近年來(lái),氣候變化成為世界環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn),并已經(jīng)演化為國(guó)際的政治經(jīng)濟(jì)問(wèn)題.而人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的大量二氧化碳則被認(rèn)為是導(dǎo)致氣候變化的主要原因,全球碳循環(huán)也因此成了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一.森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,擁有陸地生態(tài)系統(tǒng)80%的地上碳庫(kù)和40%的地下碳庫(kù)[1,2],且在維持自身巨大碳庫(kù)的同時(shí),還吸收了約33%由人類(lèi)活動(dòng)引起的碳排放[3],在全球碳循環(huán)和潛在的碳存儲(chǔ)中扮演著積極且十分重要的角色.減少毀林、加強(qiáng)森林管理、擴(kuò)大森林面積被認(rèn)為是增匯減排的重要措施[4,5].為積極應(yīng)對(duì)氣候變化,我國(guó)于2009年聯(lián)合國(guó)氣候變化峰會(huì)上提出到2020年新造林4.0×107hm2,進(jìn)一步提高我國(guó)森林的固碳效益.那么如何更有效地營(yíng)造這些碳匯林,既經(jīng)濟(jì)又能高效固碳,值得人們思考.

人工造林是森林重建的最常見(jiàn)手段,通過(guò)定向培育生長(zhǎng)迅速、高出材率的樹(shù)種,以期生產(chǎn)更多的木材,獲取更大經(jīng)濟(jì)效益.但是,材積高的林分是否一定能帶來(lái)較高的碳儲(chǔ)量,這種傳統(tǒng)的營(yíng)林模式對(duì)于碳匯林建設(shè)是否依然適用,還有待進(jìn)一步探索和研究.傳統(tǒng)的造林方式通常伴隨著跡地清理(割除林下灌草或煉山)、整地(局部整地或全面整地),以利于林木的成活與快速生長(zhǎng),但是這些活動(dòng)不可避免地會(huì)對(duì)巨大的土壤碳庫(kù)產(chǎn)生影響,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳大量釋放.越來(lái)越多的研究證實(shí),造林會(huì)減少土壤碳儲(chǔ)量,不同的造林方式會(huì)不同程度地削弱土壤碳庫(kù)[6~8];而土壤碳儲(chǔ)量能夠恢復(fù)到何種水平,取決于森林類(lèi)型以及當(dāng)?shù)氐臏囟群徒涤炅康拳h(huán)境因子[7].Huang等人[9]研究表明,在我國(guó)亞熱帶地區(qū)人工造林后,植被碳庫(kù)隨著時(shí)間呈直線遞增趨勢(shì),但森林土壤碳庫(kù)卻是經(jīng)歷了7~8年的持續(xù)降低之后才開(kāi)始增加,造林20年后才基本達(dá)到了造林前的土壤碳庫(kù)水平.這些結(jié)果顯示出碳匯林的營(yíng)造方式必將與傳統(tǒng)林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理有所區(qū)別,因?yàn)樘紖R林關(guān)注的不僅是林木等植被生產(chǎn)力,還必須考慮對(duì)森林土壤碳庫(kù)的影響.

森林自然更新可以有效減少對(duì)土壤碳庫(kù)的擾動(dòng);但是地上生物量累積速率則很大程度上取決于環(huán)境因子(水熱、土壤等條件)和樹(shù)種特性.我國(guó)亞熱帶地區(qū)水熱條件優(yōu)越,次生植被的生產(chǎn)力較高,有研究表明,江西信豐21年生的次生米櫧林蓄積量為191±35m3hm2,年平均增長(zhǎng)量可以達(dá)到9.1±1.7m3hm2[10];次生栲樹(shù)、木荷林37年生林分平均蓄積量可達(dá)240~300m3hm2;年平均生長(zhǎng)量6.5~8.1m3hm2[11];浙江杭州35年生木荷林群落年均生產(chǎn)力高達(dá)18.47thm2[12].傳統(tǒng)森林經(jīng)營(yíng)以收獲更多木材和更高的出材率為目標(biāo),因而主要關(guān)注樹(shù)干,而碳匯林則應(yīng)該關(guān)注整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能.

Laclau[13]和Zheng等人[14]研究表明,次生林的固碳效益優(yōu)于人工林,而Cuevas等人[15]的研究則顯示人工林與次生林之間的碳匯功能沒(méi)有顯著差異.還有一些研究表明人工林的植被固碳能力高于次生林[16~18],但其土壤碳庫(kù)與次生林無(wú)顯著差異[19].針對(duì)我國(guó)新增4.0×107hm2碳匯林、全面提升我國(guó)森林碳匯能力以應(yīng)對(duì)氣候變化的承諾,明晰不同重建方式對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能影響,闡明其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)不同碳庫(kù)的內(nèi)在影響機(jī)制,對(duì)我國(guó)碳匯林建設(shè)將具有重要指導(dǎo)意義.

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省龍南縣境內(nèi)的南嶺九連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)蝦公塘保護(hù)站,在24°31′~24°35′N和114°26′~114°29′E之間.九連山保護(hù)區(qū)總面積約13411.6hm2,海拔高度280~1430m,坡度在20°~40°之間[20],地勢(shì)南高北低,屬于南嶺東段九連山山脈的北坡.本區(qū)屬于典型亞熱帶氣候,溫暖濕潤(rùn),年均氣溫約16.7℃,年均降水量1954.6mm[21].區(qū)內(nèi)土壤依海拔高度自下而上依次為山地紅壤、山地黃紅壤、山地黃壤和山地草甸土[22].研究區(qū)是中亞熱帶濕潤(rùn)常綠闊葉林與南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林的過(guò)渡地帶[23],保存有完整的原生性常綠闊葉林,生物多樣性極其豐富,植被類(lèi)型有亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶低山丘陵針葉林、常綠落葉闊葉混交林、山頂矮林及山地草甸,其中以天然常綠闊葉林分布最廣[24].本區(qū)地帶性植被為常綠闊葉林,主要樹(shù)種包括栲樹(shù)(Castanopsisfargesii)、米櫧(Castanopsiscarlesii)、羅浮栲(Castanopsisfabri)、樟樹(shù)(Cinnamomumcam-phora)、鹿角栲(Castanopsislamontii)、木荷(Schimasuperba)等.

2研究方法

2.1樣地選擇

經(jīng)前期踏查后,于2010年9月和次年11月在保護(hù)區(qū)內(nèi)選取了天然次生林(secondaryforest)、人工杉木林(Cunninghamialancedataplantation)和人工藍(lán)果林(Nyssasinensisplantation)3種同期建立的森林類(lèi)型作為研究對(duì)象,并同時(shí)調(diào)查了該區(qū)原始常綠闊葉林(原始林,primaryforest)作為對(duì)照.除原始林以外的3種森林類(lèi)型,位置相近且為同一時(shí)期(1978年)采伐原始林后重建,具有較高可比性.杉木林、藍(lán)果林經(jīng)煉山、整地后人工栽植,并在前3年進(jìn)行撫育,之后進(jìn)行封育保護(hù).天然次生林在采伐喬木后封育使之自然更新,無(wú)煉山、整地等人為擾動(dòng).原始林為核心區(qū)保存較為完整的常綠闊葉林(地帶性植被).在各森林類(lèi)型中選取典型地段,布設(shè)20m×20m的樣方(次生林、人工杉木林和人工藍(lán)果林各3個(gè),原始林4個(gè)),測(cè)量并記錄樣地的位置、經(jīng)緯度、海拔、坡位、坡度等樣地信息(表1).

2.2植被碳儲(chǔ)量

(ⅰ)喬木層.在樣方內(nèi)測(cè)定胸徑(DBH)3cm所有喬木樹(shù)種的胸徑和樹(shù)高.根據(jù)立地條件盡可能相似原則,從已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)中篩選出適用于本地區(qū)調(diào)查樣地的喬木生物量相對(duì)生長(zhǎng)方程(表2)來(lái)計(jì)算樣地喬木層生物量.對(duì)缺少生物量方程的樹(shù)種,采用與其木材密度和干型結(jié)構(gòu)相近樹(shù)種的生物量方程;對(duì)缺少地下生物量方程的樹(shù)種,其地下生物量根據(jù)相應(yīng)樹(shù)種的地上與地下生物量之比來(lái)計(jì)算[25].喬木層生物量乘以0.5[26]的碳轉(zhuǎn)化系數(shù),得到喬木層碳儲(chǔ)量.

(ⅱ)灌木層.在樣方對(duì)角線的4個(gè)頂點(diǎn)及交點(diǎn)處布設(shè)2m×2m的灌木樣方共5個(gè),調(diào)查灌木的種類(lèi)、地徑和高度.確定樣地內(nèi)灌木層的優(yōu)勢(shì)種,建立嵌套回歸生物量模型[33].步驟如下:選擇其中結(jié)構(gòu)完整且具有最大基徑的植株作為模型構(gòu)建的樣木.基于枝條分枝系統(tǒng)的規(guī)律性,枝條系統(tǒng)可看作由若干單一枝軸組成,將這些枝軸看作微型樹(shù)干,測(cè)量各枝軸的基徑與長(zhǎng)度,并記錄各級(jí)軸間的從屬關(guān)系.抽樣實(shí)測(cè)部分枝軸的生物量,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),利用嵌套式回歸擬合優(yōu)勢(shì)種的生物量回歸模型(表3)估算樣地灌木層地上生物量.由于樣地位于保護(hù)區(qū)的核心區(qū),不宜進(jìn)行破壞性采樣并實(shí)測(cè)灌木地上與地下生物量,灌木地下生物量按地上生物量的19.84%[25]來(lái)估算.灌木層生物量乘以碳轉(zhuǎn)化系數(shù)0.5[26]得到灌木層碳儲(chǔ)量.(ⅲ)草本層.在5個(gè)灌木樣方內(nèi)各布設(shè)1個(gè)1m×1m的草本樣方,調(diào)查草本種類(lèi)、株叢數(shù)、高度和蓋度.采用收獲法收集樣方內(nèi)的草本植物,室內(nèi)烘干并稱(chēng)其干重,再乘以0.45[34]的碳轉(zhuǎn)化系數(shù)得到草本層碳儲(chǔ)量.