随人工林经营水平的提高, 人工林经营普遍追求短轮伐期, 大大增加了人工造林对林分地上空间及土壤营养物质的压力。轮伐期不仅影响着人工林地力的恢复过程及采伐、炼山、整地对立地的干扰频率, 而且还制约着人工林对林地养分的利用及林下植被的发育, 因此轮伐期也是影响人工林长期生产力的因素之一(徐化成, 1992;盛炜彤, 1992)。

目前国外有关轮伐期与林木养分研究有不少报道。Raison研究表明:当德利格特按轮伐期由57 a缩至18 a时, 单位木材取走的P增加70%, 辐射松轮伐期由40 a缩至18 a时, 单位木材取走的P增加50% (Raison et al., 1986)。欧洲山杨林由原来30 a轮伐期改为3次10 a轮伐期后, 使N、P、K、Ca收获损失分别增加345%、239%、234%和173% (Kimmins, 1992)。杉木作为我国南方短轮伐期经营的主要造林树种, 国内有关不同年龄杉木与养分分布及利用的关系研究已有见报道(范少辉等, 1996;俞新妥, 1992), 但目前尚未见到轮伐期对杉木人工林长期地力维持影响的报道, 因此作者通过不同发育阶段杉木人工林生物量及养分分布规律的研究, 探讨轮伐期对杉木人工林林地养分利用、林下植被发育及地力恢复过程的影响, 为揭示轮伐期对杉木人工林长期生产力的影响规律, 确定杉木人工林地力恢复周期提供理论依据。

1 研究地区自然概况

研究地区位于全国杉木中心产区的福建南平、建瓯、三明及尤溪, 处于武夷山脉与戴云山脉之间, 属闽西北花岗岩片岩片麻岩中山与山间盆地地貌区, 为中亚热带海洋性季风气候, 年均气温17℃~20℃, 年降水量1600~2000 mm, 多为片岩、砂岩、片麻岩及花岗岩发育的山地红壤, 植被以中亚热带常绿阔叶林为主。

2 研究方法 2.1 林木生长调查

在全国杉木中心产区福建南平、建瓯、三明及尤溪, 选择不同发育阶段的杉木人工林, 建立20 m×20 m的标准地85块, 进行每木检尺和树高测定。

2.2 林分生物量调查

在每个标准地上, 按平均标准木法选择1~2株平均木, 伐倒后分段(幼、中龄林按1 m区分段, 成熟林按2 m区分段)称取树干和树皮鲜重, 并分别叶、枝、根称重, 并带回室内测定烘干率, 取样测定养分, 根据各圆盘的心材、边材比例, 绘制树干纵剖面图, 由此计算整株杉木心材、边材比例。

2.3 林下植被生物量调查

在每个标准地上, 设5个2 m×1 m的小样方, 分别调查样方内的植物种类和盖度, 采用样方收获法测定林下植被生物量, 在样方内设10个50 cm×50 cm的小样方测定凋落物现存量。

2.4 样品分析

分别不同发育阶段杉木平均木的心材、边材、皮、叶、枝、根、活地被物及死地被物取样, 粉碎过筛后, 进行养分测定, 用凯氏法测N, 钼兰比色法测P, 火焰光度计法测K, 原子吸收光谱法测Ca、Mg。

3 结果与分析 3.1 轮伐期对杉木人工林生物量及其分配规律的影响

不同轮伐期经营的杉木林分乔木层生物量及其分配规律明显不同(表 1)。随轮伐期延长, 林分各器官生物量逐年增加, 呈不断积累趋势, 其中以干的积累量最大, 枝、叶积累量较少, 杉木树干属于纯积累型积累, 而枝叶则属漏斗型积累, 在其生物量积累过程中, 枝、叶又以凋落物形式归还林地。但不同器官生物量占总生物量的比例随杉木轮伐期的不同呈现不同的规律, 随轮伐期延长, 杉木林分枝、叶及根占生物量比例下降, 其中15 a生前下降较快, 随后下降速度变缓, 而干、皮生物量比例则呈上升趋势, 干、皮比例增加较快时正是枝、叶比例下降较快之时, 杉木叶的生物量在10 a生前高于枝, 但10 a后枝生物量开始大于叶。

不同轮伐期经营的杉木林林下植被生物量存在差异(表 2)。杉木造林后, 随杉木幼林郁闭, 林分林下植被生物量呈逐年下降趋势, 10 a后, 随杉木自然整枝加剧及间伐作用, 其林地凋落物增加, 林下植被逐渐得到发育, 林分活地被物及死地被物均呈逐年增加趋势, 这无疑有利于林分的生物循环。可见, 轮伐期长短对杉木人工林生物量及其分配有较大影响, 适当延长轮伐期, 有利于林分干材积累和林下植被的恢复。

3.2 轮伐期对杉木林林冠/树干及心材/边材比例的影响

不同轮伐期经营的杉木林林冠/树干、心材/边材比例不同。随轮伐期延长, 林分林冠/树干比例呈逐年递减趋势, 说明杉木林冠生物量积累速度较慢, 而树干生物量积累速度较快, 其中15 a生前该比例下降较快, 随后下降速度变慢。可见, 随杉木轮伐期延长, 林分自然整枝不断提高, 枝叶生物量比例减少, 而干材生物量比例增大, 林冠层逐渐上移, 林冠逐渐由尖塔形向园球形转变。

同时随轮伐期延长, 杉木树干中心材的比例逐年增加而边材的比例逐年下降, 心材/边材比例逐年增大, 说明杉木心材、边材形成的时间不同, 因杉木林冠、心材、边材所含养分存在差异, 因此不同轮伐期经营杉木林林冠/树干及心材/边材的比例变化对杉木人工林养分利用有较大影响。

把不同年龄阶段杉木林85块标准地生物量调查数据输入计算机, 对杉木不同器官生物量、林冠/树干、心材/边材比例与年龄关系进行的拟合结果表明:林冠/树干比例与林龄呈严格苏玛克曲线关系, 边材/心材比例与林龄呈理查德曲线关系(表 3)

3.3 轮伐期对杉木人工林养分利用的影响 3.3.1 不同轮伐期经营杉木人工林养分的分布规律

不同轮伐期经营的杉木林处在不同的发育阶段, 而不同发育阶段杉木林养分分布规律明显不同。不同发育阶段杉木林各器官元素浓度存在一定差异, 随杉木林龄增加, 叶片N、P、K、Mg浓度略呈增加趋势, 叶片的Ca浓度变化无明显规律, 而杉木枝、心材、边材、皮、根的N、P、K、Ca、Mg浓度均随林龄增大而呈下降趋势(表 4), 这与杉木这些器官生物量迅速增加的稀释效应有关。

不同发育阶段杉木林各器官元素浓度均表现为:叶 > 枝 > 皮 > 根 > 边材 > 心材, 说明叶是杉木各器官中最旺盛的代谢器官, 其养分浓度最高, 而树干的代谢活动较弱, 其含大量木质素、纤维素和半纤维素, 养分浓度最低, 因此杉木林冠的养分浓度明显高于树干, 边材养分浓度高于心材。

3.3.2 不同轮伐期经营杉木人工林养分的利用效率

根据不同发育阶段杉木人工林生物量及养分的分布状况(表 1、表 2、表 5), 计算出不同轮伐期采伐单位干物质和树干所带走的养分(表 6、表 7)。

不同轮伐期采伐单位杉木干物质所带走的养分明显不同。随轮伐期延长, 每采伐单位干物质带走的N、P、K、Ca、Mg均呈逐年递减趋势, 其中20 a生前各元素递减幅度较大, 20 a生后下降幅度变小。当轮伐期由30 a缩至20 a时, 每采伐单位干物质所带走的养分增加17.97%, 其中N、P、K、Ca、Mg分别增加19.21%、22.02%、18.43%、16.07%和15.62%, 林下植被积累的养分减少109.156 kg/hm²; 当轮伐期由20 a缩至10 a时, 每采伐单位干物质所带走的养分增加51.03%, 其中N、P、K、Ca、Mg分别增加44.55%、55.64%、58.68%、48.38%和64.53%, 林下植被积累的养分减少143.015 kg/hm², 可见杉木轮伐期越长, 单位杉木所含养分越少, 此时采伐林木养分利用效率越高。

同样, 每采伐单位树干所带走的养分也随轮伐期延长而呈下降趋势。轮伐期越短, 每采伐单位木材所带走的养分越多, 杉木树干养分的利用效率越低, 杉木经营对林地养分消耗的压力也越大。当轮伐期由30 a缩至20 a时, 采伐单位树干所带走的养分增加20.30%。其中N、P、K、Ca、Mg分别增加17.44%、14.46%、19.51%、27.67%和16.67%;当轮伐期由20 a缩至10 a时, 采伐单位树干所带走的养分增加13.67%, 其中N、P、K、Ca、Mg分别增加8.14%、18.95%、15.01%、19.66%和20.95%, 可见轮伐期对杉木人工林养分利用效率有较大影响。

综上所述, 杉木人工林边材/心材及林冠/树干比例随杉木林龄增长呈逐年递减趋势, 因边材养分高于心材, 林冠养分高于树干, 因此轮伐期越短, 每采伐单位干物质(或树干)所带走的养分越多, 杉木生长对林地养分的消耗便越严重, 由此造成的地力下降愈明显, 同时短轮伐期还不利于杉木林下植被发育, 并导致采伐、炼山及整地对林地干扰频率的增加, 从而对杉木人工林长期生产力造成较大影响, 因此轮伐期也是影响杉木人工林长期生产力的重要因子。

传统杉木人工林轮伐期确定主要是依据林分成熟龄(数量成熟龄、工艺成熟龄和经济成熟龄), 较少考虑林分的生态成熟龄(人工林地力恢复到受干扰前状态的年龄), 也就是Kimmins称之的生态轮伐期, 即在一定经营方式下, 给定立地恢复到干扰前生态状况所需的时间(Kimmins, 1987)。人工林收获不可避免会造成林地养分减少, 但森林的自肥能力能通过各种途径逐渐恢复地力, 这种恢复过程的时间较长, 因此在今后确定杉木人工林轮伐期时, 除考虑林分的数量、工艺和经济成熟龄外, 还必须适当考虑林分的生态成熟龄, 给林地以一定的养分生态恢复周期, 从而减缓杉木人工林集约经营对林地地力的压力。

4 小结

不同轮伐期经营的杉木人工林林分生物量及其分配规律明显不同。随轮伐期延长, 杉木枝、叶及根占生物量的比例呈下降趋势, 而干、皮占生物量比例呈增加趋势。造林后前10 a林下植被生物量逐年减少, 但10 a后其林下植被生物量逐年增加。

不同发育阶段杉木人工林各器官元素浓度存在差异。随林龄增长, 杉木叶片N、P、K、Mg浓度略呈增加趋势, 叶片Ca浓度变化无明显规律, 而杉木枝、心材、边材、皮及根的N、P、K、Ca、Mg浓度均随林龄增长呈下降趋势, 各器官养分浓度均表现为:叶 > 枝 > 皮 > 根 > 边材 > 心材。

轮伐期是影响杉木人工林长期生产力的重要因素。随轮伐期延长, 杉木边材及林冠所占总生物量的比例逐年缩小, 而心材及树干所占总生物量的比例逐年增加, 边材/心材和林冠/树干比例呈逐年递减趋势, 因边材及林冠养分分别高于心材和树干, 因此轮伐期越短, 每采伐单位干物质(或树干)所带走的养分越多, 对林地地力消耗越严重, 同时短轮伐期还造成采伐、炼山及整地干扰林地的频率增加并不利于杉木林下植被的发育。

传统杉木人工林轮伐期确定主要依据林分数量、工艺和经济成熟龄, 较少考虑轮伐期对地力恢复的影响, 因此今后确定杉木人工林轮伐期时, 除考虑数量、工艺及经济成熟龄外, 还应适当考虑杉木的生态成熟龄, 适当延长轮伐期, 给林地以一定的养分生态恢复周期, 从而减缓人工林集约经营对林地的压力。但这与当前林业生产中短轮伐期速生丰产林的要求相矛盾, 因此如何在今后林业生产中综合考虑这些问题, 统筹安排, 分类经营, 是值得进一步研究的课题。