马尾松(Pinus massoniana Lamb.)具有速生、丰产、综合利用程度高、纤维优良等优良特性, 是我国主要工业用材树种, 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; 2000)。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为十分紧迫的任务。我们在“八五”攻关期间曾对建筑材林的优化栽培模式作过研究(丁贵杰, 2000), 但由于纸浆林优化栽培模式研究明显不同于建筑材林, 所以不能照搬建筑材林的研究结果。据预测, 纸浆的需求量将越来越大, 因此, 针对纸浆材林的特点, 开展其优化栽培模式研究十分紧迫和重要。

1 材料和方法 1.1 材料

为分带研究优化栽培模式, 先后在南、中、北带(杨世逸, 1989)调查、收集了大量各类样地、解析木及各种栽培试验的逐年资料。为进行经济分析和确定采伐年龄, 在各带还分别调查收集了马尾松人工林营林生产投入、采伐及木片加工成本、装车、销售、运费、木片价格和各种间接费用等技术经济指标。本研究所用各类资料概况见表 1和表 2。

1.2 方法

先建立生长收获模型系统、经济评价指标体系和分析模块, 在对栽培试验林进行各项技术经济分析的基础上, 选出各种栽培措施最佳处理, 并建立生长效应模型, 进而组建经营模型系统。然后根据优化模式中所要考虑的营林措施, 初步确定各项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, 对各方案逐年进行生长收获预测和经济分析, 依据优化原则, 从中优化出每个培育方案的最佳采伐年龄, 然后对各方案的优化结果再采用搜索对比法进行综合优化比较, 使各项营林措施和采伐年龄均达到最优化, 最后分别为不同立地选出1~2个优化栽培模式。

2 纸浆材林生长收获模型系统的建立

中带、北带的生长收获模型研究结果见文献(丁贵杰, 1991; 1997; 2000; 王鹏程等, 2000)。以下只给出南带的有关模型研究结果, 详细过程及研究方法可参见文献(丁贵杰, 1997; 2000)和资料¹⁾。

1) 吴协保.广西马尾松纸浆材林经营模型系统及优化模式研究.硕士学位论文.贵阳, 2001.

2.1 立地质量预测模型

直接引用课题组有关人员的研究结果, 详见文献(梁瑞龙等, 1996)。

2.2 林分生长模型

直径生长模型:

(1)

断面积生长模型:

(2)

式中, C₀=0.436 550 7, C₁=2.422 327, C₂=-0.064 491 66, C₃=0.662 805 2;n=154, r=0.979;H_O为林分平均优势高, N为现实林分每hm²株数。

林分平均高生长模型:根据林分平均高的定义, 通过建立树高曲线方程计算林分平均高。

(3)

式中, H为径阶高或林分平均高, d为径阶中值或林分平均胸径, SI为立地指数, A为林龄; C₀=0.047 010 4, C₁=1.275 802, C₂=0.735 029, C₃=0.027 797, C₄=-1.825 102, C₅=-0.665 065;r=0.886 8。

林分自然稀疏模型:

(4)

式中, C₀=-0.395 218, C₁=-0.000 351 670 9, C₂=0.897 702, C₃=0.441 186 99;n=67, r=0.987 5。

疏伐模型:在生长收获模型系统中, 疏伐模型决定着间伐生物量和伐后林分生物量预估的准确性, 也决定着对间伐后林分经济效益评价的准确性。通过对间伐试验林长期的定位调查和理论分析, 用多个疏伐试验长时间逐年观测资料, 建立了如下模型。

疏伐木平均高预估模型:

(5)

式中, C₀=1.069 426, C₁=0.806 498, C₂=0.052 755, C₃=-0.236 696; r=0.861 9, n=61。

疏伐木平均胸径预估模型:依据伐前、伐后林分断面积的关系, 推出了间伐木断面平均胸径计算公式。

(6)

疏伐后林分平均胸径预测模型:根据疏伐断面积与伐后林分断面积的关系, 导出伐后林分平均胸径预测模型。

(7)

式中, P_g、P_n可由下式计算:

(8)

式中, C₀=0.851 398, C₁=1.573 965, C₂=-0.075 092;r=0.996 9, n=61。

胸径变动系数cvd可由(9)式计算。

(9)

式中, 算术平均胸径D_算的预估见模型(10)

(10)

式中, C₀=0.903 696 22, C₁=1.060 200 95, C₂=-0.011 450 059;r=0.995 3, n=134。

式中密度指数(S)可由模型(11)计算。

(11)

式中, r=0.941 5, n=70。

疏伐后林分平均高预测模型:

(12)

式中, C₀=1.122 144, C₁=0.979 984, C₂=0.016 800, C₃=0.009 677;r=0.993 1, n=61。

上述各式中:H_伐、D_伐为间伐木平均高、平均胸径, H_b、D_b为伐前林分平均高、平均胸径, P_n、P_g为间伐株数、断面积百分比, H_a、D_a为伐后林分平均高、平均胸径。

疏伐后林分生长预测模型:

(13)

式中, C₀=2.132 383 5, C₁=0.862 654 111, C₂=-0.046 400 148, C₃=0.000 497 239;r=0.996 8, n=182。

(14)

式中, D_i+1、G_i+1为伐后i+1时的胸径和断面积, S为间伐后的林分密度指数, D_i、N_i、H_oi为i时的林分平均胸径、公顷株数、优势高。

伐后林分平均高仍根据伐后林分平均胸径, 由标准树高曲线模型求出。

2.3 生物量预测模型

根据各带生物量资料, 选择模型(15)分带建立了单株生物量预测模型, 其拟合结果见表 3。

(15)

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。作者曾对种源效应、立地选择、造林密度、整地规格、抚育方式、施肥、抚育间伐等主要营林措施的生长效应进行了研究, 并建立了相应模型(丁贵杰, 1994;2000), 在此直接引用有关模型进行优化模式研究。

4 经济分析与评价模块的构建

为了对不同产区和不同立地林分生长效果和各种营林措施效应作出准确的经济评价, 构建了经济分析与评价模块。该模块将各类林业经济技术指标建成参数库, 并与生长收获模型系统输出的各类收获量相连结, 以国际上通用的净现值、内部收益率等作为考核指标, 采用贴现方法进行迭代计算, 分析各种营林方案在不同时间点上的经营效果。该经济评价模块既可独立运行, 又能与生长收获模型相匹配, 从而实现对森林经营活动进行动态经济预测及评价。

5 纸浆材林通用经营模型系统

借鉴“八五”成功研究经验(王德炉, 1997), 采用Windows98作为系统开发的中文平台, 用中文可视化Visual Foxprow6.0作为系统开发语言, 开发了纸浆材林通用经营模型系统。开发过程中由于采用了数据及其函数式与程序相对独立的编程方法, 因此对模型及其函数进行修改, 不会影响原程序的正常运用; 而对系统程序稍作修改即可作为其它树种的通用模型系统。系统的构建及功能详见文献(丁贵杰, 1997; 2000)和资料^{2), 3)}。由于系统引入了立地评价模块, 能直接读取小班调查数据库的原始资料进行立地评价, 因此, 该系统的生长预测能直接落实到山头地块, 增强了实用性。

2) 丁贵杰.国家重点科技攻关计划专题执行情况验收自评估报告.2000, 15~ 19。

3) 吴协保.广西马尾松纸浆材林经营模型系统及优化模式研究.硕士学位论文.贵阳, 2001

6 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, 许多学者(盛炜彤等, 1991; Chang, 1983; Nautiyal, 1990; Taylar, 1991)从事了此项研究, 但对马尾松纸浆材林的采伐年龄研究较少, 迄今为止, 在培育马尾松人工林过程中, 仍沿用规程中的采伐年龄⁴⁾。为此, 我们首先用不同立地、不同年龄的399株径阶生物量标准木, 分带建立了各种规格树干生物量预测方程, 然后以经营模型系统为基础, 以经济生物量为收获函数, 采用国际上通用的动态经济评价方法, 分别对各营林方案在不同时间点上的经营效果进行动态经济评价, 最后以净现值最大为标准, 适当兼顾内部收益率, 综合确定各指数级(12~20)的合理采伐年龄。

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

7 优化栽培模式的确定

用所建经营模型系统, 分产区和立地, 对栽培过程中所采用的主要营林技术措施:造林密度、整地方式、幼林抚育、施肥、密度调控(间伐)及采伐年龄等进行了优化组合。具体方法是:造林密度控制在2 500~6 667株·hm^-2, 等级间隔100株·hm^-2; 整地方式分带状、中块状及一锄法3种; 幼林抚育分1年1次、2次和3次3种; 施肥分施和不施2种处理; 间伐设计:第1次间伐时间控制在7~13 a, 第2次间伐时间10~16 a, 等级间隔1 a, 间伐强度15%~50%, 等级间隔5%;间伐次数0~2次。按上述设计进行合理组合, 形成众多可供选择的经营方案, 然后用经营模型系统, 对这些经营方案进行生长效应、收获量、主伐年龄、经济效益等方面的综合评价, 最后分别为各产区、主要立地指数提出1~2种优化栽培模式, 共选出23种优化栽培模式(表 4), 每种模式均给出了采伐年龄时的林分主要生长指标、生物量、净现值、内部收益率等。

研究表明, 不同带、不同栽培模式间的经济收益差异很大, 选用优化栽培模式培育人工林, 可获得更高的经济效益。立地条件越好, 净现值和内部收益率越大, 说明短轮伐期纸浆材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。比较各带同一立地指数的优化模式发现:北带的采伐年龄普遍比中带、南带大, 内部收益率也高, 其原因一是生产成本较低, 特别是各年的间接费用明显低于中带和南带, 二是造林密度比中带、南带低。

8 结语

本研究考虑了不同分布带的生长特性、技术经济条件的差异, 按带调查收集了各类资料, 资料丰富, 有良好代表性, 可覆盖马尾松主要分布区。所建的生长收获模型系统及经营模型均经过了检验, 说明所建模型系统可在各自研究区内应用。依据经济效益最优为原则, 所选出的优化栽培模式具有可靠性、合理性, 可应用于生产。由于模型系统是以立地评价为基础, 可直接读取小班原始数据进行立地评价, 所以该系统的生长收获预测、经济评价可直接落实到山头地块, 有很强的操作性和实用性。

在优化模式中, 初植密度普遍较高, 说明培育纸浆材林, 应适当密植, 且应适时早伐。比较纸浆材林和建筑材林的优化栽培模式发现, 纸浆材林的造林密度(3 100~4 500株·hm^-2)和采伐时密度(2 100~3 200株·hm^-2)均明显高于建筑材林, 轮伐期一般比建筑材林短6~13 a (丁贵杰, 2000)。建筑材林的优化栽培模式一般都要经过2~3次间伐, 而纸浆材林一般只间伐1次或不间伐。优化栽培模式的主要技术组合是:适当密植, 中块状整地, 北、中带采用第1年1次、第2、3年各抚育2次, 而南带是第1、2年各2次、第3年1次, 14以上指数级不施肥, 选用优良种源或家系, 中等强度间伐1次或不间伐、适时早伐。选出的优化栽培模式, 是在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, 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。

立地条件越好, 净现值和内部收益率越大, 说明纸浆材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。对于造林密度相同的林分, 间伐可推迟其采伐年龄, 每间伐1次(中等强度)约推迟1~2 a, 间伐可提高净现值, 但使内部收益率明显下降。在资金短缺情况下, 为了提高资金利用效果, 应减少间伐次数。随立地指数和造林密度的提高, 经济成熟提前。

优化栽培模式从2个方面提高了经营者的经济效益。一是缩短了主伐年龄, 比现行规程中规定的主伐年龄(31~40 a)缩短10~18 a, 使林地资源利用率明显提高; 二是按优化模式经营, 便于组织实施, 能以较少投入, 获取更大收益, 可比常规模式平均提高内部收益率4~9个百分点。

由于各带技术经济指标所反映的年份略有不同, 加之北带定位资料较少, 所建模型还不够稳定, 特别是营林效应模型只能参考中带结果, 因此, 个别研究还有待进一步完善。