优化栽培模式是在一定立地条件下, 根据培育目标, 在用生长收获模型系统进行生长收获预测的基础上逐年进行经济分析然后对森林培育全过程各项营林措施和采伐年龄逐一进行优化使其达到最佳组合而形成的一种栽培模式。马尾松(Pinus massoniana L.)以综合利用程度高和良好木材特性, 已成为我国主要造林树种, 其栽培研究, 已由过去单一丰产技术研究, 进入到多项措施综合考虑, 并用模型揭示试验结论, 定量指导营林生产阶段(丁贵杰, 1997)。随经营管理水平的进一步提高, 人们将尽可能对整个培育周期内的各项营林活动都做到优化, 并实现按模式化经营。因此, 加快优化栽培模式研究, 尽早建立主要用材树种的优化栽培模式已成了十分紧迫的任务, 为此, 我国把经营模型和优化栽培模式研究, 作为国家“八五”攻关课题的核心内容。本课题组也集中对此进行了攻关, 在建立马尾松人工林经营模型系统的基础上, 针对建筑材林的培育特点, 分别为不同培育目标和立地选出了优化栽培模式, 从而提高了经营者的经济效益。

1 材料和方法 1.1 研究材料

建立生长收获模型系统所用各类资料见文献(丁贵杰, 1997)。

为进行经济分析和确定经济成熟龄, 收集了贵州省1993年马尾松人工林营林生产投入、木材生产成本、木材价格和各种间接费用等技术经济指标。其中林地清理费140.55元/hm², 栽植费、种苗费0.0175、0.0187元/株, 补植和抚育费31.05、186.15元/hm², 工价:6.0元/日, 块状整地每穴0.06元, 带状整地:75工/hm², 全垦:150工/hm², 1~3年间接费用分别为:128.70、102.30、104.25元/hm², 4年后, 各年间接费用均为86.85元/hm², 其余指标见表 1。

1.2 方法

依据所收集的各类资料, 先分别建立生长收获模型系统、经济评价指标体系和分析模块, 分析主要栽培措施生长效应, 并建立相应的模型, 制定优化方案, 组建经营模型系统, 然后确定主要营林措施的变动幅度和步长, 并对它们进行合理组合, 形成众多营林方案, 再根据所建经营模型系统, 对不同营林方案进行生长预测和经济分析, 依据优化原则, 确定各种成熟龄和最佳采伐年龄, 然后对各方案的优化结果再采用搜索对比法进行优化比较, 最后分别为不同培育目标、不同立地选出1~2个优化栽培模式, 然后按优化模式组织实施, 在应用中不断加以检验和完善(图 1)。

2 生长收获模型系统的建立

生长收获模型系统的组成及各有关模型的建立过程和结果见文献(丁贵杰, 1997)。

3 主要营林措施生长效应模型

人工速生丰产林的生长过程与天然林有很大区别。其生长速率和产量不但取决于母树的遗传品质和立地的自然生产力, 而且与人为经营措施(如整地、施肥、密度调控等)有很大关系。因此, 研究优化栽培模式, 必须考虑营林措施的生长效应。影响马尾松人工林生长的营林措施很多, 本文对以下主要营林措施的生长效应进行了研究, 并初步建立了相应的模型。

3.1 立地选择效应

立地质量对林木生长影响很大, 而且其影响将伴随林木一生, 因此立地选择在人工林培育中占有十分重要地位。通过多年立地分类和评价研究, 特别是近期结合马尾松生态学特性所进行的研究, 建立了立地质量预测模型(丁贵杰等, 1991a; 1991b), 并把立地指数或优势高引入模型, 可以比较客观地反映立地选择对林木生长影响的效应。

3.2 种源选择效应

考虑到目前及今后一段时期内, 直接选择优良种源的种子造林仍有良好发展前景。为此, 在龙里林场, 选择4组(8块)不同立地条件、不同种源(龙里和广西容县)的同龄现有成熟林配对样地(同一组配对样地的立地条件、经营措施均相同)进行全林解析发现:种源对林分平均高、平均胸径、优势高等均有较大影响。以20年计算, 南带优良种源的林分平均高比贵州本地种源高15%~20%, 胸径高6%~17%, 单株去皮材积高35%~55%, 可提高经济效益38.96%~61.28% (丁贵杰等, 1994)。以这8块配对样地为主, 并参考省内外有关种源试验资料, 建立了以立地指数、林龄为自变量, 分别以林分平均胸径、平均高、平均优势高为因变量的不同种源生长效应增长百分比预测模型, 主要拟合结果见表 2。

(1)

式中:△y%为林分平均胸径(D)、平均高(H)、平均优势高(H₀)增长百分比; SI为立地指数; A为林龄。

3.3 不同整地方式效应

整地与林木生长的关系十分复杂, 它与立地条件、土壤理化性质等因素有密切的关系。由于试验林建立时间较短目前还很难归纳整理出一套完整可代表不同立地类型整地效应方面的资料和结论。因此, 在应用试验林资源的基础上, 适当参考有关专家的经验, 以块状整地为基础, 初步建立了不同整地方式的生长效应预估模型:

(2)

式中:△y%为全面、带状、一锄法优势高增长百分比; P为经验参数(粘壤=1.05, 粉壤=1.0, 壤土=0.8)

3.4 林地施肥效应

由于施肥试验林尚小, 还很难从中得到一套完整系统的资料用于建立模型。但通过对各试验点上的幼林、中龄林施肥试验结果分析发现, 只要合理施肥, 在中下等立地上效果是比较明显的。其变化规律的基本趋势是:施肥后初期随林龄增加, 林分生长的增长值也随之增加, 到一定时期达极大值, 而后下降。根据中龄林施肥后连续8年的测定资料(目前林龄19年), 建立了以16指数级为基础的中龄林施肥生长效应预估模型:

(3)

式中:△y为林分平均高、平均胸径逐年累计增长量; A₀施肥后年龄(A₀在1~15a取值)。

幼林施肥由于观测时间短, 根据试验初步结果和专家经验, 用经验函数加以描述。

林分平均高增长量预估函数为:△H=0.08·H· (COS (π· (2 A₀-11) /9) +1) /2

林分平均胸径增长量预估函数为:△D=0.1·D· (COS (π· (2 A₀-11) /9) +1) /2

3.5 密度效应模型

不同造林密度伐前和伐后林分生长预测模型及间伐木预测模型见文献(丁贵杰, 1997)。

4 采伐年龄确定

采伐年龄确定合理与否, 直接关系林地资源能否得到合理利用, 直接影响经营者的经济收益。因此, 该研究倍受重视, 许多学者(Chang, 1983; Nautiyal et al., 1990; 盛炜彤等, 1991; Taylor et al., 1991)从事了此项研究, 但对马尾松采伐年龄研究甚少, 迄今为止, 在培育马尾松人工林过程中, 生产上不分立地条件、培育目标、初植密度、经济效益等因素, 仍一直沿用31~40年的采伐年龄¹⁾。针对这种状况, 在研究优化栽培模式过程中, 重点对马尾松建筑材林的采伐年龄作了认真研究。

1) 贵州省林业勘察设计院等.贵州森林经理资料汇编, 1987:294~295。

用所建经营模型系统, 以平均立木蓄积最大和材积生长率不低于4%为基限确定数量成熟。以林分结构模型为基础, 结合削度方程、材积比方程及有关出材量模型, 以小径材平均年生长量最大确定其工艺成熟。鉴于马尾松大、中径材规格标准较高(去皮小头直径分别为26cm和20cm), 按传统目的材种平均生长量最大确定的工艺成熟龄偏高(中径材25~33年, 大径材32~41年, 高出数量成熟龄8~14年), 经济损失大, 为此, 根据材种规格要求, 以林分平均去皮胸径达到26cm和20cm时作为大、中径材工艺成熟标准, 并适当考虑目的材种占总出材量的比例。改进后的方法无论是从林地资源利用, 还是从经济效益等方面, 均优于传统方法。采用贴现法(基准贴现率12%)分别对各种营林方案在不同时间点上的经营效果进行动态经济评价, 然后以净现值(NPV)最大为标准, 适当兼顾内部收益率(IRR)来确定经济成熟。最后遵循“以工艺成熟为前提, 重点考虑经济成熟, 适当兼顾数量成熟”的原则来综合确定合理采伐年龄

5 优化栽培模式的确定

由于本研究只考虑了种源、造林密度、间伐、施肥、及整地因素, 因此只能在一定立地条件下, 对上述措施和采伐年龄进行优化。研究表明(丁贵杰等, 1994), 在适宜地区和立地上, 选用南带优良种源可显著提高经济效益, 故在栽培措施优化过程中, 确定用南带优良种源。根据培育目标的不同, 对栽培过程中其它主要营林措施, 如:密度(控制在1667~6667株/hm², 搜寻步长200~300株)、间伐次数(设0~4次)、间伐时间(第1次安排在6~12年, 第2次在10~15年, 第3次在13~19年, 搜寻步长1年)、间伐强度(15%~50%, 搜寻步长5%)、整地方式(分带状、块状、一锄法)和施肥进行合理组合, 形成众多可供选择的马尾松人工林经营方案。用所建经营模型系统, 先对各种培育方案的生长效应、收获量、主伐年龄、经济效益等进行综合评价和分析, 确定出各种成熟龄和主伐年龄, 然后对各方案的优化结果采用收索对比法进行优化比较, 最后结合不同培育目标, 分别不同指数级选出建筑材林的1~2种优化栽培模式(表 3)。

研究表明, 不同栽培模式间的经济收益差异很大。本研究所确定的优化栽培模式, 在主伐年龄相同时, 与目前生产上常用的栽培模式相比, 培育小径材、中径材、大径材, 其内部收益率分别提高2.1~4.0、1.8~4.1、1.6~2.8个百分点, 每公顷净现值分别增加1137~3168元、2009~3447元以及1300~2790元。这说明研究优化栽培模式具有十分重大的意义, 选用优化栽培模式培育工业用材林, 可获得更高的经济效益。

6 结论

以立地质量评价为基础建立的生长收获模型系统和经营模型系统, 主要模型均通过了显著性检验和残差分析(F检验), 说明自变量的选择是恰当的、完备的, 所建模型均有很好的适合性, 经营模型系统可在研究区内应用, 结合培育目标, 首次为不同指数级选出的优化栽培模式具有可靠性。

选出的优化栽培模式, 是通过对各种营林方案的生长效应、收获量、采伐年龄、经济效益进行综合评价和优化的基础上, 通过对各方案的优化结果再进行优化比较而提出的, 从而保证了所确定的优化模式在满足培育目标的前提下, 整体经济效益最优。

优化栽培模式的内部收益率均大于12%, 说明按优化栽培模式培育马尾松人工林均可获得一定的经济效益, 立地条件越好, 净现值和内部收益率越大, 说明速生丰产林应尽量布局在好的立地上, 特别是在造林资金紧缺的情况下, 更应注意立地的选择。

优化栽培模式从两个方面提高了经营者的经济效益。一是缩短了主伐年龄, 大、中、小径材比现行规程中规定的主伐年龄(31~40a)下限分别缩短4~6a、9~12a、8~12a, 使林地资源利用率明显提高; 二是培育目标明确, 便于组织实施, 并能以较少投入, 获取更大收益, 按优化模式经营, 可比常规模式平均提高内部收益率2~4个百分点, 净现值可增加2000~3000元/hm²。

在优化模式中, 高初植密度的模式少, 说明培育建筑材, 密植并不能收到好的经济效果; 各种优化模式均经过次间伐说明合理间伐能提高建筑材的栽培经济效益.