王俊鴻，吳鵬飛，周麗麗，馬祥慶

（1.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州350002；2.國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州350002）

生物量和生產(chǎn)力是森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的最基本的特征，可為森林生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1，2]。在全球區(qū)域的大尺度下，研究森林生物量和生產(chǎn)力的地理格局及分布規(guī)律，結(jié)合氣象因素和森林群落之間相關(guān)關(guān)系的研究，可對(duì)地球生物圈的承載力進(jìn)行估算和預(yù)測(cè)[3]。森林生物生產(chǎn)力與森林碳儲(chǔ)量結(jié)合起來研究已成了一個(gè)新熱點(diǎn)[4－6]。

最早關(guān)于森林生物量研究可追溯到1876年，Ebermeyer在德國(guó)發(fā)表了對(duì)幾種主要森林的枝葉凋落量和木材重量的研究[7]。20世紀(jì)50年代后，世界上對(duì)森林生物量的研究逐漸增多。在國(guó)際生物計(jì)劃 （international biological program，IBP）和人與生物圈計(jì)劃 （man and biosphere，MAB）的推動(dòng)下，許多研究估算了地球生物圈的生物總儲(chǔ)量，對(duì)地球上主要森林植被的生物量和生產(chǎn)力及其空間地理分布規(guī)律進(jìn)行了大量研究。20世紀(jì)70年代中后期，國(guó)內(nèi)森林生物量、生產(chǎn)力的研究開始起步，眾多學(xué)者總結(jié)了全國(guó)不同森林類型的生物量與生產(chǎn)力，研究其規(guī)律和氣候－地理分布格局，模擬了中國(guó)主要森林樹種生物量估測(cè)模型[8，9]。

杉木 （Cunninghamialanceolata）是中國(guó)南方重要的用材樹種，廣泛分布于中國(guó)南方16個(gè)省區(qū)，具有生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高的特點(diǎn)，栽培面積廣泛，栽培歷史悠久。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)杉木的生物量和生產(chǎn)力研究無論從研究的范圍、深度和廣度方面是其它樹種研究無法比擬的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了大量有關(guān)杉木生物量和生產(chǎn)力的研究論文和成果，為杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)提供了科學(xué)依據(jù)[10－13]。

本文通過搜集國(guó)內(nèi)外有關(guān)杉木的研究文獻(xiàn)，從杉木生物量研究方法入手，綜述了不同立地類型、連載代數(shù)、林分密度、營(yíng)林措施與杉木生物生產(chǎn)力關(guān)系的研究進(jìn)展，探討了杉木生物量和生產(chǎn)力的生長(zhǎng)方程及預(yù)測(cè)模型研究情況，最后提出了杉木林生物量和生產(chǎn)力今后的研究方向。

1 杉木人工林生物量和生產(chǎn)力的調(diào)查方法、研究進(jìn)展

森林生物量和生產(chǎn)力的研究，首先面對(duì)的是數(shù)據(jù)的調(diào)查獲取方式，選擇合理的調(diào)查方法對(duì)生物量數(shù)據(jù)的處理和后期分析有至關(guān)重要的作用。

潘維儔等[14]提出分級(jí)取樣的測(cè)定方法，他認(rèn)為林木在不同的發(fā)育階段有不同的生長(zhǎng)特點(diǎn)，據(jù)此進(jìn)行每木檢尺，可獲取各齡級(jí)下林木的不同組成結(jié)構(gòu)，能有效揭示杉木人工林在林木分化過程中的一些問題。堪小勇[15]研究了在測(cè)定杉木單株生物量時(shí)需要的葉面積比、枝葉比、含水率等轉(zhuǎn)換參數(shù)的變化規(guī)律，并提出了在估測(cè)生物量時(shí)參數(shù)選擇和應(yīng)用方面需要注意的問題。錢志能[16]提出了杉木枝葉生物量估測(cè)方法，指出用胸徑與樹高或冠比率兩因子估測(cè)杉木枝葉量比較理想。彭元英[17]則從測(cè)樹學(xué)角度出發(fā)，用杉木材積來估算杉木各個(gè)組分干物質(zhì)，并研究了林木材積和其重量指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系。

測(cè)定生物量方法是研究林木生物量的基礎(chǔ)，但此類研究開展較少。國(guó)內(nèi)在杉木生物量調(diào)查中多采用收獲法，在估測(cè)林分生物量時(shí)，多采用相對(duì)生長(zhǎng)方程估算樹木生物量，而且一般會(huì)采用林木測(cè)定值的經(jīng)驗(yàn)方程來推算，在應(yīng)用所建立的估測(cè)方程方面受到一定限制。

2 影響杉木人工林生物量和生產(chǎn)力的因素分析

2.1 立地類型對(duì)杉木人工林生物量和生產(chǎn)力的影響

不同地域生態(tài)環(huán)境的差異會(huì)明顯影響杉木生物量。馮宗煒[18]對(duì)不同自然地帶杉木生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行比較研究發(fā)現(xiàn)：中帶地區(qū)20年生杉木林現(xiàn)存量表現(xiàn)為中帶＞南帶＞北帶的趨勢(shì)，中帶20年生杉木林年凈生產(chǎn)量為中帶＞南帶＞北帶相一致；溫遠(yuǎn)光等[19]研究表明，在杉木生長(zhǎng)初期郁閉階段，影響中心產(chǎn)區(qū)杉木林生物量的主要矛盾集中在地上部分的發(fā)育，其限制性因素主要是林分郁閉度、光照、自然整枝情況等；在丘陵地區(qū)這種矛盾主要體現(xiàn)在地下部分，即土壤的結(jié)構(gòu)、酸堿度、容重和水肥比例等。這種 “比例失調(diào)”的現(xiàn)象在同一地域的不同立地條件下也有發(fā)生。

由于立地條件的不同，即使在同一地理區(qū)域，由于光、熱、水、肥等因子分配組合上存在差異，對(duì)不同杉木林分的生物量和生產(chǎn)力也有重要影響。佟金權(quán)[20]研究了杉木人工林生產(chǎn)力隨地位指數(shù)的變化，在杉木人工林生物量與年齡增加方面，14和16地位指數(shù)林地與年齡的變化情況一致，地位指數(shù)16的不同年齡階段杉木林各器官組分生物量高于地位指數(shù)14的杉木林。地位指數(shù)和杉木林成熟年齡呈反比關(guān)系[21]。

不同立地的杉木林對(duì)環(huán)境因素的適應(yīng)能力不同，因此杉木生物產(chǎn)量與其內(nèi)在生理特征因素和外在環(huán)境生態(tài)條件緊密相關(guān)。開展不同地域及立地類型杉木對(duì)不同環(huán)境變化適應(yīng)性的研究對(duì)杉木人工用材林基地規(guī)劃和培育有重要指導(dǎo)意義。

2.2 連載代數(shù)對(duì)杉木人工林生物量和生產(chǎn)力的影響

由于全球人口膨脹、經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)對(duì)木材的需求增大，導(dǎo)致天然森林資源急劇減少，人工林栽植面積不斷擴(kuò)大，有關(guān)人工林連載導(dǎo)致地力衰退的情況國(guó)外有不少報(bào)導(dǎo)[32－35]。由于在同一片林地上杉木連續(xù)栽植，多代連栽導(dǎo)致林地生產(chǎn)力下降，造成人工林經(jīng)營(yíng)的 “第二代效應(yīng)”，嚴(yán)重影響了杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)[22，23]。

楊玉盛等[24]研究發(fā)現(xiàn)：由于連載代數(shù)增加，導(dǎo)致林分總生物量下降趨勢(shì)明顯，第1代到第2代下降幅度最大。劉煊章等[25]認(rèn)為第2代杉木幼林生物量較第1代下降明顯；馬祥慶等[26－28]研究表明：多代連載導(dǎo)致林地地力衰退，同時(shí)輪伐期也是影響杉木人工林地力的重要因素，輪伐期越短，對(duì)林地的消耗就越嚴(yán)重，不利于林下植被發(fā)育。田大倫等[29]研究表明：在杉木的速生階段，第2代的單株和林分生物量比第1代單株和林分生物量分別下降了8.52%和16.53%。趙萌等[30]報(bào)導(dǎo)了隨著第2代杉木林年齡的增長(zhǎng)，土壤酶活性呈遞減趨勢(shì)，據(jù)此提出了土壤酶活性與土壤肥力相關(guān)性極高的結(jié)論。

2.3 林分密度對(duì)杉木人工林生物量和生產(chǎn)力的影響

不僅連載代數(shù)會(huì)導(dǎo)致杉木產(chǎn)量增減，而且林分密度也關(guān)系到林分的結(jié)構(gòu)和光照利用，從而對(duì)杉木林分生物產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響。林開敏等[31]對(duì)不同密度杉木林分生物量結(jié)構(gòu)與土壤肥力的差異研究發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)沃晟寄旧锪考捌涓髌鞴偕锪颗c密度增加呈相反趨勢(shì)。應(yīng)金花等[32]對(duì)第一代杉木研究發(fā)現(xiàn)：密度是林分喬木層生物量的重要影響因子，其中葉、干的分配比率隨密度增大而增加，但枝、皮生物量在密度增大時(shí)則減小。黃賢松等[33]研究表明：林分總生物量隨密度的增大而增大；盛煒彤[34]通過研究不同密度杉木林林下植被發(fā)育發(fā)現(xiàn)：未經(jīng)間伐而采用適當(dāng)密度調(diào)整可促進(jìn)林下植被的良好發(fā)育；相聰偉等[35]在福建省邵武林場(chǎng)的研究表明：杉木林初植密度對(duì)林分蓄積量的影響隨林分年齡的增加而趨于減小，在24年生時(shí)林分蓄積量趨于相等。

林分密度與生物量之間的關(guān)系是復(fù)雜的，既有復(fù)雜不確定的方面，也有簡(jiǎn)單可以肯定的研究結(jié)論。營(yíng)養(yǎng)及光照空間對(duì)單株杉木生物產(chǎn)量的影響較大且呈正相關(guān)關(guān)系[36－39]。

2.4 營(yíng)林措施對(duì)杉木人工林生物量和生產(chǎn)力的影響

森林的采伐利用、恢復(fù)方式、造林等營(yíng)林措施對(duì)森林生物量和生產(chǎn)力有一定影響，人為經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的集約優(yōu)化與否對(duì)不同地域類型的杉木生物產(chǎn)量有重要影響[40]。馬祥慶等[41]進(jìn)行不同林地清理方式對(duì)杉木林地力的影響研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過煉山清理跡地后，林地表層土壤有機(jī)質(zhì)、全N、C／N養(yǎng)分指標(biāo)下降，在造林后第六年，林地的養(yǎng)分指標(biāo)變化幅度才趨于穩(wěn)定。黃云玲等[42]在福建尤溪和南平對(duì)3種地位指數(shù)級(jí)林地的研究表明：1～5年生杉木林地?zé)捝綄?duì)14級(jí)地位指數(shù)級(jí)和18級(jí)林地杉木生長(zhǎng)影響明顯不同。陳國(guó)瑞[43]對(duì)煉山后5年生二代杉木幼林生長(zhǎng)的研究發(fā)現(xiàn)：煉山和不煉山處理杉木平均胸徑年生長(zhǎng)量均在1.70cm以上，平均樹高在1.00m以上，說明土壤條件較好時(shí)煉山和不煉山杉木 “二代效應(yīng)”不明顯，煉山處理對(duì)5年生杉木幼林生長(zhǎng)無明顯促進(jìn)作用。馬祥慶等[44]研究發(fā)現(xiàn)：不同林地清理方式對(duì)杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的影響不同，不煉山林地經(jīng)采伐剩余物分解后，林分養(yǎng)分得到富集，在短期內(nèi)能促進(jìn)林下植被發(fā)育，明顯提高杉木造林成活率。薛立等[45]的研究發(fā)現(xiàn)：煉山跡地土壤容重比杉木林地增加10%，有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K分別比杉木林地分別下降37%、37%、47%、7%，煉山后水熱條件改變，酶活性提高，有利于杉木幼林生物量的提高。

3 杉木人工林生物量和生產(chǎn)力預(yù)測(cè)模型

杉木林分生物量模型能較好地反映林木生長(zhǎng)情況及林分與林地條件的關(guān)系，在各種特定條件下使用生長(zhǎng)模型去估測(cè)林分的發(fā)育情況有較好效果。按照研究的尺度不同，森林生物量與生產(chǎn)力模型可分為單株生物量模型、大尺度下的通用森林生物量模型[46]。同時(shí)結(jié)合基于空間信息過程的模型越來越受到重視[47－49]，在區(qū)域尺度杉木生物量通用相對(duì)生長(zhǎng)方程的整合方面研究逐漸增多[50，51]。

惠剛盈[52]用林分調(diào)查中的樹干解析林木數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)分析方法模擬林木的出材量。何宗明等[53]收集大量數(shù)據(jù)資料，對(duì)全林的整體生長(zhǎng)模型進(jìn)行了修改完善，在此基礎(chǔ)上建立了福建省一般產(chǎn)區(qū)的杉木人工林自然生長(zhǎng)模型。胥輝[54]比較了2種杉木生物量的模型，認(rèn)為CAR和VAR的模型參數(shù)穩(wěn)定性不同，模型的預(yù)測(cè)、估算能力也有所差別，通過研究發(fā)現(xiàn)CAR模型的參數(shù)估計(jì)值更為穩(wěn)定，而且預(yù)測(cè)估算能力較VAR更強(qiáng)，在應(yīng)用生物量模型中可以作為首選。吳載璋[55]采用Rihards一般化的Bertalanffy模型，用地位指數(shù)、密度指數(shù)、年齡作為自變量來擬合福建省杉木人工林生長(zhǎng)情況，與單行曲線模型相比較，該多型生長(zhǎng)模型比單行的曲線模型有更高的精度。劉雯雯等[56]對(duì)已發(fā)布的杉木生物量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，建立了杉木生物量通用估算模型，經(jīng)過驗(yàn)證此模型適用于杉木林碳貯量的估算。

4 問題與展望

近半個(gè)世紀(jì)以來，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)杉木人工林生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行了大量研究，取得了很多研究成果。但由于受時(shí)間、研究條件等方面的限制，目前有關(guān)杉木人工林生物量和生產(chǎn)力研究方面還存在較多問題。主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)杉木人工林生物量和生產(chǎn)力研究數(shù)據(jù)沒有考慮杉木連栽產(chǎn)量下降和全球氣候變化對(duì)杉木生物生產(chǎn)力的影響，而且不同杉木產(chǎn)區(qū)杉木種源的相互調(diào)撥，導(dǎo)致杉木生物生產(chǎn)力遺傳因素的影響增大。針對(duì)目前杉木人工林生物量和生產(chǎn)力研究過程中存在的問題及發(fā)展杉木人工林過程中出現(xiàn)的一些新的形勢(shì)，提出杉木林生物量和生產(chǎn)力研究的發(fā)展方向：

1）在今后杉木林生物量和生產(chǎn)力的研究中應(yīng)充分考慮全球氣候變化對(duì)杉木生物生產(chǎn)力的影響，在應(yīng)用不同時(shí)期的杉木人工林生物生產(chǎn)力數(shù)據(jù)時(shí)要考慮不同時(shí)期氣候變化的差異。在全球變化尺度下研究氣候變化對(duì)杉木生物量及生產(chǎn)力的影響，通過新模型來整合模擬杉木林生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)生產(chǎn)力、碳平衡與養(yǎng)分管理等。

2）在杉木生物量的測(cè)定方法上應(yīng)借鑒新的技術(shù)，如采用多種生物學(xué)、生態(tài)學(xué)途徑，探討林木生物量發(fā)育生長(zhǎng)的形成機(jī)制，試圖解決在采用收獲法時(shí)難以確定的地被動(dòng)物、昆蟲等食去的有機(jī)物質(zhì)重量，打破目前應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木窒扌浴?/p>

3）應(yīng)在不同杉木產(chǎn)區(qū)建立長(zhǎng)期固定樣地，建立長(zhǎng)期觀測(cè)研究臺(tái)站的網(wǎng)絡(luò)，以便連續(xù)監(jiān)測(cè)不同產(chǎn)區(qū)杉木生物量生長(zhǎng)，使數(shù)據(jù)的對(duì)比性、準(zhǔn)確性增強(qiáng)。對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化集中管理，可以有效地解決在數(shù)據(jù)共享機(jī)制方面的問題，利用GIS、RS技術(shù)對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，完善林分生長(zhǎng)機(jī)理模型，并逐漸形成大尺度的模型[57－59]，將是未來杉木生物量模型發(fā)展的主要方向。

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