北亞熱帶三種人工林地上生物量的動(dòng)態(tài)變化

胡夢(mèng)君，劉彥春，尚晴，甘家兵，琚煜熙

（1.河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 開(kāi)封 475004；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475003；3.河南省信陽(yáng)市南灣林場(chǎng)，河南 信陽(yáng) 475003；4.河南省信陽(yáng)市雞公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，河南 信陽(yáng) 464000）

全球和區(qū)域的碳循環(huán)的微小變化會(huì)導(dǎo)致大氣二氧化碳濃度和全球氣候的顯著變化[1]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體和最大碳庫(kù)[2]，森林在調(diào)節(jié)全球碳—水循環(huán)和氣候變化方面具有不可替代的作用。森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的能量基礎(chǔ)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源，是評(píng)價(jià)森林碳源—碳匯角色的重要參數(shù)。我國(guó)的森林面積 32.3×106hm2，占國(guó)土面積23%，且森林面積持續(xù)增加[3]。徐冰[4]認(rèn)為在未來(lái)50 a，中國(guó)森林是最大的碳匯，森林的碳匯強(qiáng)度與森林的林齡有密切關(guān)系[5]。

作為中國(guó)重要的糧食基地，河南省僅在其西南部，即伏牛山和大別山的邊緣，分布有為數(shù)不多的森林資源，其對(duì)于維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全和提高環(huán)境質(zhì)量起到不可替代的作用。其中，信陽(yáng)地區(qū)的森林資源豐富，躋身河南省前列。經(jīng)過(guò)近 50多年的營(yíng)林管理，信陽(yáng)市地區(qū)已經(jīng)形成了以馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)和麻櫟(Quercus acutissima Carr.)為主要樹(shù)種的人工林和以楓香及櫟類(lèi)為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的天然次生林彼此鑲嵌的森林景觀。一方面，計(jì)劃性的撫育與收獲措施可緩解區(qū)域木材及相關(guān)林產(chǎn)品的市場(chǎng)需求；另一方面，健康合理的森林群落對(duì)區(qū)域水質(zhì)和水量有重要的調(diào)控作用，同時(shí)能提高地區(qū)植被的固碳潛力，因此，可帶來(lái)突出的生態(tài)效益。然而，在亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的敏感地區(qū)，不同人工林的林分蓄積量和生物量在不同發(fā)育階段是如何變化的，以及相同撫育時(shí)期下哪種人工林能獲得更多的木材產(chǎn)量和碳收益，至今尚不清楚。因此本研究以信陽(yáng)地區(qū)的馬尾松、杉木和麻櫟人工林為研究對(duì)象，通過(guò)林分調(diào)查和異速生長(zhǎng)方程法，分析了三種人工林的林分蓄積量和生物量隨發(fā)育時(shí)期的變化規(guī)律，以闡明氣候過(guò)渡區(qū)不同人工林類(lèi)型在木材產(chǎn)量及固碳能力方面的差異，近而為該區(qū)域林業(yè)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于河南省信陽(yáng)市南灣實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)（31°49′～32°14′N(xiāo)，113°45′～114°10′E）。該地區(qū)年均溫度是 15.2℃，1月均溫 2℃，7月均溫27.5℃，無(wú)霜期220 d。年均降雨1 118.7 mm，大部分集中于5～9月份。土壤以石質(zhì)山地黃棕壤為主，土壤厚度一般為0～20 cm，pH在4.1～4.5之間。該地區(qū)植被類(lèi)型以亞熱帶針闊混交林和闊葉混交林為主，同時(shí)廣泛分布有馬尾松、杉木和麻櫟的人工林。主要的喬木樹(shù)種有麻櫟，杉木，馬尾松，黃山松(Pinus taiwanensis Hayata)，油茶(Camellia oleifera Abel.)，楓香(Liquidambar formosana)等。林地內(nèi)的灌木樹(shù)種主要有黃荊(Vitex negundo Linn.)，胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)，鹽膚木(Rhus chinensis Mill.)等。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

在南灣實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，根據(jù)林分經(jīng)營(yíng)歷史和實(shí)地踏查，分別選取不同發(fā)育階段的麻櫟人工林、馬尾松人工林和杉木人工林以開(kāi)展相關(guān)研究。除杉木林以外，其他兩種人工林的齡級(jí)可依次劃分為：10～20 a，20～30 a，30～40 a，40～50 a，50～60 a。杉木林未找到50～60 a的林分，因此只選擇其他4個(gè)齡級(jí)的樣地。每個(gè)齡級(jí)設(shè)置4個(gè)樣地，樣地大小為20 m×20 m。本研究共設(shè)置麻櫟人工林20個(gè)樣地，馬尾松人工林20個(gè)樣地，杉木人工林16個(gè)樣地，樣地的基本情況見(jiàn)表 1。根據(jù)林場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)歷史，馬尾松造林時(shí)的初植行間距均為1.5 m×2.2 m；杉木行間距為1.5 m×2 m；麻櫟林行間距為2 m×3 m。造林后1～3 a，每年各進(jìn)行1次除灌鋤草，以保證幼苗的順利成活。植苗成活后，除灌鋤草頻率減少到每3年1次。植株長(zhǎng)到2 m以后，停止撫育措施。所選擇要調(diào)查樣地沒(méi)有開(kāi)展過(guò)間伐措施。樣地布置時(shí)，最大限度的保證各齡級(jí)樣地在坡度、坡向、海拔和土壤等立地條件的一致性，以減弱立地條件的差異對(duì)林分生長(zhǎng)的影響。樣地選定之后，進(jìn)行林分調(diào)查，測(cè)定樣地坡度、坡向和海拔。通過(guò)每木檢尺，詳細(xì)調(diào)查了所有喬木樹(shù)種的胸徑（1.3 m）和樹(shù)高。我們查閱每個(gè)林班的經(jīng)營(yíng)歷史，估算每個(gè)樣地的林齡。林分蓄積量通過(guò)林木材積加和計(jì)算獲得，林木材積通過(guò)二元立木材積表[6]計(jì)算獲得。主要林木的生物量通過(guò)該地區(qū)已經(jīng)建立的異速生長(zhǎng)方程計(jì)算得到，杉木生物量引用馮宗煒[7]所建異速生長(zhǎng)方程，馬尾松和麻櫟引用楊濤[8]所建的異速生長(zhǎng)方程。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

所有統(tǒng)計(jì)分析都在 SPSS19.0軟件中進(jìn)行，采用單因素方差(One way ANOVA)分析比較了不同林分類(lèi)型在密度、蓄積量和生物量的差異顯著性，繪圖和相關(guān)回歸分析在SigmaPlot10.0中完成。

2 結(jié)果分析

2.1 三種人工林林分密度隨林齡的變化

通過(guò)研究3種林分密度與林齡間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)麻櫟、馬尾松和杉木表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。麻櫟人工林密度隨林齡增加而逐漸減少，其密度在5個(gè)齡級(jí)中依次為：2 731.04，707.02，1 009.73，531.56，438.91 stem/hm2，在最后兩個(gè)齡級(jí)變化趨于緩慢，50～60 a階段的林分密度比10～20 a時(shí)降低近6倍?；貧w分析表明，麻櫟人工林的密度與林齡間的關(guān)系可用多項(xiàng)式曲線進(jìn)行擬和( R2=0.5411，P=0.0001)。馬尾松、杉木人工林密度與林齡關(guān)系不顯著。

表1 樣地概況

2.2 三種人工林的蓄積量變化

2.2.1 林分蓄積量與林齡間的關(guān)系

麻櫟人工林在10～20 a時(shí)，蓄積量?jī)H為34.97 m3/hm2，蓄積量隨林齡的增加而增加，在50～60 a，蓄積量達(dá)到最大，為127.99 m3/hm2，與10～20 a相比，增加了266%。馬尾松人工林在10～20 a時(shí)蓄積量為60.17 m3/hm2，在之后的各個(gè)時(shí)間，蓄積量隨林齡的增加先增加而后減少。在40～50 a，蓄積量最大值，為288.62 m3/hm2，而在50～60 a，蓄積量減少為144.21 m3/hm2。與馬尾松類(lèi)似，杉木林的蓄積量隨齡級(jí)變化先增加再減少，在20～30 a時(shí)，蓄積量達(dá)到最大，為281.11 m3/hm2?？梢?jiàn)，麻櫟、馬尾松和杉木3種林分的蓄積量達(dá)到峰值的時(shí)期各不相同，依次為：50～60 a，40～50 a和20～30 a，杉木林生長(zhǎng)的速度最快，而麻櫟林生長(zhǎng)則較為緩慢（圖1）。

圖1 不同人工林林分的蓄積量動(dòng)態(tài)變化

通過(guò)蓄積量與林齡間的回歸分析，發(fā)現(xiàn)麻櫟人工林和馬尾松人工林的蓄積量均隨林齡增加而上升。可以用冪函數(shù)回歸方程進(jìn)行描述，其回歸系數(shù)分別為0.4086(P = 0.0014)和0.8780(P = 0.0014)。然而，杉木林的蓄積量與林齡間并無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。在某一特定林齡階段下，3種人工林的蓄積量高低也存在不同。在前3個(gè)齡級(jí)，杉木林蓄積量均顯著高于麻櫟林和馬尾松林(P < 0.05)；馬尾松林蓄積量則高于麻櫟林，并且在30～40 a時(shí)差異達(dá)到顯著水平(P < 0.05)。在40～50 a齡級(jí)，馬尾松林的蓄積量則顯著高于麻櫟和杉木林，而杉木林則高于麻櫟林，但其差異未達(dá)到顯著水平。

2.2.2 三種人工林蓄積量與密度的關(guān)系

由于林分密度與林分蓄積量關(guān)系密切，因此，我們分析了3種人工林密度與蓄積量之間的關(guān)系。分析表明，只有麻櫟人工林的蓄積量隨密度的增加而減少，表現(xiàn)出負(fù)的相關(guān)性(R2=0.4489，P=0.0007)。

2.3 喬木層生物量的變化

麻櫟人工林生物量隨林齡增加而顯著上升(R2=0.8772，P<0.0001)，從10～20 a的42.57 t/hm2增加到50～60 a的166.18 t/hm2，在近40 a的時(shí)間增長(zhǎng)了幾乎4倍。馬尾松林生物量則隨林齡增加先增加而后逐漸下降，由10～20 a的49.45 t/ hm2到40～50 a的150.08 t/hm2，在30 a的時(shí)間增加了接近3倍，而在50～60 a，生物量減少為79.10 t/hm2?；貧w分析表明：馬尾松的生物量與林齡呈顯著的正相關(guān)(R2=0.3191，P=0.0056)。杉木林生物量也隨著林齡的變化表現(xiàn)出明顯的先上升后下降的趨勢(shì)，可用多項(xiàng)式曲線很好的描述(R2=0.3399，P=0.0265)，在20～30 a，生物量為最大，值為 134.96 t/hm2，在40～50 a，生物量最小，值為68.87 t/ hm2（圖2）。

圖2 不同人工林林分生物量與林齡關(guān)系

在特定林齡階段下，3種人工林的生物量高低也存在不同。在前3個(gè)齡級(jí)，杉木林生物量均顯著高于麻櫟林和馬尾松林(P < 0.05)；在前2個(gè)齡級(jí)，馬尾松林生物量則高于麻櫟林，在30～40 a齡級(jí)，麻櫟林生物量高于馬尾松林，但差異均未達(dá)到顯著水平。在40～50 a齡級(jí)，杉木林生物量則顯著低于麻櫟和馬尾松林(P < 0.05)，而麻櫟林則高于馬尾松林，但其差異未達(dá)到顯著水平（圖3）。在50～60 a齡級(jí)，麻櫟林生物量顯著高于馬尾松林(P < 0.05)。麻櫟人工林生物量與密度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)(R2=0.4494，P=0.0007)，其他林分的生物量與密度無(wú)相關(guān)性。

圖3 不同人工林地上生物量的動(dòng)態(tài)變化

3 討論

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，杉木、馬尾松和麻櫟這3種林分在生長(zhǎng)特征上有明顯的不同。杉木林生長(zhǎng)速度最快，馬尾松次之，麻櫟最慢。由樹(shù)種在不同齡級(jí)時(shí)的蓄積量可知，在10～40 a齡級(jí)，杉木的蓄積量都是最大，因?yàn)樯寄舅偕鷺?shù)種，在26～35 a齡級(jí)為成熟期。在整個(gè)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，馬尾松的蓄積量高于麻櫟。馬尾松生長(zhǎng)到40～50 a時(shí)，達(dá)到成熟期，蓄積量到達(dá)最大，也證明馬尾松的成熟期早于麻櫟林。然而，此時(shí)的杉木已經(jīng)是過(guò)成熟期。因此本研究表明，森林經(jīng)營(yíng)及其生態(tài)功能評(píng)價(jià)，若是要獲得較快的收益，杉木林是最佳的選擇，但是也可能導(dǎo)致地力衰退現(xiàn)象因而造成經(jīng)營(yíng)上的不可持續(xù)性。馬尾松林生長(zhǎng)速度在初期慢于杉木林，但是具有更長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期，對(duì)于林分地力維持及減少林地干擾有較多優(yōu)勢(shì)。與杉木和馬尾松林相比，麻櫟林具有更長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期，在木材需求不高的情況下，可種植麻櫟林，獲得更長(zhǎng)效的生態(tài)功能。

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