全 文 ：林业科学研究　2006, 19 (6) : 791～798
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2006) 0620791208
多代连栽人工林碳贮量的变化
罗云建 , 张小全 3
(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 ,国家林业局森林生态环境重点实验室 ,北京 100091)
摘要 :通过收集多代连栽桉树、落叶松和杉木人工林生长和土壤方面的数据 ,分析了不同代数间林分生物量和土壤
有机碳贮量的变化 ,并定量或定性分析了混交、施肥等地力维护措施对林分生物量和土壤有机碳贮量的影响。随着
连栽代数的增加 ,生物量和土壤有机碳贮量均呈现明显的下降 , 2代杉木人工林生物量和土壤有机碳贮量分别比 1
代下降 24%和 10% , 3代分别比 2代下降 39%和 15%。地力维护措施可在很大程度上防治连栽人工林生物量和土
壤有机碳贮量的下降 , 2代杉阔混交林生物量和土壤有机碳贮量分别比 2代纯林提高 69%和 19% ; 2代桉树与相思
属树种的混交林生物量比 2代桉树纯林增加 29% ;施肥可使 2代杉木人工林生物量提高 22%。轮作和林下植被培
育也能提高林分生物量 ,但对土壤有机碳贮量的影响尚需进一步研究。
关键词 :人工林 ;连栽 ;生物量 ;土壤有机碳 ;地力维护
中图分类号 : S714 文献标识码 : A
收稿日期 : 2005208209
基金项目 : 973项目“中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制 (2002CB412508) ”,国家十五攻关专题“碳吸收汇的估算及经济性评价及
影响研究 (20012BA611B204205) ”
作者简介 : 罗云建 (1981—) ,男 ,山东鱼台人 ,硕士研究生 13 通讯作者 :张小全 ,研究员 ,博士生导师 ,主要从事土地利用变化与林业、森林碳平衡、林业温室气体清单、清洁发展机制 ( CDM )林业
项目方法学等方面的研究。电话 : (010) 62889512,传真 : (010) 6288840, E2mail: xiaoquan@ forestry. ac. cn
Carbon Stock Changes of Successive Rota tion s of Plan ta tion s
LUO Yun2jian, ZHANG X iao2quan
(Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection; Key Laboratory of Forest Ecology and Environment,
State Forestry Adm inistration, CAF, Beijing 100091, China)
Abstract: Growth and soil p roperty data over successive rotations of L arix sp. and Cunningham ia lanceola ta
(Lamb. ) Hook. p lantations were collected and archived from published literatures. The stock changes of biomass,
soil organic carbon and the impact of fertility maintaining on carbon stockswere estimated and analyzed based on the
dataset. Results showed thatwith the increase of the successive rotations stand biomass and soil organic carbon stock
decreased apparently. The biomass and soil organic carbon stock reduced by 24% and 10% from the first to the
second rotation of Cunningham ia lanceola ta p lantations, respectively, and by 39% and 15% respectively from the
second to the third rotation. But fertility maintaining measures can p revent the growth decline and soil degradation in
the successive rotation of p lantation. The biomass and soil organic carbon stock of the second rotation of Cunning2
ham ia lanceola ta and broad2leaved trees m ixed p lantations were 69% and 19% higher than that of the pure Cun2
n ingham ia lanceola ta p lantation respectively. M ixed Euca lyptus sp. and Acacia sp. in the second rotation can in2
crease the biomass by 29% compared to the Euca lyptus sp. pure stand. Fertilization on the second rotation of Cun2
n ingham ia lanceola ta resulted in 22% increase in biomass.
Key W ords:p lantation; successive rotation; biomass; soil organic carbon; fertility maintaining
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
我国是世界上发展人工林最突出的国家 ,人工
林面积居世界首位 ,达 0. 53亿 hm2 ,蓄积量 15. 05亿
m
3
,但我国人工林也面临着随之而来的地力衰退和
生产力下降等诸多问题 ,特别是多代连栽人工林表
现得更为突出 [ 1, 2 ]。地力衰退最明显的表现在杉木
(Cunningham ia lanceola ta (Lamb. ) Hook. ) 人工林
的生长上 ,几乎普遍存在一代不如一代 [ 1 ] ,而对多代
连栽落叶松 (L a rix sp. )、桉树 ( Euca lyptus sp. )等人
工林的退化也有报道 [ 3～10 ]。连栽人工林地力衰退
和生产力下降属森林退化的范畴 ,森林退化引起的
碳贮量下降已经引起国际社会的广泛关注。应《联
合国气候变化框架公约 》(UNFCCC)的要求 ,政府间
气候变化专门委员会 ( IPCC)编写了“直接人为活动
引起的森林退化和其它植被破坏的定义和方法选
择 ”[ 11 ] ,给出了相关的定义和碳计量的原则性方法。
目前有关多代连栽人工林的研究主要集中在林木胸
径、树高、林分蓄积量及生物量的变化 ,土壤物理、化
学、生物组成与生物化学性质的改变 ,林下植被的变
化情况以及地力维护措施等方面。很多研究报道了
多代连栽人工林土壤有机质的下降和土壤容重的增
加 [ 10, 12～14 ] ,这两方面的变化又与土壤有机碳贮量有
着密切的关系 ,但关于土壤有机碳贮量变动的估计
以及地力维护措施会对人工林的生物量和土壤有机
碳贮量的影响尚未见报道。本文通过收集已公开出
版或发表的有关数据资料 ,进行综合分析 ,试图揭示
我国桉树、落叶松和杉木多代连栽人工林碳贮量变
化的一般规律 ,以及地力维护措施对连栽人工林碳
贮量的影响。
1 数据与方法
1. 1 数据的收集
收集已发表或公开出版的有关多代连栽人工林
的生长 (树高、胸径 )、林分密度、蓄积量、生物量、土
壤有机质含量和土壤容重的数据 ,以及采取地力维
护措施后这些指标的数据。对收集的数据资料进行
精心筛选 ,本研究分析只采用来自对比样地 (同林
龄、同立地条件、同树种、不同代数 )的测定数据 ,且
只比较不同对比样地多代连栽人工林生物量和土壤
有机碳贮量的相对变化。包括不同代数杉木人工林
对比研究文献 23篇共 41组数据 [ 13, 15～36 ] ,落叶松研
究文献 2篇共 10组数据 [ 3, 4 ] ;混交、施肥、轮作与林
下植被培育等地力维护措施相关文献 58篇共 130
组数据 [ 6, 37～94 ]。
1. 2 生物量的计算
由于许多文献只报道了生长数据 (胸径和树高
或蓄积量 ) ,而无生物量数据 ,因而需采用有关方法
将生长数据转化为生物量数据。对只有林分蓄积量
而没有生物量的情况 ,利用下式计算林分生物量 B s
( t·hm - 2 ) [ 95 ] :
杉木 : B s = 2215 + 0140Vs (1)
落叶松 : B s = 3318 + 0161Vs (2)
桉树 : B s = 4155 + 0189Vs (3)
式中 Vs为林分蓄积量 (m3. hm - 2 )。有关与上述
三个树种混交的树种的生物量 (B ) ,由于缺乏类似
的参数方程 ,故采用 IPCC[ 11 ]的一般方法计算 :
B =Vs ×SVD ×B EF (4)
式中 : SVD 为木材密度 ( t·m - 3 ) ; B EF为树干
到林分的生物量扩展系数。参数 SVD 和 B EF的值
均来自 1994年中国土地利用变化和林业温室气体
排放清单专题报告 [ 96 ]。
部分研究只报道了林分密度 (株 ·hm - 2 )、平均
树高及平均胸径 ,首先采用二元立木材积公式计算
单株立木材积量 V t (m3 ) [ 97 ] :
杉木 : V t = 0. 000 058 1D1. 96 H0. 894 (适用于江西和
福建 ) (5)
V t = 0. 000 058 8D
1. 97 H0. 896 (适用于其它省
份 ) (6)
落叶松 : V t = 0. 000 050 2D1. 76 H1. 150 (适用于东北
地区 ) (7)
桉树 : V t = 0. 000 079 5D1. 94 H0. 740 (8)
式中 : D为平均胸径 ( cm ) ; H为平均树高 (m )。
然后根据林分密度计算林分蓄积量 (Vs ) ,再根据式
(1) ～ (4)计算单位面积生物量。
1. 3 土壤有机碳贮量
单位面积土壤有机碳贮量通过有机质含量、采
样深度和土壤容重计算 [ 98 ] :
SOC =
∑
n
i =1
SOM i ·D i ·BD i
17. 24
(9)
式中 : SOC为土壤有机碳贮量 ( t·hm - 2 ) ; n为
采样层数 ; i为第 i采样层 ; SOM 为土壤有机质含量
( g·kg- 1 ) ; D i为第 i层的深度 ( cm ) ; BD i为第 i层
的土壤容重 ( g·cm - 3 ) ; 17. 24为系数。
由于不同土壤的有机质含量存在着差异 ,采样
深度与采样方法也不尽相同 ,所以很难比较根据不
同文献研究数据计算出的碳贮量的绝对变化。因
297
第 6期 罗云建等 :多代连栽人工林碳贮量的变化
此 ,本文采用碳贮量的相对变化来分析土壤有机碳
贮量的变化。
2 结果与分析
2. 1 生物量的变化
2代杉木人工林的生物量比 1 代平均下降
2318% ±2. 7% ( n = 41) , 3代比 2代下降 39. 1% ±
311% ( n = 23) (图 1) ,不同年龄阶段的相对变化无
明显规律。宋秀琴等 [ 3 ]通过对 1、2代 1～9生日本
落叶松 (L arix kaem pferi (Lamb. ) Carr. ) 树高及胸径
的研究发现 1代均略高于 2代 ,通过计算其生物量
发现 2代林的生物量比 1代随林龄的增加差距日益
明显 ,平均下降 4. 3% ±1. 6% ( n = 7)。据陈乃全
等 [ 4 ]的数据计算得 18年生长白落叶松 (L arix olgen2
sis A. Henry var. changpa iensis Yang et. Y. L.
Chou)人工林的生物量 2代比 1代下降 27. 3% , 19
年生 2代比 1代下降 32. 6% ±7. 0% ( n = 2)。余雪
标等 [ 5 ]在广东雷州的研究发现 ,不同连栽代数 4. 5
年生刚果 12号桉 ( Euca lyptus 12 ABL )人工林的生
物量 ,以 1代林的最大 ,达到 86. 5 t·hm - 2 ,随连栽
代数的增加生物量逐代下降 , 2、3、4代林分生物量
分别为 69. 3、62. 1、46. 6 t·hm - 2 ,与 1代林相比分
别下降 19. 9%、28. 2%和 46. 1%。由此可以看出 ,
多代连栽人工林随着连栽代数的增加 ,林分生物量
出现明显的下降。这不仅表现在杉木人工林上 ,而
且在落叶松和桉树人工林上也很明显。
图 1 不同代数杉木人工林生物量的比较
(1代林 : B s = 243 (1 - exp ( - 0. 090 4A ) ) 1. 87 ( R2 = 0. 63, n
= 28) ; 2代林 : B s = 183 (1 - exp ( - 0. 093 7A ) ) 1. 91 ( R2 = 0. 68, n
= 28) ; 3代林 : B s = 142 (1 - exp ( - 0. 089 2A ) ) 1. 90 ( R2 = 0. 67, n
= 15) )
2. 2 土壤有机碳贮量的变化
图 2表明 ,随着连栽代数的增加 ,杉木人工林土
壤有机碳贮量都有不同程度的下降 , 2代比 1代平
均下降 9. 5% ±5. 1% ( n = 9 ) , 3 代比 2 代下降
1513% ±4. 8% ( n = 8)。长白落叶松人工林的土壤
有机质含量 ,由 1代林的 53. 8 g·kg- 1下降到 2代
林的 43. 3 g·kg- 1 [ 4 ]。据余雪标等 [ 10 ]在广东雷州
的研究数据计算得到 , 4. 5年生的 2代刚果 12号桉
人工林土壤有机碳贮量比 1代下降 26. 2% , 3代比 1
代下降 13. 8%。
图 2 不同代数杉木人工林土壤有机碳贮量的比较
3　地力维护措施对连栽人工林碳贮量
的影响
人工林地力衰退是个复杂的生态学过程 ,但实质
上是林地土壤养分吸收与供给之间的不平衡 ,即养分
吸收量 (存留于树体中的养分与凋落物现存量中养分
之和 )大于养分供给量 (凋落物矿化量与土壤矿化量
之和 ) ,主要表现在以下三个方面 : (1)人工林土壤退
化 ,土壤肥力下降 ; (2)立地生产力下降 (即林分生产
力下降 ) ; (3)林地环境退化 (即林地小气候变化 ) [ 99 ]。
引起这种不平衡出现的可能原因主要有 : (1)速生树
397
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
种连栽造成林地养分亏缺 [ 2, 100 ] ; (2)土壤酸化 [ 2, 30 ] ;
(3)短轮伐期 [ 101 ] ; (4)林分结构单一 [ 102 ] ; (5)不合理
林地清理、整地及抚育方式引起林地土壤侵蚀 [ 103 ] ;
(6)树木的化感作用 [ 104 ] ,其中不合理的育林方式是导
致地力衰退的最直接的原因 [ 99, 105 ]。
目前人工林地力维护的研究主要在两个方面 :
一是减少栽培过程中林地养分的流失 ;二是增加对
林地的投入 ,并促进其生物循环 [ 106 ]。现有的措施主
要有营造混交林 [ 6, 74 ]、施肥 [ 107 ]、改善人工林的群落
结构 [ 108 ]和推行不同人工林的轮作栽培 [ 94 ]等。
3. 1 营造混交林对碳贮量的影响
近年来 ,通过营造混交林来防治地力衰退逐渐受
到重视并进行了大量相关研究。混交树种涉及杉木、
落叶松、桉树、檫树 (Sassafras tsum u Hemsl. )、火力楠
(M ichelia m acclurei Dandy )、木 荷 ( Schim a superba
Gardn. et Champ )、楠木 ( Phoebe bournei ( Hemsl. )
Yang)、拟赤杨 (A lniphyllum fortunei (Hem sl. ) Makino. )
、南酸枣 (Choerospondias axillaris Burtt. et Hill) 等。
桉树与粗果相思 (A cacia crassicarpa A. Cunn.
ex Benth)、大叶相思 (A cacia au ricu liform is A. Cunn.
ex Benth)、黑荆 (A cacia m earnsii De wild. )等相思属
树种混交 , 1 代混交林的生物量比 1 代纯林提高
3914% ±10. 0% ( n = 10) , 2代混交林比 2代纯林平
均提高 28. 9% ±5. 3% ( n = 18) (图 3)。1代杉木
混交林的生物量比 1 代纯林平均提高 48. 1% ±
517% ( n = 32) , 2代混交林比 2代纯林提高 68. 7%
±7. 3% ( n = 24) (图 4)。
图 3 多代连栽桉树混交林和纯林生物量的比较
图 4 多代连栽杉木混交林和纯林生物量的比较
1代杉木混交林土壤有机碳贮量比 1代纯林平
均提高 23. 8 ±9. 6% ( n = 17 ) , 2代混交林比 2代纯
林提高 19. 4 ±8. 3% ( n = 8) ,不过个别地点的土壤
有机碳贮量在下降 , 主要表现在 1 代人工林上
(图 5)。
图 5 多代连栽杉木混交林和纯林土壤有机碳贮量的比较
与纯林相比 ,混交林在一定程度上提高了生物
量和土壤有机碳贮量 ,但桉树、杉木与不同树种混交
的生物量差异很明显 ,这可能主要与不同的混交模
式和整地活动有关 ,也可能与不同树种间化感作用
的强弱有关 [ 104, 109 ] ,为此合理的混交模式、混交树种
和整地活动能有效的提高林分生物量和土壤有机碳
贮量。
3. 2 林地施肥对碳贮量的影响
通过施肥来增加土壤养分的投入也可有效地维
护地力。据伍春魁 [ 40 ]测定的数据计算表明 , 1 代
415年生巨尾桉 ( Euca lyptus grand isW. H ill exMaid2
en ×E. urophylla S. T. B lake)人工林的生物量 ,施
497
第 6期 罗云建等 :多代连栽人工林碳贮量的变化
肥的比不施肥的提高 277. 3% ±42. 8% ( n = 4)。多
代杉木人工林通过施肥可以补充养分的供给量 ,虽
然肥料中元素的种类和含量存在着较大的差异 ,但
却能不同程度地提高其生物量 (图 6) , 1代人工林生
物量施肥比不施肥提高 19. 9% ±1. 5% ( n = 90 ) , 2
代人工林施肥比不施肥的提高 21. 9% ±3. 9% ( n =
42)。
图 6 施肥对杉木人工林生物量的影响
3. 3 轮作对碳贮量的影响
轮作主要是通过不同树种的轮栽来维持地力 ,
但不同树种的栽培效果通常要到十几年甚至数十年
之后才能显现 ,加之多变的林地环境 ,使得研究轮作
对地力影响的难度加大 ,因此轮作对地力定量影响
的报道很少见。
对杉木与马尾松 ( P inus m asson iana Lamb. )轮
作的研究 [ 94 ]表明 ,林分蓄积量和生物量均有明显提
高 ,蓄积量增加 34. 6% ,生物量增加 1519% ,且地力
比杉木连栽亦有明显提高 ,土壤有机质含量也有相
应的增加。因此 ,选择合适的树种轮作可提高林分
的生物量 ,有可能会提高土壤有机碳贮量。
3. 4　林下植被培育对碳贮量的影响
林下植被是人工林生态系统的重要组成部分 ,
在养分循环和地力维护中起不可忽视的作用 [ 108 ]。
对杉木人工林林下植被的研究发现 ,林下植被可有
效提高土壤有机质含量 ,且对地力也有一定的改
善 [ 110 ]。虽然林下植被可以提高土壤有机质的含量 ,
但其数值却与林下植被盖度密切相关 ,也主要对 0
～5 cm土层作用较明显 ,对 5～15 cm土层则明显减
弱 [ 111 ] ;同时林下植被的生长 ,尤其是灌木的生长 ,有
助于减小土壤容重 ,对降低 0～10 cm土层容重的作
用较为显著 [ 112 ] ;因此 ,地力的改善可更好的供给养
分促进林木的生长进而提高林分生物量 ,但对土壤
有机碳贮量的影响尚需进一步研究。
4 结论
(1)连栽导致林分生物量明显下降。2代杉木
人工林的生物量比 1代平均下降 23. 8% ±2. 7% , 3
代比 2代下降 39. 1% ±3. 1% ,且不同林龄的相对变
化无明显规律。2代日本落叶松人工林的生物量与
1代在生长初期差别不大 ,随着林龄的增长差距日
益明显。18年生长白落叶松人工林的生物量 , 2代
比 1代下降 27. 3% , 19年生 2代比 1代下降 32. 6%
±7. 0%。连栽桉树人工林也出现了类似的情况 ,
415年生人工林的生物量随着连栽代数的增加出现
了明显下降。
(2)连栽还引起土壤有机碳贮量的减少。2代
杉木人工林土壤有机碳贮量比 1代平均下降 9. 5%
±5. 1% , 3代比 2代下降 15. 3% ±4. 8%。4. 5年生
的 2 代桉树人工林土壤有机碳贮量比 1 代下降
2612% , 3代比 2代下降 13. 8%。
(3)营造混交林、施肥等措施可在一定程度上
防治连栽人工林碳贮量的下降。 ( 1 )营造混交林 :
桉树与相思属树种混交 , 1代混交林生物量比 1代
纯林平均提高 39. 4% ±10. 0% , 2代混交林比 2代
纯林平均提高 28. 9% ±5. 3%。1代杉阔混交林生
物量和土壤有机碳贮量分别比 1代纯林提高 48. 1%
±5. 7%和 23. 8% ±9. 6% , 2代混交林分别比 2代
纯林提高 68. 7% ±7. 3%和 19. 4% ±8. 3%。 (2)施
肥 : 1代 4. 5年生巨尾桉人工林的生物量 ,施肥的比
不施肥的提高 277. 3% ±42. 8%。1代杉木人工林
的生物量 ,施肥的比不施肥的提高 19. 9% ±1. 5% ,
2代林施肥的比不施肥的提高 21. 9% ±3. 9%。 (3)
轮作和林下植被培育也能提高林分生物量 ,但对土
壤有机碳贮量的影响尚需进一步研究。
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