红松(Pinus koraiensis)果材兼用林, 是一种人工红松纯林, 以大径材培育和提高种子产量为主要目标, 并兼顾生态效益的一种林木培育方式。因其具有良好的经济效果和较强的生态防护效能, 现已成为我国东北地区商品林主要经营模式之一, 在某种程度上标示了人工高效商品林的培育方向。因此, 开展对人工红松果材兼用林的培育途径研究不但具有一定的理论意义, 而且有助于解决当前生产中广泛存在的技术问题。

培育红松果材兼用林的关键技术是确定不同年龄阶段的林分密度(齐鸿儒等, 1987;谭学仁, 2000)。有关红松人工林方面的研究已取得大量成果, 但红松果材兼用林, 尤其针对适宜密度的研究并不多见。笔者发现, 缺乏理论支持已成为这一模式推广的主要障碍。诸如:不同年龄阶段的适宜密度、截干高度及效果等。辽宁省森林经营研究所红松人工林大径材培育试验开始于20世纪60年代, 红松果材兼用林的试验研究正式启动于80年代初期, 经过数十年的观测与试验, 现已取得初步结果。

1 试验地概况与研究方法

第Ⅰ区组试验始于1967年春, 当时林龄18年, 分别设置面积各为1 000 m²的试验小区5个, 间伐强度分别为31%、38%、53%、71%, 最初保留2 000、1 600、1 200、800株·hm^-2, 对照为2 340株·hm^-2。又经过1972、1982、1996年共4次间伐后, 现分别保留1 000、750、550、460株·hm^-2, 对照则经自然淘汰, 现为1 631株·hm^-2。第Ⅱ区组位于Ⅰ区组同一林内, 设置于1968年春, 当时林龄19年, 除设置年份与第Ⅰ区组略有差别外, 其余如:小区个数、面积、间伐方法、间伐强度、间伐时间等基本相同, 是第Ⅰ区组的重复。现林地各小区分别保留466、600、631、736株·hm^-2, 对照为1 400株·hm^-2。第Ⅲ区组设置于1972年春, 当时林龄16年, 设4个1 000 m²试验小区, 分别保留1 670、1 960、2 270、对照为2 940株·hm^-2。又经1978、1987、2000年共4次间伐, 现保留株数分别为1 050、810、510株·hm^-2, 对照为1 651株·hm^-2。其作业方法及密度控制等基本与第Ⅰ区组相同。以上3个试验区组, 区组内各小区间立地环境因子基本一致, 从试验区设立起至今每间隔2年测定1次胸径, 逐年测定结实量, 5~10年测定1次林木逐年高生长量和冠幅。第Ⅳ区组, 设置于1990年春, 当时林龄29年, 设2个小区, 同等立地条件, 保留密度均为1 160株·hm^-2, 截干与不截干(对照)各1小区, 面积667 m²。第Ⅴ~Ⅷ组分设于1985—1995年间, 共21个试验小区, 主要目的一是第Ⅳ区组的重复, 二是同步测定修枝对大径材培育影响、林地施肥与结实关系等, 林龄区间18~39年, 各小区面积除Ⅵ区组为667 m²外, 均为1 000 m², 并分设对照。主要测定因子为:每间隔2年测定1次胸径, 逐年测定林木结实量。

由于林分密度对林内物种生存环境的影响, 导致林内其他植物以及土壤环境的相应变动; 又采用样方调查方法分别对不同林分密度条件下的植被种类、株数、高度, 单位面积生物量进行测定, 样方面积1 m², 每试验小区内设3次重复。在测定上述因子的同时, 对第Ⅱ组试验区, 分别测定了各密度条件下的土壤主要养分和主要物理性状指标。具体测定是依国家标准局(1987)进行。

2 结果与分析

林分适宜密度标准因培育目的不同而不同。红松果材兼用林是以大径材培育和种子丰产2项指标为目的, 同时又必须兼顾森林的生态效能。实质上培育目标的实现关键在对林分密度的调整。

2.1 林分密度对几个重要指标的影响 2.1.1 密度对直径生长的影响

间伐的效果首先表现在对直径生长的影响上。在所有的区组试验中都表现出这一规律, 并随间伐强度的增加效果愈明显。与对照相比, 30年生以前提高效果均大于30年生以后; 从总平均生长量看, 不论立地条件如何变化, 各区组间与对照区比提高的幅度均在15%~25%。以第Ⅰ区组为例, 历经4次间伐后的生长过程如图 1。4次间伐中, 都是采取“下层抚育法”, 现存保留木中, 均为生长速度快、结实量相对较高具培养前途的优良木。

能否使林木密度适宜并均匀分布, 是获取林分高质高产的条件, 也是大径材培育的前提。第Ⅰ组试验, 历经4次下层抚育表明, 强度间伐可明显提高直径生长量和大径材培育的进程。从表 1可见, 由于密度控制的强度不同, 其效果不同, 就整体而言, 对照区遵从“密度效应”原理(吉良龍夫等, 1957;荻原秋男, 1965a;1965b), 林地现存量最高, 但质量最差, 林分平均直径D≥30 cm以上株数仅为0.61%。每公顷保留460和550株小区, D≥30 cm的林木株数占到总株数的42.9%和20.0%, 但从现存量上看, 又有些偏低。这一规律在其他区组试验中也有同样表现。这一结果与国内外同类研究的结果基本吻合(谭学仁, 2000;齐鸿儒, 1988;贾云等, 1985;荻原秋男, 1965a;1965b)。

连续35年的观测结果证明, 中等立地(14地位指数)条件下, 培育红松果材兼用林的适宜密度应遵从式(1)

(1)

式中n=194。可靠性为95%时的估测精度(Pe):林分平均直径6~20 cm时为87.6%, 21~25 cm时为81.3%, 26~32 cm时为51.47%。

2.1.2 密度对树高生长的影响

适宜的林分密度对红松果材兼用林的树高生长有一定的促进作用, 但不如提高直径生长效果显著(主要原因是间伐了下层小径木), 在所有试验小区, 都表现出这一规律。提高的幅度一般在5%~10%。树高的连年生长量主要受年龄和立地条件影响。不同密度条件下红松人工林的逐年高生长量见图 2。

2.1.3 密度对林木冠幅的影响

红松是针叶类树种中树冠较庞大且叶面积指数较高的物种(贾云等, 1985), 控制树冠过大扩张, 不但有利于林下其他物种的生存, 也是培育果材兼用林必须考虑的问题, 而控制的手段唯有调整密度, 也就是说, 不同年龄阶段的树木冠幅, 同样也是林分密度适宜与否的衡量标准。

图 3数据是在适宜密度林分中测定的, 揭示了冠幅这一主要密度控制因子与其他主要林分因子的关系。在实施作业的前后可利用:

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:S²为树冠投影面积; N为单位面积株数; A为林龄; D_1.3为平均胸径; H为林分平均高; R²为相关系数; n为样本数。(2)~(5)式对林木实测与经验式检验值比较, 树冠投影同样可判断林分密度是否适宜。

2.1.4 密度对林下植物和土壤理化性质的影响

1) 灌草类物种多样性分析  林下灌草类植物的生长状况, 直接受控于林地透光量的大小。经验证明, 林下灌草类植被生长过于茂盛, 表明林木生产力并未达到最高; 林下灌草类植被量过少, 虽可获得较高的林木生产力, 但又易引起林地表物种量单一, 降低了林分生态防护效能。在近50年的试验中, 每间隔10~15年对试验区内的各密度区进行1次调整, 林分郁闭度的变化使林下植被也随之发生相应变化, 但各密度条件下植被物种指标的比值又基本呈衡定状态。利用第Ⅱ组不同密度的试验, 当林分实施第3次间伐作业后的第5年, 测定不同密度条件下的植物种类、株数、高度和生长量, 结果见图 4。在测定的4项指标中, 单位面积植被株数、生物量、高度与林分密度呈反比; 而单位面积物种数量则关系不明显。

4个指标的最高值均出现在460~631株·hm^-2, 结合林分直径、树高、结实等主要生产量纲指标, 表明当林龄达50年时在600~631株·hm^-2是较理想的生态效果组合。

2) 林分密度对土壤理化指标影响  由于林分密度的不同, 经过50余年的森林培育利用, 各区组间土壤主要理化指标的变化, 同样是研究的重点。利用第Ⅱ组试验区的条件对此进行定量比较。在典型地段3次重复取样, 取样范围:A层为距地表 20 cm之内; B层为距地表 20~40 cm之内。结果见表 2。

经过50余年4次密度调整过程, 总的趋势是不同林分密度对土壤主要营养成分含量作用不大, 但也表现出随林分密度增加, 营养成分指标均呈下降的趋势, 而460株·hm^-2密度下营养状况表现良好。其他的密度组合则规律不明显。

2.2 促进结实技术及效果分析

促进林分种子丰产是本项研究的另一重要内容。据测算, 40~50年生红松林松籽产值基本可与木材产值持平(谭学仁, 2000), 这是红松果材兼用林之所以成为高效商品用材林的重要原因之一。

促进结实技术研究起步于1985年春, 试验的方法与内容包括:密度与结实、截干与结实、施肥与结实、调整林地酸碱度与结实以及修枝与结实等诸多方法。经过近20年多次重复试验的结果, 有意义并效果显著的方法是:在适宜的密度条件下采取人工截干技术。

2.2.1 不同截干高度的效果比较

截干是指当林木达到一定高度后, 截去树梢端第3~4轮枝以上主干, 人为促使林木形成多头(叉干), 增加结实部位的方法。不同截干高度表现出不同的结实效果, 在所设置的多组试验中, 表现出相同的规律性, 其中第Ⅵ组试验区效果表现最为明显, 统计结果列于表 3。

截干作业后第3年起, 林木开始结实, 通过4个丰年的连续调查, 可总结如下基本规律:同一林分内, 采取截干措施后, 丰产效果在第2至第3个结实周期达到顶峰, 当梢端侧枝经过竞争再一次形成中央主干以后, 效果逐渐消失; 截干高度控制在截去3~4层以上主梢的效果相对好些, 由于截干后侧枝替代主梢形成的新主干具备一定的粗度和力度, 能够满足林木结实的需要。

2.2.2 林分密度对结实的影响

红松人工林的结实与林龄、立地条件和密度有直接关系, 在同一林龄、同一立地条件下影响林木结实量的主要因素是密度。利用草河口地区41年生红松不同间伐强度试验区(第Ⅰ组)种子丰年调查结果列于表 4。由表 4可见, 在密度的作用下, 林分结实量及种子质量呈明显的梯级规律。

2.2.3 不同密度的截干效果比较

通过对上述试验结果的分析, 适宜强度的截干和适当的林分密度, 对林木的结实均具有促进作用, 那么在适宜密度的基础上再对林木实施截干, 是否会取得双重效果？对此利用第Ⅴ区组试验结果进行分析。本试验区组分别设置于不同立地、不同年龄的林分内(3次重复)且同一方法。结果列于表 5。

作业的过程是将26和39年生两林分的密度首先调整到果材兼用林适宜的密度区间, 34年生林分保持原有密度, 在此基础上仅将对照区间伐强度再增加10%、7%、11%与实施截干方法比较。从中得出:结实株率, 对照区高于截干区0.2%;单株结实个数, 截干区多1.6个; 单株种子重量对照区比截干区高0.004 8 kg; 林分种子产量则由于截干区具有株数的优势而高于对照区39.2 kg·hm^-2。但从中也可看到:34年生的试验组合, 由于截干试验区密度较大的原因, 对照区单株结实率呈略高于截干区。对此现象笔者认为:截干作业应在适宜密度的条件下进行, 否则截干措施促进结实的效果将会丧失。从提高林分总体产量而言, 综合措施显得尤为必要。

综上分析得出:无论从个体或是林分整体由截干所起的作用, 要在林分适宜密度的基础上才能达到种子丰产的效果, 林分密度过大即使对林木进行截干处理, 也会在很短的时间内第2次形成中央主干, 达不到较长时期增加结果部位的目的; 在26~39年龄段中, 林分总产量是随林龄增加而增加的。

2.2.4 林分截干标准的制定

在红松人工林中实施截干作业, 叶量的增加不但可促进种子产量, 一定程度上还可提高林木直径生长量, 是培育红松果材兼用林的主要措施。结合红松速生丰产林确定的不同地位指数和红松大径材标准(齐鸿儒等, 1987), 将观测调查结果归纳整理后, 制定人工红松林截干作业指标(表 6)。

截干高度标准是根据国家造材指标中最大长度(8 m)的有关规定(中华人民共和国林业部科技司, 1992), 并充分考虑了该区域红松生长的特性而制定的。作业要求在冬季进行, 要求截口平整, 并不能损伤树皮及最顶端侧枝, 若考虑作业成本最好与修枝同步进行。

3 结论

红松果材兼用林经营的关键是密度控制, 而不同年龄阶段林分的适宜密度标准N=21 182×D^{-1.182 7}适宜于一般立地条件下(14地位指数)的红松人工纯林。

红松果材兼用林在适宜的密度条件下, 同样具有强大的生态防护效能。试验结果证明:林下植被物种多样性及生物产量随单位面积立木株数增加而减少; 林地土壤主要物理性状和主要营养成分含量, 同样随单位面积立木株数增加而劣化。

红松果材兼用林有着巨大的生产潜力, 依照本项研究的密度标准与截干参考指标和修枝等措施对林分进行集约经营, 适宜的林分密度可提高林分直径生长量20%(与对照比), 树高可提高5%左右, 缩短大径材培育年限约20年。与对照比39年生林分可提高单位面积结实量39 kg·hm^-2, 一个丰年可增净产值约合人民币780元·hm^-2。