林业科学  2013, Vol. 49 Issue (10): 1-6   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20131001
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文章信息

明安刚, 张治军, 谌红辉, 张显强, 陶怡, 苏勇
Ming Angang, Zhang Zhijun, Chen Honghui, Zhang Xianqiang, Tao Yi, Su Yong
抚育间伐对马尾松人工林生物量与碳贮量的影响
Effects of Thinning on the Biomass and Carbon Storage in Pinus massoniana Plantation
林业科学, 2013, 49(10): 1-6
Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(10): 1-6.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20131001

文章历史

收稿日期:2012-08-03
修回日期:2013-08-20

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明安刚
张治军
谌红辉
张显强
陶怡
苏勇

抚育间伐对马尾松人工林生物量与碳贮量的影响
明安刚1, 2, 张治军3, 谌红辉2, 张显强2, 陶怡2, 苏勇4    
1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091;
2. 中国林业科学研究院热带林业实验中心 凭祥 532600;
3. 国家林业局昆明勘察设计院 昆明 650216;
4. 南宁树木园南宁 530031
摘要:对广西大青山林区不同间伐强度下25年生马尾松人工林碳贮量进行研究。结果表明: 间伐措施有利于提高马尾松乔木层生物量和碳贮量,不利于林下地被物和凋落物生物量和碳的累积,重度、中度和轻度间伐下马尾松林乔木层碳贮量分别高出对照11.47%,11.78%和14.49%,林下植被层分别低于对照20.82%,19.80%和0.20%,凋落物层分别低于对照15.81%,2.87%和27.31%; 间伐对土壤层碳贮量和生态系统碳贮量总量无显著影响,但有降低土壤碳贮量和增加生态系统碳贮量总量的趋势,土壤碳贮量分别低于对照4.15%,1.83%和5.53%,生态系统碳贮量总量分别高出对照2.62%,4.19%和3.58%,但差异均未达到显著水平; 间伐措施对各器官碳贮量在乔木层的分配无显著影响,各处理均表现为树干(53.38%~60.12%)>树根(15.70%~16.74%)>树皮(12.88%~14.38%)>树枝(7.53%~9.12%)>树叶(2.27%~2.88%)。
关键词抚育间伐    马尾松    人工林    生物量    碳贮量    分配    
Effects of Thinning on the Biomass and Carbon Storage in Pinus massoniana Plantation
Ming Angang1, 2, Zhang Zhijun3, Chen Honghui2, Zhang Xianqiang2, Tao Yi2, Su Yong4     
1. Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091;
2. Experimental Center of Tropical Forestry, CAF Pingxiang 532600;
3. China Forest Exploration & Design Institute on Kunming Kunming 650216;
4. Nanning Arboretum Nanning 530031
Abstract: The biomass and carbon storage of 25-year-old Pinus massoniana plantations in different thinning intensities were investigated in the Daqingshan mountain in Guangxi. The results showed that thinning increased the biomass and carbon storage in tree layer, but decreased the biomass and carbon storage in the understory layer and litter layer. Carbon storage of tree layer with intensive thinning, intermediate thinning and mild thinning was greater than that of control by 11.47%, 11.78% and 14.49%, respectively. The understory layerhad less carbon storage than the control by 20.82%,19.80% and 0.20%, respectively. The litter layer had less carbon storage than the control by 15.81%,2.87%, and 27.31%, respectively. Thinning tended to decrease carbon storage in the soil layer while to increase the total carbon storage in the ecosystem. The soil carbon storage with various thinning intensities was less than that of control by 4.15%,1.83% and 5.53%, respectively, and the total carbon storage in the ecosystem was less that that of control by 2.62%, 4.19% and 3.58%, respectively. Thinning had no significant effect on the distribution of carbon storage in the tree layer, and different thinning intensities had the same distribution order, that is, stem (53.38%-60.12%) >root (15.70%-16.74%) >bark (12.88%-14.38%) >branch (7.53%-9.12%) >leaf (2.27%-2.88%).
Key words: thinning    Pinus massoniana    plantation    biomass    carbon storage    distribution    

抚育间伐作为森林培育的重要经营措施,对森林生态系统生态服务功能和演变过程有着重要影响,在改善林木生长环境、促进林木生长、提高林分生产力及林下植物多样性、改善土壤的理化性质、优化林分结构和提高人工林生态稳定性等方面发挥着重要作用(潘辉等,2003;段劼等,2010;谌红辉等,2010;Kammesheidt,1996;Niese et al.,1992;马履一等,2006;毛志宏等,2006;Paul,2002;Zarmorch et al.,2004;雷向东等,2005;曹云等,2005)。目前,国内外对抚育间伐的研究很多:杜纪山等(1996)李春明等(2003)研究了抚育间伐对林分生产力的影响;Jessica等(2007)Thomas等(1999)任立忠等(2000)徐扬等(2008)李春义等(2007)研究了抚育间伐对人工林植物多样性的影响;Edith等(2004)徐有明等(2002)研究了抚育间伐对林木材质的影响;熊有强等(1995)研究了不同间伐强度对杉木(Cunninghamia lanceolata)林林下植被发育及生物量的影响。这些研究集中在抚育间伐对林木生长、木材材性和林下植物多样性的影响上,而抚育间伐对人工林碳贮量的影响研究鲜有报道。

马尾松(Pinus massoniana)是我国南方主要工业用材树种之一,广泛分布在16个省区。间伐保留密度是否合理,不仅关系到林木的生长,影响经济效益,还关系到马尾松林下植物多样性、土壤养分和林分固碳能力,进而影响马尾松人工林生态服务功能和生态效益。因此,密度调控技术一直是人工林科学管理和可持续经营中的难点和热点。本研究在广西大青山林区开展不同间伐强度下马尾松人工林生物量和碳贮量的研究,旨在探明抚育间伐对马尾松人工林生物量与碳贮量的影响,为提高马尾松人工林固碳能力和马尾松人工林的科学经营和可持续发展提供参考。

1 研究区概况

研究区位于中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波实验场(106°52'32″E,22°01'58″N),属广西大青山林区,海拔545 m左右,坡度25°,年均气温19.9 ℃,年降雨量1 400 mm。该地区接近北热带北缘,属于南亚热带季风气候。土壤为花岗岩发育成的红壤,土壤厚度大于100 cm。

2 研究方法 2.1 试验设计

1983年春季,对杉木采伐迹地进行明火炼山、穴状整地后,用1年生马尾松裸根苗造林,株行距2 m×1 m,造林当年开始抚育,连续抚育3年,每年抚育2次。1991年春季,采用随机区组设计,开展间伐试验,设置重度、中度和轻度3个间伐强度和1个对照,共4个处理,重复4次,小区面积为1 hm2,间伐后,林分的保留密度分别为1 170,2 000,2 833和3 700株·hm-2。2008年9月,对4个处理分别选择3个重复,共12个小区,每个小区设4块20 m×30 m的调查样方,进行林分生物量及碳贮量的调查。

2.2 马尾松乔木生物量的测定

在对样地进行每木检尺的基础上,绘制乔木胸径分布图,根据径级分布图,以2 cm为一个径级,选取标准木8株,将标准木伐倒,测定干、皮、枝、叶的鲜质量,地下部分采用“全挖法”分主根和侧根2级分别测定鲜质量。各器官取分析样品200 g,带回实验室在80 ℃下烘干至恒质量,把各器官鲜质量换算成干质量。然后用相对生长法估算乔木层生物量。根据8株标准木的胸径、树高和各器官生物量的实测数据,分别建立样木各器官的生物量(W: kg)与胸径(D: cm)和树高(H: m)的相对生长方程(表 1),用以估测林分各器官的生物量。

表 1 各器官生物量相对生长方程 Tab.1 Biomass allometric equation of various organs
2.3 林下植被生物量及凋落物现存量的测定

按“梅花五点法”在每个固定样地布设5块1 m×1 m小样方,记录每个小样方内林下植物的种名,分地上和地下部分,采用“收获法”分别测定其鲜质量,同种植物的相同器官取混合样品,全部凋落物测定生物量,取混合样品烘干至恒质量后,计算出各组分的干质量。

2.4 土壤样品的采集

每个样地内选取具有典型性的地段设置3个土壤剖面,分出腐殖质层后,按照0~10,10~30和30~50 cm进行机械分层,先用便携式土壤水分仪(Hydrosense CS620,CD620)测定土壤体积含水率;再对各土层用环刀取样,每层3个重复,测定土壤密度;同层土壤取混合样。将土壤样品带回实验室风干,磨碎,过筛,装瓶用以测定土壤碳含量。

2.5 样品中碳含量及碳贮量的测定

植物及土壤碳含量均采用重铬酸钾-水合加热法测定,数据统计采用Excel和SPSS13.0软件包进行。植被碳贮量用单位面积生物量与碳含量的乘积估算;土壤碳贮量用土层厚度、土壤密度和各土层碳含量的乘积估算。

3 结果与分析 3.1 不同间伐强度下马尾松林乔木层生物量和碳贮量及其分配特征

对不同间伐强度下马尾松人工林乔木层生物量及碳贮量的测定结果显示(表 2),重度间伐、中度间伐、轻度间伐和对照区的马尾松林乔木层生物量分别为246.08,246.45,252.47和220.38 t·hm-2,乔木层碳贮量分别为120.92,121.26,124.20和108.48 t·hm-2。重度、中度和轻度间伐下马尾松林乔木生物量分别高出对照11.62%,11.83%和14.56%,碳贮量分别高出对照区11.47%,11.78%和14.49%,而在重度、中度和轻度间伐处理间,轻度间伐的乔木层生物量和碳贮量最大。从表 2还可以看出,除重度间伐的树皮生物量和碳贮量略小于对照外,不同间伐强度马尾松林各器官生物量和碳贮量均高于对照。可见,间伐措施有利于马尾松林乔木层生物量和碳贮量的提高,但对各器官生物量和碳贮量在乔木层的分配无显著影响。

表 2 不同间伐强度下乔木层碳贮量及分配特征 Tab.2 Biomass and carbon storage and their distribution under different thinning intensity

从乔木层各器官生物量和碳贮量的分配来看(表 2),4种间伐强度的马尾松林乔木层各器官生物量和碳贮量在乔木层的分配顺序基本相同,均以树干生物量和碳贮量的分配最大,碳贮量所占比例依次为58.38%,59.71%,59.57%和60.12%;其次是根系,分别为16.74%,15.98%,16.06%和15.70%,再次是树皮和树枝,树叶所占比例最小,各处理均小于3%。

3.2 不同间伐强度下马尾松林林下植被及凋落物层生物量与碳贮量

不同间伐强度下马尾松人工林林下植被生物量及凋落物现存量测定结果显示(表 3):重度和中度间伐林下植被层生物量和碳贮量均低于对照区,而轻度间伐与对照区接近,这与营林中间伐活动对林下植被带来的干扰有关,与对照相比,其他处理尚处在不同程度的恢复期。

表 3 不同间伐强度下林下植被及凋落物层生物量与碳贮量 Tab.3 Biomass and carbon storage of the understory layer and litter layer under different thinning intensity

而凋落物现存量与碳贮量的测定结果恰好与林下植被层相反,重度间伐和中度间伐下凋落物现存量与对照区接近,但轻度间伐下的凋落物现存量与碳贮量显著低于对照区(P<0.05)(表 3)。除轻度间伐外,其他处理间没有显著差异(P<0.05),表明间伐处理对凋落物现存量和碳贮量并无显著影响,轻度间伐导致凋落物现存量降低的原因还有待进一步研究。

3.3 不同间伐强度下马尾松人工林土壤碳贮量

土壤碳贮量测定结果表明(表 4),不同间伐强度马尾松林地土壤碳贮量间差异不显著(P>0.05),以对照最高,为(111.49±29.12)t·hm-2,中度间伐与对照无明显差异,为(109.45±18.86)t·hm-2,重度间伐和轻度间伐比较接近,分别为(106.86±20.67)和(105.33±26.19)t·hm-2。方差分析表明,不同间伐强度马尾松林地的相同土层碳贮量间差异也不显著(P>0.05),可见间伐措施对马尾松林下土壤碳贮量并无显著影响,但有降低土壤碳贮量的趋势,重度、中度和轻度间伐下马尾松林土壤碳贮量分别低于对照4.15%,1.83%和5.53%。

表 4 不同间伐强度下土壤碳贮量 Tab.4 Soil carbon storage under different thinning intensity
3.4 不同间伐强度下马尾松人工林生态系统总碳贮量

表 5可以看出,4种间伐强度的马尾松林生态系统碳贮量分别为235.76,239.37,237.97和229.74 t·hm-2,方差分析结果显示各间伐强度下马尾松林生态系统碳贮量总量与对照之间没有显著差异(P>0.05),但重度、中度和轻度间伐下马尾松林生态系统碳贮量总量分别高出对照2.62%,4.19%和3.58%,表现出间伐处理有利于提高马尾松林生态系统碳贮量总量的态势。

表 5 不同间伐强度下马尾松人工林生态系统各组分碳贮量 Tab.5 Carbon storage of Pinus massoniana plantation ecosystem under different thinning intensity

重度、中度和轻度间伐的马尾松林生态系统均以乔木层碳贮量最大,分别占总贮量的51.29%,50.66%和52.20%;其次是土壤层,分别占45.33%,45.72%和44.26%;林下植被层和凋落物层碳贮量最小,林下植被层分别占生态系统碳贮量的1.65%,1.64%和2.05%,凋落物层分别占1.74%,1.98%和1.49%;对照以土壤碳贮量最大,占48.53%,其次是乔木层,占47.22%,林下植被层与凋落物层最小并接近,分别占2.13%和2.12%。表明间伐处理对碳贮量在生态系统各组分中的分配产生明显的影响。

不同间伐强度林下各组分碳贮量均有所差异,3种间伐强度下马尾松乔木层碳贮量均显著高于对照,重度、中度和轻度间伐分别高出对照11.47%,11.78%和14.50;重度、中度和轻度间伐下林分土壤碳贮量分别低于对照4.15%,1.83%和5.53%,但差异不显著;而林下植被层和凋落物层碳贮量低于对照,重度、中度和轻度间伐的马尾松林林下植被层碳贮量分别低于对照20.82%,19.80%和0.20%,凋落物层分别低于对照15.81%,2.87%和27.31%。除轻度间伐林下植被碳贮量与对照差异不显著外,其他差异均达到显著水平(P<0.05)。由此可见,间伐处理有利于提高马尾松林乔木层碳贮量,而不利于林下地被物和土壤层碳的累积。

4 结论与讨论

重度、中度和轻度间伐及对照条件下马尾松林25年生时总碳贮量依次为235.76,239.37,237.97和229.74 t·hm-2,间伐处理能提高马尾松人工林生态系统碳贮量总量,但差异未达到显著水平。但需要指出的是:在对各处理碳贮量总量的测定和计量过程中,抚育间伐过程中被移除的碳贮量未计入碳贮量总量,因而,各间伐处理碳贮量实际值应高于本研究的测量值,但对照林碳贮量总量实际值与测量值一致。若考虑抚育间伐中移除的,间伐措施对马尾松人工林碳贮量的增加效应可能会更为显著。

间伐对马尾松人工林生态系统各组分碳贮量均有不同程度的影响。研究表明,间伐有利于提高乔木层碳贮量,重度、中度和轻度间伐马尾松林乔木层碳贮量分别高出对照区11.47%,11.78%和14.49%,乔木层碳贮量的升高,主要是间伐措施有利于马尾松林木的生长,提高了林分的生长量和生物量,各间伐处理间,以轻度间伐最有利于乔木层生物量和碳贮量的提高。间伐处理有利于提高林分生产力,这一结论在马尾松(谌红辉等,2010)、杉木(张水松等,2005)、巨尾桉(Eucalyptus gr and is×E.urophylla)(潘辉等,2003)和红锥(Castanopsis hystrix)(李江才,2003)等多个树种上均有不同程度的体现,采用适当的间伐处理或密度调控措施,以提高林木的生长量,进而提高林分乔木层生物量和碳贮量,是人工林增汇技术的一种有效途径。

研究结果显示,间伐强度对马尾松林各器官碳贮量在乔木层的分配没有显著影响,重度、中度和轻度间伐处理和对照处理乔木层均以树干碳贮量所占比例最大,分别为53.38%,59.71%,59.57%和60.12%,其次是根系,再次是树皮,然后是树枝,树叶所占比例最小。相比之下,重度间伐下林分乔木层碳贮量中,树干所占比例较小,主要是重度间伐下的林木光照充足,侧枝发达,增加了碳在枝叶上的累积,从而降低了主干在乔木生物量中的分配。

不同的间伐处理对马尾松林下土壤碳贮量并无显著影响,相比之下,各间伐处理下的土壤碳贮量低于对照,表明间伐措施有降低土壤碳贮量的可能,因而间伐虽然提高了林木生长量,但对林分生态系统碳贮量并无显著影响。间伐过程中,大量地移除木材及采伐剩余物,降低了枯落物在林地的蓄积,从而影响到土壤碳的输入,很可能是间伐降低土壤碳贮量的主要原因,但目前并不明确,需作进一步研究。

各处理马尾松林下植被碳贮量和凋落物碳贮量分别为3.88~4.90和4.10~4.87 t·hm-2,在生态系统碳贮量中所占的比例很小,仅为1.65% ~2.13%和1.74%~2.12%,但林下植被和凋落物对土壤碳贮量的积累和碳素在生态系统中的循环发挥着重要作用。研究结果表明,间伐对林下植被碳贮量和凋落物碳贮量的影响较为复杂,无明显规律,重度、中度间伐林下植被层生物量和碳贮量均低于对照区,而轻度间伐与对照区接近,这可能与营林中间伐活动对林下植被带来的干扰有关。除轻度间伐外,其他强度间伐林凋落物碳贮量与对照无显著差异。轻度间伐导致凋落物现存量的降低,原因还有待进一步研究。

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