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。

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。

3 结果与分析 3.1 密度管理对植物种数量的影响

从表 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)。

3.2 密度管理对林下植被盖度的影响

从图 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。

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 %。

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。

3.5 密度管理对凋落物量及其分解的影响

从表 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)。

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)。

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

从表 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。

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。

3.7.3 对速效P的影响

从表 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。

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。

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。