杉木是我国南方重要用材树种, 随着杉木造林面积的不断扩大, 阔叶林面积锐减, 杉木越来越多地在同一林地上连续栽植, 多代连栽导致林地生产力下降, 严重影响了杉木人工林的持续经营, 因此揭示杉木连栽生产力下降机理已成为当前林业生产中急需解决的问题(盛炜彤, 1992; 马祥庆, 1997; 俞新妥, 1993)。

虽然目前国内有不少连栽对杉木生长影响研究的报道(方奇, 1987; 邵锦锋, 1989; 陈伦祥等, 1983; 杨承栋等, 1996; 杨玉盛等, 1999), 但缺乏不同代数、不同立地及不同年龄杉木人工林的比较研究。针对这些问题, 我们拟用空间序列法和时间序列法相结合的方法, 全面的探讨杉木人工林的地力衰退问题。关于空间序列法和时间序列法的优缺点笔者已有论述(范少辉等, 1999), 前者旨在快速地寻找地力衰退的趋势和原因机制, 后者则重在对前者的印证和更深入的研究。应用时间序列法进行杉木人工林地力衰退原因机制方面的研究, 已有另文报道(范少辉等, 1999)。

本研究采用空间序列法, 在全国杉木中心产区选择不同栽植代数(1、2、3代)、不同年龄(5、10、15、20年)及不同立地(14、16、18地位指数)杉木人工林, 进行不同栽植代数杉木人工林生长发育特点的比较研究, 为揭示不同栽植代数杉木人工林生长发育规律及其与杉木连栽生产力下降的关系, 制订合理杉木营林对策, 有效防治杉木人工林地力衰退提供科学依据。

1 试验地自然概况

试验地位于全国杉木中心产区福建省尤溪县(东经117°48′~118°36′, 北纬25°48′~26°24′)经营林场内, 属戴云山森林立地区闽中低山丘陵区, 为中亚热带海洋性季风气候, 年均降雨量1599.6 mm, 年均蒸发量1323.4 mm, 相对湿度83 %, 年均气温18.9 ℃, 历年最大日降雨量131.7 mm, 3~6月为多雨季节, 4个月降水占全年降水量的56 %。母岩主要为粉砂岩或石英砂岩, 土壤为红壤, 土层深厚。

2 研究方法 2.1 试验设计

选择不同代数(1、2、3代)不同立地(14、16、18指数级)不同林龄(5、10、15、20年)的杉木人工林建立标准地, 具体设置见表 1。

根据研究认为, 杉木人工林经1代连栽后林地下降一个地位指数左右, 见表 2 (方奇, 1992)、表 3 (林协等, 1992), 因此本试验中一代杉木林样地选择18地位指数林地, 2代杉木林选择16地位指数林地, 3代杉木林选择14地位指数林地进行比较, 以保证各林地在1代时均为18地位指数, 均选择同一杉木分布区、试验地气候、母质、母岩、地形及经营措施基本一致的杉木林建立标准地。

由于样地的选择同时受栽植代数、立地指数和林龄3个因子的限制, 在现实林分中难以严格地找到实验样地, 因此, 根据实际情况, 林龄以5、10、15、20为准, 允许相差1~2年。据此选出的实际样地概况见表 2。

2.2 调查方法 2.2.1 林木生长调查

在每个样地内设20 m×20 m标准地2块, 进行胸径和树高测定, 根据林分年龄及优势木平均高, 查《杉木地位指数表》确定地位指数。

2.2.2 林分生物量调查

采用平均标准木法, 在每个样地上选1~3株标准木, 伐倒后按1 m区分段截取园盘, 分别叶、枝、干、皮、根称重, 取样测定含水量及其养分。

3 结果与分析 3.1 不同栽植代数不同发育阶段杉木人工林胸径生长

不同栽植代数杉木胸径生长存在明显差异(表 5)。随栽植代数增加, 不同发育阶段杉木胸径均呈逐代递减趋势, 2代杉木胸径分别比1代杉木下降7.29%~11.61%, 3代比1代下降15.63%~21.47%, 3代比2代下降8.99%~12.93%;同样杉木胸径年均生长量也呈随栽植代数增加逐代递减趋势, 2、3代杉木分别比1代下降7.50%~12.00%和15.63%~22.02%, 3代比2代下降8.78%~11.46%, 可见, 杉木连栽导致其胸径生长的明显下降。

不同发育阶段杉木胸径生长同样存在明显差异。随年龄阶段的提高, 不同栽植代数杉木胸径总生长量及年均生长量均呈下降趋势, 其中以幼林杉木胸径年均生长量最大, 6年生1、2、3代杉木胸径年均生长量分别是各代20年生杉木的1.72、1.76和1.80倍, 连栽杉木胸径降幅也随杉木年龄阶段的提高呈增大趋势, 至成熟林时胸径降幅又有所减少, 说明连栽杉木胸径下降在中龄林时最为明显。

根据不同栽植代数杉木树干解析资料, 以各代20年生杉木平均木为例, 比较不同代数杉木胸径生长过程。从图 1、2可看出, 不同代数杉木平均木胸径生长过程存在明显差异, 除2代杉木林幼龄时期胸径年平均生长量略高于1代杉木林外, 其余时期内不同代数杉木年均胸径生长量均表现为:1代 > 2代 > 3代。1代杉木胸径连年生长量最大值出现在第6年, 其值为2.5 cm, 若以胸径年生长量≥1 cm为胸径生长速生期标准, 则1代杉木在第3年时便进入胸径生长速生期, 胸径生长速生期持续6年(3~8年), 其胸径平均生长量最大值出现在第8年; 2代杉木胸径连年生长量最大值出现在第4年, 为1.9 cm, 并在第3年生时进入胸径生长速生期, 胸径生长速生期持续4年(3~6年), 其胸径平均生长量最大值出现在第6年; 3代杉木胸径连年生长量最大值出现在第5年, 为1.8 cm, 并在第4年生时进入胸径生长速生期, 其胸径速生期持续4年(4~7年), 其胸径平均生长量最大值出现在第8年, 说明多代连栽杉木胸径生长速生期出现时间推迟, 胸径生长速生期持续时间缩短, 胸径生长峰值明显下降。

3.2 不同栽植代数不同发育阶段杉木人工林树高生长

栽植代数对杉木树高生长有较大影响(表 5)。随栽植代数增加, 不同发育阶段杉木林树高均呈逐代递减趋势, 2、3代杉木树高分别比1代下降7.89%~11.76%和17.76%~22.35%, 3代比2代下降9.48%~12.00%;不同栽植代数杉木林树高年均生长量也表现出与树高总生长相同的规律, 即随栽植代数增加而呈逐代下降趋势, 2、3代杉木分别比1代下降10.53%~12.63%和18.42%~23.16%, 3代比2代下降8.82%~12.05%, 可见高生长表现出一代不如一代的趋势。

不同发育阶段杉木林树高生长规律明显不同。各代杉木林树高连年生长量均随林龄阶段的提高而呈下降趋势, 其中6年生1、2、3代杉木林树高连年生长量分别是各代20年杉木的1.45、1.44和1.42倍, 连栽杉木树高降幅在幼林阶段较大, 以9年生杉木树高下降最为明显, 从中龄林到成熟林阶段, 杉木林树高降幅变缓。

根据不同代数杉木树干解析资料, 以各代20年生杉木平均木为例, 比较不同栽植代数杉木树高生长过程。从图 3、4可看出, 不同栽植代数杉木树高生长过程存在明显差异, 不同栽植代数杉木平均木树高连年及平均生长量在各发育阶段均表现为1代 > 2代 > 3代。1代杉木林平均木树高连年生长量最大值出现在第6年, 其值为1.11 m, 若以树高年生长量≥0.8 m为树高生长速生期标准, 则1代杉木林在第4年进入树高生长速生期, 其树高生长速生期持续7年(4~10年), 其树高平均生长量最大值出现在第10年; 2代杉木林平均木树高连年生长量最大值也出现在第6年, 其值为1.10 m, 其在第5年进入树高生长速生期, 树高生长速生期持续6年(5~10年), 其树高平均生长量最大值出现在10年; 3代杉木木林平均木树高连年生长量最大值出现在第6年, 其值为0.81 m, 其树高年生长量仅在第6年超过0.8 m, 其树高平均生长量最大值出现在第11年。可见杉木多代连栽后, 杉木树高生长速生期的开始期推迟, 树高生长速生期持续时间明显变短, 由此导致连栽杉木树高生长明显衰退。

3.3 不同栽植代数不同发育阶段杉木人工林蓄积量生长

不同栽植代数杉木林蓄积量存在较大差异(表 5)。蓄积量是杉木树高和胸径生长的综合反应, 因此不同栽植代数杉木林蓄积量也表现出与杉木树高和胸径相同的规律, 随栽植代数增加, 杉木林分蓄积量逐代递减。2代不同发育阶段杉木林蓄积量可比1代下降21.02%~24.61%, 3代比1代下降38.70%~44.18%, 3代比2代下降19.77%~25.96%。俞新妥在福建三明研究表明2、3代杉木林蓄积量分别可比1代杉木下降28%和69%, 邵锦锋在南平溪后研究表明2、3代杉木林蓄积量分别可比1代杉木下降14.80%和66.91%, 3代比2代下降60.44%。与上述研究相比, 福建尤溪杉木连栽生产力下降程度相对较轻。同样不同栽植代数杉木林平均木单株材积及蓄积年均生长量也随栽植代数增加而呈下降趋势, 2、3代杉木林单株材积分别可比1代下降21.25%~28.66%和39.72%~47.28%, 3代可比2代下降23.45%~28.81%, 2、3代杉木林年均蓄积分别可比1代下降21.71%~32.57%和34.54%~49.67%, 3代比2代下降12.63%~25.36%。

不同发育阶段杉木林蓄积量变化呈现一定规律。随林龄阶段的提高, 杉木林蓄积量呈增加趋势, 但其蓄积连年生长量变化与树高、胸径连年生长量规律不同, 由于受间伐的影响, 幼林阶段杉木林蓄积量连年生长量呈下降趋势, 至中龄林及成熟林时蓄积连年生长量又呈增加趋势。

以各代20年生为例, 比较不同代数杉木林材积生长过程。从图 5、6可看出, 不同代数杉木林材积连年及平均生长量均表现为1代 > 2代 > 3代, 其中1、2代杉木林材积连年及平均生长量至20年时仍未相交, 平均生长量仍呈逐年增加趋势, 尚未达到数量成熟, 3代杉木林材积连年及平均生长量则相交于20年, 达到数量成熟, 其材积平均生长量在20年后开始下降, 可见, 不同发育阶段杉木林平均木生长明显表现出一代不如一代的趋势。

3.4 不同栽植代数不同发育阶段杉木人工林的林木分化

为更好的分析杉木的林木分化情况, 将各标准地林木根据各代不同发育阶段平均胸径(D), 分为3个等级:小级木(胸径≤ (D-2cm)), 中级木((D-2cm) < 胸径 < (D+2cm)), 大级木(胸径≥ (D+2cm)), 然后统计各个等级木的分布(表 6)。

不同栽植代数杉木林木分化存在明显规律。随栽植代数增加, 各发育阶段杉木林中级木的比例均呈逐代下降趋势, 而大、小级木比例则呈增加趋势, 而且径阶分布变异系数与胸径极差随栽植代数增加而递增。说明栽植代数增加, 加剧了林木分化, 相对而言, 1代杉木林林木大小分布均匀, 林木分化不明显, 可见杉木连栽影响了杉木林的林分结构, 导致连栽杉木明显分化, 图 7也说明了这一趋势。

4 小结

连栽导致杉木林生长明显衰退。2、3代杉木林胸径分别比1代杉木下降7.29%~11.61%和15.63%~21.47%, 树高分别下降7.89%~11.76%和17.76%~22.35%, 蓄积量分别下降21.02%~24.61%和38.70%~44.18%, 3代杉木胸径、树高及蓄积量分别比2代下降8.99%~12.93%、9.48%~12.00和23.45%~28.81%。

不同栽植代数杉木林生长过程存在明显差异。随栽植代数增加, 杉木林胸径及树高生长速生期开始时间推迟, 速生期明显缩短, 材积生长量明显下降, 连栽杉木表现出明显早衰趋势。

连栽影响了杉木林分结构, 导致林分林木明显分化。随栽植代数增加, 各发育阶段杉木林中级木比例下降, 而大、小级木比例增加, 径阶分布变异系数与胸径极差也增大, 杉木林木分化趋于明显。