水杉(Metasequoia glyptostroboides Hu et Cheng)为杉科落叶乔木, 是国家一级保护野生植物^[1], 被誉为植物活化石, 原分布在我国湖北、四川、湖南三省交界的狭窄区域内, 现已成功引种至26个省(市)和港澳特别行政区, 还引种至世界50多个国家^[2], 是我国重要的用材林树种和城市绿化树种^[3-4]。楠木(Phoebe zhennan)是我国樟科特有植物, 为国家二级珍稀濒危保护野生植物和珍贵用材阔叶树种^[5-6], 其树形高大端庄, 素有“木中金子”之称^[7], 以材质优良而闻名中外, 为建筑、家具、雕刻和紧密模具的良材。但由于人为因素的干扰破坏, 现有楠木天然林十分稀少, 多呈点或块状分布, 生境破碎化明显^[8]。

复合经营模式是一种结合不同林木的生物学特性, 实现对环境资源最大化利用的林木经营模式, 综合效益明显。20世纪80年代以来, 福建省清流国有林场在南方丘陵山地开展水杉人工造林试验, 目前已营造水杉人工林超过100 hm²。水杉在南方丘陵山地的人工栽培模式大多为纯林, 有关水杉楠木复合经营模式的研究尚未见报道, 仅杉木楠木复合经营有见报道^[9-10]。本研究在水杉林中套种楠木, 分析不同经营模式下林分生产力及其经济效益, 以期为水杉复合经营模式提供依据。

试验地位于福建省三明市清流县清流国有林场, 北纬25°46′~26°22′, 东经116°38′~117°10′, 属中亚热带季风气候。该区气候温和, 雨量充沛, 冬少严寒, 夏无酷暑, 年平均气温17.9 ℃, 年平均无霜期256 d, 年降雨量1 771.3 mm, 空气相对湿度为79%, 冬季多东北风, 夏季多偏南风。林地以Ⅱ、Ⅲ类地为主, 土壤以红壤和山地红壤为主。试验林地土壤物理性质见表 1。

1979年春营造水杉林, 1999年底在原水杉林上改建水杉楠木复合经营试验林。采用不完全随机区组设计, 共设4个经营模式。(1)复合经营模式Ⅰ:在原水杉林设定试验小区进行间伐, 水杉上层林密度为300株·hm^-2, 2000年春用1年生楠木实生苗进行林下套种, 林分密度为900株·hm^-2; (2)复合经营模式Ⅱ:在原水杉林设定试验小区进行间伐, 水杉上层林密度为600株·hm^-2, 2000年春用1年生楠木实生苗进行林下套种, 林分密度为900株·hm^-2; (3)水杉纯林:在原水杉林设定试验小区, 不进行间伐, 作为对照, 水杉密度为1 125株·hm^-2。(4)楠木纯林:在相距150 m左右、相同立地条件的皆伐林地设置试验小区, 2000年春用1年生楠木实生苗进行裸地造林, 造林密度为1 650株·hm^-2。每个经营模式设3个重复, 试验小区面积均为20 m×30 m。

2015年对各试验小区进行每木检尺, 测量树高、胸径、保存率(林木现有密度与原有密度的百分比)等指标, 并计算水杉和楠木的立木材积。其中, 水杉立木材积:V=0.000 056 280 669D^{1.829 604 09}H^{1.051 956 43[11]}; 楠木立木材积:V=0.000 052 764 291D^{1.882 161 1}H^{1.009 316 6[12]}。式中, D为胸径, H为树高。所有测量数值均取平均值。

在复合经营林分和水杉纯林试验小区中按“S”型曲线分别选择10株水杉样木进行树冠圆满度(树冠最小跨距与最大跨距比值)、树干圆满度(树干2 m处直径与胸径比值)、树干通直度(以10分计, 分数越高越通直)、枝下高、最大侧枝基径和最大侧枝角等形质性状调查。不同经营模式经济产值估算:总净收入=水杉木材收益-间伐成本+楠木木材收益-苗木及套种成本。

采用Excel和DPS软件进行数据处理与分析。

经方差分析, 不同经营模式下水杉树高和单株材积差异达极显著水平; 保存率、胸径和蓄积量差异均达显著水平(表 2)。由表 2可知, 3种试验林分水杉保存率、胸径、树高和单株材积大小依次为:复合经营模式Ⅰ>复合经营模式Ⅱ>水杉纯林, 而蓄积量大小依次为:水杉纯林>复合经营模式Ⅱ>复合经营模式Ⅰ。其中, 复合经营模式Ⅰ和复合经营模式Ⅱ水杉的保存率分别为100.0%和97.5%, 分别比水杉纯林高17.2%和14.3%;胸径分别为29.7和26.9 cm, 分别比水杉纯林高29.7%和17.5%;树高分别为24.3和22.5 m, 分别比水杉纯林高26.6%和17.2%;单株材积分别为0.798 9和0.614 7 m³, 分别比水杉纯林高106.2%和58.6%;而蓄积量分别为239.684 1和359.610 9 m³·hm^-2, 分别比水杉纯林低35.6%和3.3%。总之, 从水杉保存率、胸径、树高和单株材积等指标看, 复合经营模式优于纯林模式, 两种复合经营模式又以保留密度较低的复合经营模式Ⅰ更优。

由表 3可知, 3种试验林水杉树干圆满度和树干通直度优劣顺序依次为:复合经营模式Ⅰ>复合经营模式Ⅱ>水杉纯林, 说明复合经营模式更有利于培育通直圆满程度高的木材。复合经营模式Ⅰ的树冠圆满度、枝下高、最大侧枝基径和最大侧枝角等指标优势明显, 而复合经营模式Ⅱ与水杉纯林相差不大。综合来看, 复合经营模式的水杉形质性状要优于纯林模式。

经方差分析, 两种复合经营模式下楠木与楠木纯林之间的保存率、胸径、树高、单株材积和蓄积量差异均达显著水平, 而两种复合经营模式下楠木的差异不显著(表 4)。由表 4可知, 3种试验林楠木保存率大小依次为:复合经营模式Ⅱ>复合经营模式Ⅰ>楠木纯林。其中, 复合经营模式Ⅰ和复合经营模式Ⅱ楠木的保存率分别为75.0%和78.3%, 分别比楠木纯林高13.0%和17.9%。3种试验林胸径、树高和单株材积大小依次为:复合经营模式Ⅰ>复合经营模式Ⅱ>楠木纯林; 而蓄积量大小依次为:楠木纯林>复合经营模式Ⅰ>复合经营模式Ⅱ。其中, 复合经营模式Ⅰ和复合经营模式Ⅱ楠木的胸径分别为9.4和9.2 cm, 分别比楠木纯林高14.6%和12.2%;树高分别为9.6和9.5 m, 分别比楠木纯林高11.6%和10.5%;单株材积分别为0.035 1和0.033 4 m³, 分别比楠木纯林高44.4%和37.4%;蓄积量分别为23.694 4和23.548 9 m³·hm^-2, 分别比楠木纯林低11.0%和11.5%。

综上分析, 从楠木保存率、胸径、树高和单株材积等指标看, 复合经营模式同样优于纯林模式, 两种复合经营模式间差异不显著。

4种经营模式下水杉、楠木的经济效益见表 5。由表 5可知, 总净收入大小依次为:复合经营模式Ⅱ>复合经营模式Ⅰ>水杉纯林>楠木纯林, 说明复合经营模式经济效益高于纯林。其中, 复合经营模式Ⅱ的经济效益最高。复合经营模式Ⅰ和复合经营模式Ⅱ年均相对增益分别比水杉纯林、楠木纯林高5 795、13 723和10 011、17 939元·hm^-2; 水杉纯林年均相对增益比楠木纯林高7 928元·hm^-2。

综上所述, 水杉楠木复合经营模式相比水杉纯林经济效益优势明显。虽然水杉楠木复合经营模式的经济效益优于楠木纯林, 但楠木纯林比水杉林分迟20 a栽植, 其在时间上存在差异, 双方之间的经济效益还有待进一步分析。

本研究表明, 水杉林间伐套种楠木可促进水杉胸径、树高和单株材积的生长, 保存率也显著提高。其中, 以林分密度为300株·hm^-2的复合经营模式下水杉表现尤为突出, 间伐15 a后, 其胸径、树高和单株材积分别达29.7 cm、24.3 m和0.798 9 m³, 分别比未间伐的水杉纯林高29.7%、26.6%和106.2%, 保存率达100%, 比未间伐的水杉纯林高17.2%。经营密度较大的水杉林分, 种内竞争剧烈, 间伐后释放了空间, 为保留的水杉提供了良好的营养空间, 而套种楠木填补了水杉间伐后空闲的生态位, 形成了异龄复层林, 生长环境得到结构优化和合理配置, 共同促进了水杉的生长。径生长量大、枝下高长、树干通直圆满、侧枝弱小等形质性状更有利于培养优质大径材, 林分密度为300株·hm^-2的复合经营模式更适合优质大径材的培养。说明低密度林下套种楠木的复合经营模式水杉形质性状优于水杉纯林。因此, 采取低密度林下套种楠木的复合经营模式是一种可行且有效的培养优质大径材的经营措施。

两种复合经营模式林分楠木胸径、树高、单株材积分别比楠木纯林高12.2%和14.6%、10.5%和11.6%、37.4%和44.4%, 这可能是由于水杉楠木复合经营林种间竞争促进了楠木的生长。近年来, 楠木经营林不断扩大, 但楠木纯林保存率较低导致其产效不佳。两种复合经营模式林分中楠木保存率分别比楠木纯林高13.0%和17.9%, 表明有无上层林对楠木的保存率影响明显, 这可能与楠木早期喜阴湿的生物学特性有关。说明在水杉林下套种楠木培育乡土珍贵阔叶林是一条可行、有利的造林途径。无论是上层水杉, 还是林下更新楠木林总体生长均快于水杉和楠木纯林, 说明混交林的林分结构更有利于水杉和楠木的生长。

通过对不同经营模式试验林经济效益的分析, 复合经营模式经济效益明显高于纯林。水杉楠木复合经营模式平均每年比水杉纯林多收入5 795~10 011元·hm^-2, 比楠木纯林多收入13 723~17 939元·hm^-2。因此, 相比水杉纯林和楠木纯林, 水杉楠木复合经营模式经济效益优势明显。

楠木在前期生长中处于幼林期, 比较耐荫, 但随着林龄增加, 可能对光照等外界条件的要求越来越高, 且随着水杉林林龄、生长状况以及立地条件的动态变化, 后期需根据实际生长情况对复合经营水杉及楠木的林木密度进行适时调整。