杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]是我国亚热带地区主要用材树种，长期以来都以单位面积蓄积量最大时的株数理解为合理密度。杉木幼林系统功能也是多样性的，因此本试验除系统生产力外，对生态效益、养分利用、经济效益等都予以重视，并以这些因素对不同密度进行排序综合评价，根据得分多少选取最适宜的初植密度，成年林应按杉木林间伐处理(吴中伦，1984)。

1 自然概况和试验内容

试验区建于江西分宜亚热带林业实验中心山下试验林场，位于北纬27°40′、东经114°30′左右，属中亚热带湿润型江南气候区。

1.1 气候特征

根据对照区无林地1987~1993年观测平均值：年降雨量1381.5 mm，年气温18.5℃，相对湿度88.3%；7月是全年高温季节，月均温30.4℃，相对湿度83.9%，月降雨量89.5 mm，常有暴雨出现；12月至翌年2月为低温阴湿天气，1月均温6.4℃，降雨量110.6 mm，相对湿度93.7%。

1.2 母岩与土壤

母岩以砂岩为主，砂质页岩和砂砾岩等次之，形成连片的丘陵红壤。根据试验地4个土样分析结果：100 cm土层以上pH值5.6~4.3，有机质含量5.4%~3.2%，重壤土质地，容重为1.03~1.37 g/cm³，全量N、P与K等8种养分元素含量为21.924 g/kg~27.464 g/kg。

1.3 试验小区与密度

试验小区建于海拔100~150 m之间丘陵地东南坡，坡度30°~31°，土壤质地和地形起伏基本一致。

整个试验区面积为0.9 hm²，自东往西并列4个小区，除保护行外每区实用面积0.2 hm²；等高带状整地松土20~25 cm，带间距2.0 m、带宽0.8~1.0 m。1987年春用1年生实生苗定植，密度分为1665、3330、4995和6660株/hm² 4个密度级(以下依次用A、B、C与D代替)。

1.4 观测内容

每个试验区都观测气温、湿度、土壤温度(0~20 cm)与含水量(0~100 cm)，林内降雨以及200 m²迳流场内液体迳流和固体迳流；地被物、凋落物与林木生长等每年冬季调查；林内降雨、温湿度和地温等，与对照无林地同步观测；林内外水质和4个迳流区养分输出量，均同时取样分析监测。

1.5 生物量等调查

杉木人工林系统8年生进行生物量调查，每个密度级取平均木1株；地被物每区沿对角线选取4 m²样方3个调查草、灌生物量和凋落杉木枯枝叶。各器官各取样500 g，在85℃恒温下干燥备用。

2 密度对小气候的影响

4个试验区虽然近在咫尺，但因密度大小悬殊，引发林内小气候、林下土壤温度及水文等都有不同程度的差别。这里只举1月与7月林内外气温和相对湿度、地温及土壤含水量的月平均值予以说明。

2.1 1月气候林内外变化

1月是1年中低温、多雨、阴湿非生长季节，其特征是：(1)林内蒸发散量小，平均气温和地温分别比对照区无林地高0.1℃和0.6℃，但不同密度间差别不明显；(2)对照区无林地相对湿度比试验林内平均值低2.5%，密度愈大愈显著；(3)土壤含水量随密度增加而上升，相邻密度间约差1%。

2.2 7月气候林内外差别

7月是1年中高温季节，林木仍能生长：(1)对照区无林地升温快，气温与地温平均值依次比林内高出0.6℃和0.7℃；(2)对照区无林地相对湿度比林内平均值低1.3%，密度越大相对湿度越高；(3)高温季节植物蒸腾量大，林下土壤含水量随着密度增加而下降，4个密度级间变幅最大为3%。

2.3 初现防护作用

试验林虽然处于幼林阶段，但是仍然显示出森林气象效应：(1)1月林下土壤含水量随着密度增加而上升，4个密度平均达到25.1%，表现出低温非生长季节林木蒸发散量小，因此密度愈大空气流通量愈小土壤含水量愈高；(2) 7月高温季节林木蒸发散量大，土壤含水量随着密度增加而下降，4个密度平均只有19%，季节性的水分供应不足，可能是密度增加影响林木生长的原因之一；(3) 1月对照区无林地气温和地温都低于4个密度相应的平均值，而7月则相反，分别表现出幼林系统在极端条件下的微量增温及清凉作用；(4)相对湿度不论在1月还是7月，对照区无林地都比4个密度林内平均值依次低2.0%和1.3%，显示出杉木幼林系统初具提高大气湿度功能(表 1)。

3 试验林生长与经济效益

在近似的林地条件下密度增加，意味着每木可能获得的生活资料相应减少，因此株间竞争力度随之加剧，其激烈程度可以从林木形态、干形、枝下高以及冠层厚度等形态特征表现出来(表 2)。

3.1 密度对生长的影响

试验已经证明在一定的条件下，过稀与过密都影响林木生长，从A密度增至D密度的结果是：(1)平均胸径生长量由8.1 cm降到6.6 cm，胸径极差从8.5 cm减至5.5 cm，密植能使径级集中；(2)平均树高生长量从5.9m降至5.4m，树高极差由5.1 m减到3.2 m，密植使树高接近，B密度有利高生长；(3)林木尖削度从1/73减到1/82，密植林木干形饱满；(4)冠层厚度由4.9m变薄到3.3 m，与此同时林木枝下高从1.0 m上升到2.3 m；(5)干基面积由9.19 m²/hm²上升到23.84 m²/hm²，株数增加是1、2、3、4倍，而干基面积只呈1、1.8、2.5、2.6倍增长，D密度比C密度株数增加33.3%，而干基面积仅增加4%，事实表明在实验条件下D密度接近最大限度。

3.2 密度的经济效益

营林综合成本与密度大小直接相联系，根据试验区相同密度和同一地位级研究结果(刘景芳等，1996)，计算出从A密度到D密度的育林投资、收益/支出百分数：(1) 4个密度育林综合成本分别为945、1107、1269和1389元/hm²；(2)现存蓄积净产值依次为139、603、1032和686元/hm²；(3)收益支出百分数相应密度为20%、55%、81%及50%。间伐前的测算估计C密度的经济效益最好，B、D和A密度效益逐渐次之。

4 试验系统生物量

密度试验结果表明，系统生物量积累和器官生物量组成都与密度紧密相联。合理密度能使经济生物量增加，针叶生物量比例下降，因此不同密度杉木林系统间生物量积累与分布差别显著(方奇，1997；方任佐等，1995)。

4.1 生物量层间分布和生产力变化

杉木幼林系统只有乔木层和地被物层两层结构：(1)乔木层的生物量随着密度增加而增多，从A密度的34.35 t/hm²增至D密度的79.11 t/hm²，增幅约为57%；(2)地被物层的生物量因上层密度增加而下降，由A密度的2.16 t/hm²降至D密度的1.96 t/hm²，降幅约为9.3%。4个密度杉木林系统生产力，因密度增加而提高：从A密度到D密度依次为4.6、7.2、9.5和10.1 t/hm²·a，愈密增幅愈小(表 3)。

4.2 针叶量与其它生物量关系

杉木针叶是林冠层重要成分，其合成物质未被呼吸耗尽部分是生物量增长来源，所以单位重量叶量占包括本身在内生物量多少，就成为该密度形成最佳光合作用环境的标志(W.拉夏埃尔，1980)。

根据4个试验区叶量统计：(1)单位重量叶量占有包括自身在内生物量，从A密度到D密度分别为4.1、4.3、5.2和4.6 t/hm²；(2)针叶和木材的比例，A密度针叶与木材各占24.1%和47.4%，B密度分别为23.5%和48.7%，C密度依次是19.3%和49.2%，D密度各占21.7%和48.8%，以上系列数据表明，针叶比例大的密度木材比例并不高；(3) C密度形成的生境适宜针叶合成作用，针叶量小，消耗合成物少，木材生物量积累的比例高。

5 试验系统养分运行状况

这里养分术语是指杉木针叶等5个器官的N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn与Zn等8种养分元素的全量，并对其积累、分配及利用等予以必要的讨论，不涉及生理上是否需要等问题。

5.1 样品采集和养分含量

杉木、枯枝叶和地被物等分析样品，都是从4个试验区里采集的混合样：(1)杉木各器官养分总含量为8.6646%，是3次分析的平均值，针叶养分含量最高木材最低，依次占养分总量的37.26%和2.55%，8种元素中Ca、N和K共占总量90.9%，其余5种元素只占9.1%；(2)枯枝叶养分总含量只有1.2275%，是两个混合样的平均数，K、N与Ca共占其总量73.1%，其余5种元素只有26.9%，由于枯枝叶样品分解程度不同，分析时养分含量不完全代表原有成份的比例(方奇等，1994)；(3)地被物养分含量为2.4651%，是一个混合样品分析结果，其中N、Ca和K约占现有养分含量的83.3%，其余5种元素共占16.7%。总之杉木系统大部分养分在非木质器官里，Ca、K与N3元素占有量最多，约占系统元素总量的95.7%，而其中P、Mg、Fe、Mn及Zn等5种只占4.3% (表 4)。

5.2 养分积累和分配

养分积累同生物量增长紧密相联系，从系统生物量及其养分含量即知：(1) 4个密度杉木林系统积累的养分，从A到D密度分别为420.71、639.37、792.69及850.22 kg/hm²·a；(2)养分层间分配，密度由A增加到D乔木层贮存的养分，从占系统总量的87%上升到94%，其中针叶和树皮依次占贮存量的47%和15%；(3)地被物层积累的养分由A密度区占系统总量的13%，降至D密度区的6%，乔木层密度增加影响地被物生长；(4)从A到D密度4个杉木林系统里枯枝叶、球果与地被物贮存可归还的养分量，依次约占系统总量的31%、22%、23%和20%，因此密度愈大可归还的养分愈少。

5.3 养分利用效率

杉木生长在不同密度系统里，养分利用效率也有一定差别(方奇，1997)，考察4个密度杉木林系统，每公斤养分可供生产生物量的数量是不同的：从A到D分别为95.26、97.36、103.34和101.53 kg/hm²。试验结果表明C密度形成的环境条件适宜杉木生长，养分利用效率高(表 5)。

6 密度的水文效应

不同密度杉木林系统，冠层高度、厚度、枝叶重叠程度、干基面积和地被物覆盖度等都出现明显的差别，因此引起林地水文很大的变化，由于树干迳流与胸高直径相关联，穿透雨量与干基面积呈紧密相关，在生长季节干基面积每下降4 m²/hm²，穿透雨增加约为总降雨量的3% (Abdenbi Hanchi et al.，1997；Stogsdoll，1989)。

6.1 林内降雨量

自然降雨被林冠层再分配后，除截留量外其余部分穿过林冠或沿树干流到地面这一部分为林内降雨(孔繁智等，1990)。根据7、8年生试验林两年观测结果，正常降雨林内降雨量与杉木林密度呈紧密或极端负相关，这里用二元平方根方程式表示如下：

式中，X代表自然降雨量，Y代表林内降雨量/自然降雨量的百分数。一次正常30 mm降雨过程，4个密度杉木林的林内降雨量依次是自然降雨量的54%、45%、42%和51%，林内降雨量从A区到D区依次为：16.2、13.5、12.6和15.3 mm。

6.2 水在系统运行中质量变化

自然降雨、林内降雨、液体迳流和固体迳流等样品，分别采自对照区和4个密度试验区的混合样品，所得数据都是两次分析的平均值。

水在系统循环过程中，酸度和养分含量都发生显著的变化：(1)自然降雨水质呈微酸性，养分含量只有6.6304 mg/kg，其中Ca、Zn与N的含量较高；(2)林内降雨溶解或淋洗了植物分泌物及渗透物，水质呈微碱性养分浓度大幅度提高达到26.9573 mg/kg，是自然降雨浓度的4倍多，其中N、Zn和K等浓度增加显著；(3)液体迳流是林内降雨到达地面未渗入土壤部分，混杂了大量粘土矿物和有机质等水质呈微酸性，部分养分被土壤所截留，水的养分含量降至19.5792 mg/kg，比林内降雨养分下降27%；(4)固体迳流是液体迳流中沉淀的泥砂部分，其质呈微碱性，有机质含量达到52.3 g/kg，8种养分元素含量高达71810 mg/kg，由此可知系统里绝大部分养分是从固体迳流中输出的。所以森林更新保留地被物和采伐剩余物，用来覆盖林地拦截迳流，是维护土壤肥力的有效措施(表 6)。

7 密度的水土保持功能

不同密度杉木林系统的液体迳流、迳流系数和固体迳流等年平均值差别显著：A密度区依次为19.4 mm/hm²·a、1.35%和334 kg/hm²·a；B密度区分别是8.1 mm/hm²·a、0.52%和138 kg/hm²·a；C密度区先后为8.9 mm/hm²·a、0.69%和196 kg/hm²·a；D密度区顺序是11.8 mm/hm²·a、0.75%和284 kg/hm²·a。从3个迳流类目衡量4个密度杉木林系统的水土保持功能，B、C密度比较有效的维护了林地水土肥力，对林业可持续发展提供了保证(表 7)。

7.1 养分流失情况

从林地养分流失过程分析：(1)定植当年比较严重，地被物恢复后第2、3年固体迳流平均输出量，分别只有头一年的19%与5%左右，植被发挥了拦洪作用；(2) 4个密度区养分输出总量为83.199 kg/hm²·a，固体迳流和液体迳流养分输出量，依次占总量的87%与13%，另有53 kg/hm²·a有机物也随固体迳流输出林地；(3) 8种养分元素流失比例：Fe、K、Ca、Mg和N依次占34.2%、31.4%、21.5%、7.4%及3.6%，P、Mn与Zn共占1.9%，其中Fe和Ca元素约比未经火烧林地高出7% (方奇，1990)；(4)试验区养分输出量由多到少的顺序是：A密度区是28.646 kg/hm²·a，D密度区为25.431 kg/hm²·a，C密度区为15.294 kg/hm²·a，B密度区为13.828 kg/hm²·a。总之，B、C密度可以形成保持水土的优良系统(表 8)。

8 综合评价与结论

试验数据表明4个密度杉木林系统没有一个密度具有全面的功能，又因计量单位不同难以直接比较，这里按一定方法排序从中选取功能比较齐全的密度。

8.1 类目性质和排序

选取5个重要项目中15个类目进行排序，所有类目在每个密度杉木林系统里都有一次出现机会，利于生产和生态环境的类目，排序时从小值到大值，反之由大值到小值分别予以从1到4序号，最后将每个密度级15个类目序号相加作为每级得分数，选择其中得分最多的为合理初植密度(表 9)。

8.2 初步结论

试验结果充分说明：(1)杉木幼林系统具有相当大的自控能力，随着营养空间变化种群可以改变其形态和层次结构等特征来适应；(2) C密度得分最多标志着适应能力强功能好，B密度得分与C密度接近，有很好的水土保持效应，选择B、C之间密度兼顾到系统生产力、生态及经济效益，有利于林业可持续发展；(3)急需小径材可选D密度经营，由于间伐材带走养分多，水土流失严重，应以缓坡高地位级林地栽培为宜，但不要高密度连续经营；(4) A或A、B之间密度林木营养空间大、高粗生长快，地被物层生长好，利用低地位级林地栽培，既能提高土壤肥力，又能及时成材得到较好的经济收益。