抚育间伐对小兴安岭天然针阔混交林碳储量的影响1)

刘慧 董希斌 曲杭峰 宋鑫彧 赵状 韩敏

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

森林作为陆地生态系统最大的碳库，急剧的全球气候变化将人们的注意力集中在森林中的碳汇上[1]，森林管理对森林碳吸收的影响早已成为焦点[2]。森林碳储量，不仅在温室气体的减排和增加陆地碳汇中发挥重要作用，而且是有效评价森林生长状况、林木质量以及森林生态系统稳定性的重要指标。影响森林生态系统碳储量的因素很多，其中抚育间伐是影响生物量和碳储量积累的重要因素[3-6]；科学抚育间伐，通过土壤温度、呼吸速率及理化性质，改变土壤营养物质[7-8]，增强水循环促进林木水分吸收，调整林分密度、林分营养空间、生长环境促进林木生长[9-11]。黄雪蔓等[12]、殷博等[13]研究表明，与对照林地乔木层碳储量相比，间伐在不同程度上降低了乔木层碳储量。明安刚等[14]研究结果显示，间伐有利于提高马尾松林乔木层的碳储量，但不利于积累林下地被物和凋落物碳储量。徐金良等[15]研究结果显示，试验区杉木人工林间伐15 a后，随着间伐强度的增大树干碳储量比例增加，枝、叶碳储量比例则略低。因此，在森林生态经营过程中，研究作业方式对碳储量的影响具有非常重要意义。

目前，国内外相关研究多数集中在抚育间伐对纯林的林分结构、林地土壤养分[16-18]、物种多样性[19]的影响以及对纯林生物量、碳储量[20-21]的研究等，关于抚育间伐对天然针阔混交林碳储量影响的研究较少。本研究以小兴安岭天然针阔混交林为对象，分析不同间伐强度8 a内乔木层碳储量的分配特征及动态变化，旨在为科学选择森林经营作业方式、提高森林碳储量提供参考。

1 研究地区概况

试验样地位于小兴安岭地区带岭林业实验局东方红林场，地理坐标128°37′46″～129°17′50″E、46°50′8″～47°21′32″N，平均海拔600 m。区域内山脉纵横起伏，坡度14°。土壤以暗棕壤为主，平均厚度45 cm左右。试验区年气温变化较大，全年平均气温约为1.4 ℃，年最低气温-40 ℃，年最高气温37 ℃。冬季干燥寒冷而漫长，夏季湿润温暧且短暂，属典型的大陆性湿润季风气候。年平均降水量661 mm，降水时间集中在7—8月份，全年无霜期115 d左右。森林群落类型为针阔混交次生林，主要乔木树种为红松(PinuskoraiensisSieb. et Zucc.)、云杉(PiceaasperataMast.)、冷杉(AbiesfabriCraib.)、椴树(TiliatuanSzyszyl.)、色木槭(AcermonoMaxim.)、青榨槭(AcerdavidiiFranch.)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)等。

2 研究方法

样地设置：2011年，在天然林试验区，根据采伐蓄积量与总蓄积量之比设置间伐强度分别为10%、15%、20%、25%、30%、35%共6块样地，样地面积均为100 m×100 m。2012年各间伐区域补植落叶松、红松、云杉，补植方案和依据均相同。2012—2019年进行每木检尺，调查林分郁闭度，分别记录样地内每株乔木(胸径≥5 cm)树种、树高、胸径、活枝高、冠幅。利用GPS确定每块样地位置，记录每块样地海拔、坡度等立地因子(见表1)。

表1 试验样地乔木层林分概况

树干生物量测定：通过每木检尺数据，在每块样地对各树种分别选取3棵标准木，据地面1.3 m处利用生长锥分南北方向采集树干样品以备树干碳质量分数的测定[22]，并在现场测定鲜质量和记录。带回实验室，并在85 ℃烘干至恒质量。根据立木材积表[23]，针对不同的树种，采用二元材积计算公式得出样地各树种立木材积。计算公式：V=c0Dc1Hc2；V为立木材积，D为胸径，H为树高，参数c0、c1、c2在相应的立木材积表中均可查得。利用基本密度与立木材积的乘积换算成生物量[24-25]。

树冠生物量测定：采用标准枝分层抽样剪枝，将树冠平均分为上、中、下3层。在每层选择3个标准枝，将叶片和标准枝分离，现场分别测定枝条和叶片的鲜质量并记录。样品测定鲜质量后带回实验室，与树干样品一起烘干后计算枝和叶的含水率，计算枝和叶的生物量。

乔木层碳储量的计算：乔木各部分粉碎过筛后，利用重铬酸钾外加热法测定并计算其碳质量分数，各部分生物量乘以碳质量分数即为其碳储量。

数据处理：试验数据采用Excel软件处理，应用SPSS 21.0软件的单因素方差分析法和最小显著差异法分析比较各指标的差异显著性。

3 结果与分析

3.1 抚育间伐对乔木层各器官生物量的影响

由表2可见：随着间伐强度的增大，2019年生物量呈先增加后减少的趋势，由大到小依次为对照、中度间伐(20%、25%)、弱度间伐(10%、15%)、强度间伐(30%、35%)。乔木地上部分生物量，中度间伐的显著高于间伐10%、35%的。

天然针阔混交林乔木层地上部分生物量由干(含皮)、枝、叶3部分组成，由表2可见：不同间伐强度，树干(含皮)占总生物量的77.85%～87.90%，枝、叶占总生物量的比例较小，枝占总生物量的8.99%～18.60%、叶占总生物量的2.60%～6.84%。与对照相比，各间伐树干(含皮)生物量比例皆高于对照，25%、30%、35%间伐干生物量比例大致相同，20%间伐干生物量比例最大，比对照增加了0.16倍。由此可知，15%～20%间伐更有利于干生物量的积累，25%～35%更有利于枝叶生物量的积累。中度间伐更有利于乔木层地上部分生物量的增加，主要原因在于间伐强度增大到一定程度后，林内生态环境得到改善，林木的生长速度加快，各间伐针阔混交林乔木层各组分器官生物量会得到不同程度的差异补偿。

表2 不同间伐强度的乔木层各器官生物量

3.2 抚育间伐对乔木层各器官碳储量的影响

由表3可见：2019年各间伐碳储量的大小顺序与生物量基本一致。弱度间伐(10%、15%)、中度间伐(20%、25%)、强度间伐(30%、35%)处理，碳储量分别为对照的61.90%、71.84%、81.98%、77.36%、70.41%、65.71%。其中，20%间伐强度碳储量，显著高于弱度间伐、强度间伐碳储量。

对照和不同间伐强度，乔木层各器官碳储量分配比例均以树干最高，分别为77.54%和77.50%～89.81%；其次为枝，在对照和抚育间伐样地中分别占总碳储量比例15.41%和7.46～18.50%；叶的碳储量比例最小，在对照和间伐样地中为7.05%、2.73%～6.68%。不同间伐，树干碳储量比例均高于对照-0.04%～12.27%，其中20%间伐树干碳储量比例最高，是对照的1.05倍。是由于高度间伐，林分郁闭度降低，枯落物减少，土壤养分降低，所以不利于乔木层树干碳储量的积累；弱度间伐物种丰富，林分营养空间竞争大，所以不利于乔木层树干碳储量的积累；中度间伐土壤养分、光环境、水热条件利于树干碳储量的积累，所以20%间伐相对有利树干碳储量比例的增加。35%间伐强度，树枝碳储量所占比例高于其它间伐强度，树干碳储量所占比例相对较小，说明强度间伐有利于树枝碳储量的累积。这一方面，是由于强度间伐使林木得到充足光照，侧枝有更多的生长空间，从而相对降低了强度间伐树干碳储量比例。另一方面，因为强度间伐使林木冠层面积增加，通过树冠截留的光反过来促进林木枝叶生物量积累，形成良性正反馈调节。

表3 不同间伐强度的乔木层各器官碳储量

3.3 抚育间伐对混交林乔木层碳储量的影响

由表4可见：2012、2015、2019年，对照碳储量均显著高于各间伐。2012年，25%间伐强度碳储量显著高于其余间伐强度，10%间伐强度碳储量显著低于各间伐强度。2015年，25%间伐强度的碳储量，与15%、20%、30%间伐强度的碳储量无显著性差异，但显著高于其余间伐强度的碳储量。2019年，10%间伐强度碳储量低于各间伐强度碳储量。

2015年各间伐强度的碳储量，比2012年各间伐强度的碳储量增加24.75～31.71 t·hm-2，其中20%间伐强度的碳储量增长量高于对照，其余各间伐强度的碳储量均低于对照增长量。各间伐强度的碳储量增长率均高于对照，其中：间伐强度为10%、20%的碳储量增长率较大，分别高于对照63.54%、41.23%；间伐强度为20%的碳储量增长量最大，为31.71 t·hm-2；间伐强度为25%的碳储量增长量最小，为24.75 t·hm-2。2019年各间伐强度碳储量，比2015年碳储量增长19.82～33.06 t·hm-2，各间伐强度碳储量增长率均高于对照。其中，间伐强度为20%的碳储量增长量高于对照，其余各间伐强度的碳储量均低于对照；弱度间伐(10%、15%)、中度间伐(20%、25%)碳储量增长率较大，高于对照增长率5.68%～24.59%；对照、20%间伐碳储量增长量较大，分别增长29.48、33.06 t·hm-2。2012—2019年，对照与间伐强度为20%的碳储量增长量较大，间伐强度为10%、20%的碳储量增长率较大。其中，间伐强度为20%的碳储量增长量最高，各间伐强度的碳储量增长率普遍高于对照。总体看，8 a内各间伐强度整体碳储量逐步趋向稳定。短期间伐(间伐4 a内)，有利于间伐强度为20%的碳储量迅速累积及林木生长。这是由于短期间伐后，间伐强度为20%，土壤肥力、林内光环境得到改善，同时能使更新苗木得到荫庇，促进其初期生长。

表4 不同间伐强度的不同年份混交林乔木层碳储量

4 结论与讨论

抚育间伐后土壤微生物活动和水循环促进土壤养分积累，土壤养分质量优于对照样地，有利于促进植被更新和演替，林木整体生长状态较佳[26-27]。林下植被生物量增加及物种丰富度增大，影响根系对土壤养分的吸收。不同强度抚育间伐第8年，乔木层地上部分生物量为160.64～230.99 t·hm-2。随着间伐强度的增加，乔木层地上部分生物量、碳储量呈先增加再减小趋势，但8 a内，各间伐生物量、碳储量均显著少于对照。徐庆祥[28]、罗艳等[29]研究认为，乔木层总碳储量及各器官碳储量比对照均显著提高；本研究与他们的研究结果不同；主要是间伐时间、间伐强度、树种组成、立地条件不同产生的差异。其中，各间伐乔木层树干碳储量整体占比高于对照，树枝、叶碳储量比例明显降低，说明抚育间伐可以增加树干碳含量及林木自然整枝的生长，进而提高单株林木的质量和碳储量。

目前国际上很多学者对森林碳储量研究时，多采用50%作为所有树种的平均含碳率(碳质量分数)计算碳储量[30-32]，IPCC报告提到森林生物量的含碳率(碳质量分数)为47%或50%。通过测定不同间伐乔木层各组分的含碳率(碳质量分数)可知，各间伐样地中的乔木层平均含碳率(碳质量分数)约为50%。王智勇等[33]研究表明，通过生长、物种、林分空间结构等多方面分析，间伐强度为20%左右林分综合健康水平最佳。本研究在间伐后前4 a，间伐强度为20%的比其他间伐强度的碳储量迅速累积；间伐5～8 a内，强度间伐比其它间伐碳储量积累速度显著下降。伐后第8年，中、高度间伐林木平均胸径较高，中度间伐平均树高较低。15%～25%间伐乔木层生物量无显著性差异，间伐20%乔木层碳储量显著高于弱度、强度间伐。胡云云等[34]研究中表明，通过林分生长状况和年蓄积增长率得出，间伐20%左右，既能维持林分结构，又能加快林木生长。这说明20%间伐主要是通过林木胸径的增加进行林木生长与碳储量累积。

综上所述，间伐后8 a内，不同间伐强度均在一定程度上降低了小兴安岭针阔混交林乔木层地上部分的生物量、碳储量，但是不同间伐强度树干生物量分配比例显著高于对照；短期间伐(间伐4 a内)，有利于间伐20%乔木层碳储量的迅速累积。由此可知，虽然间伐后8 a内小兴安岭天然针阔混交林乔木层地上部分碳储量均降低，但合理间伐改善林木生长结构，有助于天然针阔混交林乔木层树干碳储量比例的累积。