近年來,氣候變化成為世界環境領域關注的焦點,并已經演化為國際的政治經濟問題.而人類活動產生的大量二氧化碳則被認為是導致氣候變化的主要原因,全球碳循環也因此成了當今研究的熱點問題之一.森林生態系統作為陸地生態系統的主體,擁有陸地生態系統80%的地上碳庫和40%的地下碳庫[1,2],且在維持自身巨大碳庫的同時,還吸收了約33%由人類活動引起的碳排放[3],在全球碳循環和潛在的碳存儲中扮演著積極且十分重要的角色.減少毀林、加強森林管理、擴大森林面積被認為是增匯減排的重要措施[4,5].為積極應對氣候變化,我國于2009年聯合國氣候變化峰會上提出到2020年新造林4.0×107hm2,進一步提高我國森林的固碳效益.那么如何更有效地營造這些碳匯林,既經濟又能高效固碳,值得人們思考.

人工造林是森林重建的最常見手段,通過定向培育生長迅速、高出材率的樹種,以期生產更多的木材,獲取更大經濟效益.但是,材積高的林分是否一定能帶來較高的碳儲量,這種傳統的營林模式對于碳匯林建設是否依然適用,還有待進一步探索和研究.傳統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,但是這些活動不可避免地會對巨大的土壤碳庫產生影響,導致土壤有機碳大量釋放.越來越多的研究證實,造林會減少土壤碳儲量,不同的造林方式會不同程度地削弱土壤碳庫[6~8];而土壤碳儲量能夠恢復到何種水平,取決于森林類型以及當地的溫度和降雨量等環境因子[7].Huang等人[9]研究表明,在我國亞熱帶地區人工造林后,植被碳庫隨著時間呈直線遞增趨勢,但森林土壤碳庫卻是經歷了7~8年的持續降低之后才開始增加,造林20年后才基本達到了造林前的土壤碳庫水平.這些結果顯示出碳匯林的營造方式必將與傳統林業經營管理有所區別,因為碳匯林關注的不僅是林木等植被生產力,還必須考慮對森林土壤碳庫的影響.

森林自然更新可以有效減少對土壤碳庫的擾動;但是地上生物量累積速率則很大程度上取決于環境因子(水熱、土壤等條件)和樹種特性.我國亞熱帶地區水熱條件優越,次生植被的生產力較高,有研究表明,江西信豐21年生的次生米櫧林蓄積量為191±35m3hm2,年平均增長量可以達到9.1±1.7m3hm2[10];次生栲樹、木荷林37年生林分平均蓄積量可達240~300m3hm2;年平均生長量6.5~8.1m3hm2[11];浙江杭州35年生木荷林群落年均生產力高達18.47thm2[12].傳統森林經營以收獲更多木材和更高的出材率為目標,因而主要關注樹干,而碳匯林則應該關注整個生態系統的碳匯功能.

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],但其土壤碳庫與次生林無顯著差異[19].針對我國新增4.0×107hm2碳匯林、全面提升我國森林碳匯能力以應對氣候變化的承諾,明晰不同重建方式對森林生態系統碳匯功能影響,闡明其對生態系統不同碳庫的內在影響機制,對我國碳匯林建設將具有重要指導意義.

1研究區概況

研究區位于江西省龍南縣境內的南嶺九連山國家級自然保護區蝦公塘保護站,在24°31′~24°35′N和114°26′~114°29′E之間.九連山保護區總面積約13411.6hm2,海拔高度280~1430m,坡度在20°~40°之間[20],地勢南高北低,屬于南嶺東段九連山山脈的北坡.本區屬于典型亞熱帶氣候,溫暖濕潤,年均氣溫約16.7℃,年均降水量1954.6mm[21].區內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].研究區是中亞熱帶濕潤常綠闊葉林與南亞熱帶季風常綠闊葉林的過渡地帶[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].本區地帶性植被為常綠闊葉林,主要樹種包括栲樹(Castanopsisfargesii)、米櫧(Castanopsiscarlesii)、羅浮栲(Castanopsisfabri)、樟樹(Cinnamomumcam-phora)、鹿角栲(Castanopsislamontii)、木荷(Schimasuperba)等.

2研究方法

2.1樣地選擇

經前期踏查后,于2010年9月和次年11月在保護區內選取了天然次生林(secondaryforest)、人工杉木林(Cunninghamialancedataplantation)和人工藍果林(Nyssasinensisplantation)3種同期建立的森林類型作為研究對象,并同時調查了該區原始常綠闊葉林(原始林,primaryforest)作為對照.除原始林以外的3種森林類型,位置相近且為同一時期(1978年)采伐原始林后重建,具有較高可比性.杉木林、藍果林經煉山、整地后人工栽植,并在前3年進行撫育,之后進行封育保護.天然次生林在采伐喬木后封育使之自然更新,無煉山、整地等人為擾動.原始林為核心區保存較為完整的常綠闊葉林(地帶性植被).在各森林類型中選取典型地段,布設20m×20m的樣方(次生林、人工杉木林和人工藍果林各3個,原始林4個),測量并記錄樣地的位置、經緯度、海拔、坡位、坡度等樣地信息(表1).

2.2植被碳儲量

(ⅰ)喬木層.在樣方內測定胸徑(DBH)3cm所有喬木樹種的胸徑和樹高.根據立地條件盡可能相似原則,從已發表的相關文獻中篩選出適用于本地區調查樣地的喬木生物量相對生長方程(表2)來計算樣地喬木層生物量.對缺少生物量方程的樹種,采用與其木材密度和干型結構相近樹種的生物量方程;對缺少地下生物量方程的樹種,其地下生物量根據相應樹種的地上與地下生物量之比來計算[25].喬木層生物量乘以0.5[26]的碳轉化系數,得到喬木層碳儲量.

(ⅱ)灌木層.在樣方對角線的4個頂點及交點處布設2m×2m的灌木樣方共5個,調查灌木的種類、地徑和高度.確定樣地內灌木層的優勢種,建立嵌套回歸生物量模型[33].步驟如下:選擇其中結構完整且具有最大基徑的植株作為模型構建的樣木.基于枝條分枝系統的規律性,枝條系統可看作由若干單一枝軸組成,將這些枝軸看作微型樹干,測量各枝軸的基徑與長度,并記錄各級軸間的從屬關系.抽樣實測部分枝軸的生物量,根據測量數據,利用嵌套式回歸擬合優勢種的生物量回歸模型(表3)估算樣地灌木層地上生物量.由于樣地位于保護區的核心區,不宜進行破壞性采樣并實測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]來估算.灌木層生物量乘以碳轉化系數0.5[26]得到灌木層碳儲量.(ⅲ)草本層.在5個灌木樣方內各布設1個1m×1m的草本樣方,調查草本種類、株叢數、高度和蓋度.采用收獲法收集樣方內的草本植物,室內烘干并稱其干重,再乘以0.45[34]的碳轉化系數得到草本層碳儲量.