惠柳笛, 劉凡勝, 莫少壯, 南雅薇, 何 斌, 張日施

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院,廣西 南寧 530004；2.廣西南丹縣山口林場,廣西 南丹 547200)

森林生物量和生產(chǎn)力是森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量的綜合體現(xiàn)[1]，不僅是評價森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要指標(biāo)，也是估算森林固碳能力的重要參數(shù)[2-3]。人工林作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在增加森林資源、解決木材供需矛盾以及改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[4-5]。杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]是我國南方重要的商品用材林樹種之一[6]，具有適應(yīng)性強、生長迅速、木材單產(chǎn)高和材質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點，在我國林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。桂西北是我國杉木人工林的重要栽培區(qū)之一，目前有關(guān)杉木人工林生物量和生產(chǎn)力的研究已有較多報道[7-12]，但涉及到桂西北地區(qū)杉木人工林的研究很少。為此，本研究以地處桂西北的南丹縣杉木人工林為研究對象，對不同林齡(5、10、15、20年生)杉木人工林的生物量、生產(chǎn)力及其分配特征進(jìn)行研究，探索該區(qū)域杉木人工林經(jīng)營過程中生物量積累及生產(chǎn)力的變化規(guī)律，以期為合理制定杉木人工林的經(jīng)營管理計劃和栽培措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西西北部的南丹縣山口林場。南丹縣(107°1′～107°55′E、24°42′～25°37′N)地處云貴高原邊緣，屬中亞熱帶氣候類型,地貌以中低山為主，海拔高度多在500～1 000 m之間，具有高原山區(qū)的氣候特點和變化規(guī)律。年均氣溫16.9 ℃，年均降水量1 498 mm，降雨多集中在4—10月；年均蒸發(fā)量1 135 mm，年均相對濕度83%[13]。試驗地海拔750～850 m，土壤母質(zhì)(母巖)為砂頁巖，風(fēng)化程度較深，平均土層厚度70 cm以上，土壤肥力水平較高，土壤(0～40 cm)容重為0.90～1.02 g·cm-3，pH值為4.40～4.62，有機質(zhì)、全氮含量分別為43.27～51.24、1.90～2.37 g·kg-1，土壤水解氮、速效磷、速效鉀含量分別為196.4～235.6、1.05～1.24、48.35～64.50 mg·kg-1。

各林齡杉木人工林林分經(jīng)營管理措施相同，造林前均經(jīng)煉山和清理雜物后挖穴整地，種植穴規(guī)格為0.4 m×0.4 m×0.3 m。采用杉木實生苗(融水種源)定植，造林密度為2 500株·hm-2(株行距2 m×2 m)。造林后前3年的春季和秋季各進(jìn)行1次鏟草撫育。10年生杉木林于造林后第8年進(jìn)行間伐，間伐強度(按林分密度計算，以下同)約為30%；15年生杉木林分別于造林后第8、13年進(jìn)行間伐，間伐強度約為30%、20%；20年生杉木林分別于造林后第8、13、18年進(jìn)行間伐，間伐強度約為30%、20%、20%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與林分調(diào)查 根據(jù)南丹縣山口林場不同林齡杉木人工林林分分布狀況，以5 a為1個林齡階段，于2019年5月在地理位置毗鄰、立地條件相似的地段，分別選取5、10、15、20年生杉木人工林為研究對象。在不同林齡杉木林中分別設(shè)置3塊樣地，樣地大小為400 m2(20 m×20 m)，然后對各樣地內(nèi)的林木進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查林冠郁閉度、林分密度以及林木胸徑、樹高、冠幅和枝下高等指標(biāo)。計算平均胸徑和平均樹高。杉木單株材積計算公式為：V=0.656 71×10-4×D1.769 412×H1.069 769[14]，其中D為胸徑、H為樹高。各林齡杉木人工林樣地基本情況見表1。

表1 不同林齡杉木人工林林分特征Table 1 Stand characteristics of C.lanceolata plantations at different stand ages

1.2.2 林分生物量測定 在每個林齡的樣地內(nèi)選擇3株平均木并伐倒，采用“Monsic分層切割法”分別測定地上部分樹葉、樹枝、干皮和干材鮮質(zhì)量，采用“全根挖掘法”將地下各種根系挖出并測定其鮮質(zhì)量。在每個樣地內(nèi)按對角線設(shè)置2 m×2 m小樣方3個，采用“樣方收獲法”按灌木層、草本層和凋落物層測定鮮質(zhì)量[13]。采集500～600 g林木各器官和林下植物及凋落物樣品于80 ℃烘箱中烘干，測定含水率和干質(zhì)量，計算林分各結(jié)構(gòu)層次生物量。采用年平均生物量進(jìn)行喬木層凈生產(chǎn)力的估算。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 利用Excel 2013軟件對各林齡杉木人工林不同結(jié)構(gòu)層次生物量進(jìn)行統(tǒng)計分析，并用SPSS 22.0軟件對杉木人工林各組分生物量以及喬木層各器官凈生產(chǎn)力間的差異性進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單株生物量

由表2可見，杉木人工林喬木層及其各器官生物量均隨林齡增加而顯著增大(P<0.05)，其單株生物量依次為8.50、41.61、94.50、163.61 kg·株-1，表現(xiàn)出該樹種在桂西北地區(qū)所具有的速生特性。不同林齡林木中各器官生物量以干材最大，為3.18～108.37 kg·株-1；其次是樹根和樹枝，分別為1.51～22.37、1.39～15.09 kg·株-1；最小是干皮和樹葉，分別為0.62～9.39、1.80～8.39 kg·株-1。但不同器官生物量由大到小的排列次序因林齡不同而存在一定差異，5年生為：干材>樹葉>樹根>樹枝>干皮，10年生為：干材>樹根>樹枝>樹葉>干皮，15年生為：干材>樹根>樹枝>樹葉>干皮，20年生為：干材>樹根>樹枝>干皮>樹葉。不同林齡各器官生物量組成分配中，經(jīng)濟生物量即干材比例隨林齡增加而逐步增加，樹葉、樹枝和樹根生物量則呈現(xiàn)相反的變化趨勢，干皮生物量所占比例則保持相對穩(wěn)定。

表2 不同林齡杉木人工林單株生物量及其分配1) Table 2 Biomass and its distribution of individual tree in C.lanceolata plantations at different stand ages

2.2 喬木層生物量及其分配

從表3可見，受經(jīng)營過程中間伐和自然稀疏(林分撫育措施)的影響，杉木人工林林分密度隨林齡增加而顯著下降，但其喬木層生物量仍然表現(xiàn)出與平均單株生物量相同的變化趨勢，即隨林齡增加而顯著增大，5、10、15和20年生生物量分別為19.13、61.60、113.41、152.14 t·hm-2，各林齡杉木林喬木層生物量或經(jīng)濟生物量(干材)間的差異顯著(P<0.05)。而在不同林齡生物量增長量中，以10～15年生(51.81 t·hm-2)最大，分別為5～10年生(42.47 t·hm-2)和15～20年生(38.73 t·hm-2)的1.22倍和1.34倍，其中干材的增加量為36.81 t·hm-2，也高于5～10年生的23.59 t·hm-2和15～20年生的33.22 t·hm-2。

表3 不同林齡杉木人工林的喬木層生物量及其分配1)Table 3 Biomass and its distribution of tree layer of C.lanceolata plantations at different stand ages

在喬木層各器官生物量分配中，干材、干皮和樹根生物量均隨林齡增加而顯著增大(P<0.05)，樹葉和樹枝則呈現(xiàn)先顯著增大(5～15年生)后緩慢下降(15～20年生)的變化趨勢。如果把喬木層分為樹冠(樹葉+樹枝)、樹干(干材+干皮)和樹根三部分，則均以樹干生物量及其所占比例最高，并隨林齡增加而增大，由5年生的44.69%增加到20年生的71.98%；樹冠生物量所占比例隨林齡增加而下降，由5年生的37.53%下降到20年生的14.35%；樹根生物量所占比例則比較穩(wěn)定，為13.67%～17.78%。

2.3 林下植被和凋落物層生物量

林下植被和凋落物層都是杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對林地土壤肥力的恢復(fù)、維持和提高起著重要作用。從表4可見，5、10、15、20年生杉木人工林林下植被生物量分別為1.93、1.12、1.38、2.01 t·hm-2， 其中灌木層依次占29.02%、44.64%、47.10%、40.30%，草本層依次占70.98%、55.36%、52.90%和59.70%。森林凋落物是植物—土壤養(yǎng)分循環(huán)的聯(lián)結(jié)庫，是林地有機質(zhì)的主要物質(zhì)庫和恢復(fù)、維持及提高土壤肥力的重要基礎(chǔ)。不同林齡杉木人工林凋落物現(xiàn)存量在1.30～6.15 t·hm-2之間，隨林齡增加而顯著增大(P<0.05)，表明杉木人工林的生長過程有利于其凋落物的積累。

表4 不同林齡杉木人工林的林下植被和凋落物層生物量1)Table 4 Biomass of undergrowth vegetation and litter layer in C.lanceolata plantations at different stand ages t·hm-2

2.4 凈生產(chǎn)力

森林生產(chǎn)力直接反映森林的生產(chǎn)能力。本研究以林木年平均生物量作為喬木層凈生產(chǎn)力的指標(biāo)，由于未把凋落物生物量、根系損失量、林下植物以及動物啃食量等計算在內(nèi)，其凈生產(chǎn)力估算結(jié)果比實際低。從表1和表3計算出5、10、15、20年生杉木人工林年平均蓄積生產(chǎn)量分別為4.08、11.37、14.50、16.10 m3·hm-2·a-1，其年均凈生產(chǎn)力分別為3.83、6.16、7.56、7.61 t·hm-2·a-1，隨林齡增加呈現(xiàn)先顯著增加(5～15年生)后基本穩(wěn)定(15～20年生)的變化趨勢。從表5可見，不同器官凈生產(chǎn)力積累速率最快的是干材，為1.43～5.04 t·hm-2·a-1，占喬木層年均凈生產(chǎn)力的37.43%～66.24%，其凈生產(chǎn)力及所占林分凈生產(chǎn)力比例均隨林齡增加而增大；其次是樹枝、樹根、樹葉，分別為0.63～0.97、0.68～1.07、0.39～0.81t·hm-2·a-1， 積累速率最慢的是干皮，為0.28～0.48 t·hm-2·a-1，僅占5.78%～7.33%，呈現(xiàn)隨林齡增加而下降的趨勢。

表5 不同林齡杉木人工林年均凈生產(chǎn)力1)Table 5 Annual net productivity of C.lanceolata plantations at different stand ages

3 討論與結(jié)論

據(jù)報道，我國貴州省中部11、19和30年生杉木人工林喬木層生物量分別為54.72、102.82、115.26 t·hm-2[15]；河南省信陽市豫南5、10、15、20和25年生杉木人工林喬木層生物量分別為20.92、50.01、73.95、109.71和126.51 t·hm-2[16]；江西省分宜縣相近密度(1 667株·hm-2)12年生杉木林生物量為57.42 t·hm-2[17]。本研究中，5、10、15、20年生杉木人工林喬木層生物量分別為19.13、61.60、113.41、152.14 t·hm-2。可見，與我國其他杉木栽培區(qū)域相比，桂西北杉木林具有較高的生物量積累能力。而在杉木林生物量積累動態(tài)中，隨著林分的生長與發(fā)育，林木的自然整枝能力不斷增強，林木生長逐漸進(jìn)入或處于干材階段，干材生物量及其所占比例逐漸增大，其增長速度均高于喬木層生物量增長速度，樹葉和樹枝生物量所占比例則逐漸減少，表明杉木林的生長過程對于以培育干材為目標(biāo)的用材林經(jīng)營十分有利。不同林齡間喬木層生物量增長量中，10～15年生分別為5～10和15～20年生的1.22、1.34倍，其中干材增長量分別比5～10和15～20年生增加56.04%和10.81%，說明該生長階段喬木層生物量積累速率最快，同時也更有利于其經(jīng)濟生物量的生物積累。

受樹種生物學(xué)特性和撫育間伐等人為干擾的影響，不同林齡杉木林林下植被發(fā)育均較差，其生物量均小于2.02 t·hm-2，凋落物層生物量也明顯低于相同區(qū)域、相近林齡的光皮樺人工林[18]，不利于林地植物多樣性的恢復(fù)和營養(yǎng)元素的生物循環(huán)[19]。但由于杉木林凋落物現(xiàn)存量呈現(xiàn)隨林齡增加而增大的變化趨勢，說明杉木林的生長過程在一定程度上也促進(jìn)了凋落物的生物積累和養(yǎng)分歸還。因此，在杉木林經(jīng)營過程中，通過調(diào)控林分密度來促進(jìn)林下植被的生長發(fā)育和增加林下植物物種多樣性，從而加快凋落物層分解和腐殖化過程，將有利于提高林分的自肥能力，維持林地的持久生產(chǎn)力。

劉延惠等[15]研究表明，貴州省中部 11、19年生杉木人工林(喬木層，以下同)凈生產(chǎn)力分別為4.97、5.41 t·hm-2·a-1，廣西北部的16、23年生杉木人工林凈生產(chǎn)力分別為10.27、5.71 t·hm-2·a-1[20]，廣西武宣縣8、14、23年生馬尾松人工林凈生產(chǎn)力分別為4.00、7.71、8.11 t·hm-2·a-1[21]。本研究中，5、10、15、20年生杉木人工林凈生產(chǎn)力分別為3.83、6.16、7.56、7.61 t·hm-2·a-1，其中干材凈生產(chǎn)力分別為1.43、3.08、4.50和5.04 t·hm-2·a-1，均表現(xiàn)出隨林齡增加而增大的變化趨勢，表明桂西北杉木人工林具有較高的生物生產(chǎn)力水平。由于在不同林齡階段的發(fā)育和生長過程中，杉木林10～15年生階段的喬木層生物量增長量最大，凈生產(chǎn)力積累速率也較高，若在該生長階段根據(jù)林木和土壤養(yǎng)分特性進(jìn)行合理的林地施肥，將對滿足林木生長對養(yǎng)分的需求與促進(jìn)林木生長起到積極的作用。而在杉木林20年生后通過間伐進(jìn)行大徑材培育，不但可以繼續(xù)發(fā)揮杉木桿材生長階段的速生特性，并產(chǎn)生一定量木材(間伐材)而獲得經(jīng)濟收益，同時可以降低經(jīng)營管理強度，大幅度地節(jié)省經(jīng)營成本，提高木材產(chǎn)量和經(jīng)營效益，而且有利于增加林下植物的多樣性，促進(jìn)其生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分元素生物循環(huán)，在一定程度上解決杉木連栽造成的地力衰退和生態(tài)功能下降而導(dǎo)致的林分生產(chǎn)力下降問題[22-23]，從而實現(xiàn)木材收益和碳吸存收益的經(jīng)營目標(biāo)。