杉木连栽导致林地生产力下降是困扰当前林学家的重大课题(盛炜彤, 1992; 马祥庆等, 1997; 俞新妥, 1993), 近年来有关连栽杉木生长的研究有不少报道(方奇, 1987; 邵锦锋, 1989; 陈伦祥, 1983; 杨承栋等, 1996; 杨玉盛等, 1999), 但有关连栽杉木生物量及生产力研究相对较少, 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地力衰退问题(范少辉等, 1999;2000 )。

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 a)及不同立地(14、16、18地位指数)的杉木人工林, 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。其中关于多代杉木人工林生长发育效应的研究见研究报告(范少辉, 2000)。

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′, 北伟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1 599.6mm, 年均蒸发量1 323.4 mm, 相对湿度83%, 年均气温18.9℃, 历年最大日降雨量131.7mm, 3~6月为多雨季节, 4个月降水占全年降水量的56%, 母岩为粉砂岩或石英砂岩, 土壤为红壤。

2 试验设计与研究方法 2.1 试验设计

选择不同栽植代数(1、2、3代)、不同立地(14、16、18指数级)、不同林龄(5、10、15、20 a)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(方奇, 1992; 林协等, 1992), 因此本试验中1代杉木林样地选择18地位指数、2代杉木林样地选择16地位指数、3代杉木林样地选择14地位指数杉木林进行比较, 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、母岩及经营措施基本一致的杉木人工林内建立标准地。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地, 因此, 根据实际情况, 林龄以5、10、15、20为准, 允许相差1~2 a, 据此选出的实际试验样地概况见表 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, 进行每木检尺及树高测定, 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区分段截取圆盘, 分别叶、枝、干、皮、根称重, 取样测定含水量及其养分。

2.2.3 林下植被调查

在标准地内设3~5个2 m×2 m的样方, 调查样方内植物种类、数量、频度、盖度、高度, 并采用样方收获法分别测定林下活地被物(灌木层和草本层)及死地被物生物量, 同时取样测定含水量及养分。

3 结果与分析 3.1 连栽杉木人工林平均木生物量及其分配

不同连栽代数杉木林平均木生物量存在差异(表 3)。随栽植代数增加, 不同林龄阶段杉木林平均木生物量均呈逐代递减趋势, 与1代杉木相比, 2、3代6 a生杉木林平均木生物量分别下降21.06%和42.07%, 2、3代9 a生杉木林分别下降19.41%和46.13%, 2、3代15 a生杉木林分别下降14.35%和39.35%, 2、3代19 a生杉木林分别下降19.41%和46.13%, 3代6 a生、9 a生、15 a生及19 a生杉木林平均木生物量分别比1代杉木下降26.61%、26.10%、15.80%和23.16%, 同一林龄阶段各代杉木林平均木生物量均表现为1代>2代>3代。

不同栽植代数杉木林平均木生物量组成亦存在差异。随栽植代数增加, 平均木干生物量所占比例呈逐代递减趋势, 而根生物量所占比例则呈逐代递增趋势, 其中3代6 a生、9 a生、15 a生及19 a生杉木林平均木干生物量所占比例分别比1代杉木减少3.21%、1.47%、5.22%和5.99%, 根所占比例分别增加10.38%、5.49%、11.83%和9.69%, 说明连栽林地肥力下降刺激了杉木根系生长发育, 促进杉木根系吸收更多养分, 但连栽不利于杉木干材积累。不同栽植代数杉木林平均木各器官生物量均以干最大, 在10 a生前叶生物量高于枝, 随后叶生物量小于枝。

3.2 连栽杉木人工林林分生物量及其分配

不同代数杉木林乔木层生物量差异明显(表 4)。随栽植代数增加, 不同林龄阶段杉木林乔木层生物量呈逐代递减趋势, 表现为1代>2代>3代。与1代杉木相比, 2、3代6 a生杉木乔木层生物量分别下降21.52%和41.89%, 2、3代9 a生杉木分别下降23.65%和43.04%, 2、3代15 a生杉木分别下降12.96%和35.44%, 2、3代19 a生杉木分别下降20.24%和38.09%, 3代6 a生、9 a生、15 a生和19 a生杉木林分别比各自2代杉木下降25.95%、25.40%、25.83%和22.38%, 不同代数杉木乔木层生物量下降表现出与其平均木相同的趋势。同样不同代数杉木乔木层生物量组成存在差异, 随栽植代数增加, 林分树干生物量所占比例逐代下降, 而根系生物量所占比例逐代增加, 说明多代连栽导致杉木干材产量下降, 不利于杉木出材量的提高, 而杉木其他器官(叶、枝)等生物量比重则无明显变化。

3.3 连栽杉木人工林林下植被生物量及其分配

不同连栽代数杉木林林下植被生物量也存在明显差异(表 5)。随栽植代数增加, 杉木林下灌木层、草本层及死地被物层生物量均呈逐代递增趋势, 其中2代20 a生杉木林活地被物及死地被物生物量分别可比1代20 a生杉木增加4.32%和20%, 3代20 a生杉木林分别可比1代20 a生杉木增加27.38%和19.15%, 说明2、3代杉木林连栽后, 由于林分生长不良, 林相不整齐, 反而有利于林下植被生长发育。

不同生长发育阶段杉木林林下植被生物量也呈现出明显规律。杉木刚造林后其林下植被生物量呈增加趋势, 5 a生杉木林平均为1.4 t·hm^-2, 随杉木幼林郁闭, 其林下植被生物量呈逐年下降趋势, 此时期林下植被生长发育较弱, 10 a生杉木林平均活地被物生物量仅为0.85 t·hm^-2, 而后随间伐及自然整枝作用, 林内透光度提高, 林下植被得到生长发育, 其林下活地被物及死地被物生物量均呈增加趋势, 15 a生杉木林下活地被物及死地被物平均生物量分别为2.88 t·hm^-2和3.61 t·hm^-2, 20 a生杉木林平均分别为3.84 t·hm^-2和4.81 t·hm^-2, 杉木人工林林下植被的这种变化规律对杉木人工林群落结构、生物多样性及林地肥力改善有较大影响。

3.4 连栽杉木人工林林分净生产力

连栽代数对杉木人工林林分年净生产力有较大影响(表 6)。随栽植代数增加, 杉木林林分年净生产力呈逐代递减趋势, 与1代杉木相比, 2、3代6 a生杉木林年均净生产力分别下降23.6%和43.06%, 2、3代9 a生杉木林分别下降23.60%和43.06%, 2、3代15 a生杉木林分别下降12.96%和35.43%, 2、3代19 a生杉木林分别下降20.28%和38.14%, 3代6 a生、9 a生、15 a生及19 a生杉木林年均净生产力分别比2代杉木林下降25.90%、25.43%、25.82%和22.40%, 而且杉木林叶、枝、干、皮、根的年净生产力同样表现出随栽植代数增加而呈下降趋势, 说明连栽导致杉木林分年净生产力的明显下降, 因此如何防止连栽杉木林分生产力下降成为当前人工林经营中急需解决的问题。

4 小结

不同连栽代数杉木林林分生物量存在明显差异。随栽植代数增加, 杉木林乔木层生物量逐代递减, 表现为1代>2代>3代, 其中20 a生2、3代杉木林乔木层生物量分别比1代下降20.24%和38.09%, 3代比2代下降22.38%。

随连栽代数增加, 杉木林其林下活地被物及死地被物生物量均呈逐代递增趋势, 连栽有利于林下植被发育。林分树干生物量所占比例下降, 而根系生长量所占比例增加, 表明连栽刺激了林木根系发育, 但不利于杉木林出材量的提高。