北方生态系统黑云杉林带状整地20年研究：地上碳储量的重新分配与区域差异

《Canadian Journal of Forest Research》：Aboveground carbon stock of scarified black spruce stands—a 20-year study in boreal ecosystems

本研究针对北美东部北方森林中杜鹃花灌丛限制黑云杉更新的问题，通过为期20年的实验，评估了带状整地这一营林措施对地上碳储量的中期影响。研究发现，在天然更新不足的地区，整地能通过促进树木生长来补偿林下植被碳损失，尤其在寒冷湿润地区效果更显著，为基于气候和立地条件的碳优化管理提供了依据。

　　

在北美东部的广袤北方森林中，黑云杉（Picea mariana）是当之无愧的生态与经济支柱树种。然而，当森林经历皆伐后，一种意想不到的“竞争者”常常会阻碍黑云杉的天然更新——那就是杜鹃花科（Ericaceous）灌丛，例如狭叶山月桂（Kalmia angustifolia）和格林兰杜鹃（Rhododendron groenlandicum）。这些灌丛不仅在地上与幼苗争夺阳光和空间，其富含单宁的凋落物进入土壤后，还会与土壤蛋白质形成稳定复合物，抑制氮素矿化，从而在“地下战场”也严重限制了黑云杉幼苗的营养获取。在气候更为寒冷、湿润的地区，这种抑制作用尤为强烈，甚至可能导致林木生长停滞、死亡和更新失败。

为了应对这一挑战，机械整地（Site preparation）特别是带状整地（Scarification），成为一种广泛应用的营林措施。它通过扰动土壤枯落物层、暴露矿质土壤，为栽植的幼苗创造适宜的微立地条件，同时也能有效抑制竞争性灌丛的生长。尽管整地对促进树木生长的积极作用已被大量研究证实，但一个关键问题依然悬而未决：这种人为扰动对森林生态系统，特别是其作为碳汇（Carbon sink）的功能，会产生怎样的中长期影响？整地在促进树木碳固定的同时，是否会因破坏林下植被而导致生态系统总碳储量的净损失？这些问题对于在可持续森林经营与气候变化减缓之间寻求平衡至关重要。

为此，由Miray Andrianirinarimanana、Nelson Thiffault、Jean-Fran?ois Boucher和Xavier Cavard组成的研究团队，在加拿大魁北克省的北方森林中开展了一项为期约20年的深入研究，成果发表在《Canadian Journal of Forest Research》上。研究团队选取了魁北克省两个具有鲜明对比的生态区域：气候寒冷湿润、杜鹃花灌丛茂密的北岸（C?te-Nord）地区，以及气候相对温暖干燥、杜鹃花灌丛丰度较低的阿比提比（Abitibi）地区。在这两个区域的实验样地中，研究人员系统比较了三种处理方式：带状整地后造林（Scarified）、不整地直接造林（Non-scarified）以及天然更新良好的皆伐地（Natural，仅在阿比提比设置）。通过详尽的植被调查和生物量测算，他们旨在揭示整地措施如何在不同环境背景下重新分配生态系统的地上碳储量。

本研究主要依托于约20年前建立的造林实验样地，通过植被清查和生物量计算来评估碳储量。关键技术方法包括：在魁北克省阿比提比和北岸两个生态对比区域的实验样地（样本来源于早期建立的营林实验）进行植被调查；使用直径尺和测高仪测量所有胸径（DBH）大于2厘米、树高超过1.3米的树木的胸径和树高；在样方内收割所有林下植被（包括灌木、草本、苔藓和更新幼苗）并实验室烘干称重以获取干物质生物量；应用已有的异速生长方程（Allometric equations）将树木的胸径、树高以及更新幼苗的地径、高度数据转换为生物量；最终依据生物量类型（非木质/木质）采用标准转换系数（45%/50%）计算碳储量。数据分析采用线性混合模型（Linear mixed models）等统计方法，以检验处理、区域及其交互作用对碳储量的影响。

研究结果

一般立地特征

土壤分析显示，处理间和区域间在土壤总碳、总氮、阳离子交换量（CEC）、pH值和粘粒含量上无显著差异。然而，在阿比提比，天然更新样地的砂粒含量显著高于整地造林样地。林分结构分析表明，在阿比提比，各处理间胸高断面积无显著差异；而在北岸，不整地造林样地的胸高断面积显著较低。天然更新密度在天然更新皆伐地最高，在整地样地中显著降低。

各植被组分碳储量

带状整地造林样地与天然更新样地（阿比提比）的比较

分析显示，整地样地与天然更新样地间的树木及幼树碳储量无显著差异。然而，天然更新样地的林下植被碳储量比整地样地高出53%。因此，天然更新样地的总地上碳储量比整地样地高出30%。这表明，在立地条件适宜天然更新的情况下，保留天然更新能在20年内积累更多的碳。

带状整地造林与不整地造林的比较及区域交互作用

总地上碳储量在处理间和区域间均无显著差异，但处理与区域的交互作用呈现边缘显著效应。对于树木及幼树碳储量，整地与区域的交互作用显著。事后比较发现，在北岸，不整地样地的树木碳储量显著低于整地样地，减少了5.12 Mg C ha^-1（31%）；而在阿比提比，处理间无显著差异。林下植被碳储量在北岸显著高于阿比提比。处理与区域的交互作用对林下碳储量也显著，在北岸，不整地样地的林下碳储量比整地样地低1.72 Mg C ha^-1（22%）。进一步分析栽植树木的累积碳储量发现，整地样地均高于不整地样地，且这种差异在北岸更为显著。

整地对林下碳储量的影响

各物种碳储量分布

在阿比提比，与天然更新样地相比，整地显著降低了黑云杉更新苗、泥炭藓（Sphagnum sp.）、格林兰杜鹃和甸虎耳草（Kalmia polifolia）的碳储量；相反，狭叶山月桂和地衣（Lichen）的碳储量在整地样地中显著更高。在北岸，与不整地造林样地相比，整地样地中黑云杉更新苗和苔藓植物门（Bryophyta）的碳储量显著较低。区域对杜鹃花科植物总碳储量有显著影响，北岸的碳储量显著高于阿比提比。

整地带内碳储量对比

聚焦于整地样地内部，条带（垄沟与垄间）对林下碳储量有显著影响，且与区域存在显著交互作用。在北岸，垄沟内的林下碳储量比垄间高出3.5 Mg C ha^-1；而在阿比提比，两者无显著差异。

讨论与结论

本研究揭示了带状整地对黑云杉林地上碳储量中长期影响的复杂图景。核心发现是，整地措施导致了碳在林分不同组分间的重新分配：从林下植被（特别是苔藓和部分杜鹃花灌丛）向树木（特别是栽植的树木）转移。

在天然更新不足的立地，尤其是在气候寒冷湿润、杜鹃花灌丛竞争激烈的北岸地区，整地能有效促进树木生长，其带来的树木碳储量增加足以抵消林下碳储量的损失，从而使总地上碳储量与不整地处理相当甚至更具潜力。这证明了整地作为一种营林措施，在应对特定立地更新挑战和促进碳固定方面的价值。

然而，研究也指出了重要的权衡（Trade-offs）。整地对林下植被，尤其是苔藓群落的负面影响可以持续长达20年，恢复缓慢。这种持久的改变暗示了整地可能对生态系统结构和功能产生长期影响，例如生物多样性保护和土壤碳循环过程。

因此，研究的结论强调，带状整地对森林碳储量的净效应高度依赖于区域气候条件和立地初始状况（如杜鹃花灌丛的丰度）。在制定旨在增强森林碳汇功能的营林策略时，必须综合考虑这些因素。本研究强调了在森林碳模型和管理实践中，将林下植被作为重要碳库纳入考量的必要性。未来的研究需要进一步关注整地对土壤和枯落物碳库的影响，并进行更长期的监测，以全面评估其在森林碳循环和生态系统管理中的作用。