杉木人工林蓄積量和生態(tài)系統(tǒng)碳數(shù)量成熟齡的關(guān)系

霍常富，王 朋，陳龍池，b，汪思龍，b

（中國(guó)科學(xué)院 a.沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016；b.會(huì)同森林生態(tài)實(shí)驗(yàn)站，湖南 會(huì)同 418307）

森林是陸地上面積最大的生態(tài)系統(tǒng)，是人類實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明的基礎(chǔ)。至今，農(nóng)業(yè)和工業(yè)的不斷發(fā)展，使得全球天然林面積不斷縮減。我國(guó)森林資源總量不足，又是世界上最大的木材消費(fèi)國(guó)，因此，國(guó)家發(fā)展人工林賦予其木材生產(chǎn)功能，并藉此彌補(bǔ)森林資源總量不足。目前，我國(guó)現(xiàn)存人工林0.69億hm2，約占我國(guó)森林面積的1/3，規(guī)模居世界之首。

人工林具有多種功能，如生產(chǎn)木材、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、保持水土、維持生物多樣性等[1]。早期人們只注重人工林的木材生產(chǎn)功能，集約經(jīng)營(yíng)可獲取最大的木材產(chǎn)量，然而，大量實(shí)踐表明人工林易發(fā)生地力衰退現(xiàn)象，制約著其長(zhǎng)期生產(chǎn)力[2-4]。近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，人們?cè)絹?lái)越關(guān)心人工林的生態(tài)功能，固碳已成為人工林最迫切的生態(tài)功能之一[5-6]。因此，如何權(quán)衡人工林生態(tài)系統(tǒng)木材生產(chǎn)功能與生態(tài)功能的關(guān)系，是擺在我們面前的重要課題[7]。

林分蓄積和碳生長(zhǎng)過(guò)程是探索木材生產(chǎn)功能與固碳生態(tài)功能關(guān)系的基礎(chǔ)。目前，對(duì)人工林蓄積生長(zhǎng)過(guò)程已了解很多。例如，北方主要造林樹種落葉松Larixspp.的蓄積數(shù)量成熟齡一般為30～40 a，并受立地條件和林分密度等因子影響[8-9]；南方杉木的蓄積生長(zhǎng)明顯快于北方的落葉松，其主伐年齡介于20～30 a之間[10-11]。近年來(lái)，人工林的固碳功能開始受到關(guān)注[12-13]，并針對(duì)人工林地上植被層的碳累積過(guò)程及其數(shù)量成熟齡開展了一些研究[5,14]。然而，人們對(duì)林分地下土壤和根系碳積累過(guò)程的了解還很少[15-17]。人工林作為獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，有關(guān)林分蓄積生長(zhǎng)與生態(tài)系統(tǒng)碳累積之間關(guān)系的研究還未見報(bào)道。

杉木Cunninghamia lanceolata是我國(guó)南方最重要的人工林之一，據(jù)2013年第八次全國(guó)森林資源清查報(bào)道，面積達(dá)1 096 萬(wàn)hm2，蓄積量達(dá)7.26 億m3，其中湖南杉木面積占全國(guó)杉木面積近四分之一。湖南省森林覆蓋率為57%，其中杉木人工林面積和蓄積量占全省森林面積的33%和蓄積的41%[17]。杉木不僅為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了大量商品用材，而且在森林固碳方面發(fā)揮著重要作用。然而，杉木人工林已出現(xiàn)土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降和生產(chǎn)力衰退[2]，限制了其木材生產(chǎn)和生態(tài)功能的發(fā)揮。本研究以湖南省杉木人工林為例，從生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)，探討林分蓄積與生態(tài)系統(tǒng)碳生長(zhǎng)之間的關(guān)系，為權(quán)衡杉木人工林的木材生產(chǎn)和生態(tài)功能提供新思路和理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省（24°38′～30°08′N，108°47′～114°15′E）位于中國(guó)中南部，東西寬667 km，南北長(zhǎng)774 km，土地總面積21.18萬(wàn)km2，約占國(guó)土總面積的2.21%。地形以山地丘陵為主，屬大陸性亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，水熱資源豐富，年平均氣溫14.8 ～18.5 ℃，年降水量1 200 ～1 800 mm，日照時(shí)數(shù)1 239 ～1 869 h。地帶性土壤主要為紅黃壤和黃壤，質(zhì)地以壤土和粘土為主。地帶性植被為典型的亞熱帶常綠闊葉林，以栲Castanopsisspp.、石櫟Lithocarpusspp.等為主。人工林以杉木和馬尾松Pinus massoniana為主，湖南是杉木人工林分布的中心產(chǎn)區(qū)。

1.2 樣地設(shè)置及林分蓄積量

在湖南省內(nèi)杉木人工林典型分布區(qū)，根據(jù)林齡、立地條件和林分密度等因素，選取林相和經(jīng)營(yíng)管理措施相對(duì)一致的林分，共布設(shè)42個(gè)20 m×50 m的調(diào)查樣地（見圖1），其中幼齡林10個(gè)、中齡林14個(gè)和成熟林18個(gè)。林齡劃分依據(jù)2008年國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院編制的《主要樹種齡級(jí)與齡組》，即，幼齡林1 ～10 a、中齡林11 ～20 a 和成熟林 ≥ 21 a。杉木樣地林齡最小為5，最大為32，林分密度為340 ～5 270株/hm2，立地指數(shù)為8 ～22，基本情況詳見表1。每個(gè)樣地分成10 m×10 m的小樣方，進(jìn)行每木檢尺、林下植被和土壤調(diào)查。

林分蓄積量（M）由每木檢尺測(cè)得的林分平均胸徑（D）、平均樹高（H）、平均密度（DS）以及已有的杉木材積公式（V=a×Db×Hc）來(lái)計(jì)算，即每塊樣地M=V×DS，單位m3/m2。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的計(jì)算

生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量主要包括喬木層、林下植被層、枯落物層和土壤層碳總量。其中，喬木層碳儲(chǔ)量：采用標(biāo)準(zhǔn)木各器官（根、干、枝和葉）生物量與胸徑的回歸方程以及各器官含碳率進(jìn)行估計(jì)[17]。林下植被層碳儲(chǔ)量：包括灌木和草本，對(duì)2 m× 2 m（或1 m×1 m草本）樣方內(nèi)的所有植株進(jìn)行收獲，分地上部分和根系，稱得鮮質(zhì)量，再根據(jù)子樣本含水率和含碳率計(jì)算碳儲(chǔ)量?？萋湮飳犹純?chǔ)量：在灌木樣方內(nèi)，選取代表性區(qū)域（1 m×1 m），將所有枯落物收集并稱質(zhì)量，測(cè)定含水率和含碳率。土壤碳儲(chǔ)量：在每個(gè)樣地內(nèi)，選擇無(wú)干擾的典型區(qū)域，挖掘1個(gè)土壤剖面，深至100 cm或基巖，按0 ～10、10 ～20、 20 ～30、30 ～50 和 50 ～100 cm分層取樣，測(cè)定容重和含碳率，最后根據(jù)采樣深度、容重和含碳率計(jì)算整個(gè)土壤剖面的碳儲(chǔ)量。

本研究為分析生態(tài)系統(tǒng)的碳增長(zhǎng)過(guò)程，需要扣除生態(tài)系統(tǒng)初始碳儲(chǔ)量，其中植被和枯落物的初始碳儲(chǔ)量為零，而主要扣除土壤層初始碳儲(chǔ)量，其值可參考湖南省天然林土壤平均碳儲(chǔ)量。在調(diào)查杉木人工林碳儲(chǔ)量的同時(shí)，也調(diào)查了29塊樣地（20 m×50 m）天然林土壤碳儲(chǔ)量，其土壤層碳儲(chǔ)量介于44.1～198.7 t/hm2之間，平均為100.2 t/hm2。參照測(cè)樹學(xué)連年和平均生長(zhǎng)量的概念[18]，將生態(tài)系統(tǒng)碳增量分為連年碳積累量和平均碳積累量。連年碳積累量為生態(tài)系統(tǒng)在某一年的實(shí)際碳增加量，平均碳積累量為生態(tài)系統(tǒng)在某一時(shí)期的平均碳增加量。

圖1 湖南省杉木人工林42個(gè)樣地空間分布示意Fig.1 Location of 42 sampling sites of Chinese fir plantation plots distributed in Hunan province

1.4 生長(zhǎng)模型和參數(shù)估計(jì)

生長(zhǎng)模型通過(guò)描述林分（或單木）生長(zhǎng)和林分收獲過(guò)程，是目前確定林分?jǐn)?shù)量成熟齡的常用方法之一。本研究選取經(jīng)典的Schumacher多元回歸模型，為充分考慮立地指數(shù)和林分密度對(duì)蓄積量的影響，進(jìn)行了適當(dāng)修正[18]，其最終模型表達(dá)式為：

lnM=a0+a1/t+a2×I+a3×(I/t) +a4×(DS/t)。

式中：M為林分蓄積量；t為林分年齡；I為立地指數(shù)；DS為林分密度；a0、a1、a2、a3、a4為模型預(yù)估參數(shù)。模型采用非線性回歸、Levenberg-Marquardt迭代法，獲取參數(shù)估計(jì)值（SPSS 20.0軟件）。根據(jù)擬合度指標(biāo)（R2）和標(biāo)準(zhǔn)殘差（RSE），判斷擬合的效果。

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的碳增長(zhǎng)過(guò)程，目前還沒有專門的生長(zhǎng)模型。土壤碳的變化相對(duì)較慢，實(shí)際上，植被主導(dǎo)著整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳增長(zhǎng)過(guò)程。鑒于林分的生長(zhǎng)過(guò)程可用Schumacher經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统晒γ枋?，因此，將杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳增長(zhǎng)過(guò)程也用上述修正后的Schumacher模型來(lái)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木林分蓄積量和生態(tài)系統(tǒng)碳增量生長(zhǎng)過(guò)程

在湖南省共調(diào)查了42塊不同年齡的杉木人工林樣地，其蓄積量和生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量隨著林齡的增加而增加（見圖2）。根據(jù)散點(diǎn)圖趨勢(shì)，并考慮不同立地和林分密度因子，本研究采用修正的Schumacher生長(zhǎng)模型對(duì)杉木蓄積生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)碳增長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行描述。模型取得了較好的擬合效果，蓄積量生長(zhǎng)過(guò)程的擬合優(yōu)度（R2）為0.933，比生態(tài)系統(tǒng)碳增長(zhǎng)過(guò)程的值略大（0.819），且蓄積量生長(zhǎng)方程的標(biāo)準(zhǔn)殘差也更?。ㄒ姳?）。此外，模型擬合的殘差值分布均勻且圍繞0上下隨機(jī)波動(dòng)。這表明Schumacher生長(zhǎng)模型可較好地描述杉木人工林蓄積和生態(tài)系統(tǒng)碳生長(zhǎng)過(guò)程。需要指出的是，由于建模樣本量（42塊樣地）較小，因此，沒有從中預(yù)留樣本再對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 湖南省杉木人工林樣地的基本情況Table1 The basic characteristics of Cunninghamia lanceolata plots in Hunan province

表2 杉木人工林蓄積量和生態(tài)系統(tǒng)碳生長(zhǎng)模型Table2 Stand volume and ecosystem carbon growth model of Cunninghamia lanceolata plantation in Hunan province

2.2 湖南杉木林分蓄積量和生態(tài)系統(tǒng)碳增量數(shù)量成熟齡

數(shù)量成熟是林分生長(zhǎng)過(guò)程中蓄積（碳儲(chǔ)量）平均生長(zhǎng)量達(dá)到最大值時(shí)的狀態(tài)，這時(shí)的年齡稱為數(shù)量成熟齡。通過(guò)本研究建立的杉木林分生長(zhǎng)模型，估計(jì)了不同立地指數(shù)和林分密度條件下杉木人工林蓄積和生態(tài)系統(tǒng)碳的數(shù)量成熟齡（見表3、圖3）。杉木林分蓄積成熟齡為18 ～27 a，隨立地指數(shù)的增加而提高，隨林分保留密度的增加而下降。杉木生態(tài)系統(tǒng)碳成熟齡為16 ～35 a，隨立地指數(shù)和保留密度的增加而下降。在低立地指數(shù)（I= 8）時(shí)，杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳成熟齡明顯高于其蓄積成熟齡，在中等立地指數(shù)（I= 14）時(shí)碳成熟齡與蓄積成熟齡相差很小，然而在高立地指數(shù)（I= 20）時(shí)出現(xiàn)碳成熟齡小于蓄積成熟齡的現(xiàn)象?？偟膩?lái)說(shuō)，杉木林分蓄積和生態(tài)系統(tǒng)碳成熟對(duì)立地指數(shù)比對(duì)林分密度更加敏感，立地指數(shù)對(duì)二者成熟齡趨勢(shì)的影響恰好相反。

表3 不同立地指數(shù)和林分密度下的杉木蓄積量和生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的數(shù)量成熟齡Table3 The quantitative maturity age of stand volume and ecosystem carbon of Cunninghamia lanceolata plantation with different site index and reserved stand densities

圖3 湖南省杉木林分蓄積和生態(tài)系統(tǒng)碳平均和連年生長(zhǎng)量（I = 14，N = 800）Fig.3 Mean annual and current annual growth rate of stand volume and ecosystem carbon in Cunninghamia lanceolata plantation (Site index = 14，Stand density = 800)

3 討 論

隨著全球氣候變暖，人們不僅賦予了人工林木材生產(chǎn)的功能，還肩負(fù)起固碳的生態(tài)功能。認(rèn)知林分蓄積和生態(tài)系統(tǒng)碳的生長(zhǎng)規(guī)律，是探討木材生產(chǎn)功能與固碳功能關(guān)系的基礎(chǔ)。本研究發(fā)現(xiàn)，杉木人工林蓄積和碳儲(chǔ)量具有協(xié)同關(guān)系，其生長(zhǎng)過(guò)程都可用Schumacher生長(zhǎng)模型描述，且二者的數(shù)量成熟齡受立地指數(shù)的調(diào)控。

在不同立地指數(shù)和林分密度條件下，杉木林分蓄積數(shù)量成熟齡為18 ～27 a。杉木屬速生豐產(chǎn)樹種，材積成熟較早，一般在20 ～30 a之間便進(jìn)行主伐[19]，與本研究結(jié)果一致。南方杉木的數(shù)量成熟齡，明顯低于北方落葉松人工林的成熟齡[8]，與馬尾松人工林類似[20]，明顯高于桉樹的5～10 a輪伐期[21]。除氣候和樹種以外，林分立地條件和經(jīng)營(yíng)管理也將對(duì)其蓄積成熟齡產(chǎn)生影響。本研究表明，杉木蓄積成熟齡隨立地指數(shù)的增加而提高。較好的立地條件可使林木維持更長(zhǎng)時(shí)間的相對(duì)較快的蓄積量生長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)其蓄積數(shù)量成熟齡[9]。此外，本研究發(fā)現(xiàn)杉木成熟齡隨林分密度的增加而下降，間接表明林分經(jīng)營(yíng)管理措施（如間伐）可通過(guò)減輕林木間競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)林木生長(zhǎng)，因而降低林分蓄積成熟齡。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)人工林一直停留在用材林輪伐期經(jīng)營(yíng)模式上，使得單位面積蓄積量不高[22]。今后，生產(chǎn)上應(yīng)分立地條件和林分密度，確定不同的主伐年齡，提高木材產(chǎn)量，同時(shí)提高木材品質(zhì)，仍是我國(guó)人工林經(jīng)營(yíng)中面臨的一個(gè)重要問題。

本研究首次從生態(tài)系統(tǒng)角度，估計(jì)了杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳成熟齡為16 ～35 a。參照測(cè)樹學(xué)連年和平均生長(zhǎng)量的概念[18]，認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)（主要包括喬木、林下植被、枯落物以及土壤有機(jī)碳）平均增長(zhǎng)量達(dá)最大時(shí)的林齡，是其數(shù)量成熟齡。以往有關(guān)森林碳成熟的研究，大都只關(guān)注喬木層（或植被層）碳儲(chǔ)量的數(shù)量成熟齡[14,23,24]。高光芹等[25]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估算了中南地區(qū)杉木林喬木層碳成熟齡為24 a。實(shí)際上，杉木人工林喬木層碳生長(zhǎng)過(guò)程與林分蓄積量生長(zhǎng)規(guī)律十分類似。與植被層碳動(dòng)態(tài)研究相比[26]，目前我們對(duì)土壤碳增長(zhǎng)過(guò)程還知之甚少，限制了我們對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳成熟齡的估計(jì)[27]。一般隨著林齡的增加，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增大[6,28-29]。杉木人工林土壤碳儲(chǔ)量，造林初期增長(zhǎng)緩慢或存在一下降過(guò)程，中齡林以后增加較快[17,30-32]，這主要與杉木造林前的整地和煉山有關(guān)[33-34]。杉木人工林整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，隨林齡的增加而增加，且在中齡林和近熟林階段增加較快[16-17]，這意味著其生態(tài)系統(tǒng)碳平均增長(zhǎng)量很可能在中齡（11 ～20 a）或近熟齡（20 ～25 a）階段達(dá)到最大值，印證了本研究結(jié)果的合理性。需要指出的是，由于本研究采用空間代替時(shí)間的方法，且森林土壤具有較大的異質(zhì)性，因此，生態(tài)系統(tǒng)碳成熟齡的估計(jì)值可能具有一定的誤差。今后，基于杉木長(zhǎng)期觀測(cè)樣地的資料，是準(zhǔn)確評(píng)估杉木生態(tài)系統(tǒng)碳成熟的一種可靠途徑。

杉木林分蓄積和生態(tài)系統(tǒng)碳生長(zhǎng)過(guò)程具有協(xié)同關(guān)系，但受立地指數(shù)調(diào)控。由于杉木林分蓄積量與喬木層碳儲(chǔ)量顯著相關(guān)（R2= 0.94，P＜0.01），而喬木層碳儲(chǔ)量是生態(tài)系統(tǒng)碳增量的重要組成部分。當(dāng)土壤碳儲(chǔ)量變化較小時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)碳增長(zhǎng)速率主要取決于林分蓄積生長(zhǎng)速率。因此，可以說(shuō)林分蓄積和生態(tài)系統(tǒng)碳生長(zhǎng)過(guò)程具有協(xié)同關(guān)系。杉木林分蓄積和生態(tài)系統(tǒng)碳成熟齡對(duì)立地指數(shù)變化都十分敏感，但二者隨立地指數(shù)的變化趨勢(shì)恰好相反。立地指數(shù)可綜合反映林分生長(zhǎng)的環(huán)境條件，包括土壤、氣候、水分和生物等條件[18]。立地指數(shù)低，一方面不有利于林分生長(zhǎng)，使其過(guò)早衰老而減小蓄積成熟齡[9]；另一方面，立地指數(shù)低的土壤通常比較貧瘠，土壤固碳潛力相對(duì)較大，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳成熟齡延后。綜上所述，生態(tài)系統(tǒng)碳增量取決于植被層生長(zhǎng)速率和土壤層碳固持速率的共同作用，而立地指數(shù)對(duì)二者具有較強(qiáng)的調(diào)控作用。今后，可根據(jù)杉木人工林多形立地指數(shù)曲線模型[35]，將湖南省杉木林生態(tài)系統(tǒng)碳成熟齡研究擴(kuò)展至我國(guó)整個(gè)杉木分布區(qū)。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)杉木人工林輪伐期的確定主要依據(jù)林分材積（蓄積）的數(shù)量成熟、工藝成熟和經(jīng)濟(jì)成熟，而較少考慮輪伐期對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響[36-37]。在較差立地條件下，湖南省杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳成熟齡比蓄積數(shù)量成熟齡晚約15 a，這意味著當(dāng)追求生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)其采伐年齡。其實(shí)，森林不僅具有固碳功能，還有涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、維持生物多樣性等眾多生態(tài)功能，森林生態(tài)服務(wù)價(jià)值已遠(yuǎn)超其木材生產(chǎn)功能。因此，在著力建設(shè)生態(tài)文明的今天，應(yīng)因地制宜，多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)人工林，使其綜合價(jià)值最大化。