贺梓晴，余庆宙，胡雪花，赵 倩
（华南农业大学 林学与风景园林学院，广东广州 510642）
气候变化已成为当今世界面临的最严峻的全球化问题之一。为应对气候变化的巨大挑战，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”森林作为陆地上自然生态系统最大的碳库，碳汇潜力巨大。近几十年来，全球森林碳汇呈增加趋势，人工林碳储量增速尤为明显。人工林不仅能提供木材和非木材产品，还能发挥固碳、减缓气候变化和保护生物多样性等作用[1-3]。提升森林质量、增加林业碳汇是实现碳中和目标的必然选择和核心要素[4-6]。
大径级林木在林分胸高断面积[7]、生物量[8]和木材产量[9]方面拥有明显优势，且能固定更多的碳[8]，因此培育大径材林对于森林增汇和缓解木材供需矛盾有重要意义。我国南方地区属热带和亚热带气候，水热条件优越；
1989—2018 年森林资源清查数据显示，截至2018 年，我国南方林区森林面积达62.94×106hm2，碳储量年变化率为4.38%，相当于每年碳汇量为38.71 Tg[10]。我国南方地区现有森林主要以中、幼龄林为主[11]，存在大径材林资源总量不足、生产力偏低、森林质量不高、生态稳定性差和固碳效益低等问题。近年，我国森林增汇主要依赖大面积造林，但土地资源有限，如何通过提升森林质量推进碳中和目标实现是未来林业建设的重要内容。本研究关注大径材林的固碳功能，分析我国南方地区大径材林培育面临的问题，探讨我国南方地区大径材林培育和森林碳汇功能协同提升的经营对策，为实现不同人工林类型生态系统服务多目标经营和我国南方地区人工林可持续发展提供参考。
大径材通常指树高达到森林上层，胸径大于多数林木，代表各自森林中寿命最长、繁殖能力最强的部分林木[12]。国外对于大径材的定义尚无统一标准，取决于特定研究对象和生态系统类型[13]。在温带森林中，Lutz 等[14-15]定义胸径≥100 cm 的林木为大径材，主要以白冷杉（Abiesconcolor）和糖松（Pinus lambertiana）为主。对于热带森林，Bradford 等[16]以澳大利亚热带雨林10 hm2森林为研究对象，定义胸径≥70 cm 的林木为大径材。国外研究定义大径材胸径范围的最小临界值均较高，最小值为30 cm，多数为60 cm，树龄均较长[17-19]。我国林业行业标准《大径级用材林培育导则》（LY/T 2118—2013）[20]对大径材有明确定义，大径材为小头去皮直径至少达到24 cm、长2.5 m 以上的原木。我国还发布了桉树（Eucalyptusspp.）、杉木（Cunninghamialanceolata）和红锥（Castanopsishystrix）等树种的大径材培育技术标准，并对其大径材进行相关定义[21-23]。
大径级林木生物量占据地上生物量的一半[12，18]，其对森林生态系统碳储量的贡献较大。大径级林木在森林中长期积累碳的机制仍存在争议[24]。以前，普遍认为胸径较大的老龄树生物量增速和固碳能力较低[25-26]，因此许多国家支持砍伐大径级林木用于木材输出，并定期补植幼树以提高林分碳汇[13，27]。近年，有研究指出林木生物量增速随林木生长而增加[9，28]，碳积累速率随径级（林龄）增长而增加[8]，生态系统碳储量也随林龄增长而增加[29]。受砍伐、极端气候和生境破碎化等因素影响，大径级林木减少，森林碳储量大量损失[13，30-32]。培育大径材林对于减缓气候变化和维持森林生态系统功能至关重要。
（1）大径材林资源和成材机理不清晰。掌握大径材林资源数量和分布及适生立地，明确大径材成材机理，是推进高碳汇大径材林培育的重要依据[33]。目前，我国南方地区对大径材林分布尚未开展过系统性调查，对大径材树种的资源现状及适生的土壤、地形和气候条件等均缺乏了解；
关于影响大径材成材及其固碳能力的关键限制因子和影响规律等研究较少，立地条件、种源选择、施肥、密度调控和采伐林龄等对大径材成材的影响尚不明晰。仅见黔东南苗族侗族自治州黎平县国有石井山林场杉木大径材形成与地形、土壤养分关系的研究报道[34]，及南岭山区杉木大径材成材影响因子研究报道[35]。
（2）大径材林培育目标不明确。以前，对森林生态系统的产品需求主要为木材，缺乏明晰的定向培育目标，管理盲目、粗放，缺乏集约化、精细化和规模化经营[36]。在全球气候变化背景下，在保证木材供给的同时，应重视如何发挥大径材林维持生物多样性、防止水土流失、涵养水源、防风固沙、固碳和缓解气候变化等生态服务功能[37]。
（3）大径材定向培育技术体系不完善。长期以来，大径材定向培育技术主要集中在杉木、马尾松（Pinusmassoniana）和桉树等树种[38-40]；
少量珍贵乡土阔叶树种开展大径材定向培育研究，包括红锥、闽楠（Phoebebournei）、米老排（Mytilarialaosensis）和西南桦（Betulaalnoides）等[41-44]。珍贵乡土阔叶树种具有不可替代性，对于维持本土生态平衡、改良生态功能、增加生物多样性和保障木材安全等均有重要作用[45]。但由于研究历史较短，对珍贵乡土阔叶树种的认识有限，相关培育技术体系尚未成熟，且其经营周期长，许多珍贵乡土阔叶树种人工林未能得到大规模发展。
（4）人工林地力衰退严重，生态问题突出。土壤是大径材林培育关键的立地条件之一。连片种植人工纯林、短轮伐期和多代连栽等集约经营方式的推行，导致人工林普遍出现地力衰退现象。以杉木和马尾松为主体的人工林，多代连栽，土壤养分被严重消耗，存在生态稳定性差、生产力低和生态系统脆弱等问题[46-47]。短轮伐期对地力消耗较严重，不利于林下植被发育[48]。以桉树为主的短周期速生林发展迅速，但不科学的经营管理导致土壤中养分减少、水分不平衡，造成生物多样性降低和生态系统稳定性差等问题[49]。
（5）人工林林分结构单一，天然更新能力差。我国人工林普遍集中、连片且大面积种植，以短周期木材生产为主要目标，林龄结构、林分成熟期几乎一致，忽视了森林的自然演替规律，使得现存人工林大多为同龄纯林，缺少类似天然林更新的林窗条件，后代更新生长受到限制[36]。
探明大径材林培育的制约因素及注重立地、树种、密度和抚育技术的集成优化和系统配置，实现大径材林培育与高碳汇的有效耦合，是林业发展服务于碳中和目标的必然选择。
3.1 开展现存大径材林资源调查，构建评价体系
开展南方地区优势树种林分调查，摸清其大径材林资源，评估林分碳汇是发展高碳汇大径材林的重要任务。应调查现有大径材林资源，包括小班基本属性、林地因子、生态因子、蓄积量和生物量等[20]；
明确大径材蓄积和生态系统碳储量与土壤质量、水文地质条件、地形地貌、气候环境、林龄结构和林分密度等因子的关系，探讨大径材成材机理。同时，基于大径材林资源特征调查结果，将林分特征因子标准化或数量化，构建综合反映林分控制因子和生态环境因子的指数评价体系，挖掘大径材成材核心影响因子，并探究其影响规律[35]，综合筛选出高碳汇大径材造林树种，编制高碳汇大径材造林树种名录。
3.2 科学规划林地和立地选择，明确大径材林培育目标
立地条件是人工林培育的基础，直接影响林分生长和林木特性，也决定着人工林抚育措施。立地条件是树种生长的主要限制因子，其越好，培育大径材林的可能性越高[50]。由于我国南方地区地形、地貌和气候等环境因子差异较大，各造林地立地条件复杂多样，生境异质性高，林木的生长适应性差异较大，应依据“因地制宜，适地适树”原则，充分考虑大径材树种的林学特性和立地需求，对造林区域进行规划，充分论证大径材树种对各立地因子的适应性和响应。
应明确大径材林培育目标，根据目标设计森林经营方案，对树种选择、种源筛选、造林模式、抚育管理和采伐方式等森林经营环节进行设计、调整和改进，针对最终产品目标进行全周期作业设计，以提高森林产品经济价值和生态效益[36]。林地规划和管理过程较复杂，可借助3S 技术，即遥感（Remote Sensing，RS）、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和全球定位系统（Global Positioning System，GPS），有效整合空间和时间信息，提高森林规划决策的科学性和合理性。
3.3 开展珍贵乡土阔叶树种良种选育，完善大径材培育技术储备
根据《大径级用材林培育导则》（LY/T 2118—2013）[20]中的大径级用材林珍贵树种和普通树种名录，大径级用材林珍贵树种记录120种，普通树种仅记录25 种，可见珍贵树种的重要性。其中，灰木莲（Manglietiaglauca）、乐昌含笑（Micheliachapensis）、火力楠（Micheliamacclurei）、樟（Cinnamomumcamphora）、闽楠、榉树（Zelkovaserrata）、红锥、山毛榉（Faguslongipetiolata）、西南桦、格木（Erythrophleum fordii）、降香黄檀（Dalbergiaodorifera）和香椿（Toona sinensis）等是我国南方地区常见的珍贵乡土阔叶树种，相关的良种选育研究较缺乏，培育技术体系不完善。一方面，可利用传统的良种选育方法，通过母树林采种或优良单株采种，收集不同种源家系材料，开展优树子代测定选育研究，建立种质资源库和无性系采穗圃，构建核心种质，集成容器育苗体系和无性繁殖体系[51]；
另一方面，可采用基因编辑、基因组学、分子标记辅助育种和细胞组织培养等先进技术，进行良种选育工作。除了基础选育工作，还应关注林木材性、高碳汇林木良种选育研究，进一步满足木材供应和固碳需求。选育高碳汇林木良种是实现“双碳”目标的有效手段，可以胸径生长、树干生物量、材积和碳储量等性状为衡量指标，筛选高碳汇林木家系或种源[52]。目前，我国南方地区高碳汇林木良种选育研究较少，仅见木荷（Schimasuperba）和马尾松的相关报道[53-54]，存在较大的局限性，应尽快开展高碳汇林木良种选育工作。
3.4 开展精准施肥调控，改善林地土壤条件
开展林地施肥是提高土壤肥力、改善土壤养分状况和促进林木生长的有效措施之一。相关研究表明，合理施肥能有效改善土壤营养状况，促进林木树高、胸径、生物量和蓄积量增长，提高大径材出材量，是大径材林培育的有效手段[55-57]。施肥存在刺激土壤温室气体排放的风险，且施肥引起的碳排放大部分源于氮肥施用[58]，可通过调整施肥模式和施肥类型等方式降低风险。Liang 等[59]分别采用有机肥和缓释肥替代氮肥，可提高菠萝（Ananascomosus）平均产量，显著降低土壤N2O 和CO2排放量；
施用生物炭也可以减少土壤温室气体排放，增强农田固碳功能[60-61]，表现出较好的固碳减排潜力。目前，通过调整施肥模式和施肥类型等方式减缓土壤温室气体排放，在农业方面已取得较大成效[62]，在林业方面的研究较少。探索不同施肥模式和施肥类型对人工林生物量和固碳减排的影响，可促进人工林施肥效应由碳源向碳汇转变。应根据造林地立地条件进行具体分析，且需关注肥料类型、肥料配比和树种生长期的需肥特性等因素，因地制宜地制定施肥方案，最大限度地提高人工林的生产力，实现人工林速生丰产和固碳减排双重效益。
3.5 调整林分结构，改善人工林生态系统结构与功能
人工林结构调整是提升林分质量的重要措施，与人工林生态系统生产力、稳定性和固碳能力密切相关，是大径材林培育研究和实践的重点和核心。通过近自然化改造、调整间伐密度和适当延长轮伐期等方式进行林分调整，可改善人工林生态系统结构与功能，达到大径材林培育目的。
3.5.1 优选珍贵乡土阔叶树种混交，促进近自然化改造
营造混交林已成为人工林培育和经营的优先发展方向。混种珍贵乡土阔叶树种不仅能优化林分树种组成、提升森林质量和维护生态安全，也可以满足社会对木材多样性的需求和维护木材安全[45]，已成为较有前景的近自然森林经营模式。珍贵乡土树种红锥、望天树（Parashoreachinensis）与桉树混交，显著提高桉树的生物量和碳储量，也显著提高人工林生态系统的生物量和碳储量[63]。近自然化改造的最终目标为达到多树种组成的异龄混交林分恒续林阶段，具备多个层次，各龄级均具备且比例稳定，各主要组成树种的更新能满足其持续生长的需求，维持整个林分的稳定性[64]。这种从同龄造林到异龄造林的近自然化改造不仅能增加大径级林木的数量，还能促进补植的珍贵乡土阔叶树种和速生树种资源后续的开发和利用[39，65]。张旭峰[66]研究发现，马尾松-红锥异龄混交林碳储量显著高于其纯林或同龄混交林，能更均衡地发挥森林经济与生态效益。我国南方地区拥有很多天然分布和引种到当地并生长良好的珍贵乡土阔叶树种；
长期以来，造林多以杉木、马尾松和桉树等速生树种为目的树种，珍贵乡土阔叶树种多为伴生树种，忽视了珍贵乡土阔叶树种大径材的重要性。应重点关注珍贵乡土阔叶树种大径材林培育；
通过近自然化经营模式，对现存的大面积同龄人工针叶纯林、速生树种人工林和工业用材林等进行更新改造，将其改造为复层异龄多树种混交林，改善人工林树种组成和群落结构，充分利用天然更新机制，增强森林生态系统的稳定性和抵御气候变化胁迫的韧性，提升人工林地力、生产力和碳储量。
3.5.2 适时调控间伐密度
间伐是实现人工林近自然经营的重要营林措施，通过调整林分密度、调控林木竞争，改善林木生存环境，保留木可获得更充足的阳光和更宽阔的营养空间，促进林木生长[67]。通过选择性采伐和降低采伐强度调整林分密度能够保留森林碳储量、维持木材产量和保护生物多样性，是促进大径级林木碳固存的有效方法[68]。研究表明，将马尾松林间伐至密度70%后，保留的林木径级明显大于未间伐的马尾松林[69]；
杉木大径材林经2 次强度间伐（间伐强度分别为50%和45%）后，林分的平均树高、胸径和单株材积均显著增加，林分大径材和超大径材（DBH≥40 cm）出材量更高[70]。目前，大部分抚育间伐仅考虑林分生产量，较少关注间伐后森林碳储量的变化。已有研究中，间伐对人工林碳储量的影响尚未有统一结论。有研究发现，间伐有利于人工林碳储量积累[71]；
也有研究指出，受间伐影响，人工林碳储量无显著变化甚至下降[72-73]；
间伐短期内导致地上碳储量下降，但从长远角度来看，地上部分的林分胸高断面积、树高和林冠覆盖度及碳储量等可恢复至原有水平[74-75]。这可能是因为间伐对人工林碳储量的影响受初植密度、间伐强度/频度、恢复时间和树种特性等因素综合影响，机理较复杂。应针对林分实际情况确定间伐强度和间伐间隔期，同时开展长期定位监测，综合评价间伐对大径材林培育及其固碳功能的影响，最终确定最优间伐处理。
3.5.3 兼顾木材和碳汇的综合效益，确定最佳轮伐期
轮伐期影响森林调整的可能性，也影响森林生长和生态系统的固碳能力，确定合理轮伐期是森林经营的重要任务[76]。合理延长轮伐期，可改善林内生态环境，尤其是林下植被的促进更新，还可以改善土壤的营养循环[77]，延长林分生长周期，加速凋落物降解等[78]，对人工林地力恢复和可持续经营有重要意义，同时有利于维持每个轮伐期内固碳量的稳定。以前，轮伐期的确定以短周期木材产出为主要考量因素。在全球气候变化背景下，需兼顾提升林分固碳增汇功能。不同轮伐期对人工林生物量和碳固存的影响差别明显[79]。利用模型拟合并兼顾碳汇和木材生产，确定人工林最佳轮伐期，可维持较高的碳汇增长速度和保障木材生产优势。FORECAST 模型是基于森林生态系统过程的林分水平模型，可模拟多种管理策略对森林的影响，还能预测森林生态系统结构和功能的未来发展趋势[80]。Wang 等[81]基于FORECAST 模型，发现轮伐期为40～60年可最大限度提高闽楠人工林碳固存和保持森林生产力；
王伟峰等[82]基于FORECAST模型，发现短、正常和长轮伐期（15、25 和50 年）的固碳量和固碳持久性各有优势，轮伐期为25～50 年较有利于实现杉木人工林可持续经营。包含木材价值和生态服务价值（碳汇收益）在内的Faustmann-Hartman模型也是确定轮伐期的有效方法[83-84]。为实现森林的可持续经营和实际生产中综合效益的最大化，可通过模型确定最佳轮伐期，将木材经济效益与人工林固碳效益结合，达到高碳汇大径材林培育目的。
随着国际社会对森林资源保护的加强，定向培育高产、优质和稳定的大径材林已成为人工林发展的趋势。在全球气候变暖背景下，如何提升人工林质量，培育大径材林，同时发挥森林碳汇功能是林业生产实践中面临的挑战，是实现我国碳中和战略目标和缓解木材供需矛盾的重要发力点。大径材林具有较强的固碳能力，在经济价值和生态效益方面具有明显优势。我国南方大径材林发展面临大径材林资源和成材机理不清晰、大径材林培育目标不明确、大径材定向培育技术体系不完善及人工林地力衰退严重和林分结构单一等问题，可通过开展现存大径材林资源调查、科学规划林地和立地选择、开展珍贵乡土阔叶树种良种选育、开展精准施肥调控和调整林分结构等措施，协同提升大径材林高效培育和碳汇能力。
在碳中和背景下，未来南方大径材林培育应紧密围绕森林固碳增汇功能和木材供给能力，培育珍贵树种和高价值大径材林，实现木材资源优质发展和功能多样化。我国南方森林经营战略应转变为以提高单位面积森林生产力和森林质量为主要目的，全面提升森林生态系统经营水平，充分发挥人工林固碳增汇潜力。应充分利用南方自然条件优势，规划适合不同珍贵树种和高价值大径材树种生长的立地，科学抚育管理，提高经济和生态双重效益。大径材林培育周期长、培育技术要求高，不同阶段人工林生态系统具有不同的生态服务价值，应开展长期定位监测研究。长期定位监测研究可以探讨大径材林培育周期内人工林生态系统的长期动态变化，还可以更好地揭示人工林生态系统对全球气候变化的响应和反馈机制。除了经营技术层面的研究，还需依靠政策支持和保障；
政府应在财政税收、林权改革、碳汇交易、采伐更新、资源林政管理和生态功能服务等方面加强政策调控，实现人工林多目标经营。
利益冲突：所有作者声明无利益冲突。
作者贡献声明：贺梓晴负责研究计划制定、论文撰写与修改；
余庆宙、胡雪花负责试验数据收集和文献检索；
赵倩负责论文指导与修改。
——以杉木抚育间伐为例绿色科技(2020年21期)2021-01-08雪峰山区杉木大径材培育立地及密度控制研究湖南林业科技(2020年3期)2020-08-11间伐强度对杉木中龄林生长和结构的影响森林与环境学报(2020年4期)2020-07-27桉树大径材培育技术的有效性探究绿色科技(2019年9期)2019-11-29公制内螺纹大径极限偏差标准的研究科技创新与应用(2018年5期)2018-02-03