间伐对杉木人工林生长及生态系统碳储量的短期影响

刁娇娇;肖文娅;费菲;关庆伟;陈斌

【摘 要】To accurately clarify the impact of short-term thinning on ecosystem carbon storage in 19-year-old Cunninghamia lanceolata plantation, the growth and ecosystem C storage of C. lanceolata plantation under high in-tensity thinning, moderate intensity thinning, light intensity thinning and non-thinning ( CK.) were studied in the next 7 years. The findings indicated that the diameter at breast height (DBH), height and biomass of remaining C. lanceolata plantation were all increased with the increasing of thinning intensity. The annual growth rate of DBH was high intensity thinning ((0. 51 ± 0. 03) cm/a)>moderate intensity thinning ((0. 41 ± 0. 04) cm/a)>light in-tensity thinning ((0. 34 ± 0. 05) cm/a)> non-thinning ((0. 31 ± 0. 02) cm/a);The annual growth rate of height was high intensity thinning ((0. 46 ± 0. 02) m/a)>moderate intensity thinning ((0. 45 ± 0. 03) m/a)>light inten-sity thinning ((0. 31 ± 0. 05) m/a)>non-thinning ((0. 29 ± 0. 05) m/a);The annual growth rate of individual bio-mass was high intensity thinning ((5. 07 ± 0. 24) kg/a)>moderate intensity thinning ((3. 95 ± 0. 77) kg/a)>light intensity thinning ((2. 80 ± 0. 18) kg/a)>non-thinning ((2. 29 ± 0. 59) kg/a. The total C storage of stands under different thinning intensity was light intensity thinning ( ( 174. 94 ± 35. 01 ) t/hm2 )> non-thinning ( ( 154. 47 ± 24. 88) t/hm2)> moderate intensity thinning ((153. 74 ± 15. 26) t/hm2)> high intensity thinning ((133. 93 ± 24. 73) t/hm2 ) . LIT significantly increased ecosystem C storage significantly by 13.

25% due to the increased C pools in shrub, herb, litter and soil, whereas MIT and HIT had no significant effects on ecosystem C storage.%为了明晰间伐对杉木人工林生态系统碳储量的短期影响,以南京市溧水区林场19年生的杉木为研究对象,研究了强度间伐、 中度间伐、 弱度间伐、 未间伐(对照)7a后杉木人工林的生长及生态系统碳储量的变化.结果表明:间伐后,保留木的平均胸径、 树高和单株生物量均随着间伐强度的加强而增大,胸径年生长速率为:强度间伐

((0.51±0.03)cm/a)>中度间伐((0.41±0.04)cm/a)>弱度间伐((0.34±0.05)cm/a)>未间伐((0.31±0.02)cm/a);树高年生长速率为:强度间伐((0.46±0.02)m/a)>中度间伐((0.45±0.03)m/a)>弱度间伐((0.31±0.05)m/a)>未间伐((0.29±0.05)m/a);单株生物量年生长速率为:强度间伐((5.07±0.24)kg/a)>中度间伐((3.95±0.77)kg/a)>弱度间伐((2.80±0.18)kg/a)>未间伐((2.29±0.59)kg/a.不同间伐强度下林分总碳储量为:弱度间伐((174.94±35.01)t/hm2)>未间伐((154.47±24.88)t/hm2)>中度间伐((153.74±15.26)t/hm2)>强度间伐((133.93±24.73)t/hm2).其中弱度间伐后,林分的灌木层、 草本层和凋落物层以及土壤层的碳储量均增加,使得林分总碳储量显著增加了13.25%,中度间伐和强度间伐对林分总碳储量的影响并不明显. 【期刊名称】《西南林业大学学报》 【年(卷),期】2017(037)003 【总页数】6页(P134-139)

【关键词】间伐强度;杉木;人工林;生长量;碳储量 【作 者】刁娇娇;肖文娅;费菲;关庆伟;陈斌

【作者单位】南京林业大学林学院, 江苏 南京210037;南京林业大学生物与环境学院, 江苏 南京210037;南京林业大学生物与环境学院, 江苏 南京210037;南京林业

大学生物与环境学院, 江苏 南京210037;南京林业大学生物与环境学院, 江苏 南京210037

【正文语种】中 文 【中图分类】S757.2

间伐作为人工林主要的经营技术之一，常被用来减小林分密度，释放养分资源，促进林下更新[1]、加快保留木生长[2]等。间伐对森林的结构和功能、森林生态系统碳动态以及人工林的经营管理有着重要影响[3]，大多数研究表明，不同尺度下间伐对森林的影响会因间伐强度和恢复时间的改变而产生很大的变动。另一部分研究认为，间伐对林分系统碳储量有促进作用。Zhou D等[4]用meta分析方法研究了间伐对林分结构和碳储量的影响，发现间伐后林分的平均胸径增加了111.9%；Vargas R等[5]研究了墨西哥季节性热带森林的地上和地下部分碳储量，认为间伐后胸径2～10 cm和10 cm以上的保留木比未间伐的碳积累速率高，土壤碳储量也显著高于未间伐的保留木；Horner G J等[6]研究了间伐对河漫滩森林的影像，提出间伐可以改善赤桉 (Eucalyptus camaldulensis) 树的生境，使森林碳积累速率提高，间伐42 a后中度强度 (保留560 株/hm2) 地上地下碳积累速率均最高。间伐对林分系统的影响还与恢复时间有关，Campbell J等[7]通过研究间伐对50年生加拿大黄松 (Pinus ponderosa) 林的影响，认为间伐后(单位面积断面积20～40 m2/hm2)后森林生态系统净生产力减少了1/3，并且在间伐16 a后仍未恢复到对照林分的水平。Spring D A等[8]通过模型研究发现，间伐后约60 a，森林植被碳储量才能达到原有水平。若能给林分足够多的生长时间，则间伐引起的碳储量差异最终会由于保留木的生长促进效益而得以弥补[9]。

目前，关于间伐对森林生态系统碳储量的影响研究很多，但是研究结果会因间伐强度和恢复时间以及气候、地形因素等的改变产生很大的差异。为此，本研究以南京

市溧水区林场19年生杉木 (Cunninghamia lanceolata) 人工林为研究对象，研究实施弱度、中度及强度间伐7 a后的林分结构的变化和森林生态系统碳储量的变化，旨在明晰不同间伐强度对杉木人工林碳储量的短期影响，以期为我国杉木人工林经营提供科学依据。

研究地为距离南京市主城区40 km溧水区林场的无想寺国家森林公园，地处北纬31°36′、东经119°01′，属中纬度地区，为中亚热带与北亚热带之间的过渡气候带，四季分明、雨量充沛、雨热同期。全年无霜期长达220 d，平均气温15.5 ℃，年平均日照2 146 h，年平均降雨量为1 005.7 mm，年平均风速3.3 m/s，以东南偏东风频率最大，春、夏季多东南风，秋、冬季多东北风。研究地土壤呈现弱酸性或中性，以黄棕壤为主，砂石含量约为20%，呈微酸性，枯枝落叶层厚度11.5～21.5 cm。林下植被主要有油茶 (Camellia oleifera)、山莓 (Rubus

corchorifolius)、麻栎 (Quercus acutissima) 和盐肤木 (Rhus chinensis)、葎草 (Humlus scandens)、同形鳞毛蕨 (Dryopteris uniformis)、蓬蘽 (Rubus hirsutus)、商陆 (Phytolacca acinosa) 等。 2.1 研究对象与样地设置

为了研究间伐对林分碳格局的影响，本研究于2006年在溧水区林场选择立地条件相近的19年生杉木纯林，在林分中随机设置了12块20 m × 20 m的固定样地，样地间隔5 m，根据树木生长状况和空间分布状态，按照间密留疏、伐小留大、伐掉病腐木保留健康木的原则，对每块样地分别实施了不同强度的单株间伐处理 (根部未清除)，每种间伐强度重复3次，株数间伐强度分别为：弱度间伐 (约30%， LIT)、中度间伐 (约50%， MIT)、强度间伐 (约70%， HIT)和对照样地 (CK)。2006年11月在上述固定样地中统计样地内乔木 (直径 ≥ 5 cm) 的株数，对样地内的所有乔木进行每木检尺。样地情况见表1。 2.2 研究方法

2.2.1 林分因子的测定方法

在各标准地进行每木检尺，用胸径尺测每木胸径，用望高仪和皮尺测树高。 生物量通过杉木生物量模型获得。杉木生物量模型[10]： 地上部分：M地上=0.079 855D1.946 83H0.505 63 地下部分：M地下=0.026 05D2.020 02H0.256 74 2.2.2 林分碳储量的测定方法

1) 乔木层的碳储量测定。使用生物量-胸径模型计算标准地内乔木的生物量，查阅资料查得杉木的含碳率[11]与生物量得到碳储量： 乔木层碳储量 (C1)=乔木层生物量 × 含碳率

2) 林下层的碳储量测定。样方中盖度大于10%的灌草植物，取至少3个标准株(基径、高度、冠幅以及生长状况接近于平均值的个体)的地上部分 (分主径、一级、二级分支和叶片) 和地下部分 (分主次根系) 分别称鲜质量500 g，带回实验室。在80 ℃恒温箱中烘干，推算出标准地灌草及凋落物生物量，同时利用元素分析仪测定样品碳素含量。

林下层植被碳储量 (C2)=植物体生物量 × 植物体含碳率

3) 土壤层的碳储量测定。用环刀法测算样品容重，用元素分析仪和TOC分别测土壤碳含量和可溶性有机碳含量，估算土壤层有机碳储量。 土壤剖面碳储量 (C3)=∑0.1hibioi

土壤有机碳储量=土壤有机碳含量 × 容重× 土层厚度 × 10-1

式中：hi代表第i层土壤厚度；bi代表第i层土壤容重；oi是i层土壤有机碳含量；0.1为单位换算系数。 2.3数据处理

采用Excel计算统计，采用SPSS进行均值、方差分析。 3.1 间伐强度对林木生长的影响

3.1.1 间伐强度对保留木胸径和树高生长的影响

间伐使林冠疏开，可以为保留木的生长提供更充足的光照条件和水肥条件，保留木叶生长和干生长都明显加快，林木的胸径、树高增加。间伐7 a后不同间伐强度下保留木的生长情况见表2。

由表2可知，间伐7 a后，保留木胸径随间伐强度的加大而增加。与未间伐相比，弱度间伐使保留木平均胸径增加了 (1.18 ± 0.30) cm；中度间伐使保留木的平均胸径增加了 (2.12 ± 0.31) cm；强度间伐使保留木的平均胸径显著增加了 (2.84 ± 0.02) cm。林分平均树高随间伐程度的加强而增加，弱度间伐后的林分平均树高增加了 (1.28 ± 0.22) m，中度间伐和强度间伐后，林分平均树高均分别显著增加了 (3.5 ± 0.33) m和 (4.64 ± 0.39) m。不同间伐强度下保留木胸径年生长速率表现为：强度间伐 ((0.51 ± 0.03) cm/a)> 中度间伐 ((0.41 ± 0.04) cm/a)> 弱度间伐 ((0.34 ± 0.05) cm/a)> 未间伐 ((0.31 ± 0.02) cm/a)。树高年平均生长速率表现为：强度间伐 ((0.46 ± 0.02) m/a)> 中度间伐 ((0.45 ± 0.03) m/a)> 弱度间伐 ((0.31 ± 0.05) m/a)> 未间伐 ((0.29 ± 0.05) m/a)。以上结果表明随着间伐强度的增加，林分胸径及树高的年生长速率也随之升高，间伐对林木的生长具有促进作用。

3.1.2 间伐强度对保留木平均单株生物量的影响

由表2可知，与未间伐相比，弱度间伐后，保留木单株生物量增加了 (10.92 ± 0.76) kg；中度间伐和强度间伐林分保留木单株生物量分别显著增加了 (23.96 ± 3.07) kg和 (32.4 ± 3.22) kg，不同间伐强度下保留木单株生物量年生长速率表现为：强度间伐 ((5.07 ± 0.24) kg/a)> 中度间伐 ((3.95 ± 0.77) kg/a)> 弱度间伐 ((2.80 ± 0.18) kg/a)> 未间伐 ((2.29 ± 0.59)kg/a)。 3.2 间伐强度对林分碳储量及分配的影响 3.2.1 间伐强度对林分碳储量的影响

如表3所示，间伐7 a后，不同间伐强度下林分碳储量的碳分配格局发生改变，主要表现为：乔木层和凋落物层碳储量减少，灌木层、草本层和土壤层碳储量增加。弱度间伐林分总碳储量显著高于未间伐 ((20.47 ± 10.13) t/hm2)，不同间伐强度下林分总碳储量为：弱度间伐 ((174.94 ± 35.01) t/hm2)>未间伐 ((154.47 ± 24.88) t/hm2)> 中度间伐 ((153.74 ± 15.26) t/hm2)> 强度间伐 ((133.93 ± 24.73) t/hm2)。其中，间伐后，乔木层和凋落物层碳储量的变化趋势一致，表现为：未间伐 > 弱度间伐 > 中度间伐 > 强度间伐。与未间伐相比，弱度间伐和中度间伐后，乔木凋落物层碳储量分别减少了5.08 t/hm2和14.24 t/hm2、强度间伐使乔木层碳储量显著减少了27.21 t/hm2。与未间伐相比，弱度间伐和中度间伐使凋落物层碳储量分别减少了0.26 t/hm2和0.38 t/hm2、强度间伐使下凋落物层碳储量显著减少了0.40 t/hm2 (P < 0.05)。不同间伐强度下灌木和草本层的碳储量表现为：强度间伐 > 中度间伐 > 弱度间伐 > 未间伐。不同间伐强度下森林土壤层的碳储量则表现为：弱度间伐 > 中度间伐 > 强度间伐 > 未间伐。 3.2.2 间伐强度对林分碳储量分配的影响

如表4所示，与未间伐相比，弱度间伐下的乔木层和凋落物层碳储量占有比例分别减少了8.38%和0.29%，灌木层、草本层和土壤层碳储量则分别增加了0.23%、0.08%和8.35%。中度间伐下乔木层和凋落物层碳储量所占比例分别减少了9.03%和0.24%，灌木层、草本层和土壤层碳储量分别增加了0.51%、0.18%和8.58%。强度间伐下乔木层和凋落物层碳储量分别减少了13.12%和0.11%，灌木层、草本层和土壤层碳储量分别增加了0.66%、0.34%和12.22%。 4.1 间伐对保留木生长的影响

间伐通过改变林冠层的空间结构、林分胸径结构和林分地下水肥的供应条件，保证林木个体和群体生长。林冠疏开后，保留木迅速生长，占据林冠，叶生长和干生长都明显加快，林木的胸径、树高增加[12]，并且随着间伐强度的加大，增加程度更

明显[13-14]。本研究结果表明，间伐促进了保留木胸径生长，且随着间伐强度的加大，胸径生长量增大，树高的生长也表现出了一致性。针对间伐引起胸径增加的问题，Navarro F B等[15]认为：一方面，间伐将林分中的弱、病、残、小木等不健康林木剔除，使得林分的平均胸径增大；第二，间伐调整了林分结构，为保留木的生长提供了更大的空间，更优越的生长条件，保留木无论大小都可以得到充足的营养，特别是小径木的树冠空间增大，营养吸收度也增大，从而能够更快生长。尽管小直径生长量较小，但是其数量众多，对林分胸径的增加起到了积极的作用[16]。 4.2 间伐对系统碳储量的影响

在合理的间伐强度内，随着间伐强度的加大，林木的单株材积生长量、断面积和胸径也逐渐增大。但是由于移走了部分林木，林分内树木株数减少，间伐后林地的总生物量和碳储量均低于未间伐林地。其原因在于间伐降低了林分密度，导致林分生产力下降[8]，其中受影响最明显也最直接的是乔木层碳储量，间伐移除了一定比例的乔木生物量，导致乔木层的碳储量明显减少，而且在短时间内不可能恢复到原来的水平[17-18]，本研究中的强度间伐 (70%，保留1 235株/hm2) 7 a后，乔木层碳储量恢复到未间伐水平照地水平，与方晰等[19]对间伐 (50%，保留1 250～1 500株/hm2) 5 a后的杉木人工林碳储量分析结果一致。 4.3 间伐对林下植被层碳储量的影响

间伐移除了部分林木，将林冠层疏开，林下光照强度增加，林内温度升高，林下植被的生境得到改善，有助于生长和更新。本研究发现，间伐提高了林下植被的物种丰富度和多样性指数，林下植被层碳储量均增加，且随着间伐强度的增加而显著增加。与多数研究结果相一致[20-21]。林下层碳储量的增加在某种程度上可以弥补乔木层碳储量的损失[22]，但是弥补程度取决于间伐的强度和间伐后林分的密度[23]。

4.4 间伐对凋落物层碳储量的影响

凋落物是土壤养分的重要来源，在改善杉木人林地力衰退方面发挥着重要作用。间伐导致林内气候变化，林内温度升高，减少蒸腾并使土壤湿度增加，从而加快枯枝落叶腐化分解的速度，减少凋落物的积累量[24]。Jandl R等[3]通过分析发现，随着间伐强度的加大，凋落物的含碳量逐渐降低。本研究中间伐对凋落物分解影响的研究结果表明，中度和弱度间伐能够改善凋落物分解环境，加速杉木人工林凋落物的分解，减缓过分积累，这与Jandl R等[3]的研究结果一致。然而，Campbell J等[7]的研究表明，间伐后黄松凋落物生物量降低，但是，随着林木的生长，间伐林的树木的生物量比未间伐高，因此林分的凋落物量可能会增加，与Nilsen P等[25]研究结果较为一致。 4.5 间伐对土壤层碳储量的影响

土壤碳库在林分碳库中属于较为复杂的碳库。间伐后，林下小气候、土壤养分和地上植被受到直接和间接的影响，而间伐增大了到达地面的光照，使土壤发生物理、化学和生物变化，同时改变了林下植物群落的结构，为草本和灌木的生长提供了更多空间，改变了输入土壤的凋落物和根系分泌物的质与量。Thibodeau L等[26]和Bolat I等[27]均发现间伐后土壤微生物量碳含量增大，他们认为是土壤温度和有机碳含量的变化影响了土壤微生物量碳的含量，于海群等[28]研究表明，18年生油松 (Pinus tabuliformis) 人工林随间伐强度增大，土壤有机质含量逐渐升高。还有研究指出，间伐后土壤温度和湿度升高，土壤有机质分解加快，导致土壤有机碳储量减少[29]。

因此，间伐7 a后，林分平均胸径和树高的生长速率均随间伐强度的加大而增加；间伐改变了森林生态系统碳分配格局，弱度间伐显著增加了土壤层碳储量而使乔木层碳储量减少，强度间伐后结果相反。但是间伐后的保留木的生长加快，林下植被更新加快。总体而言，间伐对林分健康有促进作用。但碳储量的变化同时还受到气候和恢复时间等其他因素的影响，间伐强度不同，林分碳储量的恢复速率也不同。

因此，不同间伐强度下林分碳储量及分配格局在长时间范围内将如何变化还有待进一步研究，未来仍需对森林进行更长期系统的观测。

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