不同造林密度下杉木人工林的生物量與分配特征

謝建文

(福建農林大學西芹教學林場，福建 南平 353001)

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]是我國南方最重要的造林樹種。近年來，隨著南方馬尾松松材線蟲危害日益嚴重，杉木人工林造林面積逐年擴大[1]。密度管理是人工林經營過程中的“四大控制”技術之一[2]。適宜的造林密度不僅可促進林木的早期生長、降低撫育成本，還可減輕林地水土流失[3-4]。林分生物量是林分生產力的重要指標，體現(xiàn)了林分結構優(yōu)劣和功能高低，是林分環(huán)境質量的綜合體現(xiàn)。宿留枯死枝葉是杉木人工林林地凋落物的主要來源，對維持林地長期生產力至關重要。以往，有關杉木林生物量的研究主要集中在杉闊混交林以及低密度的不同林齡杉木人工林，而針對高密度杉木人工林林分生物量的研究較少，對杉木宿留枯死枝葉生物量的研究更少[5-7]。因此，本文以不同造林密度12年生杉木人工林為研究對象，分析其地上部分樹干、枝葉、宿留枯死枝葉以及地下部分不同徑級樹根和林下植被層、凋落物層生物量，并探討其分配特征，以期為杉木人工林高效培育奠定基礎。

1 試驗林概況

試驗林位于福建農林大學莘口教學林場(117°27′E，26°10′N)，屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候，水熱條件良好。年均降水量1 689.0 mm，年均蒸發(fā)量1 625.0 mm，年均氣溫19.2 ℃，全年日照時數(shù)約1 842 h，無霜期約305 d。試驗林海拔約350 m，土壤為南方典型的山地紅壤。

試驗林于2007年2月造林，造林地前身為杉木采伐跡地，苗木為福建省尤溪國有林場提供的第2代種子園1年生實生苗。采用完全隨機區(qū)組設計，分別設置造林密度為1 800、3 000、4 500株·hm-2的3個區(qū)組，每個區(qū)組設3個面積為0.067 hm2的試驗小區(qū)。栽植當年6月及10月各撫育1次，并在10月進行補植，造林第2、第3年10月份各撫育1次。

2 研究方法

2.1 樣地設置及林分生長調查

2019年5月對試驗林進行全面踏查，1 800、3 000、4 500株·hm-2林分的平均保留密度分別為1 740、2 940、4 365株·hm-2。在每塊試驗小區(qū)內各設置1個20 m×20 m標準樣地，共設置9塊樣地。對樣地內杉木進行每木檢尺，采用圍徑尺測定杉木胸徑、紅外線測高測距儀測定樹高、伸縮標桿測定枝下高。

2.2 生物量調查及取樣

依據(jù)不同造林密度杉木人工林各樣地調查數(shù)據(jù)，計算杉木加權平均胸徑、加權平均樹高、加權平均枝下高等數(shù)據(jù)[8]。在樣地內各選取1株生長最接近平均木的植株，齊地表伐倒后分別測量其樹干、枝葉、樹皮鮮生物量。每個樣地分別選1株平均木，共計9株。以平均木為圓心，半徑1.5 m范圍內挖取樹根，收集所有杉木根系后稱重。根據(jù)杉木根系徑級分級方法[9-10]，用游標卡尺進行徑級分級：細根(D≤0.2 cm)、小根(0.25 cm)，測量各徑級樹根鮮重。在樣地內隨機設5個1 m×1 m小樣方，收集其林下植被層及凋落物層樣品，并測量鮮重。分別選取等量樹干、枝葉、樹皮、宿留枯死枝葉、林下植被、凋落物及不同徑級樹根鮮樣帶回室內，105 ℃烘干至恒重，計算其含水率，并依據(jù)含水率折算林分各組分生物量：生物量/(t·hm-2)=鮮生物量×(1-含水率)。

2.3 統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理。采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析及差異顯著性分析。

3 結果與分析

3.1 不同造林密度杉木人工林生長差異

不同造林密度12年生杉木人工林生長量略有差異(圖1)。隨著造林密度的增大，杉木人工林胸徑呈下降趨勢，而樹高及枝下高則呈上升趨勢。造林密度為1 800株·hm-2的杉木人工林胸徑分別比3 000和4 500 株·hm-2林分提高2.12%和13.08%；造林密度為4 500株·hm-2的杉木人工林樹高分別比1 800和3 000 株·hm-2林分提高8.37%和5.80%；造林密度為4 500株·hm-2的杉木人工林枝下高分別比1 800和3 000株·hm-2林分提高18.06%和3.55%。方差分析表明，造林密度為1 800株·hm-2林分胸徑與3 000和4 500株·hm-2林分差異達顯著水平；4 500 株·hm-2林分樹高顯著大于1 800和3 000 株·hm-2林分；不同造林密度林分枝下高兩兩間差異均達顯著水平。

表1 不同造林密度杉木人工林林分特征1)Table 1 Characteristics of Chinese fir (C.lanceolata) plantations with different afforestation densities

3.2 造林密度對杉木人工林地上部分各器官生物量及其分配的影響

由表2可知，造林密度對杉木人工林樹干、枝葉、樹皮及宿留枯死枝葉生物量及分配率影響不同。杉木人工林樹干、樹皮及宿留枯死枝葉生物量均隨著造林密度的增大呈逐漸上升趨勢，而枝葉生物量則呈先上升后下降的趨勢。其中，造林密度為4 500株·hm-2的杉木人工林樹干生物量分別比1 800和3 000株·hm-2林分提高了97.80%和40.04%；3 000株·hm-2林分枝葉生物量分別比1 800和4 500株·hm-2林分提高了20.24%和44.63%。就生物量分配率差異而言，高密度林分總體有利于樹干、樹皮及宿留枯死枝葉生物量分配，而造林密度為3 000株·hm-2林分則有利于枝葉生物量分配。方差分析表明，不同造林密度杉木人工林樹干、樹皮及宿留枯死枝葉生物量差異均達極顯著水平；4 500株·hm-2林分枝葉生物量與1 800和3 000株·hm-2林分差異達極顯著水平。

表2 不同造林密度杉木人工林地上部分各器官生物量及其分配1)Table 2 Aboveground organ biomass and its distribution of Chinese fir (C.lanceolata) plantations with different afforestation densities

3.3 造林密度對杉木人工林各徑級樹根生物量及其分配的影響

造林密度對杉木人工林各徑級樹根生物量及分配的影響不同(表3)。杉木各徑級樹根生物量均隨著造林密度的增大呈逐漸上升趨勢。其中，造林密度為4 500株·hm-2林分粗根、大根、中根、小根及細根生物量分別比1 800株·hm-2林分提高了97.55%、53.40%、63.93%、44.76%、86.36%；比3 000株·hm-2林分提高了50.64%、33.90%、61.29%、4.11%、29.47%。就分配率而言，造林密度為4 500株·hm-2林分有利于粗根的生物量分配；3 000株·hm-2林分有利于小根及細根的生物量分配；1 800株·hm-2林分有利于大根及中根的生物量分配。方差分析表明，不同造林密度林分的粗根和細根生物量達極顯著差異；4 500株·hm-2林分大根及中根生物量與其他2種造林密度林分差異達極顯著水平；1 800株·hm-2林分小根生物量與其他兩種造林密度林分差異達顯著水平。

表3 不同造林密度杉木人工林各徑級樹根生物量及其分配1)Table 3 Biomass of varying sized roots and its distribution in Chinese fir (C.lanceolata) plantations with different afforestation densities

3.4 造林密度對杉木人工林林分生物量及其分配的影響

由表4可知，造林密度為1 800株·hm-2時，杉木人工林生物量表現(xiàn)為：喬木層>林下植被>凋落物層；造林密度為3 000和4 500株·hm-2時，則表現(xiàn)為：喬木層>凋落物層>林下植被層。杉木喬木層及凋落物層生物量隨造林密度的增大呈逐漸上升的趨勢，而林下植被層生物量則表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢。其中，4 500 株·hm-2林分喬木層生物量分別比1 800和3 000株·hm-2林分提高了86.07%和30.17%；1 800株·hm-2林分林下植被生物量分別比3 000和4 500株·hm-2林分提高了58.45%和863.89%。

表4 不同造林密度杉木人工林林分生物量及其分配1)Table 4 Biomass and its distribution in Chinese fir (C.lanceolata) plantations with different afforestation densities

4 討論與結論

森林生態(tài)系統(tǒng)生物量主要指森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積物質的數(shù)量，其對森林生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的形成具有重要作用，是森林生態(tài)系統(tǒng)功能指標和獲取能量能力的集中體現(xiàn)[11]。在天然杉闊混交林中，喬木層生物量約占林分總生物量的75%以上，且隨著密度增大呈上升趨勢[12]。林分生物量不僅受林分類型的影響，還與立地條件、造林及營林措施密切相關[13-14]。在眾多影響因素中，林分密度是影響林分生物量最重要的因子之一[15-16]。在一定密度范圍內，隨著林分密度的增大，人工林單位面積生長的喬木株數(shù)越多，林分生物量也越高。本研究表明，隨著造林密度的增大，杉木人工林生物量呈逐漸上升的趨勢，這與劉賢安等[17]、段愛國等[18]分別對21年生柳杉人工林及5、8、13年生杉木人工林生物量的研究結果相一致。

根系是森林生態(tài)系統(tǒng)中最重要的動態(tài)組成部分之一，在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質和能量循環(huán)中具有舉足輕重的作用。細根是植物體最活躍和敏感的營養(yǎng)器官，是植物吸收土壤養(yǎng)分的主要場所[19-20]。隨著林分密度增大，林分個體地下養(yǎng)分空間的競爭加強，為適應這種競爭環(huán)境，其細根生物量逐漸增加[21]。本研究表明，隨著造林密度增大，林分細根生物量呈不斷上升趨勢，但造林密度為3 000株·hm-2時小根及細根生物量分配率最高，這與李帥鋒等[22]對14年生思茅松人工林根系生物量的研究結果相一致。

密度控制是森林資源培育過程中最為重要的技術措施之一。合理的林分密度是林內光照條件的保障，可促進林下植被的發(fā)育與生長，從而提高人工林的生物多樣性。除此之外，合理的林分密度還可保證人工林單株的光合面積，使個體的種內競爭強度維持在一定的合理范圍內，從而保障林木的正常生長[23-24]。本研究表明，隨著造林密度的增大，杉木人工林平均胸徑、林下植被生物量呈逐漸降低趨勢，而平均樹高及枝下高則呈上升趨勢，這可能與密度增大導致林冠面積降低、林內光照條件減弱及種內競爭強度增大有直接的關聯(lián)。

在杉木大徑材經營過程中，為獲取更大徑級的木材，應適時調整林分密度，保障杉木單株葉、小根和細根的生物量，增大單株光合作用及土壤養(yǎng)分吸收的能力，從而保障單株的持續(xù)生長力。本文僅對不同造林密度12年生杉木人工林生物量進行研究，有關該試驗林后期生長情況以及林分生物量的變化，有待于進一步跟蹤觀測。