杉木人工林碳儲量影響因素研究進(jìn)展

王姣嬌，高喚喚，康宏樟,2*

(1.上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240；2.國家林業(yè)局 上海城市森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，上海 200240)

隨著工業(yè)的發(fā)展，化石燃料被大量焚燒，大氣CO2濃度逐漸增加，溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，承擔(dān)2/3左右的固碳量，在全球碳平衡和氣候變化中扮演著重要角色。人工造林能夠增加全球森林面積，從而增加陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳固定量。據(jù)第八次森林資源清查結(jié)果顯示，我國的人工林面積為0.69億hm2，占全國森林面積的36.1%，居世界首位[1]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是亞熱帶地區(qū)優(yōu)質(zhì)速生針葉樹種，分布廣闊，是我國南方地區(qū)經(jīng)營歷史最長的用材樹種，其研究歷史同樣悠遠(yuǎn)。截止到第七次森林資源清查，杉木人工林的面積為1 126.87萬hm2，占當(dāng)時人工林面積的18.17%[2]，是目前我國人工喬木林中面積占比最高的樹種[3]。有研究者利用碳核算模型CO2FIX預(yù)測我國南方4省(浙江、福建、江西、湖南)目前的杉木人工林在未來100多a將固碳0.23 Pg[4]。因此，了解和總結(jié)影響杉木人工林碳儲量的因素有著重要的現(xiàn)實意義。

影響杉木人工林碳儲量的因素較多，國內(nèi)外相關(guān)研究也比較廣泛，本研究主要通過梳理和分析近年來與杉木人工林生產(chǎn)力和碳儲量相關(guān)的文獻(xiàn)，系統(tǒng)總結(jié)在杉木碳儲量研究方面取得的進(jìn)展，從林分年齡、經(jīng)營管理措施、分布區(qū)域以及立地條件等方面來探討影響杉木人工林生產(chǎn)力和碳儲量的主要因素，提出杉木人工林該方面研究的未來發(fā)展趨勢。

1 林分年齡對杉木人工林碳儲量的影響

杉木人工林碳儲量與林分年齡密切相關(guān)，研究林分年齡對杉木人工林碳儲量的影響有助于營林者調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，對采伐、撫育等經(jīng)營活動具有指導(dǎo)意義。

近年的多個研究表明，在沒有其他因素影響的情況下，總碳儲量隨著林齡的增加而增加[5-9]。喬木層和土壤層的碳儲量在杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)各層次中占比最高[10]，達(dá)98%以上[11]。喬木層碳儲量多被認(rèn)為是隨林齡增長而增加的[8,11-13]，且喬木層最大的生長期為幼齡至中齡期[14]，而土壤碳儲量則多被認(rèn)為隨林齡增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢[11,14-18]。部分研究人員則持其他觀點，如殳穎婷[13]的研究發(fā)現(xiàn)，贛中南杉木人工林喬木層的碳儲量占全林分的比例隨林齡的增長而增加，而土壤層的占比隨林齡增長而下降。

林分的固碳能力會隨著林分的成熟而降低[19]。鐘羨芳[20]等的研究中，87年生和40年生的杉木林碳庫很接近，說明老齡階段的杉木人工林碳儲量漲幅很小，其固碳能力很弱。Q.Q.Chen[21]等也認(rèn)為，杉木林在幼齡林前凈碳累積速率是不斷增加的，但從成熟林到老齡林間則呈下降趨勢。同時，方晰[22]等的研究結(jié)果表明，10年生以后的杉木林生態(tài)系統(tǒng)才真正具有碳匯功能，尉海東[23]等認(rèn)為中齡林的凈固碳能力最強(qiáng)。綜合分析認(rèn)為，杉木人工林到中齡期才發(fā)揮碳匯作用，且此時固碳能力最強(qiáng)，而其碳儲量的漲幅在成熟期之后會隨時間的推移逐漸減小。

除林齡的影響，杉木林分的起源對于其生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響也十分顯著[24-25]。G.S.Chen[26]等對不同林齡的杉木人工林和天然闊葉林的碳儲量進(jìn)行了對比研究表明，由天然闊葉林森林轉(zhuǎn)變而成的杉木人工林在新生期至中齡期的初始發(fā)育階段大量損失土壤有機(jī)碳，雖中后期有較低水平的重新積累，但難以恢復(fù)至天然林水平。S.H.Fan[27]等指出，從天然次生林轉(zhuǎn)變?yōu)樯寄救斯ち值耐恋乩米兓@著降低了生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量。C.S.Wu[28]等研究表明，天然針葉林樹木生物量和碳儲量明顯>人工針葉林。杉木人工林目前的蓄積量大致為7.3億m3[2]，為人工林的1/3左右。但其實人工林的蓄積量僅為森林蓄積量的16.5%[29]，簡而言之人工林的生產(chǎn)力沒有天然林高。這些研究為杉木人工林是否應(yīng)該向天然林轉(zhuǎn)變提供了參考。

2 經(jīng)營管理措施對杉木人工林碳儲量的影響

對人工林進(jìn)行合理的經(jīng)營管理，能促進(jìn)干材的生長，提高生產(chǎn)力，使經(jīng)營者獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，同時，經(jīng)營技術(shù)也能促進(jìn)生物量的增長，這也意味著碳儲量的增加。在全球CO2濃度增加的背景下，科學(xué)的經(jīng)營管理是人工林發(fā)揮碳匯功能的前提。目前，杉木人工林的經(jīng)營管理措施主要集中于栽植模式、栽植密度、間伐強(qiáng)度、輪伐期的選擇、采伐剩余物處理方式以及養(yǎng)分控制等方面。

2.1 栽植模式

多代連栽會降低土壤肥力[30-31]，不利于杉木林碳素的積累[12]。尉海東[32]等研究顯示，杉木林的碳儲量隨著連栽代數(shù)的增加而降低，降低幅度則與林分發(fā)育階段有關(guān)，中齡林代數(shù)間差異最為明顯，與第一代中齡林相比，第三代連栽的杉木中齡林碳儲量下降幅度達(dá)63.60%，年凈固碳量下降了25.14%。鐘羨芳[33]和X.Q.Zhang[34]等的研究同樣表明連栽將導(dǎo)致杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量減小，不利于人工林發(fā)揮碳匯功能。

與多代連栽杉木純林相比，在多代連栽的杉木皆伐林地上營造針闊混交林則有利于生產(chǎn)力的提高，地力的培肥、生態(tài)系統(tǒng)碳吸存能力的增強(qiáng)[35]。杉闊輪栽和留杉栽闊的經(jīng)營模式，也可以增加生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，尤其是土壤碳庫[12]。田曉[36]等應(yīng)用混合型模型FORECAST模擬楠木純林、杉木純林以及中亞熱帶楠木杉木混交林在300 a內(nèi)的碳儲量變化，發(fā)現(xiàn)楠木杉木混交比為3∶1的時候，獲得的干材量和維持森林固碳水平都能達(dá)到最優(yōu)。張劍[37]等的研究顯示杉木火力楠混交林顯著提高了土壤微生物有機(jī)碳含量及其占總有機(jī)碳的比例，杉闊輪栽模式還增加了土壤有機(jī)碳含量和穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量。郭家新[38]的研究同樣顯示，杉木火力楠混交林較純林更有利于土壤碳庫的增加。因此，杉木人工造林應(yīng)多發(fā)展混交林。但是，明安剛[39]等對南亞熱帶紅錐杉木混交林的研究表明，紅錐杉木混交林的碳儲量<杉木純林。王幼茹[40]研究結(jié)果也是杉木純林碳儲量較杉木千年桐混交林更高?？梢?，在營建針闊混交林的時候，應(yīng)充分考慮不同闊葉樹種自身的固碳特性。杉木林發(fā)育階段的不同對純林及混交林碳儲量比較也有一定影響，張駿[41]等的試驗顯示，幼齡林混交林的喬木層生物量比純林低，杉木混交林的中齡林和成熟林生物量比杉木純林高。

2.2 栽植密度

高密度種植會影響葉片的受光度，也會引起養(yǎng)分的競爭加劇，繼而抑制杉木幼苗的生長以及生物量積累[42]。賈亞運[43]等研究了不同造林密度(2 400、3 100、3 400、4 200、4 400株·hm-2)對8年生杉木林分生長的影響，結(jié)果顯示當(dāng)密度為4 200株·hm-2時杉木林蓄積量達(dá)到最大繼而減小，表明杉木林分密度過大將會限制林木發(fā)育生長。方奇[44]調(diào)查了栽植密度分別為1 665、3 330、4 995、6 660株·hm-2的8年生杉木幼林，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)力隨密度增加而增加，但綜合生態(tài)效益，該研究認(rèn)為3 330～4 995株·hm-2的初植密度更有利于杉木林的可持續(xù)發(fā)展。趙磊[45]等對江西大崗山地區(qū)現(xiàn)保存密度為900、1 700、2 700、3 500、4 500株·hm-2的30年生杉木人工林所作的研究表明3 500株·hm-2的林分密度有更好的水源涵養(yǎng)能力。由于立地條件、林分年齡等因素的不同，各研究的適宜密度不盡相同。目前在栽植密度對碳儲量的影響方面尚未有系統(tǒng)的研究總結(jié)。

2.3 間伐強(qiáng)度

間伐是森林經(jīng)營管理的常用手段，伐除部分樹木，調(diào)整林分密度，使林木獲得更充足的陽光及更寬闊的營養(yǎng)空間，以促進(jìn)保留木生長。間伐也能促進(jìn)林下植被的更新和生長，顯著提高林下植被物種多樣性及生物量[46-47]，進(jìn)而提高土壤微生物數(shù)量，增強(qiáng)土壤生物活性，加速土壤養(yǎng)分循環(huán)，土壤肥力得到改善和提高[48]。杉木人工林的生態(tài)系統(tǒng)中碳儲量的動態(tài)變化及分配都與間伐措施有密切關(guān)系。多個研究表明，林下植被層碳儲量和土壤有機(jī)碳儲量都是隨著間伐強(qiáng)度的增加而增加[49-50]，凋落物碳儲量在不同間伐處理間差異不顯著[49-51]，但在方晰[52]等的研究中，間伐5 a后的湖南會同杉木人工林土壤層碳儲量卻減少10%，凋落物層的碳儲量增加了93%。盡管一般認(rèn)為間伐后保留木單株生物量明顯增長，但由于整體林分蓄積量顯著降低，林分整體的生物量可能會減少[53]。黃雪蔓[54]等對以不同間伐強(qiáng)度(H：74%、M：50%、L：34%)間伐8 a后的廣西青山實驗林場的21年生杉木人工林進(jìn)行了研究，表明不同間伐強(qiáng)度的喬木層生物量及碳儲量隨著間伐強(qiáng)度降低而增加，且與對照林地即未采取間伐措施的林地相比，間伐過的林地喬木層生物量及碳儲量皆低。另外，在該研究中，只有強(qiáng)度間伐對杉木單株生物量有促進(jìn)作用，中度間伐及弱度間伐對單株生物量的影響并不明顯。丁波[49]等在貴州開展的不同間伐強(qiáng)度(H：50%、M：33.3%、L：16.7%)對18年生杉木人工林碳儲量影響的研究也顯示，間伐3 a后杉木人工林喬木層以及整個生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨著間伐強(qiáng)度的增加而減少?？梢姡瑑H從固碳的角度來說，適當(dāng)?shù)牡蛷?qiáng)度間伐更有利于碳儲量的累積。

2.4 輪伐期

輪伐期的選擇也影響著杉木人工林的固碳功能，合理的輪伐期應(yīng)該兼顧且平衡經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)服務(wù)功能。王偉峰[55]等應(yīng)用FORECAST模型模擬不同輪伐期在150 a間的總固碳量，結(jié)果顯示短輪伐期(15 a)的固碳量較高，但固碳持久性則沒有正常輪伐期(25 a)和長輪伐期(50 a)強(qiáng)，每個輪伐期之間的固碳量下降幅度較大，對土壤肥力消耗較大。該研究認(rèn)為適當(dāng)延長輪伐期，即選擇25 a以上的生態(tài)輪伐期，可實現(xiàn)杉木人工林的固碳可持續(xù)性，具備良好的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)雙效益。接程月[56]同樣是基于FORECAST模型研究發(fā)現(xiàn)，短輪伐期(≤25 a)的碳儲量較高，干材收獲量大，過長輪伐期(>50 a)的碳儲量不高，且在較好的立地條件下，固碳能力也有下降的趨勢。綜合分析得出，選擇較長輪伐期(25～50 a)相對而言有利于杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營。

2.5 采伐剩余物處理方式

皆伐煉山是人工林傳統(tǒng)的營林方式，在南方杉木人工林被廣泛應(yīng)用。郭劍芬[57]和馬松莉[58]等的研究均表明，皆伐煉山會明顯損耗土壤有機(jī)碳及土壤養(yǎng)分。翁賢權(quán)[59]的研究中，煉山處理10 a后的二代杉木林蓄積量僅為不煉山的87.86%。楊靖宇[60]進(jìn)一步研究表明，煉山降低了15年生杉木林喬木層和凋落物層的碳儲量，但對林下植被層卻有積極作用。曹永康[61]在不同采伐剩余物處理方式對碳儲量影響的研究發(fā)現(xiàn)，保留以及加倍采伐剩余物能促進(jìn)第二代杉木林的生長，提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及碳儲量，而清除所有地上部分未分解有機(jī)物質(zhì)、只清除樹木的所有地上部分以及煉山這3種處理方式都降低了土壤含碳率，限制了二代杉木的生長。王偉峰[62]等、李新樂[63]、Z.Q.Huang[64]也同樣認(rèn)為只收獲樹干，將采伐剩余物留在林地對杉木林長期固碳效果最好。胡振宏[65]等的研究結(jié)果則顯示采伐剩余物管理措施對人工林土壤全碳和全氮的長期影響并不顯著。結(jié)果的不一致可能與立地條件等環(huán)境因素有關(guān)。從杉木人工林固碳的可持續(xù)性考慮，在生產(chǎn)實踐中建議保留采伐剩余物。

2.6 施肥處理

碳儲量也受氮沉降水平的影響。在房煥英[66]的研究中，中低氮處理(120、60 kg·hm-2·a-1)對林木和土壤碳儲量有雙重促進(jìn)作用，而高氮處理(240 kg·hm-2·a-1)對林木碳儲量的正效應(yīng)與對土壤碳儲量的負(fù)效應(yīng)相抵消，因而對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的作用不明顯。黃玉梓[67]等的研究表明低氮沉降(60 kg·hm-2·a-1)對杉木生長有長期的促進(jìn)作用，中高氮沉降(120、240 kg·hm-2·a-1)抑制樹高的生長，但其在初期(3 a內(nèi))有利于林木胸徑的生長。樊后保[68]等的試驗證明，土壤有機(jī)碳隨氮沉降水平的增加而降低。因此，對杉木人工林每年每公頃施用N大約60 kg對碳儲量會有積極作用。李艷鵬[69]等在中亞熱帶杉木幼齡林進(jìn)行的氮、磷添加試驗研究表明，施肥后土壤水溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳和土壤酶活性均有所降低，很可能會抑制土壤碳的釋放，從而增加林地土壤碳的固定。

3 分布區(qū)域及立地條件對杉木人工林碳儲量的影響

杉木人工林在我國的分布區(qū)域極為廣闊，東至浙江、福建太平洋海岸，南至廣西廣東，西至云南四川，北至山西河南。我國幅員遼闊，各地環(huán)境氣候條件各不相同，因而各地杉木林生產(chǎn)力及碳儲量也會有所不同。溫遠(yuǎn)光[70]等研究表明，中國杉木人工林的生產(chǎn)力沿中亞熱帶地區(qū)(桂北、黔東南、湘西、湘南、贛南、粵北和閩北)向南北逐步遞減的。Y.P.Liu[71]等利用MaxEnt模型模擬出2050年杉木林的分布情況，發(fā)現(xiàn)其分布區(qū)將北移，而北移的速度則取決于氣候變化的速度，該研究又結(jié)合PnET-Ⅱ模型評估2050年杉木生產(chǎn)力分布情況，同樣認(rèn)為中國南部的凈初級生產(chǎn)力將會有大量減小，大約減少目前NPP的13.46%，而在中國中部將會有微弱的增長，即生產(chǎn)力也將北移。Y.H.Lu等[72]以3-PG模型模擬的方法來評估杉木林生產(chǎn)力和分布，也得到相似結(jié)果，即20 a后杉木人工林的生產(chǎn)力中心將轉(zhuǎn)移至我國大陸中部(四川南部和貴州北部)以及臺灣中部。

在造林前常常需要考慮立地條件，包括地形、土壤、水文等自然環(huán)境因子，常被用來解釋相似研究的不同結(jié)果，也恰恰如此，我們才能了解立地條件究竟是如何影響杉木林碳儲量的。有多個研究提及，較好的立地條件有利于碳庫的增加[12,36,55]。周國強(qiáng)[73]等對湖南大圍山不同海拔的平均林齡19 a的杉木人工林直徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計擬合，發(fā)現(xiàn)海拔400～1 000 m的樣地林分平均胸徑大小與海拔上升呈負(fù)相關(guān)。施文濤[5]等在較高海拔山區(qū)杉木林的研究中，地下部分根系生物量所占比例隨林齡的增加而提高，而在全國尺度上，根系生物量是隨林齡遞減的[74]。薛立[75]等研究了不同坡位對杉木林土壤碳儲量的影響，發(fā)現(xiàn)下坡位的各土層及凋落物層碳儲量皆高于上坡位。聶道平[76]的研究也認(rèn)為坡中下部及山洼比坡上部及山脊要更適合種植杉木。D.Wu[77]等分析了海拔(≤100 m，100～300、300～500、500～700、700～900 m，>900 m)及坡度(0°～5°、5°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°，> 45°)對江西鄱陽湖流域的杉木、馬尾松及濕地松林碳密度的影響，結(jié)果表明：碳密度大體上隨著海拔的升高而升高，在700～900 m處最高；坡度<5°的區(qū)域內(nèi)森林碳密度表現(xiàn)為最低，在坡度為25°～35°時，碳密度最高。除了地形，氣候?qū)ι痔純α康挠绊懸彩诛@著。Y.P.Liu等[71]的研究結(jié)果中提及，降水量是影響杉木分布和生產(chǎn)力的最重要的氣候因子，溫度次之。G.W.Lie[78]等研究了溫度對杉木各器官生物量分配的影響，結(jié)果表明溫度能解釋所有年齡階段樹枝和樹葉的生物量，但樹干和根生物量并不是在所有年齡階段都是隨年均溫度升高而升高的。

4 小結(jié)與展望

關(guān)于杉木人工林的科學(xué)研究已經(jīng)持續(xù)了半個多世紀(jì)，其中與碳儲量相關(guān)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟。綜合近年研究文獻(xiàn)，杉木人工林碳儲量主要是受林分年齡、營林措施、立地條件和分布區(qū)域的影響。隨著林分年齡的增長，杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量也會增長。分布區(qū)域不同，杉木林碳儲量差異較大。立地條件越好，杉木人工林碳儲量越高。另外，營林措施與杉木人工林碳儲量同樣密切相關(guān)，這方面的研究涵蓋較廣，包括：連栽不利于二代杉木林的生長；高密度栽植以及過度間伐對杉木林碳儲量都有消極影響；25～50 a的輪伐期、保留采伐剩余物以及60 kg·hm-2·a-1的氮處理相對更加有利于杉木林的可持續(xù)經(jīng)營。

在現(xiàn)實的生產(chǎn)實踐中，應(yīng)根據(jù)杉木人工林的地理區(qū)位及立地條件的差異，來制定不同的經(jīng)營管理方案，以獲得不同直徑用材來滿足市場需求，同時又能保證生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡。例如，在邊緣產(chǎn)區(qū)以及較差立地條件下，較長輪伐期以及低強(qiáng)度間伐將更有利于林分生態(tài)效益，降低土肥損耗，也能獲得大直徑木材。在中心產(chǎn)區(qū)的較好立地下，則更適合相對較短輪伐期以及中等強(qiáng)度間伐，獲得更高的木材蓄積量。中低密度栽植以及適當(dāng)?shù)氖┓侍幚碓诟髁⒌貤l件下都有利于林分的經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益平衡，但具體栽植密度及施肥處理水平仍需因地制宜。如果我們能放棄部分經(jīng)濟(jì)效益，將人工純林朝著針闊混交，甚至是天然林的方向正向演替，既能進(jìn)一步提高林地固碳能力，又能填補(bǔ)全球的生態(tài)效益。

在關(guān)于杉木人工林碳儲量影響因素的研究中，林分年齡及營林措施兩方面研究更為豐富，而與分布區(qū)域及立地條件相關(guān)的研究相對單薄。這就涉及杉木碳儲量研究面臨的一些問題。目前的相關(guān)研究多局限于小尺度，空間上多為單個觀測站內(nèi)的單個或多個杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)，實地調(diào)查觀測在時間上也多為1個輪伐期以內(nèi)。研究分布區(qū)域及立地條件對碳儲量的影響勢必要擴(kuò)寬研究尺度，但是不同的地區(qū)以及長期的觀測要承受不同程度的突發(fā)自然災(zāi)害以及其他人為干擾，傳統(tǒng)的樣地實測估算無法回避大時空尺度所帶來的誤差以及巨大的人力物力消耗。而且碳儲量的影響因素太多，除了本研究所提及的經(jīng)營管理措施等可控因素，諸如立地條件自身涉及的地形地貌、水文土壤等因素都是屬于復(fù)合影響因素，不容易剝離，這也為傳統(tǒng)試驗研究提供了難題。另外，近年來依靠新模型模擬結(jié)合全球氣候變化來評估區(qū)域生產(chǎn)力和碳儲量已經(jīng)成為一種新趨勢。新模型的發(fā)展為我們帶來了便利、省時省力省財，更重要的一點是，模型彌補(bǔ)了傳統(tǒng)樣地實測在時間尺度上的局限性，且模型能同時模擬幾種因素對碳儲量的復(fù)合影響。但目前的多數(shù)模型都還存在局限性，由于內(nèi)在機(jī)制、數(shù)據(jù)來源、參數(shù)設(shè)置等不同，不同模型模擬相同地區(qū)碳儲量存在差異，且模型模擬獲得的是長期的的結(jié)果，很難在野外得到驗證，所以得到的結(jié)果仍然存在不確定性。從長遠(yuǎn)來看，借助數(shù)學(xué)模型以及遙感技術(shù)的發(fā)展能夠擴(kuò)大研究尺度，深化研究意義。利用多種技術(shù)結(jié)合進(jìn)行大尺度研究將是了解杉木人工林碳儲量時空變化的必然方向。

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