杉木(Cunninghmia lanceolata (Lamb.) Hook.)是我国南方特有的优良用材树种, 分为3带5区(吴中伦, 1984)。由于具有繁殖容易、生长迅速、材质优良、生物产量高、经济效益好等特点, 在我国业建设中有着重要的地位。近20年来, 许多学者对杉木人工林生态系统结构、功能、生物产量、生产及林分密度管理图、生长过程表、收获表的编制、直径结构模型、间伐与生长的关系等方面进行了大而又系统的研究(田大伦等, 1993; 刘景芳等, 1980; 1995; 惠刚盈等, 1995; 童书振等, 1989; 李希菲等1988; 励龙昌等, 1997; 彭元英, 1993)。这些基础研究对于指导杉木人工林的经营具有重要的理论价和生产实际意义。目前, 在林业生产实际中调节林分结构的最常用的方法就是对林分进行间伐。传的间伐试验效果, 通常是以胸径、树高、材积和材种规格来反映。为了探讨杉木人工林生态系统结构作用规律, 本研究在前人的研究基础上, 试图以生物产量为数量指标来揭示抚育间伐对杉木人工林长力的影响, 其目的是为更完整地评价间伐效果, 进一步刻画杉木人工林生态系统结构、功能及生力。“七五”和“八五”期间在我国南方营造的以杉木为主要树种的速生丰产林, 正值中幼林抚育间伐段。本研究将为这批基地林的经营提供重要的相关科学数据。

试验地设于湘东地区的中南林学院浏阳大围山实验林场。地处东经114°02′~114°12′, 北纬28°21′~28°26′。海拔800~1000m。年均温11.4℃~16.0℃, 极端低温-13.0℃, 极端高温38℃, 年降水量1800~2200mm, 相对湿度83%以上。土壤为花岗岩发育而成的黄壤、黄棕壤, 土层深厚, 其厚度一般在1m左右, 腐殖质层厚度15cm左右。土壤有机质、N、P、K、Ca和Mg的含量分别为23.004、0.989、0.382、12.416、2.326和5.388g·kg^-1, 土壤pH5.5。土壤表层各种酶的活性较高。适宜杉木生长。

分别在立地指数≥18、14~16、≤12, 密度为2500株·hm^-2的10年生(1981年造林)的杉木人工林内设置固定标准地21个(其中对照样地3个), 进行林分调查, 测量胸径、树高、枝下高、冠径, 按Kraft 5级分级法进行林木分级, 并取各生长级的平均木和林分平均木作为样木伐倒进行生物量测定。同时, 设计3种不同间伐强度(按株数间伐强度:其强度为40%、中度为20%、弱度为10%)进行间伐施工, 并设对照样地。间伐后连续6年每年进行标准地复查, 复查内容同上。林分16年生时进行第2次生物量测定。林分特征结构见表 1。

表 1 杉木人工林林分结构特征 Tab.1 The architecture feature of stands in Chinese fir plantations

表 1 杉木人工林林分结构特征 Tab.1 The architecture feature of stands in Chinese fir plantations

将样木按2m区分段进行树干解析, 并称量去皮树干的鲜质量; 同时, 将树冠按上中下分成3段, 各段用标准枝法求得枝条和叶的鲜质量; 地下部分按0~25、26~50、50cm以下这样3层挖出, 称量各层根的鲜质量。同时, 分细根、小根、大根和根头求得各级根的鲜质量。对各组分混合取样, 将样品置于烘箱中(103℃)烘干, 求得其含水率, 换算出各组分的总干质量。根据W=a(D²H)^b求算组分回归常数a、b及相关系数r，然后估测不同立地不同间伐强度标准地的间伐前后的林分生物量。试验区各立地10年生和16年生杉木人工林各组分生物量回归方程参数见表 2。

表 2 各立地10年生、16年生杉木各组分生物量幂函数式参数a、b值和相关系数r Tab.2 The values of parameter a、b and correlation coefficient r of power function of each component biomass for 10-year-old and 16-year-old Chinese fir trees in various sites

表 2 各立地10年生、16年生杉木各组分生物量幂函数式参数a、b值和相关系数r Tab.2 The values of parameter a、b and correlation coefficient r of power function of each component biomass for 10-year-old and 16-year-old Chinese fir trees in various sites

间伐前及进行不同强度的间伐后各种立地杉木人工林单株生物量及其增长量情况见表 3。从表 3可以看出, 不论何种立地, 杉木人工林单株生物量间伐样地明显高于对照样地, 并且随间伐强度的提高而增大。如SI≥18的间伐样地, 平均单株生物量是对照样地的1.23倍, 强度间伐是对照的1.37倍。14~16和≤12指数级的样地, 间伐样地平均单株生物量分别为对照样地的1.25倍和1.22倍, 强度间伐样地单株生物量分别是对照样地的1.45倍和1.37倍。6年间单株总净增长量依SI≥18、14~16、≤12的顺序分别为对照样地的1.55、1.56和1.38倍; 强度间伐样地单株生物量分别是对照样地的1.89、2.00和1.63倍。这充分表明间伐对促进单株生物量的增长作用明显。

表 3 不同立地杉木人工林间伐前后单株生物量 Tab.3 The individual tree biomass of Chinese fir plantations in various sites before and after thinning

表 3 不同立地杉木人工林间伐前后单株生物量 Tab.3 The individual tree biomass of Chinese fir plantations in various sites before and after thinning

从间伐后第6年的净增长量与总年均增长量来看, 各种立地的对照样地均是前者低于后者, 而强度间伐与中度间伐是前者略高于后者, 弱度间伐则两者基本持平。这表明对照样地单株生物量呈明显下降趋势, 生长高峰已过去, 林木之间竞争剧烈, 急待抚育间伐。而强度与中度间伐的林分, 单株生物量的增长量仍然还较大, 这说明间伐为保留木提供了合理的生长空间, 延长了林木的生长高峰期, 有利于大径材的培育。施行弱度间伐的林分, 林冠疏开作用不大, 6年间平均增长量与间伐后第6年的净生长量、总平均生长量相差不太大。在杉木中心产区, 初植密度为2500株·hm^-2, 10年生的杉木人工林, 首次间伐不宜用弱度处理, 否则, 在间伐后第6年后必须马上进行第2次间伐。

由于SI≤12的立地比SI≥18和14~16这两类立地相对差, 在进行强度间伐时, 单株净生长量在间伐后的第1、2年比6年间年均增长量还要小, 这是由于间伐后, 林分初期难以适应改变太大的环境。间伐后的第1、2年只能适应改变了的环境, 恢复生长, 待2年后, 才能加快生长。就单株生物量的增长情况看, 该类立地的林分施行强度与中度间伐6年后, 林分密度合理, 不必马上进行第2次间伐。如果是经营中小径材, 在该密度条件下, 可只进行1次强度或中度间伐。

根据以上分析, 单从杉木人工林单株生物量方面考虑, 可得出如下初步结论:间伐样地杉木人工林单株生物量均高于对照样地, 并随间伐强度的增大而增加, 且不受立地条件的影响; 优质立地, 如≥18指数级的林分, 首次间伐以强度间伐为好, 间伐后在第6年时进行第2次中度间伐, 培育大径材; 在14至16指数级的立地第1次中度间伐后, 在第6年时进行第2次疏伐(弱度), 可培育中径材; 12指数级以下的立地, 在第10年第1次中度间伐后, 经营中小径材, 以后可不再进行间伐。这与彭元英先生对湘西会同县2500株·hm^-2的杉木人工林间伐效应研究结果基本一致(彭元英, 1993)。

表 4列出了采用不同间伐强度后杉木人工林林分生物产量及生产力的状况。表 4数据表明, 不论在何种立地, 间伐样地现存生物量和间伐后6年间总净增长量均小于对照样地, 但弱度间伐与对照样地相差甚微。间伐样地, 林分生物量与间伐强度成反比, 即间伐强度越大, 现存生物量越小。强度间伐样地比弱度间伐样地生物量小14.23~25.28t·hm^-2。中度间伐、弱度间伐和对照样地生物量相差不大。

表 4 不同立地杉木人工林间伐前后林分生物量 Tab.4 The stand biomass of Chinese fir plantations in various sites before and after thinning

表 4 不同立地杉木人工林间伐前后林分生物量 Tab.4 The stand biomass of Chinese fir plantations in various sites before and after thinning

从表 4可见, 间伐样地林分生产力具有林分生物量同样的变化规律。即有间伐后6年间林分生产力依间伐强度的减小而增大。强度间伐比弱度间伐小2.38~4.21t·hm^-2·a^-1; 中度间伐、弱度间伐和对照样地相差不大, 不同立地仅差0.22~0.99t·hm^-2·a^-1; 林分总生产力同样符合上述变化规律。

3种立地样地, 间伐后6年间林分生产力远远高于林分平均生产力, 这表明间伐后林分生长速度大大加快, 间伐后可延长林分的生长高峰期。

中度与强度间伐样地, 不论何种立地, 间伐后第6年的净增长量, 均大于总年均生长量, 这说明进行中度与强度间伐之后, 林分结构合理, 林冠具有充分伸展的空间, 林木具有良好的生长发育环境; 弱度间伐样地, 间伐后第6年的净增长量, 均小于总年均生长量; 间伐后第5年的净增长量与总年均生长量大致相等; 对照样地16年生时的年生长量, 同样小于总年均生长量。这说明林分进行弱度间伐之后或没有进行过间伐的对照样地林分结构不合理林木之间竞争强烈需要及时进行间伐为林木生长提供一个良好的环境条件。

综上所述, 从生产力方面考虑, 该密度下的各种林分首次应进行中度间伐。同时, SI≥18的立地可在16年生时进行第2次间伐, 即中度间伐; 14~16指数级的林分, 可在16年生时进行弱度疏伐, 即第2次间伐。≤12指数级的林分, 第1次中度间伐后, 经营中小径材, 可不再进行间伐。

表 5列出各立地类型林分生物量的分配状况。不论何种立地, 间伐后的第1至第3年, 间伐林分干材百分率一般低于对照林分。这是由于未间伐的林分已充分郁闭, 其树冠组织生长趋于停止, 而树干仍在积累干物质, 故其比率较高。而间伐后的林分, 在短期内, 其密度和郁闭度降低, 透光率增加, 可促使树干继续生长, 但相应树干部分增长率小, 其百分率相应降低, 但随着间伐时间的推移, 间伐林分干材百分率将超过对照林分, 如表 5所示。所以, 从长远观点看, 间伐能提高林分干材百分率, 即提高林木的经济产量, 使树干部分通直圆满, 提高材种规格和经济利用价值。在各种立地的林分中干材百分率随着间伐强度的提高而提高。

表 5 各立地杉木人工林间伐前后各组分生物量分配 Tab.5 The biomass distribution among components of Chinese fir plantations in various sites before and after thinning

表 5 各立地杉木人工林间伐前后各组分生物量分配 Tab.5 The biomass distribution among components of Chinese fir plantations in various sites before and after thinning

间伐有利于提高林木单株生物产量。湘东地区密度为2500株·hm^-2的10年生杉木人工林间伐后, 林木生长旺盛, 单株及林分生物量增长速度均大于对照样地, 单株生物量随着间伐强度的增大而提高; 林分生物量随着间伐强度的增大而减小。间伐能延长杉木的生长旺盛期, 而且这种延长效果随间伐强度的提高而加大。

湘东地区3种立地指数级的杉木人工林, 以生物量作为间伐效果的衡量标准, 10年生时进行首次间伐, 以中度间伐效果最佳。在集约经营区, 可考虑弱度短间隔期的经营方式。

对不同立地杉木人工林生物量及生产力综合对比分析认为, SI≥18指数级的林分, 可在16年生时进行第2次间伐——中度间伐, 最终密度保留在1500株·hm^-2左右, 培育大径材; 在14~16指数级的林分, 可在16年生时进行第2次间伐——弱度疏伐, 最终保留密度在1800至2200株·hm^-2左右, 培育中径材; SI≤12的立地适宜培育中小径材, 首次中度间伐后, 可不再进行间伐。

间伐能提高林分干材百分率, 即提高材种规格和经济利用价值。在各种立地指数的林分中, 干材百分率随着间伐强度的提高而提高。