谢建文

(福建农林大学西芹教学林场，福建 南平 353001)

森林生态系统能量现存量能够反映森林群落对太阳能利用率的高低，是衡量森林生态系统结构及功能的重要指标之一[1-2]，研究森林生态系统能量现存量对提高森林生态系统生产力具有重要的理论借鉴意义.近年来，随着人类经济活动的增加，天然林面积日益缩小，人工林面积日益扩大.在全球气候变化的背景下，提高人工林生产力，可以在满足木材市场需求的同时，提高人工林在应对全球气候变化中的作用与地位，已成为目前生态学家及林学家密切关注的重点问题[3].

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)是我国种植面积最大、蓄积量最高的人工乔木用材速生树种.第八次全国森林资源清查结果显示，我国的杉木人工林面积达895万hm2，蓄积量达6.25亿m3.由于杉木人工林面积大、生长快、单产高、碳汇功能强大，在我国乃至世界减少温室气体和应对全球气候变暖中都将扮演极其重要的角色[4].以往学者[5-8]对杉木人工林能量现存量的研究较少，主要集中在杉阔混交林生态系统杉木细根能量动态方面，而针对不同密度杉木林生态系统能量现存量及其结构的研究尚未见报道.有鉴于此，本文以不同密度杉木人工林为试验林分，在调查林分地上部分及地下部分生物量的基础上[9]，测定林分地上部分及地下部分各组分热值，换算成能量现存量，研究不同密度杉木林生态系统能量现存量及其结构，研究结果可为探明杉木林各组分能量现存量分布及提高杉木林生产力提供理论依据.

1 试验林概况

试验地位于福建农林大学莘口教学林场(26°10′N，117°27′E).该地属中亚热带季风性气候，年降水量1 689.0 mm，年蒸发量1 625.0 mm，年日照时间1 842 h，年平均气温19.2 ℃，无霜期305 d.试验地海拔350 m，坡度23°～28°，土壤为山地红壤，土层深度在100 cm以上.

试验林建于2007年2月.试验采用完全随机区组设计，共设3个随机区组，每个区组3个处理.造林密度分别为1 800、3 000及4 500株/hm2，株行距分别为2.0 m×2.7 m、2.0 m×1.6 m、2.0 m×1.1 m；同一区组坡向、坡位等立地条件均一致，每种造林密度3个重复，面积为667 m2.试验林前身为第一代杉木人工林，种苗来源于第2代种子园的1 a生实生苗.栽植当年的6月、10月分别抚育1次并补植，补植采用容器苗；造林第2年及第3年10月各抚育1次.2019年5月进行调查，结果显示：1 800株/hm2杉木人工林平均胸径为(13.95±3.79)cm，平均树高为(11.95±1.88)m；3 000株/hm2杉木人工林平均胸径为(13.66±2.16)cm，平均树高为(12.24±2.24)m；4 500株/hm2杉木人工林平均胸径为(12.34±3.62)cm，平均树高为(12.95±1.93)m.

2 研究方法

2.1 样地设置及平均木挑选

2019年5月，在每个区组内各处理分别设置1个20 m×20 m标准地.测定标准地内的杉木胸径、树高及枝下高，计算样地平均木的平均胸径、平均树高及平均枝下高等；依据平均木各指标值在样地四周挑选出1株与平均木生长最接近的单株作为平均木，每种造林密度选3株.

2.2 生物量调查及取样

先按2 m区分段分别取平均木树干宿留枯死枝，称样并计算不同区分段的质量比.用油锯贴地表伐倒平均木后，树干按2 m区分段、树枝按轮数分别称重，计算不同区分段及轮数的质量比.依据宿留枯死枝、树干及树枝质量比分别取对应样品并混合带回实验室待测.取平均木半径1.5 m范围内的所有根系，带回实验室用游标卡尺测量径级，参考文献[10]的方法进行分级.在每个标准地随机设置5个1 m×1 m小样方，分别取林下植被及凋落物层样品，称重后带回实验室待测.

2.3 样品处理及测定

将带回的树干、树枝、宿留枯死枝、根、林下植被及凋落物层样品置于105 ℃烘干箱中杀青1 h后置于75 ℃烘干箱恒温烘至恒重.烘干后的样品用研磨机粉碎后过0.149 mm筛.称取每株平均木样品1.000 0 g置于擦镜纸上，包样后放入装有点火丝的坩埚并置于氧弹内，放入高精度微机全自动量热仪(ZDHW-8000A)内测定植物热值，依据生物量换算成各组分能量现存量.

2.4 数据处理

应用 Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理，采用SPSS 22.0软件对不同林分密度杉木人工林生态系统各组分能量现存量差异进行显著性分析.

3 结果与分析

3.1 杉木各器官能量现存量及分配

不同密度杉木人工林地上部分各器官能量现存量及分配见表1.由表1可见：不同密度杉木林生态系统地上部分杉木各器官能量现存量呈现不同的变化趋势.1 800及3 000株/hm2密度杉木林生态系统地上部分杉木各器官能量现存量表现为树干>树枝>树皮>宿留枯死枝，而4 500株/hm2密度杉木林生态系统地上部分杉木各器官能量现存量表现为树干>树皮>宿留枯死枝>树枝.随着密度的增加，杉木林树干、树皮及宿留枯死枝能量现存量呈逐渐增加趋势，而树枝能量现存量则表现为3 000株/hm2>1 800株/hm2>4 500株/hm2.4 500株/hm2的树干能量现存量与1 800及3 000株/hm2相比分别增加了96.97%及37.18%，树皮能量现存量分别增加了120.88%及48.69%，宿留枯死枝能量现存量分别增加了595.11%及75.32%.

从分配率上看，随着密度的增加，杉木林生态系统树皮及宿留枯死枝能量现存量分配率呈升高趋势，树枝呈下降趋势；树干能量现存量分配率表现为4 500株/hm2>1 800株/hm2>3 000株/hm2.显著性分析结果表明，不同密度杉木林生态系统树干、树枝、树皮及宿留枯死枝能量现存量差异均达到极显著水平(P<0.01).

表1 不同密度杉木人工林地上部分各器官能量现存量及分配Tab.1 Above-ground organs energy storage and its distribution in different densities of Chinese fir plantations

3.2 不同径级根能量现存量及分配

不同密度杉木人工林根能量现存量及分配见表2.由表2可知：不同密度对杉木林生态系统不同径级根能量现存量及分配具有不同影响.不同密度杉木林生态系统不同径级根能量现存量及分配率均表现为粗根>大根>中根>小根>细根.随着密度的增加，杉木林生态系统粗根、大根、中根、小根及细根能量现存量呈逐渐上升趋势；4 500株/hm2的粗根能量现存量与1 800株/hm2及3 000株/hm2相比分别提高61.95%及25.63%，大根则分别提高62.46%及28.71%，细根提高121.06%及46.64%.就分配率而言，随着密度增加细根能量现存量分配率呈逐渐上升趋势，而粗根分配率呈逐渐下降趋势；大根能量现存量分配率表现为1 800株/hm2>4 500株/hm2>3 000株/hm2，中根分配率表现为4 500株/hm2>1800株/hm2>3 000株/hm2，小根分配率表现为3 000株/hm2>1 800株/hm2>4 500株/hm2.显著性分析结果表明，不同密度杉木林粗根、大根、中根及细根能量现存量差异达极显著水平，而4 500、3 000株/hm2的小根能量现存量与1 800株/hm2相比差异达极显著水平.

表2 不同密度杉木人工林根能量现存量及分配Tab.2 Root energy storage and its distribution in different density of Chinese fir plantations

3.3 不同密度杉木林生态系统不同组分能量现存量

不同密度杉木林各组分能量现存量见图1.由图1可知：密度为 1800株/hm2的杉木林生态系统各组分能量现存量表现为树干>树枝>树根>树皮>林下植被>宿留枯死枝>凋落物，3 000株/hm2表现为树干>树枝>树根>树皮>宿留枯死枝>凋落物>林下植被，4 500株/hm2表现为树干>树根>树皮>宿留枯死枝>树枝>凋落物>林下植被.随着密度增加，树干、树皮、宿留枯死枝、凋落物等组分能量现存量呈逐渐上升趋势，而林下植被能量现存量呈逐渐下降趋势.显著性分析结果表明，不同密度杉木林各组分能量现存量均达到极显著差异.

3.4 不同组分能量现存量与密度相关性

杉木人工林各组分能量现存量与林分密度相关性分析结果见表3.由表3可知：杉木林树干、树根、宿留枯枝、鲜叶、凋落物能量现存量与密度呈极显著正相关关系，而林下植被能量现存量与密度呈极显著负相关关系.树干与宿留枯枝、树干与宿留枯叶、树干与凋落物、树干与树根、宿留枯枝与宿留枯叶、宿留枯枝与凋落物、宿留枯枝与树根、宿留枯叶与凋落物、鲜枝与鲜叶、凋落物与树根能量现存量呈极显著正相关关系，树干与林下植被、宿留枯枝与林下植被、宿留枯叶与林下植被、凋落物与林下植被、树根与林下植被呈极显著负相关关系.

表3 杉木人工林各组分能量现存量与林分密度相关性Tab.3 Correlation analysis between components energy storage and stand density of Chinese fir plantation

4 小结与讨论

能量现存量是衡量某一生态系统能量贮存量的指标，也是衡量生态系统能量、结构和功能的关键指标，能够反映该生态系统将太阳能转化为化学能的转化速率及能力[11].生态系统的能量现存量以生物量为基础，受到立地条件、林分密度、林龄等诸多因素的综合影响[12-13].在一定密度范围内，林分总能量现存量随密度增大而提高.本研究结果表明，随着林分密度的提高，林分总能量现存量呈逐渐上升趋势，这与吴家兵等[14]的研究结果相似.

生态系统不同组分能量现存量存在较大差异.崔玉涛等[15]对长白落叶松人工林热值及其能量现存量的研究表明，长白落叶松人工林各器官能量现存量呈现出树干>树根>树皮>树枝>树叶的规律，且地上部分能量现存量远高于地下部分(地下部分主要集中在粗根).本研究结果表明，不同密度杉木林各组分能量现存量排序不一，密度为1 800株/hm2的杉木林生态系统各组分能量现存量表现为树干>树枝>树根>树皮>林下植被>宿留枯死枝>凋落物，3 000株/hm2表现为树干>树枝>树根>树皮>宿留枯死枝>凋落物>林下植被，4 500株/hm2表现为树干>树根>树皮>宿留枯死枝>树枝>凋落物>林下植被.杉木林树干、树根、宿留枯枝、鲜叶、凋落物能量现存量与密度呈极显著正相关关系，林下植被能量现存量与密度呈极显著负相关关系.不同密度杉木人工林生态系统各组分能量现存量的差异主要与造林密度关系密切.高密度杉木林种内竞争强度及林分分化比较剧烈，林内光照强度减弱，林分冠幅小，枝下高较高，活枝高较低，林下植被发育不良[16-17]；除此之外，高密度林分中的个体为获取更多的地上养分空间及地下养分资源，根系生长及高生长取得的分配资源更多[18]，这就导致高密度林分树干、树根、宿留枯死枝、凋落物能量现存量较高，而树枝及林下植被能量现存量较低.

杉木人工林以产出高质量木材为主.本文的研究结果表明，虽然不同密度杉木林树干能量现存量均最高，但随着密度增加，树枝的分配率逐渐降低.树枝(包括树叶)是植物光合作用最重要的场所，为保证杉木人工林中后期的生长量，维护杉木人工林的长期生产力，应适当降低经营密度，提高杉木人工林质量，从而达到杉木人工林速生、丰产、优质的目的.此外，本文仅分析了12 a生不同密度杉木林的能量现存量结构，至于该试验林后期能量现存量的变化还有待于进一步观测研究.