桂西北秃杉人工林不同年龄阶段的固碳功能

谢敏洋，何 斌＊，戴 军，黄振格，周 刚，张日施

(1. 广西大学林学院，广西森林生态和保育重点实验室，广西 南宁 530004；2. 广西国有维都林场，广西 来宾 546000)

森林是陆地生态系统的主体[1]，人工林作为森林生态系统的重要组成部分，在增加森林碳汇和碳吸存能力、改善生态环境等方面发挥着越来越重要的作用[2-4]。中国是世界人工林面积最大的国家，其森林植被碳汇功能主要来自于人工林的贡献。因此，通过造林、再造林等活动增加森林生态系统碳固定量，已成为推进中国碳汇林业发展和实施碳减排计划最主要的途径，而营造具有收获木材和固碳双重功能的新型人工林则是其重要固碳手段之一[5-6]。近十多年来，国内外学者先后对杨树(PopulusL.）[7]、杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)[8-9]、马尾松（Pinus massonianaLamb.）[10]、桉树（EucalyptusrobustaSmith)[11]、兴安落叶松（Larix gmelinii(Rupr.) Kuzen.）[12]、 日 本 落 叶 松（ L arix kaempferi （ L amb. ） Carr ）[13]等人工林的碳汇功能开展了大量的研究，为人工林生态系统碳汇功能及其生态效益的评估提供了基础数据。

杉木是我国南方山地主要的造林树种之一[14]，在我国林业生产和木材战略储备基地建设中具有重要的地位；但由于杉木连栽导致地力严重衰退和生态功能下降等问题日趋严重[15-16]。因此，寻找和解决杉木采伐迹地更新的经营措施和技术途径，对森林可持续经营和林业生态安全具有重要意义和作用。秃杉（Taiwania flousianaGaussen）为杉科台湾杉属珍稀树种，具有适应性强、速生、生物生产力及出材率高和材质优良等优点[17]，已成为南方中低山区杉木采伐迹地更新的优良替代树种和退耕还林地的重要栽培树种[18]。由于秃杉生长的成熟期和衰退期均较晚，速生期持续时间长，而且没有出现杉木大径材因处于成熟或过熟期而容易发生的枯梢及木材心腐现象，因此，更适合培育大径材[19]和国家木材战略储备林。据统计，广西秃杉人工林造林面积从2009 年约2 000 hm2发展到2017 年约1.3 万hm2，并继续以较高的增长速度持续增加。目前，有关秃杉人工林碳储量的研究已有一些报道[20-23]，但均集中在以培育中小径材为经营目标且采用较高林分密度经营的中、幼龄林。为此，本文以广西西北部南丹县不同年龄阶段（9、17、25、37 年生）秃杉林为研究对象，采用标准地调查和室内分析方法，对不同年龄阶段秃杉人工林生态系统碳含量、碳储量、年净固碳量及其分布进行对比分析，以揭示秃杉林生长过程中生态系统的固碳功能及其变化趋势，为合理评估秃杉林尤其是大径级用材林的生态效益及发挥其碳汇功能提供基础数据。

1 研究区概况

研究区位于广西西北部的南丹县山口林场。南丹县（107°1′～107°55′ E、24°42′～25°37′ N）地处云贵高原边缘，地貌以中低山为主，海拔高度多数在500～1 000 m，具有高原山区的气候特点和变化规律。年平均温度16.9℃，年平均降水量1 498 mm，试验地海拔950～1 020 m，土壤母质（母岩）为砂页岩，风化程度较深，土壤类型为山地黄壤，平均土层厚度80 cm 以上，腐殖质层厚度18～25 cm。

各年龄阶段秃杉林前茬林分均为杉木纯林，分别于各自造林前一年冬天采伐，经炼山和清理杂物后挖穴整地，种植穴规格为0.4 m×0.4 m×0.3 m。第2 年3—4 月用林场苗圃培育的1 年生实生苗（贵州雷公山种源）定植，造林密度为2 500 株·hm－2（株行距2 m×2 m）。秃杉造林后前3 年的春季和秋季各进行1 次铲草抚育， 造林后第9～10、14～15、19～20 年分别进行间伐，间伐强度分别约为25%、20%、30%，生长期间没有进行人工施肥。

2 研究方法

2.1 样地设置与植被生物量测定

2.1.1 样地设置 根据南丹山口林场不同林龄秃杉林林分分布状况，于2018 年3—4 月在地理位置毗邻、立地条件相似的地段，分别选取9、17、25、37 年生秃杉林为研究对象，在不同林龄的秃杉林内分别设置3 个样地，样地大小为600 m2（20 m×30 m）。

2.1.2 林分生长调查 调查指标包括样地林冠郁闭度、林分密度，林木胸径、树高、冠幅和枝下高。计算平均胸径和平均树高。各林龄样地基本情况见表1。

表1 秃杉人工林样地概况Table 1 The plots information of T. flousiana plantations

2.1.3 乔木层生物量测定 为了不破坏秃杉林样地的林分，在每个年龄阶段样地外选择3 株平均木并伐倒，采用 “Monsic 分层切割法” 分别测定地上部分树叶、树枝、干皮和干材鲜质量，地下部分采用“全根挖掘法” 将各种根系挖出并测定其鲜质量[20]；同时按 “混合取样法” 采集各器官样品500～600 g带回实验室后于80℃烘箱中烘干，测定含水率和干质量。

2.1.4 灌木层、草本层和凋落物层生物量测定 在每个样地内按对角线设置2 m×2 m 小样方3 个，调查其植物种类、个体数、高度和覆盖度等。采用“样方收获法” 按灌木层、草本层和凋落物层测定鲜质量，采集样品约500 g 带回实验室后于80℃烘箱中烘干，测定含水率和干质量。

2.1.5 年凋落物归还量测定 在每个样地内随机设置5 个1 m×1 m 正方形木框架尼龙网收集器，尼龙网的孔径为1 mm，每月月底收集凋落物1 次，按凋落叶、凋落枝和杂物等组分分别烘干后测定干质量。

2.1.6 土壤样品采集 在每块样地内，按S 形在每个样地内设置5 个土壤剖面，将土壤剖面分0～20、20～40、40～60、60～80 cm 4 个层次。在每个层次分别取土壤约500 g，并将同一样地内不同土壤剖面同一层次的土壤样品混合装袋，带回实验室并自然风干；同时用环刀采集原状土测定土壤容重[18]。

2.2 植物和土壤碳储量计算方法

2.2.1 植物层生物量计算方法 利用调查时获得乔木层各器官、灌木层、草本层、凋落物层的干/鲜质量比计算其相应组分含水率，然后根据鲜质量和含水率估算各结构层次生物量或现存量[21]。

2.2.2 碳含量测定方法 在测定各结构层次植物生物量的同时，选取各组分样品粉碎过0.5 mm 筛，与经自然风干并研磨过0.149 mm 筛的土壤样品分别装瓶待测。植物和土壤样品碳含量均采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[24]。

2.2.3 碳储量计算方法 根据乔木层各器官、灌木层、草本层和凋落物层生物量及其测定相应碳含量，计算生态系统各结构层次的碳储量。计算公式如下：

植物各组分碳储量(t·hm－2)=植物各组分生物量(t· hm－2)×植物各组分碳含量(g·kg－1)/1 000

各土层碳储量(t·hm－2)=土层厚度(m)×土壤容重(g·cm－3)×10 000(m2)×有机碳含量(g·kg－1)/1 000

式中：10 000 为每公顷面积的m2数量。

生 态 系 统 碳 储 量(t·hm－2)=乔 木 层 碳 储 量(t·hm－2)+灌 木 层 碳 储 量(t·hm－2)+草 本 层 碳 储 量(t·hm－2)+凋落物层碳储量(t·hm－2)+土壤层碳储量(t·hm－2)

乔木层各器官年净固碳量(t·hm－2·a－1)=乔木层各器官年平均生物量(t·hm－2)×各器官碳含量(g·kg－1)/1 000

式中：除树叶按其生长时间4 年计算外，其他器官均按林龄计算。

2.3 数据处理与分析

运用Excel 2013 进行数据的整理和计算，采用SPSS 22.0 软件对各年龄阶段秃杉人工林不同结构层次碳储量等数据间的差异性进行单因素方差分析（ANOVA），同时进行Duncan 多重比较。

3 结果与分析

3.1 不同年龄阶段秃杉林不同结构层次碳含量

从表2 可看出：不同林龄秃杉平均碳含量为471.6～483.0 g·kg－1，按碳含量由高到低为25、37、17、9 年生；各林龄林木不同器官碳含量均以干皮最高，其次是树枝、干材或树根，树叶最低。林分其他结构层次中（表3），灌木层、草本层、凋落物层碳含量分别为446.9～461.3、387.0～412.5、410.5～438.2 g·kg－1。相同林龄群落各结构层次植物碳含量均以乔木层最高，其次是灌木层，草本层较低，表现为随植物个体高度或组织木质化程度降低而递减的变化趋势。

不同年龄阶段秃杉林土壤碳含量在剖面分布上均呈随土壤深度增加而明显下降的趋势（表3），其中，0～20 cm 土层碳含量明显高于其它土层，但相邻土层间碳含量的差异随土壤深度增加而逐渐减小；在同一土层中，均以9 年生最低，表现为随林龄增加而增大，其中，0～20、20～40、40～60 cm 土层中，37 年生与9 年生碳含量间差异显著（P＜0.05）。

表2 不同林龄秃杉各器官碳含量Table 2 Carbon content in various organs of T. flousiana at different ages g·kg－1

表3 不同林龄秃杉林灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳含量Table 3 Carbon contents in Shrub, herb litter and soil layers of T. flousiana plantation at different ages g·kg－1

3.2 不同年龄阶段秃杉林生态系统碳储量及其分配

由表4 可看出：9、17、25、37 年生秃杉林生态系统碳储量分别为180.39、 223.24、 254.65、314.59 t·hm－2，随林龄增加而显著增大（P＜0.05）。乔木层作为秃杉林生态系统的主要组成部分，9、17、25、37 年生碳储量依次为36.34、75.28、97.56、146.92 t·hm－2, 分别占生态系统碳储量的20.15%、33.72%、38.31%、46.70%；其中，干材碳储量依次占乔木层碳储量的47.14%、57.51%、62.93%、69.89%； 树枝碳储量依次占22.01%、 18.53%、15.59%、9.96%；树根、树叶和干皮碳储量依次占11.82%～14.64%、2.93%～11.64%、4.17%～4.57%。

9、17、25、37 年生秃杉林灌草层碳储量分别为0.66、1.47、2.23、2.60 t·hm－2，随林龄增加而增大，表现出与林分郁闭度（表1）相反的变化趋势，说明林分郁闭度既影响到灌草层的生长，同时也影响到灌草层碳储量的生物积累；凋落物层碳储量分别为0.92、2.07、2.96、4.43 t·hm－2，随林龄增加而增大，说明秃杉林的生长过程有利于凋落物碳储量的生物积累；土壤层（0～80 cm）碳储量分别为142.47、144.42、151.90、160.64 t·hm－2，分别占生态系统碳储量的78.98%、64.69%、59.69%、51.06%；各年龄阶段土壤碳储量均随土层加深而逐渐递减，其中，0～20 cm土层碳储量远高于其他土层，占土壤层碳储量的48.13%～48.77%。

表4 不同林龄秃杉林生态系统碳储量及其分配Table 4 Carbon storage and spatial distribution of T. flousiana plantation ecosystem at different ages t·hm－2

3.3 不同年龄阶段秃杉林年净固碳量的估算

年净固碳量反映了森林碳汇功能的强弱，是衡量森林生态系统吸收和固定CO2量的重要指标。从表5 可见：9、17、25、37 年生秃杉林年净固碳量 分 别 为5.42、 7.15、 7.32、 7.03 t·hm－2·a－1， 其中，17、25、37 年生间差异不显著（P＞0.05），且均显著高于9 年生（P＜0.05）。不同年龄阶段乔木层年净固碳量依次为4.62、5.28、5.02、4.95 t·hm－2·a－1， 分 别 占 林 分 年 净 固 碳 量 的85.24%、73.85%、68.58%、70.41%。各器官中，干材年净固碳量最大，其次是树叶、树枝和树根，干皮的最小。年凋落物净固碳量分别为0.80、1.87、2.30、2.08 t·hm－2·a－1，分别占14.76%、26.15%、31.42%、29.59%。

表5 不同林龄秃杉林年净固定碳量Table 5 Annual carbon sequestration of T. flousiana plantation at different ages

4 讨论

森林碳储量的大小取决于其生物量和含碳系数。目前，国内外研究者在进行森林碳储量计算时采用500 g·kg－1或450 g·kg－1作为转换系数进行估算[25-27]。本研究中，不同林龄秃杉平均碳含量为471.6～483.0 g·kg－1，与相同或相近区域桂西北西南桦（Betula alnoides Buch.-Ham. ex D. Don）平均碳含量（466.7 g·kg－1）[28]、广西南宁市不同林龄马占相思（Acacia mangium Willd.）平均碳含量（478.8～482.0 g·kg－1）[29]、Elias 等[30]对32 个热带森林树种碳含量 (444.0～494.5 g·kg－1）研究结果基本一致，低于福建省南平市不同发育阶段杉木平均碳含量（493.0～519.9 g·kg－1）[31]和福建省顺昌县马尾松不同发育阶段平均碳含量（496.9～525.9 g·kg－1）[32]，说明林木中碳含量的多少与树种密切相关，同时也受林龄或生长阶段等影响。本研究中，各林龄秃杉平均碳含量均在450～500 g·kg－1间，但不同林龄之间存在差异，因此，如果采用上述系数分别计算不同年龄阶段秃杉林碳储量时，可能因为高估或低估秃杉林生态系统的碳储量，从而导致结果偏差。

桂西北9、17、25、37 年生秃杉林生态系统碳储量分别为180.39、223.24、254.65、314.59 t·hm－2，其中， 乔木层碳储量分别占20.15%、 33.72%、38.31%、46.70%。不同林龄乔木层碳储量均明显高于相同或相近林龄的广西北部杉木林[33]和福建省顺昌县马尾松林[32]，其中，17、25、37 年生乔木层碳储量也高于中国森林乔木层碳储量平均水平（57. 07 t·hm－2）[34]及中国热带、亚热带针叶林碳储量（63.17 t·hm－2），表明该地区秃杉林具有明显的速生特性和较大的碳储存潜力，而其植被层碳储量随林龄增加而显著增大（P＜0.05），说明林龄是影响秃杉林生态系统碳储量积累的主要主导因子。由于秃杉成熟期晚，其速生时间可达50～100 年[35]。因此，即使秃杉林林龄达到37 年生，其碳储量仍然保持明显的增长趋势。

据报道，广西南宁马占相思林[29]和福建省顺昌马尾松林土壤碳储量均随林龄增加而增大，大兴安岭兴安落叶松林土壤碳储量随林龄增加呈先减少后增加的变化趋势[36]，广西北部[33]和江西省吉安市[37] 杉木林土壤碳储量则随林龄增加表现出先增加后下降的变化规律。本研究中，4 个林龄秃杉林土壤碳储量（142.47～160.64 t·hm－2），均高于我国天然林平均土壤碳储量（109.1 t·hm－2）和人工林平均土壤碳储量（107.1 t·hm－2）[38]，并表现出随林龄增加而增大的变化趋势，说明研究区森林土壤碳储存功能较强；而在秃杉林生长过程中，由于其凋落物比较丰富且以较容易分解的树叶和柔软小枝为主，加上间伐和林分自疏过程中留在林地的大量树叶、树枝和根系，通过分解和腐殖化作用从而增加土壤碳储量；另一方面，秃杉根系发达，根系之间相互连生，通过大量活根的分泌和死根系的腐解也增加了土壤碳储量。因此，秃杉林的生长过程可以促进土壤碳的生物积累，发挥其木材生产和土壤固碳的协同作用[39]。

研究表明，江西省吉安市7、16、25、34 年生杉木林乔木层年净固碳量分别为2.14、4.65、3.77、2.78 t·hm－2·a－1[37]，广西武宣县8、14、23、38 年生马尾松林乔木层年净固碳量分别为1.99、3.85、4.09、2.60 t·hm－2·a－1[40]，四川南部15、27、39 年生马尾松林乔木层年净固碳量分别为4.25、5.03、3.17 t·hm－2·a－1[10]。本研究中，9、17、25、37 年生秃杉林年净固碳量分别为5.42、7.15、7.32、7.03 t·hm－2· a－1， 其 中 ， 乔 木 层 年 净 固 碳 量 分 别 为4.62、5.28、5.02、4.95 t·hm－2·a－1，不同林龄之间差异不显著，且多数高于上述相同或相近林龄的杉木林和马尾松林。可见，研究区秃杉林速生特性明显，固碳能力强。秃杉林生长过程中，虽然经过多次高强度间伐，但其碳积累速率并未因林分密度急剧下降而明显减少，直至37 年生时仍保持较高的碳积累速率，同时也显示出秃杉林具有较大的碳吸存潜力。

当前，在人工林传统经营即实现木材产量和经济效益最大化的基础上，提高其固碳潜力和碳汇效益，已成为人工林多目标经营中的一种新型经营模式。作为这一经营模式的适宜树种，从碳吸存量考虑，则必须兼具生长速率快和碳积累量大2 个方面。因此，从秃杉的生物生态学特性、碳积累速率与潜力（包括碳储量、年净固碳量及其变化趋势）等综合分析表明，秃杉是桂西北地区培育大径级（林分平均胸径≥26 cm）优级材和培育碳汇人工林的优良树种。

5 结论

（1）桂西北不同年龄阶段秃杉林生态系统碳储量为180.39～314.59 t·hm－2，其中，乔木层碳储量为36.34～146.92 t·hm－2，占生态系统碳储量的20.15%～46.70%；灌草层、现存凋落物层分别为0.66～2.60 、0.92～4.43 t·hm－2，分别占生态系统碳储量的0.36%～0.88%、0.51%～1.43%；土壤层碳储量为142.47～160.64 t·hm－2，占生态系统碳储量的51.06%～78.98%。

（2）桂西北不同年龄阶段秃杉林年净固碳量分别为5.42～7.32 t·hm－2·a－1，随林龄增加呈先增大（9～25 年生）后缓慢下降（25～37 年生）的趋势。与杉木和马尾松人工林相比，秃杉林兼具生长速率快、碳积累量及其潜力大的优点，具有较高的固碳功能。因此，在桂西北地区大力发展秃杉大径级珍贵用材林，将成为兼具木材收获和碳吸存效益的多目标人工林可持续经营模式。