提高杉木人工林生态系统碳汇能力的处理方法

1.本发明涉及林木管理领域，尤其涉及一种提高杉木人工林生态系统碳汇能力的处理方法。


背景技术：

2.杉木(cunninghamia lanceolata)作为我国南方亚热带地区栽培最广、生长较快的用材树种，不仅具有重要的经济价值，同时对维系森林生态系统稳定性具有意义，在水源涵养、积累营养物质、固碳释氧、生物多样性保护、净化大气环境、固土保肥等方面发挥着巨大生态效益。因此，杉木人工林经营的好坏，势必影响着我国南方森林可持续经营整体的成败。
3.当前，我国杉木人工林经营模式相对比较粗放，一般按照经验模式进行，即固定的主伐(皆伐)年龄，以及林木生长过程中固定的2-3次抚育采伐，并未针对不同立地条件、定向培育目标进行具体分析，进而采取相应的伐育措施，进而导致难以有效提高杉木人工林生态系统的碳储量。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种提高杉木人工林生态系统碳汇能力的处理方法，旨在解决上述技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提出的一种提高杉木人工林生态系统碳汇能力的处理方法包括对杉木中龄林以抚育间伐强度进行分区，共分为低区、中区、高区以及对照区，低区间伐强度为10％、中区间伐强度为20％、高区间伐强度为30％，对照区不采伐；
6.在每个区设置至少3个20
×
20m的固定样地，在每个样地中按s形布设至少5个土壤采样点；
7.在去除地表枯枝落叶后，通过土钻法分层采集0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-50cm共5层土样；
8.将同一样地中5个采样点同层次的土壤样品混合均匀后自然风干过筛；
9.采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量，并用100cm3环刀测定0-50cm各土层的土壤容量；
10.根据公式s＝∑(ci×di
×bi
)计算土壤有机碳储量，其中，s为土壤有机碳储量，i为土壤层次，ci为土壤有机碳含量，di为土层厚度，bi为土壤容重；
11.基于得到的各区的总碳储量来确定当前地区杉木中龄林的抚育间伐强度。
12.在一实施例中，通过对所述低区、中区和高区进行施肥处理来得到以得到各区域内在不同施肥处理下的碳储量。
13.在一实施例中，在所述低区、中区以及高区中均设置四个施肥区以及一个对照区，在四个所述施肥区中的其中四个进行施肥处理，所述对照区不施肥，所述低区、中区以及高区中的四个所述施肥区的施肥材料相同。
14.在一实施例中，所述低区、中区以及高区中的四个所述施肥区分别单施氮肥、单施磷肥、单施钾肥以及氮磷钾肥。
15.在一实施例中，氮肥的含氮率为46％，磷肥的含磷率为14％，钾肥的含钾率为60％，氮磷钾肥中氮肥、磷肥、钾肥的比例为1:1:1。
16.在一实施例中，施肥的量均为0.3kg/株，采用环状、沟湿的方式进行施肥。
17.在一实施例中，所述在所述低区、中区以及高区中均设置四个施肥区以及一个对照区的步骤之后，所述方法还包括：
18.在每个样地中按s形布设至少5个土壤采样点；
19.在去除地表枯枝落叶后，通过土钻法分层采集0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-50cm共5层土样；
20.将同一样地中5个采样点同层次的土壤样品混合均匀后自然风干过筛；
21.采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量，并用100cm3环刀测定0-50cm各土层的土壤容量；
22.根据公式s＝∑(ci×di
×bi
)计算土壤有机碳储量，其中，s为土壤有机碳储量，i为土壤层次，ci为土壤有机碳含量，di为土层厚度，bi为土壤容重；
23.根据施用不同肥料后的碳储量以及不同间伐强度的碳储量来确定杉木中龄林的抚育间伐强度以及施肥方式。
24.本发明的技术方案中，对杉木中龄林以抚育间伐强度进行分区，共分为低区、中区、高区以及对照区，低区间伐强度为10％、中区间伐强度为20％、高区间伐强度为30％，对照区不进行采伐；在每个样地中按s形布设至少5个土壤采样点；在去除地表枯枝落叶后，通过土钻法分层采集0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-50cm共5层土样；将同一样地中5个采样点同层次的土壤样品混合均匀后自然风干过筛；采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量，并用100cm3环刀测定0-50cm各土层的土壤容量；根据公式s＝∑(ci×di
×bi
)计算土壤有机碳储量其中，s为土壤有机碳储量，i为土壤层次，ci为土壤有机碳含量，di为土层厚度，bi为土壤容重；基于得到的各区碳储量来确定当前地区杉木中龄林的抚育间伐强度。即在本技术方案中通过对杉木中龄林进行分区并进行不同强度的抚育间伐，然后对不同间伐强度的各分区碳储量的进行计量监测，最后根据碳储量的大小来确定当前地区其他杉木中龄林的间伐方式，因此可以有针对性的对杉木林进行间伐抚育。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
26.图1为不同采伐处理对杉木林生长的影响示意图；
27.图2为不同采伐处理对杉木林生长的影响示意图；
28.图3为不同采伐处理对杉木林生长的影响示意图；
29.图4为不同采伐处理对杉木林生长的影响示意图；
30.图5为施肥对杉木林分生长因子和生物量的影响示意图；
31.图6为施肥对杉木林分生长因子和生物量的影响示意图；
32.图7为施肥对杉木林分生长因子和生物量的影响示意图；
33.图8为施肥对杉木林分生长因子和生物量的影响示意图。
34.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
37.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
38.并且，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
39.本发明提供一种提高杉木人工林生态系统碳汇能力的处理方法。
40.提高杉木人工林生态系统碳汇能力的处理方法包括：
41.对杉木中龄林以抚育间伐强度进行分区，共分为低区、中区、高区以及对照区，低区间伐强度为10％、中区间伐强度为20％、高区间伐强度为30％，对照区不进行间伐；
42.在每个样地中按s形布设至少5个土壤采样点；
43.在去除地表枯枝落叶后，通过土钻法分层采集0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-50cm共5层土样；
44.将同一样地中5个采样点同层次的土壤样品混合均匀后自然风干过筛；
45.采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量，并用100cm3环刀测定0-50cm各土层的土壤容量；
46.根据公式s＝∑(ci×di
×bi
)计算土壤有机碳储量其中，s为土壤有机碳储量，i为土壤层次，ci为土壤有机碳含量，di为土层厚度，bi为土壤容重；
47.基于得到的各区的碳储量来确定当前地区杉木中龄林的抚育间伐强度。
48.在本实施例中，研究区位于浙江省文成县石垟林场水牛塘林区杉木培育基地(119.84e，27.89n)。海拔1178m。水牛塘林区杉木林为2002年春季采用实生苗造林，初植密度均为2350株
·
hm-2
。试验区年平均气温14.4℃，年平均降水量1884.7mm，无霜期285d，年日照总时数1334.1h，气候属亚热带海洋季风气候。
49.本试验地为杉木中龄林，为了提高林分碳储量，适宜采取间伐方式进行抚育，设置3个处理分区和一个对照分区，间伐强度依次为低(10％)、中(20％)、高(30％)和对照，每个
处理3次重复，每个样地面积为20
×
20m。在2015年5月对林分进行处理，在2020年5月对样地进行调查。
50.在每个样方中进行每木调查，根据测得的树高、胸径，确定标准木，根据选定标准木各器官(干、枝、叶和根系)的大小和部位，采集一部分带回实验室，测定样品有机碳含量。乔木层生物量按照生物量模型法估算，将标准地每木检尺的数据，分径阶统计，分别计算各径级的平均胸径、平均树高。
51.在每个样方内按照s形布点设置2m
×
2m、1m
×
1m的小样方各5个，采用样方收获法测定灌木(2m
×
2m)、草本(1m
×
1m)和凋落物(1m
×
1m)生物量。样方内灌木、草本、凋落物分别称量鲜重，并各取部分样品带回实验室，85℃烘干至恒重，测定含水率和碳含量，由各部分的鲜重与含水率之积分别计算灌木层、草本层、凋落物层生物量。
52.通过公式c＝w
×
cf
×
tor
×
(1-ww)
×
of来计算木产品碳储量。
53.其中，c为木产品碳储量，w为采伐下来的生物量，cf为含碳率，tor为出材率，ww为加工木产品产生的木材废料比例，of为木产品在产品生产后30年仍在使用或进入垃圾填埋的比例。
54.在各样方内，按s形布设5个土壤采样点，去除地表枯枝落叶后，土钻法分层采集0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-50cm共5层土样，把相同样地内5个采样点同层次的土壤样品混合均匀后带回实验室，自然风干过筛后，采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量。用100cm3环刀测定0-50cm各土层土壤容重，每个样方重复5次。
55.植被(包括乔木、灌木、草本和凋落物)层碳储量均由各部分生物量与测定的碳含量计算得到。土壤有机碳储量根据土壤容重、土壤有机碳含量和土层厚度计算，公式为：
56.s＝∑(ci
×
di
×
bi)
57.式中，s为土壤有机碳储量，i为土壤层次，ci为土壤有机碳含量，di为土层厚度，bi为土壤容重。
58.对杉木不同器官的含碳率进行测定的结果见表1，全株含碳率为52.35％
[0059][0060]
表1
[0061]
请参考图1-4，abcd代表横坐标所对应纵坐标的排序，一般的a＞b＞c＞d，对间伐前后林木生长因子进行每木检尺，间伐前林木的株数、平均胸径、平均树高和林分蓄积差异不大，但经过不同强度的间伐后，胸径、株数发生了明显的变化，且各处理差异显著。间伐5年后，不同间伐强度杉木平均胸径差异显著，大小顺序为：高度间伐(30％)(17.7
±
0.17)cm》中度间伐(20％)(16.68
±
0.15)cm》低度间伐(10％)(16.43
±
0.11)cm》对照样地(15.96
±
0.15)cm。不同采伐强度杉木树高差异不显著，但抚育前后，采伐样地树高增长比对照样地要多。
[0062]
利用模型拟合的单株生物量，主要采用胸径因子，因此各处理间单株生物量差异也显著，其中高强度采伐单株生物量最高，达到(121.86
±
8.37)kg,明显高于其他强度的处理和对照，说明高强度的采伐能促进单株生物量的增加
[0063]
请参考图5-8，abcd代表横坐标所对应纵坐标的排序，一般的a＞b＞c＞d，不同采伐强度乔木层总生物量差异显著(p《0.05)，对照杉木总生物量((179.33
±
2.4)tdm
·
hm-2
)高于低度疏伐((173.27
±
2.14)tdm
·
hm-2
)显著高于中度疏伐((165.57
±
4.37)tdm
·
hm-2
)和高度疏伐((163.3
±
8.17)tdm
·
hm-2
)。乔木层碳储量也呈现同样的变化规律。说明采伐对乔木层碳储量影响比较明显。
[0064]
请参考表2，不同采伐强度杉木人工林生态系统碳储量差异不显著(p》0.05)。不同采伐强度杉木人工林生态系统总碳储量分别为：对照((299.62
±
25.19)t
·
hm-2
)、低度疏伐((296.49
±
22.48)t
·
hm-2
)、中度间伐((293.88
±
25.34)t
·
hm-2
)和高度间伐((293.73
±
24.87)t
·
hm-2
)，不同疏伐强度灌木层和凋落物层碳储量没有显著差异。草本层碳储量有显著差异，高度疏伐((5.76
±
1.2)t
·
hm-2
)、中度疏伐((4.3
±
0.88)t
·
hm-2
)、低度疏伐((4.03
±
0.76)t
·
hm-2
)都与对照((3.65
±
0.59)t
·
hm-2
)差异显著。不同疏伐强度土壤层碳储量差异不显著(p》0.05)，对照的土壤层碳储量最高((201.83
±
23.18)t
·
hm-2
)。
[0065][0066]
表2
[0067]
因此，综上所述，间伐处理通过改变林分结构进而影响林木的生长。间伐5年后，不同间伐强度之间的胸径、单株生物量差异显著，树高差异不显著。而间伐虽然可以增加单株生物量，但林分密度的改变导致了林分总的生产力和碳储量下降。
[0068]
虽然随着间伐强度的提高会降低碳储量，但是随着间伐强度的提高会提高平均胸径。因此，但是中强度与高强度之间对于碳储量而言仅低0.1左右，而平均胸径相比却超过1cm的增量，因此可确定在该地区内采取高强度(30％)的伐育会优于中强度和低强度的伐育。
[0069]
为了进一步确定该地区的伐育方式，在进一步地实施例中，通过对所述低区、中区和高区进行施肥处理来得到以得到各区域内在不同施肥处理下的碳储量。
[0070]
在本实施例中，通过对低强度间伐区、中强度间伐区以及高强度间伐区均设立多个不同的施肥区进行施肥试验。
[0071]
共设不施肥区、单施氮肥区、单施磷肥区、单施钾肥区、施氮磷钾废区5个处理。其
中n肥使用尿素(含n率为46％)，p肥使用国钙镁磷肥(含磷率14％)，k肥使用氯化钾(含钾率为60％)，氮磷钾复合肥为“阿康”牌俄罗斯进口复合肥(n:p:k＝16:16:16)。施肥的量均为0.3kg/株，采用环状、沟施的方法对林木施肥。每个处理3次重复，每个样地面积为20m
×
20m。在2015年5月对林分进行施肥，在2020年5月对样地进行调查。
[0072]
施肥5年后，在中强度间伐区内，杉木平均胸径、树高和单株生物量均差异显著。胸径大小顺序为：npk肥(19.07
±
0.29)cm》p肥(18.37
±
0.35)cm》k肥(17.27
±
0.5)cm》n肥(16.97
±
0.42)cm》对照样地(16.47
±
0.31)cm。杉木平均树高大小顺序为：npk肥(12.67
±
0.15)m》p肥(11.93
±
0.51)m》k肥(11.43
±
0.15)cm》n肥(11.43
±
0.12)m》对照样地(11.13
±
0.06)m。单株生物量大小顺序为：npk肥(117.97
±
2.04)kg》p肥(105.41
±
5.31)kg》k肥(91.82
±
5.3)kg》n肥(89.14
±
3.52)kg》对照样地(82.94
±
2.52)kg。而低强度间伐区和高强度间伐区在施加同样肥料的样地内，低强度区低于中强度区低于高强度区。
[0073]
同时，灌木层碳储量差异显著(p《0.05)，施肥处理显著高于对照，不同肥料种类之间差异不显著(见表3)。草本层碳储量差异显著(p《0.05)，三种肥料混合的npk肥显著高于施单一种类肥料，单一肥料之间差异不显著。凋落物层碳储量差异不显著。土壤层碳储量差异显著(p《0.05)，四个施肥处理均显著高于对照，施npk混合肥的处理高于单施氮和单施磷的处理。
[0074][0075]
表3
[0076]
施肥导致杉木人工林生态系统碳储量差异显著(p《0.05)。四个施肥的处理均显著高于对照，施npk肥的处理显著高于其他施肥处理，施磷肥的处理高于施氮肥的处理，施钾肥的处理和施磷肥的处理差异不显著。
[0077]
采用不同施肥方式，杉木的胸径、树高发生了明显的变化，且各处理差异显著。施肥5年后，杉木平均胸径、树高和单株生物量均差异显著，且以使用复合肥，同时增加土壤中的n、p、k元素时，在一定程度上改善土壤养分的有效性，林木的生长的增加最明显，能显著提高林分的碳储量，同样施用其他单一肥料(n肥、p肥、k肥)，也能不同程度地改善林分的碳积存能力。
[0078]
因此基于上述实施例中，可确定在此区域实行高强度(30％)间伐以及施加氮磷钾肥，不仅能显著提高乔木层碳储量，也能改善林地环境，增加林下灌木层和草本层的生长，也显著增加了灌木层和草本层的碳储量。同时，施肥还能一定程度地增加土壤碳储量，从而提高杉木人工林生态系统的碳汇能力。
[0079]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。