不同林分密度和修剪措施对亚热带次生林木材体积及生态系统碳汇的影响:以中国浙江省为例

《Forest Ecology and Management》:Effects of different stand densities and pruning on timber volume and ecosystem carbon sink in subtropical secondary forests: A Case study from Zhejiang Province, China

【字体: 时间:2026年04月10日 来源:Forest Ecology and Management 3.7

编辑推荐:

  本研究针对碳中和战略,探讨次生阔叶林中密度管理与修剪协同提升木材产量和碳汇能力的作用。通过双因子实验和冗余分析发现,低密度修剪显著促进木材体积增长,但降低生态系统碳汇;高密度修剪碳投入效率低。研究提出差异化管理策略,为多功能林业提供决策依据。

  
蒋小梅|吴晓红|郑素云|邱伟青|苗国军|钟建军|徐琳|史永军
中国浙江省农林大学农业与林业碳封存与减排重点实验室,杭州311300

摘要

在碳中和战略的背景下,探索如何通过森林管理同时提高木材生产和碳封存功能至关重要。作为常规的养护措施,修剪对亚热带次生林木材体积生长和碳封存能力的影响及其与密度的相关性缺乏定量研究。本研究在浙江省丽水的次生阔叶林中进行了密度(高密度与低密度)和修剪方式的二元实验,并采用带有冗余分析的方差分析(ANOVA)来评估处理效果。结果表明:(1)低密度修剪处理下的单株树木体积增量最大,而对照组树木的生长率最高;同时,高密度林分中的修剪也能促进木材体积增长;(2)碳替代效率分析显示修剪效果依赖于密度:低密度修剪实现了碳输入与树干生长之间的近乎平衡;而高密度修剪组的碳投资效率较低;(3)修剪对生态系统碳储存有一定的负面影响。低密度修剪处理下的植被碳封存量最高,但净生态系统碳封存量最低,表明修剪改变了碳分配模式,在体积增长和碳汇功能之间产生了权衡。基于这些发现,提出了差异化管理策略:“低密度+修剪”有利于培育大直径木材;若优先考虑提高生长率以加速树木生长,则“低密度+不修剪”更为合适;当提高碳封存能力为主要目标时,建议保持高林分密度并避免修剪。本研究为亚热带次生林的多功能管理提供了决策指导。

引言

近年来,在全球变暖的背景下,森林在碳封存方面的生态功能受到了越来越多的关注(Lal, 2004a)。次生阔叶林是指通过自然演替或在自然干扰或人为破坏原始常绿阔叶林或落叶阔叶林后人工辅助恢复形成的森林类型(Zhu, 2002)。研究表明,与人工种植的森林相比,次生森林通过土壤侵蚀和异养呼吸作用的碳损失较低。人工恢复的年轻森林的土壤碳损失仅为人工种植的中国冷杉森林的26.2%,显示出在亚热带地区的显著生态和经济价值(Pei和Yuan, 2023)。然而,由于自然演替速度缓慢、持续的人为干扰以及林分结构不适等问题,这些森林往往面临生长受限和冠层紊乱的问题。将大面积的原始阔叶林转换为各种类型的人工林显著改变了土壤碳和氮循环以及温室气体排放模式,对区域乃至全球碳预算产生了深远影响。因此,通过科学合理的管理实践释放森林的生长潜力和碳封存能力至关重要。这也是实现碳中和目标的关键措施之一(Jakovac等人, 2021)。
次生阔叶林常出现先锋树种过度萌发的现象,而过高的林分密度限制了优势树种的生长空间。“竞争-生长”关系构成了森林管理中密度调节的理论基础(Forrester, 2019)。研究证实,适度降低林分密度可以显著促进保留树木的直径增长。这主要归因于竞争压力减轻后树木的资源获取能力增强(Poorter等人, 2016)。对亚马逊次生林的研究表明,每公顷100株树木减少100株,单株树木的木材体积增量增加6.1%,而群落层面的土壤呼吸作用增加1.4%。这揭示了密度与“木材体积-土壤碳”动态之间的权衡关系(Heinrich等人, 2023)。
修剪作为一种传统的林业技术,是培育大直径无节木材的关键措施。其对树木生长和碳分配的影响复杂多样。通过选择性去除下部枝条来调节树冠结构和光合产物分布,可以显著改善树木生长条件并提高木材质量(Song等人, 2010)。研究表明,修剪可以使橡树和樟树的胸径生长增加25-60%,单株树木体积增加2-4倍(Liu等人, 2013)。此外,修剪还能显著减少芽的数量(28%-45%)并提高木材质量。
森林管理实践以多种方式影响生态系统碳循环,其中土壤碳循环对这些干预尤为敏感。这些过程直接关系到温室气体的排放和吸收(Lal, 2004b, Smith等人, 2020)。氮输入可以抑制土壤有机物的矿化,减少CO?释放,但也可能影响N?O的产生(Yan等人, 2025)。因此,保护和增强土壤碳库被视为缓解气候变化的关键措施之一。修剪通过改变林冠结构和光照条件,影响森林内的微气候(如温度和湿度)(Adamczyk等人, 2025),间接影响土壤微生物活动,从而调节土壤有机物的分解和转化过程,对土壤碳和氮库的动态产生深远影响(Q. Zhang等人, 2023)。因此,研究不同林分密度下的修剪处理对次生阔叶林生长和碳汇功能的影响,可以揭示森林管理实践下地下生态过程的响应机制,为提升森林生态系统服务功能提供科学依据。
修剪措施可能通过不同机制影响木材体积生长和碳储存。一方面,修剪减少了枝条的呼吸消耗,将更多的光合产物重新导向树干生长,从而促进木材体积增长;另一方面,修剪移除了生物量,可能会暂时减少植被碳储存。对五年生欧洲白桦树在不同修剪强度下的研究表明,仅在修剪当年胸径生长受到显著抑制。然而,适当的修剪显著减少了木材蛀虫对修剪部位的损害,从而提高了木材质量(Wang等人, 2024),这种间接效应可能对长期木材体积增长产生积极影响。密度调节同样在木材体积生长和碳储存之间建立了复杂的权衡机制(Feng等人, 2022)。尽管高密度林分可以增强植被碳储存,但它们加剧了树木之间的资源竞争,从而限制了树干直径的生长,进而影响了树干体积的积累(Wu等人, 2018)。对辐射松林的研究表明,在低密度条件下,修剪的主要好处在于提高木材质量属性,而不是显著增加生长量(Paulina Fernández等人, 2017)。目前,关于密度调节和修剪措施对次生阔叶混交林木材体积生长和碳汇功能的协同效应的研究还不够充分。现有研究主要集中在单一措施的独立效果上,很少有研究同时考察短期观察尺度下的树木生长、碳分配模式和土壤温室气体通量。这限制了对管理实践生态效应的全面理解。针对中国浙江省的亚热带次生林,本研究提出了以下假设:(1)低密度修剪(LP)最有效地促进单株树木基部体积积累;(2)修剪措施对生态系统碳储存有负面影响,这种负面影响在低密度林分中更为明显;(3)修剪主要在体积生长和生态系统碳封存之间产生权衡关系,难以实现协同增效。本研究为类似亚热带生态系统的森林管理实践优化提供了重要参考。

实验区域

实验地点位于中国浙江省丽水市遂昌区虎山林场附近(118°96'E, 28°57'N)(图1)。该地区位于浙江省西南部的山区,具有典型的亚热带季风气候和明显的山地特征。气候温和湿润,四季分明。年平均温度约为16.5°C,年平均降水量达1600-1800毫米。

不同林分密度下修剪对木材体积生长的影响

表2显示了各样地内树木的生长状况。监测胸径(DBH)和体积生长情况表明,在处理前后,低密度组(LC, LP)的树木平均DBH均高于高密度组(HC, HP)。各组之间的平均DBH排名没有变化(LP > LC > HC > HP)。经过一年的修剪处理后,低密度修剪组的单株树木体积增量最大。

不同林分密度下修剪对土壤物理化学性质的影响

本研究显示,修剪显著改变了土壤微气候和化学环境。与对照组相比,修剪组的土壤湿度(Ms)较低,pH值较高。高密度组(HC)的土壤湿度最高,pH值最低,这可能是由于单位面积内树木数量较多,形成了更密集的林冠。这种密集的林冠有效减少了地表土壤水分的直接蒸发。相反,低密度修剪组(LP)的土壤湿度较低。

结论

通过一年的监测,本研究得出以下结论:低密度、不进行修剪的处理(LC)表现出最高的单株树木体积生长率(12.21%)。这表明在研究条件下,低密度环境本身是促进体积增长的主要因素,而添加修剪措施并未带来进一步的好处。这与我们的假设(1)一致。假设(2)也得到了完全验证:

作者贡献声明

蒋小梅:写作 – 审稿与编辑,撰写原始草稿,数据可视化,方法学研究,调查,数据分析,数据管理。苗国军:调查,数据管理。邱伟青:调查,数据管理。郑素云:验证,调查。吴晓红:写作 – 审稿与编辑,调查,数据管理。史永军:写作 – 审稿与编辑,验证,监督,资源协调,方法学研究,资金获取。徐琳:写作 – 审稿与编辑,资源协调,

资助

本研究得到了以下项目的支持:遂昌县大学-政府合作科技计划(SCX2024HZ10)和中央政府地方科技发展专项指导基金(2025ZY01088)。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢史永军在选题和论文写作方面的指导和帮助。同时,也感谢编辑和匿名审稿人的宝贵意见。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号