协同提升杨树人工林木材生产和固碳能力的密度调控机制与模拟

It is essential to increase forest carbon sequestration without sacrificing wood production. Numerous studies have analyzed the carbon sequestration potential of forests and forest management in the national and stand levels. However, few studies are available which assess the effects of planting density on trade-offs between wood productivity (WP) and net ecosystem productivity (NEP) and in which ecological mechanisms determine the effects. This project will be conducted in the trial of stand structure of poplar plantations in Sihong, northern Jiangsu. The objectives of this project are 1) to improve a process-based model, TRIPLEX-Management, using the most advanced carbon allocation model; 2) to test the modified model using observations; and 3) to conduct the scenario simulations (climate change and planting density) to examine the synchronous relationships between WP and NEP. We expect that this project could improve understanding and prediction of in what planting density plantations could increase both WP and NEP under the context of climate change.

如何发挥森林的固碳作用同时不牺牲木材生产等其它效益，成为林业应对气候变化亟待解决的问题。许多研究分析了国家和林分尺度上森林管理（间伐和采伐）对森林固碳潜力的影响。但是尚没有研究探讨造林密度对木材生产力（WP）和净生态系统生产力（NEP）的权衡关系（Trade-off）的影响和机制，以及预测将来气候变化条件下WP-NEP关系如何改变。本项目拟在江苏省泗洪县陈圩林场的杨树林分结构试验林，选择3种不同林分密度的林分，结合已掌握的观测数据（气候、土壤、林木生长、土壤呼吸等），补充监测不同深度土壤温度和水分，植物性状（叶、细根碳氮含量）等指标；改进基于过程的生态学模型（TRIPLEX-Management）的碳分配模块；利用改进的模型研究林分密度控制影响WP和NEP关系的生态学机制，探究气候变化条件下WP和NEP协同提升的最优造林密度。本项目的实施可为开展应对气候变化的碳汇造林提供科学依据。

“全面提升森林经营管理水平，促进森林结构不断优化，增强人工林固碳增汇能力“是实现林业双增目标的重要手段之一。但是，如何通过初始密度调控增加人工林碳汇能力又不牺牲木材生产的经济效益是林业应对气候变化亟待解决的问题。因此，本项目以苏北美洲黑杨工业用材林为研究对象，采用野外观测和模型模拟，研究了美洲黑杨碳循环关键过程的林分密度效应。研究结果表明（1）低密度正方形配置（6 m×6 m）的杨树人工林细根生物量、比根长及根长密度显著高于高密度配置（正方形5 m×5 m和长方形3 m×8 m，P<0.01）。（2）在林分水平上，林分总生物量和非结构性碳（Non-structural Carbon, NSC）受密度影响不显著，但是在单株水平上，不同密度下单株各器官如叶的NSC，根的NSC浓度上有显著差异；（3）不同密度杨树人工林土壤温室气体排放通量无显著差异，但土壤微生物群落随深度增加而不同，在苏北典型杨树人工用材林土壤微生物群落过渡带位于10-20cm。本研究表明相同密度下正方形配置要优于长方形株行距配置。低密度林分具有较高的生产意义，而高密度林分则可能具有长远的生态意义。未来采取不同密度、株行距的营林措施时，适当的低栽培密度会促使林木的碳供应更加充足，有利于林木的生长发育，为林木应对逆境时提供良好的碳储备基础。实验选择的两种林分密度（278 株/公顷VS. 400 株/公顷）对土壤环境几乎没有影响。虽然林分密度对土壤微生物的多样性和土壤动物的多样性都没有显著影响，但土壤微生物群落和土壤动物群落对凋落物分解和土壤有机质分解都有着显著的正向影响。本项目揭示了不同林分密度和不同株行距配置下的苏北典型杨树人工林在碳循环关键过程影响的时空规律，并试图进一步阐明密度调控生物量分配的机理，并初步改进了基于林分密度调控碳分配的生态系统过程模型，具有应用前景。