hm-2)
      Carbon density/(t·ha-1)
      比例
      Percentage/%
      TS27.73(4.13)26.071.29(0.52)1.2077.35(8.17)72.71106.37**
      CK3.65(1.51)4.640.91(0.73)1.1674.06(3.30)94.2078.61
      差值Difference24.080.383.3027.76
    • 本研究中,人工杉木幼林林地抚育对林分结构、林木生长和树形、林下生境均产生了一定影响。林下植被清理提高了林木保存率、促进了林木生长,增强了林木固碳能力,增加了单株林木的碳储量,与已有研究结果基本一致[13-16]。林地抚育改变了林木生境,促进林分郁闭,改变林下光照及水热条件,降低了林下灌木层和草本层的生长,以减少其对林木的资源竞争,增强了林木的生长固碳能力。林地抚育不仅增加了林木高生长和胸径生长,还改变的林木形态,促进了杉木自然整枝,改变了林地的空间结构,使林木的树高/胸径值下降,有利于增强林木的对风雪灾害的抵御能力。

      林地抚育在增加植被总碳储量的同时,还改变了林分植被碳储量的分配格局。表现为增加了乔木层植被碳储量的分配比例,降低了林下植被(灌木层和草本层)的分配比例,林下植被碳储量降至植被总碳库的2%。这将影响林分植被所固定的碳随林产品转移的去向和留存时间。乔木层的林木,更多地应用于制作家具、板材等产品,其固存碳转移到该类林产品,留存的时间更长。而灌木主要用于薪材或随着林分生长而自然死亡后凋落、分解,其所固存的碳保存时间相对于乔木层的留存时间较短。因此林地抚育从提高了乔木层碳储量大小及植被碳库中乔木层碳库的比例2个方面,增加林分的植被碳储量并延长固存碳的留存时间,从而增强林分的固碳潜力。

      通常认为森林抚育对人工林土壤碳库的影响持续时间较短。本研究表明在造林10年后,抚育后的林分与对照林分的土壤有机碳含量存在差异,但并不显著,表明抚育对杉木林土壤碳库的影响正在减弱。尽管抚育后的杉木幼林土壤(0~60 cm)碳密度(77.35 t/hm2)高于未抚育林地(74.06 t/hm2),但其表层土壤(0~10 cm)有机碳含量(18.6 g/kg)和碳密度(21.05 t/hm2)仍低于对照样地(24.04 g/kg, 27.04 t/hm2)。究其原因,一方面可能是缘于林地抚育过程中对表层土壤扰动,破坏了土壤结构而加快了土壤的碳排放,使林地矿质土壤因地表有机物清除或扰动而暴露[17],整地导致土壤碳的净损失增加[18]。另一方面是由于林下植被砍伐后,相对于针叶而言更容易分解的阔叶树种凋落物(灌木和草本)数量减少,减少向土壤的碳源输入所致[14]。Motavalli等[19]在热带次生林的研究也发现相似结果:林地地上植被清除325 d后,土壤总有机碳含量较对照(次生林)小幅增加,但其土壤颗粒有机碳含量呈大幅减少。Shan等[15]在美国东南部的湿地松(Pinus elliottii)林研究也发现,林下植被清除后,提高了林木生物量、枯落物存量,但降低了土壤碳储量,也改变土壤微生物,加快土壤有机质的分解。与表层土壤不同,其余土层土壤有机碳含量和碳储量在抚育后均未降反增,一方面是下层土壤大林地抚育时未受扰动,另一方面因为抚育促进了杉木的生长,相应的其地表根系的生物量也远高于未抚育林地,根系及其周围生长的真菌是土壤有机碳的重要来源[20]。Busse等[13]对美国黄松(Pinus ponderosa)林的研究结果也表现出林下植被的保留增加了上层土壤的有机碳和全氮含量。本研究中,抚育对杉木人工幼林生态系统碳储量的影响结果与吴亚丛等[21]的樟人工林研究结果相似:即抚育后的人工林植被碳储量高于未抚育林分,但其土壤表层碳储量较后者低。

      综上所述,研究区造林初期的林地抚育促进了杉木幼林的林木生长及其固碳能力,增加了林分植被的碳储量,尤其是增加了乔木层的碳储量及其在植被碳库中的比例;增加了林地枯落物碳储量和土壤碳储量,提高了杉木人工幼林生态系统的碳储量。尽管林地抚育可促进杉木人工林固碳,但投入的人工成本较高,应因地制宜,对杉木幼树周围进行适度抚育。

参考文献 (21)

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