欧洲山毛榉、挪威云杉和欧洲赤松枯死根桩与粗根的木材密度及碳浓度研究：对森林生态系统碳汇评估的启示

本研究针对德国温室气体报告中缺乏地下枯死木数据的问题，对欧洲山毛榉(Fagus sylvatica)、挪威云杉(Picea abies)和欧洲赤松(Pinus sylvestris)的枯死根桩及粗根(≥2 cm)进行挖掘分析，揭示了不同腐烂等级(DC)下木材密度和碳浓度变化规律。研究发现腐烂等级是木材密度的主要预测因子(解释83%变异)，且地下腐烂进程普遍慢于地上部分。该研究为首次在中欧地区建立地下枯死木碳库估算基础数据，对完善森林碳循环模型具有重要意义。

　　

在气候变化加剧的背景下，森林生态系统的碳汇功能日益受到关注。然而，当前温室气体清单编制中存在一个显著空白——地下枯死木（包括枯死粗根和树桩）的碳储量数据严重缺失。这个问题在德国尤为突出，因为根据《联合国气候变化框架公约》要求，自1994年起就需要报告包括枯死木在内的所有碳库数据。虽然地上枯死木的研究已取得进展，但粗根（直径≥2 cm）作为占树木总生物量30%的重要组成部分，其分解动态和碳储存潜力却鲜为人知。这种知识缺口直接影响了森林碳汇评估的准确性，特别是在风暴、干旱等自然灾害频发的当下，枯死木碳库的波动对全球碳平衡可能产生深远影响。

为填补这一空白，德国Thünen森林生态系统研究所的Steffen Herrmann团队在《European Journal of Forest Research》发表了一项开创性研究。研究人员选择欧洲三大主要树种——欧洲山毛榉(Fagus sylvatica L.)、挪威云杉(Picea abies (L.) Karst.)和欧洲赤松(Pinus sylvestris L.)作为研究对象，在德国东北部勃兰登堡州的4个样地开展案例研究。通过挖掘15个根桩（山毛榉8个、云杉4个、赤松3个），系统测量了不同腐烂等级(DC 1-4)下木材的干密度(DD)、碳浓度(CC)及氮浓度等关键参数，并采用线性混合效应模型分析影响因素。

研究主要采用三项关键技术方法：(1)野外采样方面，通过全根桩挖掘法获取直径≥2 cm的枯死粗根和树桩，按腐烂等级分类并记录地上/地下腐烂差异；(2)密度测定采用真空密封水置换法，将干密度转换为基本密度(Bd)用于温室气体报告；(3)化学分析通过元素分析仪(TRUMAC)测定C/N浓度，所有数据用R 3.5.1进行统计分析，重点评估腐烂等级、树种及其交互作用对参数的影响。

【腐烂动态差异】

研究发现60%的根桩表现出地下腐烂等级(DC)滞后于地上部分的现象。例如编号EH-Fi1的云杉根桩，地上部分已达DC 3而地下仍为DC 2。这种差异可能与地下环境温度较低、湿度较高有关，这与Herrmann和Bauhus(2012)关于温湿度调控分解速率的结论一致。值得注意的是，山毛榉的腐烂进程整体快于针叶树种，可能与其缺乏树脂通道及含单宁等抑制分解的物质有关。

【密度变化规律】

木材密度随腐烂等级升高呈现显著下降趋势（p<0.05），在DC 3-4阶段趋于稳定。模型分析显示，仅腐烂等级单个因子就可解释83%的密度变异（表7）。具体而言，山毛榉DC 1的干密度(0.540 g cm^-3)比DC 4(0.181 g cm^-3)下降66.5%，而云杉和赤松分别下降48.9%和56.9%。针叶树种间的密度差异在DC 1阶段最显著（云杉0.407 vs 赤松0.506 g cm^-3），但到DC 4时三者趋同（0.181-0.218 g cm^-3）。

【碳浓度特征】

碳浓度呈现树种特异性变化：云杉和赤松在DC 4达到最高值（51.0%和51.7%），而山毛榉反而降至最低（46.2%）。整体上山毛榉的碳浓度较针叶树种低约3%，这与Harmon等(2013)关于被子植物木材碳含量普遍低于裸子植物的发现相符。值得注意的是，所有树种的碳氮比(C/N)均随腐烂等级升高而下降（图8），其中云杉DC 1的C/N高达350，到DC 4时降至120，反映微生物对氮的固定作用增强。

【讨论与意义】

这项研究首次为德国温室气体报告提供了地下枯死木的关键参数。虽然样本量有限（仅15个根桩），但建立的腐烂等级-密度关系模型(R²=0.83)具有较高可靠性。研究发现地下粗根分解速率慢于地上部分，意味着当前温室气体清单可能低估了这部分碳库的驻留时间。特别是针叶树种粗根在DC 4仍保持较高碳浓度（>50%），提示其在长期碳封存中的潜在价值。

研究也存在若干局限：干旱导致大直径(>40 cm)根桩采样困难；缺乏确切的砍伐时间记录阻碍分解速率计算；样本间非完全独立性可能影响统计效力。未来需要通过更大样本量和更多样点验证这些发现，并整合分解速率数据。尽管如此，该成果为完善森林碳汇评估提供了不可或缺的基础数据，对实现《巴黎协定》框架下的精准碳核算具有重要实践意义。