林业科学  2001, Vol. 37 Issue (5): 2-9   PDF    
0

文章信息

盛炜彤.
Sheng Weitong.
杉木林的密度管理与长期生产力研究
A STUDY ON STAND DENSITY MANAGEMENT AND LONG-TERM PRODUCTIVE OF CHINESE FIR (CUNNINGHAMIA LANCEOLATA)PLANTATION
林业科学, 2001, 37(5): 2-9.
Scientia Silvae Sinicae, 2001, 37(5): 2-9.

文章历史

收稿日期:2001-05-11

作者相关文章

盛炜彤

杉木林的密度管理与长期生产力研究
盛炜彤     
中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091
摘要: 1987 ~ 1999年, 在江西省分宜县中国林科院亚热带林业实验中心, 对9 a生的杉木人工林, 进行了不同保留密度的管理。设立6个固定样地, 对林下植被变化作了13 a的连续观测, 土壤肥力变化作了9 a变化测定, 并对水土流失、枯落物量及其分解速率进行了8 a的测定。结果表明, 凡经间伐的林分, 林下植被获得了良好发育, 13 a中林下植被种类达到了30 ~ 36种, 盖度达到80%~ 90%, 而生物量达到5 t·hm-2以上。未经间伐密度较大的林分林下植被发育较迟, 比间伐林分推迟8 ~ 9 a。适度间伐不会产生不利于地力维护的水土流失, 合理的林分密度管理可提高微生物数量, 达2.42倍。林分密度低而林下植被发育好的林分, 枯落物分解速度快。杉木中龄林阶段, 土壤有机质含量有所下降, 特别是16 ~ 30 cm的土壤, 水解N和速效P含量下降, 速效N下降最明显。林分密度大, 生长量大的林分, 速效N、P下降幅度也大。因此, 通过间伐适当降低林分密度, 对维护土壤肥力有较大作用, 因而有利于林地保持长期生产力。
关键词: 杉木人工林    密度管理    林下植被    水土保持    土壤肥力    
A STUDY ON STAND DENSITY MANAGEMENT AND LONG-TERM PRODUCTIVE OF CHINESE FIR (CUNNINGHAMIA LANCEOLATA)PLANTATION
Sheng Weitong     
Research Institute of Forestry, CAF Beijing 100091
Abstract: Since 1987 to 1999, a study on the density management of Chinese fir plantations of 9-year-old was made continuously in the Experimental Center for Subtropical Forestry under the Chinese Academy of Forestry (CAF)located in Fenyi County, Jiangxi Province.Based on the establishment of 5 fixed sample plots in the stands with different retained density after thinning, the undergrowth vegetation had been observed for 13 years, the soil fertility in the stands had been tested for 9 years, the soil erosion as well as the amount of litters and their decomposition rates had been monitored for 8 years in the stands.The results showed that in all thinned stands with different thinning intensity, the undergrowth vegetation had developed very well, with the number of undergrowth plant species being increased to 30 ~ 36 species, the coverage of undergrowth vegetation being increased to 80 %~ 90 %, and the biomass of undergrowth vegetation being increased to 5 t· hm-2 in 13 years, while in the dense stand without thinning the undergrowth vegetation developed poorly and 8 ~ 9 years later to reaching the same level than that in the thinned stands.The reasonable stand density management could also increase the amount of micro-organisms by 2.42 times in the soil, which resulted in faster decomposition of litters in the stands with lower-density and well-developed undergrowth vegetation.Generally, when the Chinese fir plantation grows into the middle-aged, the content of organic mater starts decreasing more or less in the soil, particularly in the soil layer at depth of 16~ 30 cm underground, the content of available nitrogen and phosphorous decrease significantly.So, in the dense and fast growing stands, the higher the stand density is, the more the available nitrogen and phosphorous decrease significantly in the soil.Therefore, the reasonable decreasing of stand density by means of thinning can conserve the soil fertility, so that the long-term productivity of forest land can be maintained.
Key words: Chinese fir (Cunninghamia lanceolata)plantation    Stand density management    Undergrowth vegetation    Soil fertility    

密度管理是育林上的一个重要技术, 但以往常常着重在产量角度加以研究, 提高密度通常是为了提高单位面积蓄积量和生长量, 因此杉木人工林建国后进行的密植管理方法虽然在一定时间内(如:25 a)林分蓄积量是比较高的, 但森林群落结构单一, 林下植被发育差, 生物多样及地力维护能力弱, 生态效果不好, 已成为引起地力退化的一个重要因素。从现在的研究看, 过去的这种高密度管理产量不一定高, 经济效果也不一定好。为了研究杉木林在怎样的密度管理下, 不但经济上有效, 而且能维护长期生产力, 我们在中国林科院亚热带林业实验中心的上村林场, 对9 a生的杉木幼林通过间伐进行密度调整, 从每hm23000株到1500株4个密度层次, 并设立固定样地进行长达13 a的定位观测, 取得了明显效果。

1 研究区域的自然地理条件

江西省分宜县中国林科院亚热带实验中心上村林场, 属于中亚热带, 海拔高250 ~ 800 m之间, 地形为低山丘陵, 试验地设在海拔300 m处, 是杉木最适宜生长地段。年均温17.2 ℃, 降水量1600 mm左右, 相对湿度80 %左右。地带性植被是以栲属(Castanopsis spp.), 木荷(Schima superba Gardn.et champ.)为主组成的常绿阔叶林, 含有樟(Cinnamomun spp.)、楠(Phoebe spp.)成份。现状植被为杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、毛竹(Phyllostachys pubescens Mazel)人工林及常绿阔叶林破坏后的次生林, 植物种类丰富。土壤为发育于板页岩风化物上的黄红壤, 土层深厚肥沃。样地土壤剖面综合状况列于表 1

表 1 样地土壤剖面综合状况 Tab.1 Discription of soil profile in the sample plot
2 研究方法 2.1 试验地的选择

8 ~ 9 a生需要进行间伐林相整齐的林分, 地位指数16, 林分密度3510 ~ 2280株·hm-2。育林措施一致, 坡度21°~ 39°, 坡面一致, 海拔300 m。

2.2 样地设置及观测方法

共设6块样地, 样地面积600 m2, 样地间伐前后林分状况见表 2。1996年冬和1997年冬开始间伐, 林分密度调控分3000株·hm-2、2500株·hm-2、2000株·hm-2及1500株·hm-2 4个档次; 郁闭度分0.9, 0.7及0.6。每个样地中间设5 m ×20 m迳流场一个, 观测水土流失状况。迳流按常规方法观测(降水、液体迳流、泥沙含量及对迳流及泥沙作养分分析)。每个样地还机械布设10个1 m ×1 m的固定样方, 观测林下植被变化, 项目包括种类、高度、株数、盖度及生物量。同时设6个1 m ×1 m的网框, 每年分季度收集枯枝落叶, 用50 cm ×50 cm的样方20个, 每年测定林地现成的枯枝落叶量, 以了解枯枝落叶的分解量及分解速率。林木每2 a年测定1次(测树高、直径)。除植被观测13 a外, 其他均观测8 a。

表 2 间伐前后林分状况 Tab.2 Stand characters before and after thinning
3 结果与分析 3.1 密度管理对植物种数量的影响

表 3可以看出, 林分密度调整后, 在1995年前除对照样地6外, 其他样地在1990年(即间伐后3 a)就有大量植物种出现, 到1995年达到了34 ~ 51种。林下植物多样性有了明显提高, 而密度最大的对照样地6(2950株·hm-2), 林下植物种发展很缓慢, 在1995年只有12种, 到了1999年(即林龄21 a)才发展到30种。通过间伐, 降低林分密度有利于植物多样性的发展(Bailey et al., 1998)。

表 3 不同密度林分在观测期内植物种数量变化 Tab.3 Amount changes undergrowth species in trial stands with different density over the observation period
3.2 密度管理对林下植被盖度的影响

图 1看出, 对照样地6, 因林分密度大, 林下植被盖度发展很慢, 当林分16 a生时(1995年), 才达到30 %, 而通过间伐密度调整后的5块样地, 在间伐后第3 a林下植被就有较快的发展, 当林龄13 a时(1992年)已达66.4 %, 16 a时达到了88.6 %, 有些样地已达到90 %~ 100 %。可见间伐降低林分密度后能有效地促进林下植被盖度提高。这有利于林地环境的维护。

图 1 不同密度林分林下植物盖度变化 Fig. 1 Changes of undergrowth covering percentage in the trial stands with different density over the observatin perild 5个间伐样地逐年盖度平均值Everage value of the covering percentage of undergrowth in the 5 trial stands; 对照样地6逐年盖度Covering percentage of undergrowth in the CK stand.
3.3 密度管理对林下植被生物量的影响

林下植物对地力的维护功能很重要的取决于生物量的多少。据有关研究, 当林下植被生物量达到一定量时(如5 t·hm-2对林地土壤肥力具有明显的促进作用(姚茂和等, 1991)。表 4表示了1993与1999两年测定的生物量。对照样地6, 生物量很低, 1995年以后才发展加快, 到了1999年也达到了5.7970 t· hm-2。而4、2二个样地, 已有较高生物量, 5、3二个样地, 介于二者之间。到了1999年, 除了2、3样地外, 生物量均达到5 t·hm-2以上。样地2与样地3相对生物量增长较慢。特别是样地3, 虽然林分密度不大, 但林木生长较好, 郁闭度较大, 因而林下植被生物量增长不快。在生物量中以蕨类植物比重最大, 大的比重达到49.9 %~ 58.9 %。

表 4 不同密度林分林下植被的生物量 Tab.4 Changes of undergrowth biomass in the stands with different density

总之, 通过间伐降低林分密度, 对于发展林下植被具有十分明显作用, 从而提高了对地力的维护能力(盛炜彤等, 1991; 熊有强等, 1995)。

3.4 密度管理对水土流失的影响

表 5表明, 不同样地平均年迳流量是有差别的, 最小的迳流深为0.954 mm(样地1), 最大的13.566 mm(样地6), 这种差别主要是由土壤渗透性的差别造成的。如样地1的表层土壤的渗透度为13.38 cm· min-1, 而样地6则只有4.38 cm·min -1, 但样地6的迳流系数也只有0.789 %, 迳流量仍不大。侵蚀量也同迳流量一样, 也有差别, 但最大的样地6年均土壤侵蚀量也只有0.04363 t·hm-2, 是十分轻微的。同样养分年流失量也是很轻微。如养分流失量最大的样地6, 共损失N 0.2300 kg·hm-2, P 0.0834 kg· hm-2, K 2.9399 kg·hm-2, 有机质1.4678 kg·hm-2, 养分损失和为3.25331 kg·hm-2。因此可以认为间伐干扰, 包括间伐强度较大的林分(样地3, 只保留1545株·hm-2)和坡度较大的林分(样地4, 坡度39°), 都不会造成水土流失, 这是因为在试验中控制林分郁闭度不小于0.6, 加上地面有较厚的枯落物覆盖(每hm2在10 t以上), 且林下植被发展迅速, 土壤渗透性较高, 在这些因素综合作用下, 林地有较好的水土保持能力。

表 5 密度管理对迳流量与侵蚀量的影响 Tab.5 Influence of density management on surface runoff and soil loss from the stands
3.5 密度管理对凋落物量及其分解的影响

表 6看出, 密度大及郁闭度大的林分, 凋落物量大, 对照样地6就是这种情况, 平均值达到了4.197 t·hm-2。1992、1994、1995 3 a进入15龄后都达到了5 t·hm-2以上。而间伐样地平均只有3.065 t· hm-2。杉木林凋落物有明显的大小年, 除1994、1995 2 a外, 基本上一年大一年小。小年平均为2.520 t· hm-2, 大年平均为4.585 t·hm-2, 凋落物多年平均为3.704 t·hm-2(包括样地6在内)。

表 6 密度管理对凋落物量的影响 Tab.6 Influence of density management on the amoung of litters in the stands (t·hm-2)

密度管理对凋落物分解也有较明显的影响。在试验期间, 每年年底调查林地的凋落物贮存量, 和每年按季节收集测定凋落物量, 数年结果证明, 林下植被覆盖度对凋落物分解有明显促进作用。如样地2, 1992年的林下植被覆盖度为87.5 %, 1993年为99 %, 2 a凋落物分解率平均达到61.0 %; 但样地3, 1992、1993 2 a林下植被覆盖分别为34.5 %和53.0 %, 其2 a分解率平均为48.8;而对照样地6, 1992、1993 2 a的林下植被覆盖率分别为1.9 %和5.2 %, 其分解率为43.4 %。这个测定结果, 和我们在1995年用网袋法作的试验是一致的(熊有强等, 1995)。

3.6 密度管理对土壤微生物的影响

表 7中微生物数量排序在1、2、3位的是样地5号、1号与3号, 这3个样地的特点是林分密度小(1920 ~ 1545株·hm-2), 特别是5号及1号样地, 林下植被发育早而迅速, 在1992年(即12 a时), 植被盖度已分别达50.8 %~ 75.0 %。而排列第4位的对照样地6, 林分密度最大(2950株·hm-2), 植被发育迟, 相应微生物量数量也最少, 只为1号和5号样地的23 %和43.1 %(以0 ~ 15 cm土层内细菌数量为例)。林分密度影响到微生物数量多少, 从而影响土内有机质分解与养分的释放(Morris et al., 1998)。

表 7 密度管理对土壤微生物数量的影响 Tab.7 Influence of density management on the amount of soil micro-organisms in the stands
3.7 密度管理对土壤有机质及养分的影响 3.7.1 对有机质的影响

表 8可以看出, 经过9 a, 除5、1号样地外, 0 ~ 15 cm土层有机质略有增加, 而16 ~ 30 cm土层内5块样地有机质均为减少, 5个样地的上下2层均值, 除6样地外, 也均略有减少。下层土壤有机质减少比较多的是6号与2号样地, 分别减少18.9 %和9.5 %, 说明杉木中龄林地表枯落物分解较差。从林分密度看在9 a间并未对土壤有机质含量产生明显影响。

表 8 密度管理对土壤有机质影响 Tab.8 Influence of density management on the content of soil organic mater in the stands
3.7.2 对水解N的影响

表 9表明, 1990 ~ 1999年(林龄11 ~ 20 a)期间4个样地水解N都是明显下降的, 下降幅度最大的3号样地上下二层平均下降了31.2 %, 对照样地下降了31.0 %, 下降最少的是样地5, 下降25.5 %。从土层看下层比上层下降幅度更大。上层下降了19.55 %, 而下层下降了44.51 %。从林木生长量看, 杉木幼龄林和中龄林生长量都比较大(年均15 m3·hm-2以上), 需要吸收大量N素, 但在9 a间下降幅度如此之大, 也反映了进入中龄林后, 土壤供N能力的下降。表 9还表明, 林分密度或生长量的大小, 对水解N下降幅度有明显影响。样地6为对照样地, 密度最大(2950株·hm-2), 9 a间年均生长量也最大, 达到26.39 m3·hm-2, 因此水解N下降幅度较大, 以0 ~ 15 cm水解N为例, 下降达到了41.02 mg·kg-1, 但密度小而生长量也较低的样地5及样地2(前者密度为1920株·hm-2, 年均生长量为16.10 m3·hm-2, 后者密度为1950株·hm-2, 年均生长量16.63 m3 ·hm-2)下降幅度较小, 分别下降了22.79 mg·kg-1和23.65 mg·kg-1。样地3是个特殊情况, 其密度最小(1545株·hm-2), 但年均生长量较大(21.73 m3·hm-2), 因为这个样地地位指数实际高于16, 接近于18, 故年均生长量较高, 因此水解N下降较大, 达到了44.60 mg·kg-1。根据张建国的杉木养分诊断, 杉木生长的最适N值为145 mg·kg-1, 临界值为80 mg·kg-1。按此推断, 16地位指数的中龄阶段, 远低于最适值, 而接近于临界值, 特别是密度和生长量大的林分。

表 9 密度管理对水解N的影响 Tab.9 Influence of density management on the content of soil hydrolytic nitrogen in the stands
3.7.3 对速效P的影响

表 10可以看出, 速效P与水解N一样, 总的均是下降的, 特别是表层下降幅度比较大, 但下降幅度小于水解N, 4个样地平均下降了0.22 mg·kg-1, 相当于下降了20.2 %。下降幅度最大的样地3, 下降了0.27 mg·kg-1, 相当于下降了24.5 %。样地6的0 ~ 15 cm土层内也下降了0.16 mg·kg-1, 相当于11.8 %。样地5没有下降。因此林分密度和生长量对速效P的下降也有一定影响。P虽然下降幅度较小, 但南方红黄壤缺P, P对林木生长量是敏感因素。据张建国的杉木养分诊断, 杉木生长最适P值为13 mg·kg-1, 临界值为6 mg·kg-1。杉木林整个生长阶段, 严重缺P, 在中龄林阶段及密度大的林分更加明显。

表 10 密度管理对速效P的影响 Tab.10 Influence of density management on the content of soil available phosphorous in the stands
3.7.4 对速效K的影响

表 11所示, 林分速效K从上下2层平均值看都是增加的, 只是增加的幅度稍有差别。由此可知, 尽管林分在生长旺盛时期, 但林地土壤K的供给是充分的, 同时林分密度变化对速效K的影响没有什么规律。

表 11 密度管理对速效K的影响 Tab.11 Influence of density management of the content of soil availabe potasium in the stands
4 结论

杉木人工林中幼龄林通过间伐, 调节林分密度, 对林下植被发育产生明显作用, 凡间伐降低密度和郁闭度的林分, 林下植被在种类数量、盖度和生物量均获得了迅速发展, 在观测13年间, 种类发展到30 ~ 36种, 覆盖度达到80 %~ 90 %, 而生物量可达5 t·hm-2以上。

合理的林分密度管理, 由于促进了林下植被的发育和改变了林地的小环境, 从而有利于微生物的发展, 低密度林的微生物数量有所提高, 如其细菌数量间伐样地高出对照样地2.42倍。

杉木中龄林的凋落物量与林分密度和郁闭度有关。密度和郁闭度大的林分, 年均凋落量可达4.197 t·hm-2, 反之, 则为3.065 t·hm-2, 凋落物有大小年之分。密度和郁闭度小的林分, 能促进枯落物的分解, 提高了枯落物的分解速率, 这可能与这种林分具有良好的林下植被有关。

1990 ~ 1999年(即林龄11 ~ 20 a)间, 除速效K以外, 水解N和速效P都是减少的, 水解N尤其突出。在9年间水解N 0 ~ 30 cm土层平均减少了44.40 mg·kg-1, 1999年只相当于1990年的67 %。而9年间速效P平均下降了0.18 mg·kg-1, 1999年相当于1990年的83 %。密度小或生长量小的林分, 下降幅度也小, 间伐可缓解土壤速效N、P的供应。在观测的9 a间, 对土壤0 ~ 15 cm土层的有机质含量影响不显著, 但0 ~ 30 cm土层的有机质含量均呈下降趋势。这与中龄杉木林枯落物分解效率不高有关。

总之, 通过间伐, 适当降低密度, 对改善杉木人工林群落结构, 提高生物多样性, 维护土壤肥力有较大的作用, 因而有利于维护林地的长期生产力。

参考文献(References)
盛炜彤, 杨承栋. 1997. 关于杉木林下植被对改良土壤效用研究. 生态学报, 17(4): 377-385. DOI:10.3321/j.issn:1001-9332.1997.04.008
熊有强, 盛炜彤, 曾满生. 1995. 不同间伐强度杉木林下植被发育及生物量研究. 林业科学研究, 8(4): 408-412. DOI:10.3321/j.issn:1001-1498.1995.04.013
姚茂和, 盛炜彤. 1991. 林下植被对杉木林地力影响的研究. 林业科学研究, 4(3): 246-252.
姚茂和, 盛炜彤, 熊有强. 1996. 杉木林下植被及其生物量的研究. 林业科学, 27(6): 644-648.
张先仪, 盛炜彤, 张小文.杉木人工林不同保留各密度对林下植被发展和水土保持影响的研究.世界林业研究, 1996, 9, 杉木建筑材优化栽培模式专集, 169 ~ 206
Bailey John D, CherylM ayrsohn, Doescher Paul S, et al. 1998. Understory vegetation in old and young Douglas-fir forest of Oregon. Forest Ecology and M annagement, 112: 289-302. DOI:10.1016/S0378-1127(98)00408-3
Morris Sherri Jeakins, Boerner R E J. 1998. Interactive influences of silvicultural management and soil chemistry upon soil microbial abundance and nitrogen mineralization. Forest Ecology and Management, 103: 129-139. DOI:10.1016/S0378-1127(97)00183-7