-
森林碳汇功能在调节全球碳平衡和应对气候变化方面的作用不可替代[1]。森林生物量可反映森林生态系统功能的高低、结构优劣及生产力大小,也是评估森林固碳能力和碳收支的重要指标。准确估算森林碳储量及增长潜力是森林评价的重要内容,也是预测大气CO2浓度变化和全球气候变化的重要依据[2-3]。因此,森林生物量的监测与评估十分重要,也是现今林学与生态学研究的热点之一。我国研究人员自20世纪70年代后期开始陆续测定了一些主要用材树种如杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、马占相思(Acacia mangium Willd.)等的生物量[4-7],90年代后,人工林生物量研究日益增多,涉及树种也越来越多[8-10]。森林生物量估算一般分为直接测量和间接估算2种途径,直接测量法包括皆伐法、平均木法和相对生长法;间接估算法包括生物量转换因子法、生物量模型模拟法和遥感技术手段。目前,随着遥感等新兴技术发展,对区域生物量开展测定成为可能;但地面实测仍应用最广泛,也是校准新兴技术和新估算方法的基础[11]。
科学地发展、利用和保护人工林并提高其生产力,对促进区域经济可持续发展和生态环境保护都具有重要意义。我国自20世纪70代开始加快了人工林营造步伐,目前我国人工林面积约占森林总面积的33.17%,居世界首位。我国南亚热带地区水热条件优越,树木材质优良,生长迅速,是理想的人工林培育区域,也是我国最重要的商品林区与木材战略储备基地。由于研究与发展的滞后,该区域人工林仍以松、杉、桉等树种为主[12],存在着林分质量和生产力下降、生态服务功能低下、稳定性差等问题[13]。当前,对低效人工林进行提质增效改造是林业发展的重点方向,当务之急是筛选出一批适应性强、生长迅速、材质优良的阔叶用材树种。目前,在南亚热带地区已开展了这方面的一些研究[14-17],但对一些有发展潜力的常绿阔叶树种生长特性的了解还不够深入,不同树种间的对比研究也较匮乏。为此,本研究在广西柳州沙塘林场选取相同立地条件下同一时期造林且造林后经营措施相同的4个树种人工林,开展生物量及分配格局的研究,旨在了解和对比阔叶树种与针叶树种及不同阔叶树种间生物量及其分配格局的差异,为评估南亚热带人工林生产能力和碳汇潜力提供基础数据,为区域人工林提质增效改造和建设高效碳汇林的树种选择提供科学依据与技术支撑。
-
试验地位于广西东南部柳州市沙塘镇的广西沙塘林场(108°17′~108°24′ E,24°27′~24°30′ N)。该地区属南亚热带季风型半湿润—湿润气候,年均气温20.1℃,≥10℃的活动积温7 500℃,无霜期357 d;年均降水量1 200~1 500 mm,干湿季节明显,4—9月的雨季集中了年降水量的85%左右,10月至翌年3月的旱季降水仅占年降水量的15%左右。该地为丘陵地貌,海拔150~230 m;土壤为砂岩发育成的红壤,土层深厚且层次不明显,肥力中上,呈酸性。
试验地林分为1986年在立地条件一致(表1)的马尾松采伐迹地上营造的木荷(Schima superba Gardn. et Champ.)林、米老排(Mytilaria laosensis Lec.)林、蓝果树(Nyssa sinensis Oliv.)林和杉木林。初植密度均为1 666 株·hm−2,栽植后的最初3年人工铲草抚育,10年生时进行透光伐,清除杂灌及生长不良树木,20年生时进行间伐,伐除生长不良、干形差、有损伤等树木,控制间伐后的林分郁闭度为0.6~0.65,之后自然生长。调查时的林冠郁闭度较高,林下植被稀疏且分布不均匀,灌木以粗叶榕(Ficus hirta Vahl)、罗伞树(Ardisia quinquegona Blume)、三桠苦(Melicope pteleifolia (Champion ex Bentham) T. G. Hartley)为主;草本以淡竹叶(Lophatherum gracile Brongn.)、半边旗(Pteris semipinnata L. Sp.)、狗脊(Woodwardia japonica (L. F.) Sm.)为主。
树种
Species海拔
Altitude/
m坡度
Slope/
(°)坡向
Aspect坡位
Position密度
Density/
(株·hm−2)平均胸径
Average
DBH/cm平均树高
Average
high/m郁闭度
Canopy
density木荷 Schima superba 162~170 8~15 东北NE 中M 458.3±54.6 b 29.6±1.4 a 22.2±1.5 a 0.94±0.009 a 米老排 Mytilaria laosensis 126~149 10~20 东南SE 中M 1133.3±44.1 a 18.6±1.5 b 18.5±1.7 b 0.95±0.007 a 蓝果树 Nyssa sinensis 127~140 10~15 东南SE 中M 691.7±104.4 b 19.7±2.2 b 21.1±0.8 ab 0.85±0.015 c 杉木 Cunninghamia lanceolata 135~162 15~25 南S 中M 1300.0±38.2 a 18.2±0.4 b 18.7±0.7 ab 0.90±0.009 b 注:“±”号后为标准误,数值后具有相同字母表示差异不显著(P>0.05),下同。
Notes: The data followed “±” is standard error, and the same letter after the value indicates that there is no significant difference (P>0.05), the same below.Table 1. Basic characteristics of different tree species plantations
-
2019年11月,在上述4种林分中,选择代表性的地段,分别设置3个20 m × 20 m的乔木调查样地,其概况见表1。对样地内所有胸径大于5 cm的乔木每木检尺,记录种名、胸径和树高。
通过采伐少量样本,将胸径、树高等易测指标与生物量构建回归模型是估算生物量的最常用方法[18-19]。不同树种或同一树种不同地点的生物量相对生长模型也存在较大差异[20]。因此,本文构建本区域4个树种的生物量模型,以减少估算误差。根据样地每木调查数据,按2 cm一个径级进行分级统计径级分布特征,以此为依据结合中央多两端少的原则在样地外选择样木测定生物量。木荷共选择19株样木,胸径范围为7.0~35.8 cm;米老排共选择13株样木,胸径范围为6.9~37.7 cm;蓝果树共选择15株样木,胸径范围为12.6~38.7 cm;杉木共选择12株样木,胸径范围为13.5~38.9 cm。生物量测定采用收获法,用油锯在样木地上10 cm处伐倒,将树枝和树叶分离出来,将树干从1.3 m处截断,然后每隔2 m截一段直至树冠。将树根尽可能的全部挖出,并分成根头、大根(>5 cm)、中根(2~5 cm)、小根(0.5~2 cm)、细根(<0.5 cm)5个部分。将分离好的干、枝、叶、根称鲜质量后取样。取样方法为:树干在基部、胸径、中部和顶端分别取1个厚度5 cm的圆盘;树枝选有代表性的枝条从基部开始每隔1 m截取一段3~5 cm长的样品;树叶取300 g样品;树根每个部分取100~300 g样品。所有样品称鲜质量后装入已知质量的信封带回实验室,65℃烘干至恒质量,称干质量计算干鲜质量比,并由此换算出各器官的干质量。
选用幂函数形式的一元生物量方程(B=aDb,式中,B为生物量(kg),D为胸径(cm),a和b为常数),利用非线性回归法建立4个树种单株各器官干质量和胸径间的回归方程(表2)。样地内自然萌生的其他树种生物量则采用已发表的南亚热带常绿阔叶林混合树种生物量模型[21]。将样地每木调查结果代入模型计算乔木层每株树的各器官生物量,并由此获得单位面积的各器官生物量和乔木层生物量。
树种
Species器官
Organs模型参数
Model parameterR2 a b 木荷
Schima superba干 Trunk 0.163 3 2.364 4 0.988 枝 Branch 0.030 8 2.502 9 0.828 叶 Leaf 0.012 9 2.101 2 0.493 根 Root 0.002 2 3.145 6 0.899 米老排
Mytilaria laosensis干 Trunk 0.475 5 1.970 7 0.941 枝 Branch 0.032 6 2.204 7 0.825 叶 Leaf 0.362 7 1.111 6 0.517 根 Root 0.087 9 2.076 1 0.948 蓝果树
Nyssa sinensis干 Trunk 0.245 0 2.158 1 0.974 枝 Branch 0.23E-5 5.165 3 0.926 叶 Leaf 0.002 0 2.508 2 0.801 根 Root 0.006 7 2.723 3 0.916 杉木
Cunninghamia lanceolata干 Trunk 0.524 3 1.788 7 0.974 枝 Branch 0.001 0 3.149 8 0.941 叶 Leaf 0.093 3 1.680 1 0.740 根 Root 0.214 8 1.533 8 0.911 Table 2. Biomass estimation models of different tree species and organs
-
在每个乔木样方内均匀设置3个2 m × 2 m的灌木样方,记录样方内高度>50 cm且胸径<5 cm的灌木和乔木幼苗的种类、株数、基径和高度,每个灌木样方内设置1个1 m × 1 m的草本样方,记录样方内所有草本植物(高度<50 cm的乔木幼苗和灌木计入草本层),记录完成后分别收获样方内灌木和草本植物,分成地上、地下2部分称鲜质量,同时收集草本样方内所有地表枯落物。以上每部分取约200 g样品称质量后装入已知质量的信封带回实验室65℃烘干至恒质量,称干质量计算含水率,根据鲜质量和含水率计算各层的干质量,并换算得到各层单位面积生物量。
-
数据整理、统计和制图在Excel 2013中完成,非线性回归分析、单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan 多重比较在SPSS 21.0中完成。
-
在相同立地、林龄及经营条件下,4个树种人工林乔木层生物量差异较大(表3),其中,木荷显著高于其他3个树种人工林,分别比米老排、杉木和蓝果树人工林高了29.8%、88.6%和121.9%。杉木和蓝果树人工林较低,且这2个树种间差异不显著。各树种的生物量在各器官的分配格局均表现为干占比最大(65.1%~73.3%),其次为枝和根(8.8%~19.8%),叶占比最低(1.8%~8.9%)(表3)。生物量在不同器官的分配存在树种差异,杉木的叶占比显著高于3个阔叶树种,蓝果树的干占比最高而叶和根的占比较低,木荷的干占比最低而枝占比最高,米老排的根占比最高。
树种
Species干 Trunk 枝Branch 叶 Leaf 根 Root 总生物量
Totalbiomass/
(t·hm−2)生物量
Biomass/
(t·hm−2)占比
Proportion/
%生物量
Biomass/
(t·hm−2)占比
Proportion/
%生物量
Biomass/
(t·hm−2)占比
Proportion/
%生物量
Biomass/
(t·hm−2)占比
Proportion/
%木荷 Schima superba 236.07±12.49 a 65.1±0.4 c 71.91±3.87 a 19.8±0.0 a 7.50±0.40 c 2.1±0.0 c 47.47±3.20 a 13.1±0.4 b 362.95±19.56 a 米老排 Mytilaria laosensis 192.44±18.59 b 68.8±0.0 b 27.29±2.94 b 9.7±0.1 c 10.64±0.54 b 3.8±0.2 b 49.35±5.01 a 17.6±0.1 a 279.72±27.07 b 蓝果树 Nyssa sinensis 119.38±10.95 c 73.3±1.5 a 21.39±4.75 b 12.8±1.4 b 2.97±0.32 d 1.8±0.0 c 19.85±2.37 b 12.1±0.1 c 163.59±18.32 c 杉木 Cunninghamia lanceolata 133.26±4.81 c 69.3±0.0 b 16.93±0.80 b 8.8±0.1 c 17.04±0.60 a 8.9±0.0 a 25.17±0.85 b 13.1±0.1 b 192.40±7.02 c Table 3. Biomass and proportion of organs in tree layer of different tree species plantations
-
4种林分的灌木层生物量为0.78~4.22 t·hm−2,蓝果树林最高而杉木林最低。草本层生物量为0.43~2.96 t·hm−2,蓝果树林和杉木林较高而米老排林和木荷林较低(表4)。虽然各树种林下植被层生物量存在较大差异,但差异不显著,这是由于林下植被分布空间异质性较大。不同林分灌木层生物量的分配,除木荷林外,均表现为地上部分高于地下部分;草本层生物量的分配除米老排林外,均表现为地上部分低于地下部分(表4)。4种林分的枯落物现存量为3.26~11.15 t·hm−2,其中,米老排林、蓝果树林和杉木林间差异不显著,而木荷林则显著高于其他3个林分。
树种
Species灌木层生物量
Shrub biomass/(t·hm−2)灌木层总生物量
Shrub total
biomass/
(t·hm−2)草本层生物量
Herb biomass/(t·hm−2)草本层总生物量
Herb total
biomass/
(t·hm−2)枯落物层生物量
Humus layer
biomass/
(t·hm−2)地上
Aboveground地下
Underground地上
Aboveground地下
Underground木荷 Schima superba 0.60±0.14 a 0.70±0.05 ab 1.30±0.17 a 0.38±0.07 ab 0.58±0.13 a 0.96±0.08 a 11.15±1.05 a 米老排 Mytilaria laosensis 0.62±0.09 a 0.47±0.05 ab 1.09±0.09 a 0.23±0.19 b 0.20±0.18 a 0.43±0.37 a 3.26±0.35 b 蓝果树 Nyssa sinensis 2.83±1.63 a 1.38±0.64 a 4.22±2.26 a 1.18±0.44 a 1.78±1.34 a 2.96±1.76 a 4.80±0.63 b 杉木 Cunninghamia lanceolata 0.53±0.22 a 0.26±0.04 b 0.78±0.25 a 0.76±0.14 ab 1.71±0.04 a 2.47±0.17 a 4.35±0.54 b Table 4. Biomass and proportion of understory and humus layer of different tree species plantations
-
4种林分的总生物量以木荷林最高,显著高于其他3种林分,分别比米老排林、杉木林和蓝果树林高了32.3%、88.2%、114.4%;其次为米老排林,显著高于其他2种林分,分别比杉木林和蓝果树林高了42.2%和62.1%;蓝果树林最低,且和杉木林间差异不显著(表5)。
树种
Species乔木层
Tree layer灌木层
Shrub layer草本层
Herb layer枯落物层
Humus layer林分生物量
Forest
biomass/
(t·hm−2)生物量
Biomass/
(t·hm−2)占比
Proportion/
%生物量
Biomass
/(t·hm−2)占比
Proportion/
%生物量
Biomass/
(t·hm−2)占比
Proportion/
%生物量
Biomass/
(t·hm−2)占比
Proportion/
%木荷 Schima superba 362.95±19.56 a 96.4±0.4 a 1.30±0.17 a 0.3±0.0 a 0.96±0.08 a 0.3±0.0 a 11.15±1.05 a 3.0±0.4 a 376.37±19.03 a 米老排 Mytilaria laosensis 279.72±27.07 b 98.3±0.3 a 1.09±0.09 a 0.4±0.0 a 0.43±0.37 a 0.1±0.1 a 3.26±0.35 b 1.2±0.2 b 284.51±26.95 b 蓝果树 Nyssa sinensis 163.59±18.32 c 93.0±2. 9 a 4.22±2.26 a 2.5±1.4 a 2.96±1.76 a 1.7±1.1 a 4.80±0.63 b 2.8±0.5 a 175.56±16.44 c 杉木 Cunninghamia lanceolata 192.40±7.02 c 96.2±0.2 a 0.78±0.25 a 0.4±0.1 a 2.47±0.17 a 1.2±0.1 a 4.35±0.54 b 2.2±0.2 ab 200.02±7.39 c Table 5. Stand biomass and its distribution in each layer of plantation with different tree species
4种林分的林分生物量分配格局基本一致,均表现为乔木层最高,占林分生物量的93.0%~98.3%,不同林分间差异不显著;其次为枯落物层,占林分生物量的1.2%~3.0%,木荷林和蓝果树林显著高于米老排林;灌木层占林分总生物量的0.3%~2.5%,草本层占林分总生物量的0.1%~1.7%,不同林分间差异不显著,其数值差异较大是灌木和草本分布的空间异质造成的。
Biomass and Its Distribution Pattern of Four Tree Species Plantation in South Subtropical China
- Received Date: 2021-06-30
- Accepted Date: 2021-08-10
- Available Online: 2022-02-20
Abstract: