2014, Vol. 50
文章信息
- 戎建涛, 何友均
- Rong Jiantao, He Youjun
- 不同森林经营模式对丹清河林场天然次生林碳贮量的影响
- Effects of Different Forest Management Regimes on Carbon Stock in Natural Secondary Forests at Danqinghe Forestry Farm
- 林业科学, 2014, 50(9): 26-35
- Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(9): 26-35.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140904
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文章历史
- 收稿日期：2013-10-14
- 修回日期：2014-06-04
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作者相关文章
2. 中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091；
3. 中国林业科学研究院林业科技信息研究所 北京 100091
2. Institute of Forest Resources Information Techniques, CAF Beijing 100091;
3. Research Institute of Forestry Policy and Information, CAF Beijing 100091
森林是陆地生态系统的主体，包含陆地生态系统地上碳库的80%和地下碳库的40%，含碳量高达638 Gt(FAO，2005)，并在全球气候变化和减少大气CO2含量过程中发挥着重要作用(Huston et al.，2003；Hoover et al.，2012)。国内外学者对森林中的碳做过大量研究(Post et al.，1982；White et al.，2000；方精云等，2001a; 2001b；Goodale et al.，2002)，结果表明北半球中高纬度的森林具有很高的碳吸收潜力，在固碳释氧、减缓气候变暖、维护全球碳平衡等方面起着重要作用(Dixon et al.，1994；Malhi et al.，1999；Jastrow et al.，2005)。我国东北地区森林面积和蓄积量均占全国总量的1/3以上，在全国和区域碳平衡中起着至关重要的作用(周玉荣等，2000；Wang，2006)。同时东北地区也是我国气候变化最明显、植被对气候变化响应最敏感的地带(杨金艳等，2005；于立忠等，2006)。近十多年来，对东北地区森林生物量和碳贮量的研究主要集中在森林生物量、碳贮量估算及其空间格局分析上：王效科等(2000)推算了东北地区近50年来森林植被碳库及其动态变化，为评价东北森林碳汇功能提供了依据；于颖等(2012)利用东北林区标准地调查数据及乔、灌、草生物量模型，计算了不同尺度上的森林生物量和碳贮量，并分析了不同森林尺度碳含率的变化情况；张全智等(2010)采用样地清查和异速生长方程法测定了东北帽儿山地区林龄相近的6种典型森林类型碳密度和碳分布格局；李婉姝等(2010)利用样带网格调查法和标准木解析法，研究了小兴安岭地区不同天然沼泽林生产力与植被碳密度。
近年来，人们越来越重视自然和人为干扰对森林碳贮量影响机制的研究： Kauffmank等(2009)分析了土地利用变化对森林碳贮量动态的影响；方晰(2010)研究了间伐对杉木(Cunninghamia lanceolata)林生态系统碳贮量及其空间分配格局的影响；邓华卫等(2012)运用空间景观模型模拟了采伐模式和无采伐2个预案下小兴安岭林区森林碳贮量及其主要树种碳贮量200年间的动态变化；叶雨静等(2011)以长白山林区地带性植被阔叶红松(Pinus koraiensis)林为对象，将采伐木按使用方式进行分类，通过调查采伐前后乔木组成的变化及采伐木实际排放情况，研究了采伐前后森林碳贮量的动态变化；王海燕等(2009)以东北近自然落叶松(Larix gmelinii)、云杉(Picea asperata)和冷杉(Abies fabri)林为研究对象，分析了不同采伐强度对林地土壤各个层次有机碳和有机碳密度影响，以及土壤有机碳与pH，N，P，K全量的相关性。但是，不同经营模式下的东北天然次生林碳贮量影响变化研究还少见报道。本文以丹清河试验林场典型的针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林为研究对象，比较研究目标树经营、粗放经营、无干扰3种经营模式下林分碳贮量的变化情况，探讨不同经营模式对森林碳贮量的影响机制，为东北天然次生林碳汇经营提供科学依据和理论支撑。
1 研究区概况研究地位于黑龙江省依兰县丹清河试验林场，该林场地处小兴安岭南坡，地理坐标为129°11′—129°25′ E，46°31′—46°39′ N。研究区属于低山丘陵地带，坡度一般15°左右，境内最高海拔1 028 m，最低海拔190 m，平均海拔500 m左右。该区地处中温带，属大陆性季风气候，四季分明，气候差异很大，夏季湿润多雨，冬季寒冷漫长，全年降雨量为400～900 mm，≥10 ℃年积温2 300 ℃，全年平均气温2.6～3.1 ℃。土壤类型主要分为暗棕壤(94.9%)、沼泽土(5.0%)和草甸土(0.1%)3类。植被属于小兴安岭植物区系，共48科210多种，现为以臭冷杉(Abies nephrolepis)为主的针叶混交林和以蒙古栎(Quercus mongolica)、黑桦(Betula dahurica)为主的次生林及胡枝子(Lespedeza bicolor)、榛子(Corylus heterophylla)等植物群落。主要乔木树种有红松、鱼鳞云杉(Picea jezoensis var. microsperma)、臭冷杉、水曲柳(Fraxinus m and shurica)、胡桃楸(Juglans m and shurica)、黄檗(Phellodendron amurense)、蒙古栎、色木槭(Acer mono)、紫椴(Tilia amurensis)、糠椴(Tilia m and shurica)、枫桦(Betula costata)、黑桦、白桦(Betula platyphylla)、春榆(Ulmus davidiana var. japonica)、山杨(Populus davidiana)、青杨(Populus cathayana)、垂柳(Salix babylonica)等。
2 研究方法 2.1 样地设置为了提高林场经营水平，遏制林分质量不断退化，丹清河林场从1998年开始利用目标树经营法管理林分，改造低质量次生林。目标树经营是以选定的少数优势目标树为经营中心，运用不同择伐方式伐除影响目标树生长的干扰树，目的是在保持森林生态系统功能稳定的前提下获得目标树树种平均最大生长量(Obergfoell，2000)。该林场目标树经营主要采取选择出适宜经营的目标树(保持一定合理密度)、对目标树进行打枝处理、对干扰树进行采伐、对目标树周围割灌操作、对典型的质量低下退化次生林进行目标树树种置换改造等措施(邬可义，2009)。
本研究选取丹清河林场内针叶混交林、阔叶混交林和针阔混交林3种典型森林类型为研究对象，每种森林类型按照粗放经营、目标树经营和无干扰3种经营模式进行调查。在同一森林类型采取不同经营模式前(1998年)，每种林分单位面积蓄积、立地条件、树种组成、林龄、坡度坡向、海拔基本一致。3种森林类型在不同经营模式下的具体经营措施(梁星云等，2013)如下。
1)粗放经营模式没有可持续经营观念，皆伐或过度采伐成过熟林，大量大径级林木被砍伐，林分结构遭到破坏，采伐强度40%～70%；处于中幼龄的林分主要采取透光抚育、生长抚育，采伐强度30%～35%；利用自然更新，但由于过度采伐造成大量幼苗死亡从而失去持续更新能力；3种森林类型粗放经营林分在1999年40%强度采伐1次，2010年30%强度采伐1次。
2)目标树经营模式选择具有培育价值的树种，如红松、蒙古栎、水曲柳、黄檗、胡桃楸等作为目标树；伐除影响目标树种生长的干扰树和密度过大、干形弯曲以及由于病虫害造成的枯死木，抚育强度小于30%，3种森林类型目标树经营林分1998抚育采伐1次，之后每5年抚育采伐1次，采伐强度为20%左右；充分利用自然能力促进更新，同时补植红松、水曲柳、胡桃楸、蒙古栎等价值较高的乡土树种，改善下一代林分质量并提供潜在的未来目的树种；定期对目标树进行割灌并清除杂草。
3)无干扰模式 以封山育林、自然恢复为主，不进行任何人为经营活动，依靠自然的力量进行幼苗幼树更新。
2012年在不同森林经营模式的林分内各设20 m×20 m的方形样地10块，共计90块样地，对样地内胸径1 cm以上的林木油漆编号进行测树调查，记录每株林木树种、胸径、树高和4个方向冠幅。样地林分概况如表 1所示。在每块样地内沿对角线方向设置3块2 m×2 m的小样方，记录小样方内灌木层和草本层的植物类别、株数、平均高度和盖度等，同时收集小样方内凋落物(包括未分解和半分解凋落物)的现存量，取样测定含水率和干物质量。
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利用仪器测量法获得乔木层、灌木层、草本层、凋落物层样品碳含量。采集样地内乔木层主要树种不同器官样品、灌木层(地上和地下部分)、草本层(地上和地下部分)和凋落物层样品。乔木层各树种的干、枝、叶、根样品均取自林分平均标准木，其中干从树干基部到梢头分段取样，枝从粗枝到细枝按比例取样，叶收集不同大小及年龄的叶片混合取样，根包括根蔸、粗根、中根以及大于2 mm的细根(冯宗炜等，1999)。每个样品选取重复3次；在3种森林类型中设置的每一个小样方内选取灌木层、草本层样品，灌木层和草本层均是地上、地下混合取样；在3种森林类型中设置的每一个小样方内选取凋落物层样品。上述所有样品，经烘干、粉碎、细磨、过筛进行测量，并采用重铬酸钾氧化-水合加热法测定碳含量(中国土壤学会农业化学专业委员会，1983)。
在每块样地内按照上、中、下坡分别选取3个土壤剖面，每个土壤剖面按0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm 分层收集土壤样品，并把同一经营模式下某森林类型样地中同一层次土壤按质量比例混合，装袋带回实验室经过自然风干、细磨、粉碎过筛后，采用重铬酸钾氧化-水合加热法测定碳含量，每个样品测定重复3次；同时利用环刀采集土壤剖面各层的样品测量土壤密度。
2.3 生物量的计算依据乔木层主要树种单木的枝、干、叶、根生物量模型(表 2)得到每株林木生物量，其中鱼鳞云杉、臭冷杉、红松、椴树(紫椴、糠椴)、桦树(枫桦、黑桦、白桦)树种参考陈传国(1983)生物量模型，落叶松参考丁宝永(1989)生物量模型，山杨、色木槭参考徐振邦等(1985)生物量模型。其他树种树干生物量采用Bi=0.014(Di2Hi)0.965模型计算(何列艳等，2011)，各部位生物量采用干、枝、叶、根按照73:7:3:17的比例推算(徐振邦等，1985)，同一样地不同树种生物量累加得到样地乔木层生物量。灌木层、草本层、凋落物层生物量采用样方收获法测定。
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乔木层碳贮量等于林木不同器官平均碳含量乘以所对应林木部位生物量；灌木层、草本层、凋落物层碳贮量等于样方中实际收获后烘干得到的生物量乘以对应取样中测得的碳含量；土壤层碳贮量利用下式计算：${C_s} = \sum\limits_{i = 1}^n {0.1 \times {H_i} \times {B_i} \times {O_i}} $式中：Cs为土壤层有机碳贮量(t·hm-2)；Hi为第i层土壤的厚度(cm)；Bi为第i层土壤的平均密度(g·cm-3)；Oi为第i层土壤的平均有机碳含量(g·kg-1)；n为土壤分层数。
2.5 数据分析以森林类型和经营方式为因子，进行双因子方差分析，利用SPSS 16.0 软件完成，并对差异显著的数据进行多重比较(P＜0.05，LSD，t检验)。
3 结果与分析 3.1 不同树种各器官碳含量不同树种各器官碳含量见表 3。红松的平均碳含量最大，为439.88 g·kg-1，水曲柳平均碳含量最小，为365.25 g·kg-1。树木各器官平均碳含量排序依次为枝(399.81 g·kg-1)、叶(396.87 g·kg-1)、根(394.66 g·kg-1)、干(392.16 g·kg-1)。灌木层、草本层和凋落物层平均碳含量为378.70，378.70和349.60 g·kg-1。
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在针叶混交林中，3种经营模式林分碳贮量之间差异显著(P＜0.05)，排序为目标树经营(68.83 t·hm-2)>无干扰(46.39 t·hm-2)> 粗放经营(31.45 t·hm-2)，林分各器官碳贮量比例从大到小依次为干(46.58%～54.72%)、根(31.11%～37.88%)、枝(7.66%～11.55%)、叶(3.94%～4.51%)；在阔叶混交林中，林分碳贮量排序为目标树经营(62.94 t·hm-2)>无干扰(42.15 t·hm-2)>粗放经营(38.03 t·hm-2)，其中，目标树经营与无干扰、粗放经营差异显著(P＜0.05)，后二者之间差异不显著，林分各器官碳贮量比例从大到小依次为干(65.97%～68.59%)、根(14.14%～18.02%)、枝(12.15%～17.59%)、叶(2.26%～3.95%)；在针阔混交林中，林分碳贮量排序为目标树经营(64.47 t·hm-2)>无干扰(55.90 t·hm-2)>粗放经营(41.80 t·hm-2)，3种经营模式之间差异显著(P＜0.05)，林分各器官碳贮量比例从大到小依次为干(51.81%～61.34%)、根(21.10%～37.34%)、枝(6.55%～11.03%)、叶(3.42%～3.81%)(表 4)。
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灌木层、草本层、凋落物层碳贮量是森林生态系统研究的重要指标之一，在物质循环、维持立地生产力等方面具有相当重要的作用(程堂仁等，2007)。在9种经营模式林分中，目标树经营林分凋落物层碳贮量最大。灌木层、草本层碳贮量大小排序均为无干扰>粗放经营>目标树经营(表 5)。针叶混交林中，无干扰林分灌木层、草本层碳贮量与粗放经营、目标树经营林分碳贮量差异显著(P＜0.05)，后2种经营模式差异不显著，目标树经营林分凋落物与粗放经营、无干扰林分凋落物差异显著(P＜0.05)。阔叶混交林中，目标树经营灌木层碳贮量与其他2种经营模式灌木层碳贮量差异显著(P＜0.05)，3种经营模式之间草本层碳贮量差异均显著(P＜0.05)，目标树经营凋落物层碳贮量与其他2种经营模式凋落物层碳贮量差异显著(P＜0.05)。针阔混交林中，3种经营模式之间灌木层、草本层碳贮量差异均显著(P＜0.05)，目标树经营凋落物层碳储量与其他2种经营模式凋落物层碳贮量差异显著(P＜0.05)，后二者之间差异不显著。
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3种经营模式下，针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林的土壤各层次碳含量及碳贮量均随着土层加深而降低(表 6)，0～20 cm土层碳含量和碳贮量值最大。针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林中，0～20 cm土层及土壤层的碳含量、碳贮量大小排序均为目标树经营>无干扰>粗放经营，但3种经营模式下0～20 cm土层及土壤层碳含量、碳贮量差异不显著(P＜0.05)。
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在针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林中，林分碳贮量大小排序均为目标树经营(162.74～205.85 t·hm-2)>无干扰(128.88～150.47 t·hm-2)>粗放经营(107.59～130.57 t·hm-2)，且目标树经营与无干扰、粗放经营差异显著(P＜0.05)(表 7)。在针叶混交林碳贮量中，3种经营模式之间差异均显著(P＜0.05)，土壤层、乔木层、凋落物层、灌木层、草本层在林分碳贮量的百分比依次为59.10%～69.26%，29.23%～39.39%，0.85%～1.25%，0.24%～1.00%和0.08%～0.27%。在阔叶混交林林分碳贮量中，目标树经营与粗放经营、无干扰差异显著(P＜0.05)，后二者之间差异不显著，土壤层、乔木层、凋落物层、灌木层、草本层在林分碳贮量的百分比依次为67.71%～70.38%，28.01%～30.86%，0.50%～0.79%，0.21%～0.67%和0.07%～0.25%。在针阔混交林碳贮量中，3种经营模式之间差异均显著(P＜0.05)，土壤层、乔木层、凋落物层、灌木层、草本层在林分碳贮量的百分比依次为57.33%～65.99%，32.01%～39.83%，1.36%～2.69%，0.22%～0.66%和0.15%～0.56%。
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针叶混交林、阔叶混交林和针阔混交林中，乔木层各器官碳贮量比例均表现为干>根>枝>叶，与于颖等(2012)在大小兴安岭林区的研究结论一致。3种经营模式中，乔木层碳贮量排序均为目标树经营>无干扰>粗放经营，且目标树经营与无干扰、粗放经营差异显著(P＜0.05)。研究区的天然次生林多处于中龄林、近龄林，林木之间竞争激烈，对目标树生长产生影响的干扰树较多，经过目标树经营采伐掉影响目标树生长的干扰树，为目标树提供了更大的生长空间，减弱了周围树种对其光照、养分的竞争，从而促进其快速生长，而目标树是乔木层生长的主体，因此使得乔木层碳贮量获得极大提高。目标树经营在德国具有100多年的经营历史，实践证明通过改善林分结构可以显著促进林木生长(Sturm，1984；陆元昌，2006)。Abetz等(2002)通过对比目标树经营和传统经营林分发现，目标树经营可比传统经营获得更多林木蓄积生长。宁金魁等(2009)在北京西山油松(Pinus tabulaeformis)次生林研究中，得出目标树经营后油松林林木年生长量得到显著提高。乔木层是森林吸收空气中CO2的主体，因此目标树经营比粗放经营和无干扰具有更好的促进乔木快速生长从而使其发挥固碳作用的效果。
灌木层、草本层、凋落物层是森林群落中重要的结构成分，其碳贮量对于整个森林生态系统物质和能量的固定、消耗、积累和转化都有重要意义(郑绍伟等，2007；范小莉，2011)。9种经营模式林分中，灌木层、草本层碳贮量大小排序均为无干扰>粗放经营>目标树经营，而凋落物层碳贮量为目标树经营林分最大。其原因是无干扰由于缺乏经营措施，灌木层、草本层具有优势生长机会，挤占了绝大部分林下生长空间从而具有较大的生物量；粗放经营由于形成林窗，喜光性灌木草本也获得快速生长的条件从而获得较多生物量；目标树经营由于加强管理，林木生长加快，林分郁闭形成复层林，林下灌木草本反而生长缓慢。针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林中，目标树经营凋落物层碳贮量最大，且与粗放经营和无干扰差异显著(P＜0.05)。这是因为目标树经营改善了林分结构，补植了珍贵阔叶树种，使得落叶量增加，凋落物量也随之也增加(张鼎华等，2001)，与Jandl等(2007)研究结论一致。
森林土壤有机碳是土壤有机碳库的重要组成部分，森林经营对土壤不同层次有机碳具有一定影响(方运霆等，2004；王海燕等，2009)。在3种经营模式下，针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林土壤各层次碳含量及碳贮量随着土层加深而降低，土壤总体碳含量、碳贮量大小排序均为目标树经营>无干扰>粗放经营。这是因为目标树经营改善了林分环境，加快了凋落物有机碳向土壤碳库的转移，与Vargas等(2009)研究结论一致；而粗放经营由于产生大量林窗，导致土壤温度升高，土壤有机质分解加快，从而使土壤有机碳贮量下降。Piene等(2005)分析大强度间伐前后林分土壤碳贮量也得到类似结论。可见目标树经营可以增加林地土壤的碳贮量，比无干扰和粗放经营具有更高的固碳作用。
9种经营模式林分碳贮量排序均为目标树经营>无干扰>粗放经营，且目标树经营与无干扰、粗放经营差异显著(P＜0.05)。当前天然次生林林分普遍存在密度过大、竞争激烈等阻碍林分生长因素，采伐掉干扰树后，为目标树及其林分生长创造了更大适宜空间，促进了林分碳贮量的快速积累，说明目标树经营能够在保持森林生态功能的前提下实现目标树及林分的最大平均生长，是一种有效地促进碳贮量增加的经营模式(Larsen et al.，2007)。一些学者也得出类似结论，如蔡年辉等(2006)对比分析近自然化改造前后云南松(Pinus yuananensis)次生林，结果表明近自然化改造后林分碳贮量得到显著提高；Keles(2003)通过分析目标树经营和传统经营林分长期观察数据，发现目标树经营林分具有更高的碳汇能力。
天然次生林是东北地区森林经营的主要对象，采用何种经营模式改善次生林生长并提高森林碳贮量，是摆在经营管理者面前亟待解决的问题。本研究结果表明，目标树经营能够增加林分、土壤、乔木层碳储量，是提高东北天然次生林碳汇功能的重要经营模式。同时，目标树经营符合人类经营森林的目标，对于维持区域生态平衡和生态碳稳定具有重要意义。
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