間伐對(duì)落葉松解剖特征與碳素儲(chǔ)存關(guān)系的影響1)

胡思穎 關(guān)鑫 郭明輝 王金滿

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (福建農(nóng)林大學(xué)) (東北林業(yè)大學(xué))

責(zé)任編輯:戴芳天。

大氣二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)已經(jīng)由工業(yè)革命前(1750年)的280 μmol·mol-1增加到391 μmol·mol-1(2011年)。從大氣二氧化碳分布來(lái)看，赤道以北的工業(yè)化國(guó)家是主要碳排放源，也表明化石燃料燃燒和土地使用變化是人為活動(dòng)排放大氣二氧化碳的主要原因［1-2］。陸地生態(tài)系統(tǒng)是大氣二氧化碳吸收固定的主要媒介之一，是通過(guò)中高緯度植被光合作用和氮沉降減少大氣中溫室氣體的含量［3］。在自然系統(tǒng)中，碳素儲(chǔ)存過(guò)程是在不同時(shí)間尺度下實(shí)現(xiàn)的，并以有機(jī)體的形式儲(chǔ)存在自然碳庫(kù)中，其形式可以是短生命周期的樹(shù)葉、細(xì)根，也可是長(zhǎng)生命周期的樹(shù)干、土壤等［4-6］。

植被碳素儲(chǔ)存量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)的20%，其中熱帶森林的植被碳素儲(chǔ)存量最高，其次為北方森林，森林和濕地的碳素儲(chǔ)存量遠(yuǎn)高于農(nóng)田和草地，毀林及森林退化將天然碳庫(kù)轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚矗?-8］。然而，任何事物都具有兩面性，人為干預(yù)增加碳庫(kù)儲(chǔ)碳量成為熱點(diǎn)研究問(wèn)題［9］。

帽兒山屬于中緯度北方森林地區(qū)，植被種類繁多，地帶性植被是以紅松為主的針闊混交林，但人為活動(dòng)的干預(yù)，使地帶性植逐漸被取代，人工林落葉松因成材時(shí)間短、出材率高而得到大范圍栽種。

人工林碳素儲(chǔ)存量在時(shí)間尺度變化過(guò)程的分析已經(jīng)成為全球溫室效應(yīng)減緩的核心內(nèi)容。筆者以人工林落葉松為研究對(duì)象，在時(shí)間尺度上，研究間伐強(qiáng)度、解剖構(gòu)造特征與人工林落葉松喬木層碳素儲(chǔ)存量之間復(fù)雜的相互作用及其異質(zhì)性，確定碳素儲(chǔ)存量的高值期，提出科學(xué)的人為干預(yù)方式。

1 材料與方法

1.1 試樣采集

試材采自東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)落葉松人工林林分內(nèi)。在不同間伐強(qiáng)度(輕度間伐、重度間伐、未間伐)的林分內(nèi)取樣，取樣方法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1927—91《木材物理力學(xué)試材采集方法》的規(guī)定進(jìn)行。在每個(gè)樣地上，選取5 株樣木，在胸高1.3 m 處截取25、50 mm 厚圓盤(pán)各一個(gè)，記號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室，作為木材解剖特征的試樣。采樣具體情況見(jiàn)表1。

1.2 解剖特征測(cè)定

管胞長(zhǎng)度、管胞長(zhǎng)寬比、管胞直徑、管胞壁腔比和胞壁率5 項(xiàng)為測(cè)試指標(biāo)，具體測(cè)定方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)［10］。

表1 試樣采集信息

1.3 碳素儲(chǔ)存量評(píng)估

基于生長(zhǎng)輪分析法評(píng)估人工林落葉松碳素儲(chǔ)存量，計(jì)算公式如下:Mc=(1/2)×r×V×n。式中，Mc為木材的儲(chǔ)碳量;r 為胞壁率，是碳素儲(chǔ)存量研究的重要指標(biāo);V 為木材材積，采用伐倒木區(qū)分求積法進(jìn)行計(jì)算;n 為轉(zhuǎn)化系數(shù)。

根據(jù)此公式可以估算任意時(shí)間范圍內(nèi)的木材儲(chǔ)碳量，最小時(shí)間間隔為半年(環(huán)孔材)或一年(散孔材和半散孔材)，在時(shí)間尺度上研究木材年碳素儲(chǔ)存量及分析人為干預(yù)方式效應(yīng)具有明顯優(yōu)勢(shì)［11］。

2 結(jié)果與分析

圖中黑色深淺用來(lái)評(píng)價(jià)碳素儲(chǔ)存量的多少，顏色越淺，碳素儲(chǔ)存量越多。

2.1 管胞長(zhǎng)度與連年碳儲(chǔ)量

圖1為不同間伐強(qiáng)度下生長(zhǎng)輪齡、管胞長(zhǎng)度與連年碳儲(chǔ)量的關(guān)系?？芍?，對(duì)于輕度間伐，較高的連年碳儲(chǔ)量分布在兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是生長(zhǎng)輪齡在5 a以內(nèi);一個(gè)是生長(zhǎng)輪齡在10～26 a，且管胞長(zhǎng)度小于2.4 mm。對(duì)于重度間伐，較高的連年碳儲(chǔ)量分布在生長(zhǎng)輪齡小于5 a，且管胞長(zhǎng)度大于3.8 mm。但結(jié)合前期的研究結(jié)果可知，較小的管胞長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)較高的連年碳儲(chǔ)量，因此把范圍確定在黃色區(qū)域，即生長(zhǎng)輪齡在4～20 a，且管胞長(zhǎng)度小于2.6 mm。對(duì)于未間伐而言，較高的連年碳儲(chǔ)量分布在生長(zhǎng)輪齡30 a以上，且管胞長(zhǎng)度小于2.6 mm。綜合來(lái)看，輕度間伐是比較合理的培育措施，因?yàn)樵谏L(zhǎng)初期，管胞長(zhǎng)度的大小對(duì)連年碳儲(chǔ)量無(wú)影響，且連年碳儲(chǔ)量較高，而后進(jìn)入成熟期，小的管胞長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)較高的連年碳儲(chǔ)量，而長(zhǎng)的管胞長(zhǎng)度雖然連年碳儲(chǔ)量相對(duì)較低，但其分布在黃色區(qū)域，也是較為理想的。

圖1 不同間伐強(qiáng)度下生長(zhǎng)輪齡、管胞長(zhǎng)度與連年碳儲(chǔ)量的關(guān)系

2.2 長(zhǎng)寬比與連年碳儲(chǔ)量

由圖2可知，對(duì)于輕度間伐，生長(zhǎng)輪齡小于10 a的連年碳儲(chǔ)量較高。對(duì)于重度間伐，較高的連年碳儲(chǔ)量分布在兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域是生長(zhǎng)輪齡小于10 a，且管胞長(zhǎng)寬比大于110;另一個(gè)區(qū)域是生長(zhǎng)輪齡小于20 a，且管胞長(zhǎng)寬比小于85。對(duì)于未間伐，較高的連年碳儲(chǔ)量分布在生長(zhǎng)輪齡小于30 a，且管胞長(zhǎng)寬比小于110。綜合對(duì)比分析，從管胞長(zhǎng)寬比的角度考慮比較合理的培育措施是未間伐，其幼齡期和成熟期的連年碳儲(chǔ)量相對(duì)較高，是培育優(yōu)質(zhì)高固碳量人工林落葉松的合理培育措施。

2.3 管胞直徑與連年碳儲(chǔ)量

由圖3可知，對(duì)于輕度間伐，生長(zhǎng)輪齡小于25 a的連年碳儲(chǔ)量較高;對(duì)于重度間伐，生長(zhǎng)輪齡小于20 a 的連年碳儲(chǔ)量較高;對(duì)于未間伐，生長(zhǎng)輪齡小于20 a 的連年碳儲(chǔ)量較高。綜合前面的分析結(jié)果，從管胞直徑的角度考慮，三者的差異性不大。

2.4 管胞壁腔比與連年碳儲(chǔ)量

由圖4可知，對(duì)于輕度間伐，較高的連年碳儲(chǔ)量分布在3 個(gè)區(qū)域，一個(gè)是生長(zhǎng)輪齡小于5 a，管胞壁腔比小于1.6;一個(gè)是生長(zhǎng)輪齡在12～22 a，管胞壁腔比大于1.7;一個(gè)是生長(zhǎng)輪齡在12～22 a，管胞壁腔比小于0.8。對(duì)于重度間伐，較高的連年碳儲(chǔ)量分布在2 個(gè)區(qū)域，一個(gè)是生長(zhǎng)輪齡小于20 a，管胞壁腔比大于1.4;一個(gè)是生長(zhǎng)輪齡在0～26 a，管胞壁腔比小于0.95。對(duì)于未間伐，較高的連年碳儲(chǔ)量分布于生長(zhǎng)輪齡小于5 a。綜合前面的分析結(jié)果，較為合理的培育措施是重度間伐，在幼齡期和成熟期，除較高的連年碳儲(chǔ)量，其余的連年碳儲(chǔ)量分布在黃色區(qū)域，也是相對(duì)較高的。

圖2 不同間伐強(qiáng)度下生長(zhǎng)輪齡、管胞長(zhǎng)寬比與連年碳儲(chǔ)量的關(guān)系

圖3 不同間伐強(qiáng)度下生長(zhǎng)輪齡、管胞直徑與連年碳儲(chǔ)量的關(guān)系

圖4 不同間伐強(qiáng)度下生長(zhǎng)輪齡、管胞壁腔比與連年碳儲(chǔ)量的關(guān)系

2.5 胞壁率與碳素儲(chǔ)存量

圖5 不同間伐強(qiáng)度下生長(zhǎng)輪齡、胞壁率與連年碳儲(chǔ)量的關(guān)系

由圖5可知，對(duì)于輕度間伐，生長(zhǎng)輪齡小于10 a的連年碳儲(chǔ)量相對(duì)較高;對(duì)于重度間伐，生長(zhǎng)輪齡小于25 a 的連年碳儲(chǔ)量相對(duì)較高;對(duì)于未間伐，生長(zhǎng)輪齡小于10 a 的連年碳儲(chǔ)量相對(duì)較高。綜合對(duì)比分析可知，重度間伐是較為合理的培育措施，幼齡期和成熟期的連年碳儲(chǔ)量相對(duì)較高，且幼齡期的連年碳儲(chǔ)量不受胞壁率影響，而成熟期的連年碳儲(chǔ)量隨胞壁率的增加而增加。應(yīng)溫度170 ℃、催化劑用量5%。在此條件下沙柳木粉液化率為97.84%;核磁共振圖譜分析得出沙柳在多元醇液化過(guò)程中，發(fā)生了降解、縮聚反應(yīng)，產(chǎn)物主要生成了糠醛類化合物、愈創(chuàng)木基型木質(zhì)素結(jié)構(gòu)以及脂類化合物。另外纖維素、木質(zhì)素降解生成的小分子化合物之間縮聚產(chǎn)生大分子量的化合物;液化產(chǎn)物的羥值、酸值都隨著液化率的增高而增加。產(chǎn)物的黏度在反應(yīng)開(kāi)始階段較高，之后產(chǎn)物黏度值隨反應(yīng)時(shí)間的增加先降低又升高。

［1］ 張求慧，趙廣杰.木材的液化及其液化生成物的利用［J］.國(guó)際木業(yè)，2003(8):14-17.

［2］ 謝濤，諶凡更.木材液化及其在高分子材料中的應(yīng)用［J］.纖維素科學(xué)與技術(shù)，2004，12(2):47-53.

［3］ 張路，郝一男，安珍.碳酸乙烯酯液化沙柳材的工藝研究［J］.木材加工機(jī)械，2014(4):45-47.

［4］ 張求慧，趙廣杰.木材的苯酚及多元醇液化反應(yīng)機(jī)理研究進(jìn)展［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2014，34(4):138-143.

［5］ 黃金田，高冠慧.沙柳及檸條灌木材液化產(chǎn)物的核磁共振譜分析［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2009，29(4):101-104.

［6］ 趙巖.沙柳液化物制備發(fā)泡材料的工藝與性能的研究［D］.呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

［7］ 劉鐘棟，李坤.蔗糖多酯合成工藝的響應(yīng)面法優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(2):85-88.

［8］ Yan Y，Hu M，Wang Z.Kinetic study on the liquefaction of cornstalk in polyhydric alcohols［J］.Industrial Crops Products，2010，32(3):349-352.

［9］ 苗雅文，張桂蘭.沙柳木材苯酚液化工藝及其結(jié)構(gòu)表征［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，28(4):162-165.

［10］ Guo J，Liu J，Li D，et al.Process optimization for microwave-assisted direct liquefaction of Sargassum polycystum C.Agardh using response surface methodology［J］.Bioresource Technology，2012，120:19-25.

［11］ 馮國(guó)東，周永紅，郭曉昕，等.響應(yīng)面分析法優(yōu)化木材微波液化的工藝研究［J］.纖維素科學(xué)與技術(shù)，2009，17(4):19-30.

［12］ Tejado A，Pena C，Labidi J，et al.Physico-chemical characterization of lignins from different sources for use in Phenol-formaldehyde resin synthesis［J］.Bioresource Technology，2007，98(8):1655-1663.

［13］ 蔡邦宏.從化學(xué)位移看苯環(huán)親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律［J］.嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996(1):49-52.

［14］ Lin L Z，Yao Y G，Yoshioka M，et al.Liquefaetion mechanism of lignin in the Presence of Phenol at the levated temperature without catalysts:studies on β-o-4 lignin model compound.2.Reaction pathway［J］.Holzforschung，1997，51(4):325-332.

［15］ 牛敏.木材多元醇液化物的結(jié)構(gòu)表征及縮聚反應(yīng)路徑［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2011.

［16］ 劉貴生，段新方，劉君良，等.1H，13C-NMR 光譜在木質(zhì)素化學(xué)研究中的應(yīng)用［J］.吉林林學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，12(4):239-243.