胡梦君，刘彦春，尚晴，甘家兵，琚煜熙

（1.河南大学生命科学学院植物生物学重点实验室，河南 开封 475004；2.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003；3.河南省信阳市南湾林场，河南 信阳 475003；4.河南省信阳市鸡公山国家级自然保护区管理局，河南 信阳 464000）

全球和区域的碳循环的微小变化会导致大气二氧化碳浓度和全球气候的显著变化[1]。作为陆地生态系统的主体和最大碳库[2]，森林在调节全球碳—水循环和气候变化方面具有不可替代的作用。森林生物量是森林生态系统运行的能量基础和营养物质来源，是评价森林碳源—碳汇角色的重要参数。我国的森林面积 32.3×106hm2，占国土面积23%，且森林面积持续增加[3]。徐冰[4]认为在未来50 a，中国森林是最大的碳汇，森林的碳汇强度与森林的林龄有密切关系[5]。

作为中国重要的粮食基地，河南省仅在其西南部，即伏牛山和大别山的边缘，分布有为数不多的森林资源，其对于维护区域生态安全和提高环境质量起到不可替代的作用。其中，信阳地区的森林资源丰富，跻身河南省前列。经过近 50多年的营林管理，信阳市地区已经形成了以马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)和麻栎(Quercus acutissima Carr.)为主要树种的人工林和以枫香及栎类为优势树种的天然次生林彼此镶嵌的森林景观。一方面，计划性的抚育与收获措施可缓解区域木材及相关林产品的市场需求；另一方面，健康合理的森林群落对区域水质和水量有重要的调控作用，同时能提高地区植被的固碳潜力，因此，可带来突出的生态效益。然而，在亚热带向暖温带过渡的敏感地区，不同人工林的林分蓄积量和生物量在不同发育阶段是如何变化的，以及相同抚育时期下哪种人工林能获得更多的木材产量和碳收益，至今尚不清楚。因此本研究以信阳地区的马尾松、杉木和麻栎人工林为研究对象，通过林分调查和异速生长方程法，分析了三种人工林的林分蓄积量和生物量随发育时期的变化规律，以阐明气候过渡区不同人工林类型在木材产量及固碳能力方面的差异，近而为该区域林业发展和生态建设提供指导依据。

1 研究地区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究地点位于河南省信阳市南湾实验林场（31°49′～32°14′N，113°45′～114°10′E）。该地区年均温度是 15.2℃，1月均温 2℃，7月均温27.5℃，无霜期220 d。年均降雨1 118.7 mm，大部分集中于5～9月份。土壤以石质山地黄棕壤为主，土壤厚度一般为0～20 cm，pH在4.1～4.5之间。该地区植被类型以亚热带针阔混交林和阔叶混交林为主，同时广泛分布有马尾松、杉木和麻栎的人工林。主要的乔木树种有麻栎，杉木，马尾松，黄山松(Pinus taiwanensis Hayata)，油茶(Camellia oleifera Abel.)，枫香(Liquidambar formosana)等。林地内的灌木树种主要有黄荆(Vitex negundo Linn.)，胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)，盐肤木(Rhus chinensis Mill.)等。

1.2 样地设置与调查

在南湾实验林场，根据林分经营历史和实地踏查，分别选取不同发育阶段的麻栎人工林、马尾松人工林和杉木人工林以开展相关研究。除杉木林以外，其他两种人工林的龄级可依次划分为：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，因此只选择其他4个龄级的样地。每个龄级设置4个样地，样地大小为20 m×20 m。本研究共设置麻栎人工林20个样地，马尾松人工林20个样地，杉木人工林16个样地，样地的基本情况见表 1。根据林场的经营历史，马尾松造林时的初植行间距均为1.5 m×2.2 m；杉木行间距为1.5 m×2 m；麻栎林行间距为2 m×3 m。造林后1～3 a，每年各进行1次除灌锄草，以保证幼苗的顺利成活。植苗成活后，除灌锄草频率减少到每3年1次。植株长到2 m以后，停止抚育措施。所选择要调查样地没有开展过间伐措施。样地布置时，最大限度的保证各龄级样地在坡度、坡向、海拔和土壤等立地条件的一致性，以减弱立地条件的差异对林分生长的影响。样地选定之后，进行林分调查，测定样地坡度、坡向和海拔。通过每木检尺，详细调查了所有乔木树种的胸径（1.3 m）和树高。我们查阅每个林班的经营历史，估算每个样地的林龄。林分蓄积量通过林木材积加和计算获得，林木材积通过二元立木材积表[6]计算获得。主要林木的生物量通过该地区已经建立的异速生长方程计算得到，杉木生物量引用冯宗炜[7]所建异速生长方程，马尾松和麻栎引用杨涛[8]所建的异速生长方程。

1.3 统计分析

所有统计分析都在 SPSS19.0软件中进行，采用单因素方差(One way ANOVA)分析比较了不同林分类型在密度、蓄积量和生物量的差异显著性，绘图和相关回归分析在SigmaPlot10.0中完成。

2 结果分析

2.1 三种人工林林分密度随林龄的变化

通过研究3种林分密度与林龄间的关系，发现麻栎、马尾松和杉木表现出不同的变化趋势。麻栎人工林密度随林龄增加而逐渐减少，其密度在5个龄级中依次为：2 731.04，707.02，1 009.73，531.56，438.91 stem/hm2，在最后两个龄级变化趋于缓慢，50～60 a阶段的林分密度比10～20 a时降低近6倍。回归分析表明，麻栎人工林的密度与林龄间的关系可用多项式曲线进行拟和( R2=0.5411，P=0.0001)。马尾松、杉木人工林密度与林龄关系不显著。

表1 样地概况

2.2 三种人工林的蓄积量变化

2.2.1 林分蓄积量与林龄间的关系

麻栎人工林在10～20 a时，蓄积量仅为34.97 m3/hm2，蓄积量随林龄的增加而增加，在50～60 a，蓄积量达到最大，为127.99 m3/hm2，与10～20 a相比，增加了266%。马尾松人工林在10～20 a时蓄积量为60.17 m3/hm2，在之后的各个时间，蓄积量随林龄的增加先增加而后减少。在40～50 a，蓄积量最大值，为288.62 m3/hm2，而在50～60 a，蓄积量减少为144.21 m3/hm2。与马尾松类似，杉木林的蓄积量随龄级变化先增加再减少，在20～30 a时，蓄积量达到最大，为281.11 m3/hm2。可见，麻栎、马尾松和杉木3种林分的蓄积量达到峰值的时期各不相同，依次为：50～60 a，40～50 a和20～30 a，杉木林生长的速度最快，而麻栎林生长则较为缓慢（图1）。

图1 不同人工林林分的蓄积量动态变化

通过蓄积量与林龄间的回归分析，发现麻栎人工林和马尾松人工林的蓄积量均随林龄增加而上升。可以用幂函数回归方程进行描述，其回归系数分别为0.4086(P = 0.0014)和0.8780(P = 0.0014)。然而，杉木林的蓄积量与林龄间并无显著相关关系。在某一特定林龄阶段下，3种人工林的蓄积量高低也存在不同。在前3个龄级，杉木林蓄积量均显著高于麻栎林和马尾松林(P < 0.05)；马尾松林蓄积量则高于麻栎林，并且在30～40 a时差异达到显著水平(P < 0.05)。在40～50 a龄级，马尾松林的蓄积量则显著高于麻栎和杉木林，而杉木林则高于麻栎林，但其差异未达到显著水平。

2.2.2 三种人工林蓄积量与密度的关系

由于林分密度与林分蓄积量关系密切，因此，我们分析了3种人工林密度与蓄积量之间的关系。分析表明，只有麻栎人工林的蓄积量随密度的增加而减少，表现出负的相关性(R2=0.4489，P=0.0007)。

2.3 乔木层生物量的变化

麻栎人工林生物量随林龄增加而显著上升(R2=0.8772，P<0.0001)，从10～20 a的42.57 t/hm2增加到50～60 a的166.18 t/hm2，在近40 a的时间增长了几乎4倍。马尾松林生物量则随林龄增加先增加而后逐渐下降，由10～20 a的49.45 t/ hm2到40～50 a的150.08 t/hm2，在30 a的时间增加了接近3倍，而在50～60 a，生物量减少为79.10 t/hm2。回归分析表明：马尾松的生物量与林龄呈显著的正相关(R2=0.3191，P=0.0056)。杉木林生物量也随着林龄的变化表现出明显的先上升后下降的趋势，可用多项式曲线很好的描述(R2=0.3399，P=0.0265)，在20～30 a，生物量为最大，值为 134.96 t/hm2，在40～50 a，生物量最小，值为68.87 t/ hm2（图2）。

图2 不同人工林林分生物量与林龄关系

在特定林龄阶段下，3种人工林的生物量高低也存在不同。在前3个龄级，杉木林生物量均显著高于麻栎林和马尾松林(P < 0.05)；在前2个龄级，马尾松林生物量则高于麻栎林，在30～40 a龄级，麻栎林生物量高于马尾松林，但差异均未达到显著水平。在40～50 a龄级，杉木林生物量则显著低于麻栎和马尾松林(P < 0.05)，而麻栎林则高于马尾松林，但其差异未达到显著水平（图3）。在50～60 a龄级，麻栎林生物量显著高于马尾松林(P < 0.05)。麻栎人工林生物量与密度呈现明显的负相关(R2=0.4494，P=0.0007)，其他林分的生物量与密度无相关性。

图3 不同人工林地上生物量的动态变化

3 讨论

通过研究发现，杉木、马尾松和麻栎这3种林分在生长特征上有明显的不同。杉木林生长速度最快，马尾松次之，麻栎最慢。由树种在不同龄级时的蓄积量可知，在10～40 a龄级，杉木的蓄积量都是最大，因为杉木速生树种，在26～35 a龄级为成熟期。在整个观测时间内，马尾松的蓄积量高于麻栎。马尾松生长到40～50 a时，达到成熟期，蓄积量到达最大，也证明马尾松的成熟期早于麻栎林。然而，此时的杉木已经是过成熟期。因此本研究表明，森林经营及其生态功能评价，若是要获得较快的收益，杉木林是最佳的选择，但是也可能导致地力衰退现象因而造成经营上的不可持续性。马尾松林生长速度在初期慢于杉木林，但是具有更长的生长周期，对于林分地力维持及减少林地干扰有较多优势。与杉木和马尾松林相比，麻栎林具有更长的生长周期，在木材需求不高的情况下，可种植麻栎林，获得更长效的生态功能。

[1]Raupach M R.Carbon cycle: Pinning down the land carbon sink [J].Nature Climate Change, 2011, (1):148-149.

[2]Pan Y D, Birdsey R A, Fang J Y, et al.A large and persistent carbon sink in the world’s forests [J].Science, 2011, (333): 988～993.

[3]Fang J Y, Guo Z D, Piao S L, et al.Terrestrial vegetation carbon sinks in China, 1981-2000 [J].Science China Earth Sciences, 2007, (50): 1341-1350.

[4]徐冰, 郭兆迪, 朴世龙, 方精云.2000-2050年中国森林生物量碳库: 基于生物量密度与林龄关系的预测[J].中国科学: 生命科学，2010，40（7）: 587-594.

[5]Liu S N, Zhou T, Wei L Y, et al.The spatial distribution of forest carbon sinks and sources in China [J].China Science Bulletin, 2012, 57(14): 1 699-1 707.

[6]光增云，邢铁牛.河南省主要立木材积及形高表[M].郑州：黄河水利出版社，1998.

[7]冯宗炜，陈楚莹，张家武，等.不同自然地带杉木林的生物生产力[J].植物生态学与地植物学丛刊， 1984，8（2）：93-100.

[8]杨涛.麻栎马尾松天然次生混交林生物量结构及根系分布特征调查研究[J].信阳农业高等专科学校学报，2004，14（4）：4-9.