田 曉，胡靖宇，劉靜波，王麗娟，朱 琳，劉苑秋

(1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045；2.河北旅游職業(yè)學(xué)院，河北 承德 067000；3.承德石油高等?？茖W(xué)校，河北 承德 067000)

【研究意義】近年來(lái)，隨著CO2等溫室氣體濃度的逐漸上升，導(dǎo)致全球氣候變暖，已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)共同關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題[1]。森林碳儲(chǔ)量是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的重要組成部分，如何精確的測(cè)算森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量意義重大[2]。但是由于方法和數(shù)據(jù)的缺乏，目前碳儲(chǔ)量的估算具有很大不確定性。因此，精確測(cè)算我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，正確評(píng)價(jià)我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳平衡中的地位和作用，使我國(guó)在國(guó)際碳貿(mào)易的談判中占主動(dòng)地位尤為重要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】杉木(Cunninghmmialanceolata)是我國(guó)中亞熱帶主要造林樹(shù)種，但研究表明多代連栽導(dǎo)致林分可持續(xù)發(fā)展能力逐年下降[3]。經(jīng)營(yíng)杉木人工林，增加森林的碳儲(chǔ)量、保持杉木人工林的長(zhǎng)期生產(chǎn)力，成為杉木人工林經(jīng)營(yíng)中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。楠木(Phoebebournei)是亞熱帶常見(jiàn)的闊葉樹(shù)種，枝葉比較茂盛，冠幅大而厚，林下凋落物多且容易分解，能夠增加土壤的養(yǎng)分，因此營(yíng)造杉木楠木混交林能夠改善土壤地力條件，達(dá)到豐產(chǎn)、穩(wěn)定、高效的目的?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究以江西省和福建省杉木、楠木混交林為研究對(duì)象，研究了不同立地條件和初植密度下楠木×杉木混交林在未來(lái)300年內(nèi)(6個(gè)輪伐期)喬木層、土壤碳儲(chǔ)量、生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量以及年均固碳量變化趨勢(shì)，從中篩選出最優(yōu)的經(jīng)營(yíng)方式?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】探索出楠木×杉木混交林可持續(xù)性經(jīng)營(yíng)策略，同時(shí)也為我國(guó)森林碳匯的估算提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與數(shù)據(jù)采集

研究地位于江西省吉安市青原區(qū)樟州村、遂川縣大坑鄉(xiāng)長(zhǎng)榮村、遂川縣茶盤(pán)洲鄉(xiāng)溪口村，屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候，年平均溫度15.1～18.1 ℃，無(wú)霜期277 d ，年平均日照時(shí)數(shù)1860 h，年均降雨量1511.3 mm，土壤主要是以紅壤為主，pH5.6～6。

在研究區(qū)域分別設(shè)置3塊20 m × 30 m的標(biāo)準(zhǔn)地，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地的楠木每木檢尺，另外每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置3個(gè)樣方(灌木樣方5個(gè)，面積5 m×5 m；草本樣方5個(gè)，面積1 m×1 m； 枯落物樣方3個(gè)，面積0.5 m×0.5 m。該實(shí)驗(yàn)區(qū)灌木主要有黃瑞木(AdinandramellettiiBenth of Hook f.)、細(xì)柄阿丁楓(AltingiagracilipesHemsl)等。草本植物主要有鐵芒萁(Dicranoperisdichotoma)和狗脊蕨(Woodwardiajaponica)等。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的灌木及草本植物的地上和地下部分分別進(jìn)行稱重、取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干，測(cè)其含水率。在每個(gè)樣地挖取5個(gè)土壤剖面，按0～20，20～40 cm分層取樣。環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，開(kāi)氏消煮法測(cè)定全氮，重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)。調(diào)查和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1～3所示。

1.2 FORECAST模型簡(jiǎn)介

將4種數(shù)據(jù)(土壤養(yǎng)分、林木、林下植被、苔蘚)輸入到FORECAST模型中，養(yǎng)分可以通過(guò)動(dòng)態(tài)的模擬機(jī)制進(jìn)行反饋，便于經(jīng)營(yíng)者能夠及時(shí)的采取適當(dāng)?shù)慕?jīng)營(yíng)策略保證立地質(zhì)量，并且能夠獲取最大碳儲(chǔ)量[5-7]。FORECAST模型最大優(yōu)點(diǎn)是保留了傳統(tǒng)的經(jīng)典的產(chǎn)量表與復(fù)雜的過(guò)程模型2種方法的優(yōu)勢(shì)，對(duì)未來(lái)森林的增長(zhǎng)趨勢(shì)的模擬是動(dòng)態(tài)的[8-9]。例如，隨時(shí)間的推移土壤肥力的下降、氣候的變化、病蟲(chóng)害、甚至火災(zāi)等環(huán)境因素的變化都會(huì)在FORECAST模型的模擬中通過(guò)反饋機(jī)制體現(xiàn)[10-11]。

表2 楠木人工林標(biāo)準(zhǔn)地土壤理化性質(zhì)

表3 楠木人工林標(biāo)準(zhǔn)地林下植被和凋落物的生物量

FORECAST模型認(rèn)為，決定森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量大小有2個(gè)因素，一是森林生態(tài)系統(tǒng)葉片總量，二是森林生態(tài)系統(tǒng)光合效率的大小[12-13]。光合效率大小由該樹(shù)種葉片中的氮素含量決定，而氮素含量與森林系統(tǒng)物質(zhì)積累、養(yǎng)分循環(huán)狀況密切相關(guān)，所以決定森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)積累、養(yǎng)分循環(huán)的綜合性指標(biāo)是氮素含量。因此，F(xiàn)ORECAST模型選擇了葉氮同化率(FNE)作為它的驅(qū)動(dòng)機(jī)制[14]。在實(shí)際林分中，由于下層林冠受到上層林冠的遮蔭，因此FNE需要修正，修正后葉氮同化率稱為遮蔭葉氮同化率(SCFNE)[15-16]。遮蔭葉氮同化率計(jì)算原理是先將生態(tài)系統(tǒng)的林冠層沿垂直方向按固定距離劃分為若干亞層, 分別計(jì)算每個(gè)亞層的相對(duì)光合效率和葉氮量，最后匯總求和[17-18]。

1.3 情景模擬

為了評(píng)估不同立地條件和初植密度下楠木×杉木混交林碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)，將林分的立地指數(shù)根據(jù)基準(zhǔn)年齡的優(yōu)勢(shì)木高分別設(shè)置為27，21，17。將楠木×杉木混交林初植密度分別設(shè)為4000，3000，2500，2000，1600 株/hm2，杉木×楠木混交比例為1︰3。模擬時(shí)間300年，每50年1個(gè)輪伐期(共6個(gè)輪伐期)，每個(gè)輪伐期內(nèi)的第10年對(duì)混交林進(jìn)行比例為30 %的間伐，每一個(gè)輪伐期內(nèi)第30年收獲杉木， 第50年收獲楠木。

1.4 模型的精度檢驗(yàn)

模型精度驗(yàn)證所采用的方式主要是將模型模擬數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，不同的學(xué)者從不同的角度對(duì)楠木×杉木混交林進(jìn)行了大量的研究，但是關(guān)于不同管理措施和立地條件下對(duì)楠木×杉木混交林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量和生物量影響的數(shù)據(jù)還是比較少，盡可能的收集所有文獻(xiàn)中所提到混交林碳儲(chǔ)量的數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。本文所收集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[19-27]在第一輪伐期內(nèi)、在好中差3種立地條件下與模擬數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致(圖1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳儲(chǔ)總量差異分析

如圖2所示，不同初植密度楠木×杉木混交林在好中差3種立地條件下全樹(shù)和莖桿碳儲(chǔ)量由高到低依次為為較好立地、中等立地、較差立地。在較好立地條件下，初植密度為2500株/hm2的林分所積累的碳儲(chǔ)量最高，其次是楠木×杉木混交林初植密度為2000、3000、1600、4000株/hm2。在較好立地條件下，初植密度為4000株/hm2楠木×杉木混交林不利于林分碳儲(chǔ)量的積累，原因在于：在楠木×杉木混交林中，楠木初期生長(zhǎng)速度要比杉木慢，初植密度過(guò)大杉木在初期會(huì)抑制混交林中楠木的生長(zhǎng)。而混交林的密度控制在2500株/hm2能夠獲得最大碳儲(chǔ)量是因?yàn)椋洪居酌缟阅褪a，杉木的速生能夠在一定程度上為楠木幼苗起到了遮蔽的作用。在中等立地條件下，300年間所積累的全樹(shù)碳儲(chǔ)量和莖干碳儲(chǔ)量從高到低以此為3000、2500、4000、2000、1600株/hm2。因?yàn)橹械攘⒌貤l件下單體林木的胸徑和冠幅要小于較好立地條件下的胸徑和冠幅，林分中單體林木之間的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度相對(duì)較小，初植密度為2500株/hm2比3000株/hm2的楠木×杉木混交林在360年間所積累的碳儲(chǔ)量少2 t/hm2，所以為了獲得最大碳儲(chǔ)量，中等立地條件下楠木×杉木混交林的初植密度應(yīng)控制在2500和3000株/hm2之間。在較差立地條件下，300年間所積累的碳儲(chǔ)量從高到低以此為4000、3000、2500、2000、1600株/hm2。即林分密度越大碳儲(chǔ)量越高。原因在于：立地條件較差，單體林木受到土壤的養(yǎng)分、水分以及陽(yáng)光等條件的制約，林木的個(gè)體材積和冠幅相對(duì)較小，林分中單株林木的生長(zhǎng)不受其他林木的束縛，即林分密度越大，單位面積的株數(shù)越多，單位面積的碳儲(chǔ)總量也就越多。

圖1 模型精度驗(yàn)證Fig.1 Accuracy verification of model

圖2 不同初植密度楠木×杉木混交林在好中差3種立地條件下全樹(shù)和莖桿300年的碳儲(chǔ)量Fig.2 Carbon storage of whole tree and stem of Phoebe bournei × Chinese fir mixed forest in 300 years under various initial planting densities in rich, medium and poor three site conditions

圖3 不同立地條件下和初植密度下土壤碳儲(chǔ)量(腐殖質(zhì)+凋落物)Fig.3 Soil organic carbon storage under different site conditions and initial planting densities

2.2 土壤碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)

從圖3可以看出，不同立地條件和初植密度下楠木×杉木混交林在300年的模擬中土壤有機(jī)碳庫(kù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，特別是在較差立地條件下，土壤有機(jī)碳庫(kù)的上升趨勢(shì)更為明顯，筆者用相同的方法模擬杉木純林、杉木×楠木混交比例3︰1和杉木×楠木混交比例1︰1 3種林分發(fā)現(xiàn)：3種林分在模擬時(shí)間段中土壤碳儲(chǔ)量有不同程度的下降，并且楠木比例越少土壤退化程度越嚴(yán)重[28]，由此可見(jiàn)，營(yíng)造楠木×杉木混交林時(shí)，適當(dāng)增加楠木的比例能夠有利于土壤有機(jī)碳庫(kù)的積累，有利于楠木×杉木混交林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)

如圖4所示，不同初植密度楠木×杉木混交林在好中差3種立地條件下，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量由高到低依次為較好立地、中等立地和較差立地。楠木×杉木混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量在6個(gè)模擬輪伐期內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，特別是在較差立地條件下，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的上升趨勢(shì)更為明顯，由此可見(jiàn)，在較差立地條件下，楠木×杉木混交林對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的改善作用更為明顯。

2.4 凈生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)

如圖5所示，不同立地條件和初植密度下楠木×杉木混交林NPP由高到低依次為較好立地條件、中等立地條件和較差立地條件。不同初植密度的混交林NPP隨著輪作次數(shù)的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。初植密度為2500株/hm2的楠木×杉木混交林在第30年收獲杉木后，剩下的楠木純林在20年內(nèi)NPP最高。不同初植密度的楠木×杉木混交林在每個(gè)輪伐期內(nèi)第30年收獲杉木后，剩余的楠木純林在20年內(nèi)凈生產(chǎn)力都有不同程度的上升趨勢(shì)，說(shuō)明楠木30年并未達(dá)到成熟期，生物量還有一定的上升空間。

圖4 不同立地條件和初植密度生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量Fig.4 Ecosystem carbon storage under different site conditions and initial planting densities

圖5 不同初植密度楠木×杉木混交林在300年間凈初級(jí)生產(chǎn)力Fig.5 Primary productivity of Phoebe bournei × Chinese fir mixed forest under various initial planting densities in 300 years

表4 年均凈生產(chǎn)量

圖6 不同立地條件和初植密度下年均固碳量Fig.6 Annual average fixed carbon content under different site conditions and initial planting densities

2.5 年均固碳量差異分析

如表4所示，以中等立地條件為例，5種不同初植密度的楠木×杉木混交林凈生產(chǎn)量平均值為12.21t/(hm2·a)，而相同方法模擬的楠木純林在中等立地條件下凈生產(chǎn)量平均值為11.47 t/(hm2·a)，由此可見(jiàn)：楠木×杉木混交林的年均凈生產(chǎn)量要高于相同立地條件下楠木純林的凈生產(chǎn)量。但略低于中亞熱帶森林凈生產(chǎn)量13.5 t/(hm2·a)。在較好立地條件下，初植密度為2500株/hm2的林分年均凈生產(chǎn)量最高，年均凈生產(chǎn)量為15.26 t/(hm2·a)，在較差立地條件下，隨著林分密度的增大，年均凈生產(chǎn)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，初植密度為4000株/hm2年均凈生產(chǎn)量最高，年均凈生產(chǎn)量為9.81t/(hm2·a)。從年均固碳量的角度來(lái)講，如圖6所示，以中等立地條件為例，初植密度為2500 株/hm2的混交林年均固碳量最高，為616.48 gC/(m2·a)，這個(gè)結(jié)果雖然低于中亞熱帶平均年均固碳量675 gC/(m2·a)，但卻高于同處亞熱帶楠木年均固碳量538.38 gC/(m2·a)和杉木年均固碳量348.90 gC/(m2·a)，由此可見(jiàn)：楠木×杉木混交林相比于楠木和杉木純林有較高的固碳能力。

3 結(jié) 論

在300年的模擬時(shí)間里，不同初植密度多代連栽的楠木×杉木混交林在好、中、差3種立地條件下，碳儲(chǔ)總量、土壤碳儲(chǔ)量、生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量以及年均固碳量都有較大的差異，表現(xiàn)為較好立地條件>中等立地條件>較差立地條件。并且楠木×杉木混交林隨著連栽次數(shù)的增加碳儲(chǔ)總量、土壤碳儲(chǔ)量、生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量以及凈生產(chǎn)力都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在較好立地條件下，初植密度為2500株/hm2的林分300年間所積累的碳儲(chǔ)量及年均凈生產(chǎn)力最高；中等立地條件下楠木×杉木混交林的初植密度控制在2500和3000株/hm2之間，能夠獲得最大碳儲(chǔ)量；在較差立地條件下，楠木×杉木混交林的初植密度應(yīng)該控制在4000株/hm2能夠獲得最大碳儲(chǔ)量積累。

4 討 論

4.1 不同初植密度楠木×杉木混交林碳儲(chǔ)量的差異

在較好或中等的立地條件下，初植密度為2500株/hm2的楠木×杉木混交林在6個(gè)輪伐期內(nèi)所積累的碳儲(chǔ)量最高，這是主要是因?yàn)槌踔裁芏葹?500株/hm2的楠木×杉木混交林在生長(zhǎng)初期楠木、杉木生長(zhǎng)空間大、養(yǎng)分充足，可以促進(jìn)單體樹(shù)木高度的生長(zhǎng)，并且杉木生長(zhǎng)速度快，而楠木幼年較耐陰，杉木的快速生長(zhǎng)能夠?yàn)殚酒鸬揭欢ǖ谋邮a作用；其次，10年后又采取30 %的間伐，使得混交林的密度減小，又能促進(jìn)混交林中樹(shù)木胸徑的生長(zhǎng)，由于林隙見(jiàn)光照充足使得灌木草本植物的生長(zhǎng)不受影響，有利于維持土壤的地力，從而保證混交林的碳儲(chǔ)量的積累。以往在亞熱帶造林初植密度通常采取3000～3500株/hm2，也有部分國(guó)營(yíng)林場(chǎng)采用4000株/hm2，實(shí)際上在較差的立地條件下，由于地力養(yǎng)分不足，單株林木的材積較小，林木間的相互影響不大，初植密度為4000株/hm2混交林有利于碳儲(chǔ)總量的積累。在中等或較好立地條件下?tīng)I(yíng)造楠木×杉木混交林，由于混交林中林分樹(shù)種的生長(zhǎng)速度不同，如果林分密度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致林木的生長(zhǎng)空間變小，林分相互競(jìng)爭(zhēng)激烈，生長(zhǎng)會(huì)受到一定程度的抑制，同時(shí)也會(huì)影響林下植被的生長(zhǎng)，不利于恢復(fù)土壤的生產(chǎn)力；如果林分過(guò)于稀疏，雖然樹(shù)木單體生長(zhǎng)空間變大，但是混交林中林木總量過(guò)少，以及林木枝干間相互整枝作用減弱，都會(huì)影響楠木×杉木混交林的碳儲(chǔ)總量。綜上所述，在中等以上的立地條件下?tīng)I(yíng)造楠木×杉木混交林，初植密度為2500株/hm2能夠獲得最大碳儲(chǔ)量。

4.2 FORECAST 模型在針闊混交林模擬中的應(yīng)用問(wèn)題

目前，F(xiàn)ORECAST 模型在全球許多國(guó)家都開(kāi)始應(yīng)用，但是更多是應(yīng)用于針葉純林方面，近年來(lái)，許多學(xué)者都認(rèn)識(shí)到針闊混交林無(wú)論是在保護(hù)生態(tài)環(huán)境還是在經(jīng)濟(jì)效益方面都有巨大優(yōu)勢(shì)，所以將FORECAST 模型應(yīng)用于針闊混交林中意義更為重大，本研究杉木數(shù)據(jù)是借鑒加拿大著名森林生態(tài)學(xué)家J.P.(Hamish)Kimmins團(tuán)隊(duì)的收集的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)測(cè)的楠木數(shù)據(jù)加以補(bǔ)充。當(dāng)然模型自身也有一定的局限性。只考慮了水分的吸收，而沒(méi)有考慮其對(duì)生長(zhǎng)的影響，但目前，Kimmins團(tuán)隊(duì)正在將水分模型(FORWADY)與FORECAST模型相耦合[17]，未來(lái)森林生態(tài)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)將會(huì)更加客觀、更加精確。

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