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Volume 31 Issue 1
Jul.  2019
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On the Maintenance of Long-term Productivity of Plantation in China

  • Received Date: 2017-10-10
  • This paper aims at maintaining the long-term productivity of plantations and improve the stand quality so as to achieve the sustainable management of plantation. Related research achievements and data at home and abroad were collected, and the following topics were discussed:the present situation of the plantations productivity in China, the reason and mechanism that the long-term productivity of plantations was not sustained in China, and the technical countermeasures for maintaining the long-term productivity of plantations in China. According to China's eighth national forest resources inventory, the productivity of plantation is obviously lower than that of the natural forest. The stand volume of dominant tree species in plantation is much lower than that of similar tree species in Japan. The lower productivity of plantation occurred mainly in large-areas plantations and the short-rotation poplar and eucalypt plantations in China. The reasons and mechanism of low productivity of forest plantation in China could be concluded as follows:1. pure forests and conifer plantations taking the majority, 2. The inappropriate intensive technical measures of forest cultivation, and 3. short-rotation plantation cultivation creating problems, such as decline of soil fertility in forest plantation, and monoculture of elite clones. The short-rotation plantations usually need high quantity and efficiency supply of nutrient with their characteristics of fast growing, larger volume increment, and shorter harvesting rotation. Since most of the sites for developing short-rotation forest plantations have poor soil conditions in China, the soil organic matters and nutrient will decrease significantly if successive cropping was adopted, which will bring about degradation of soil function. In order to achieve sustainable management of clonal poplar, eucalypt and other plantations in China, it is also necessary to carry out afforestation with multiple clones to avoid the negative effects due to the narrow adaptability range of few clones. In this paper, the author suggests that advanced intensive cultivation measures should be applied, i.e. genetic control, site control, stand density control, vegetation control and soil fertility control.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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On the Maintenance of Long-term Productivity of Plantation in China

  • Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China

Abstract: This paper aims at maintaining the long-term productivity of plantations and improve the stand quality so as to achieve the sustainable management of plantation. Related research achievements and data at home and abroad were collected, and the following topics were discussed:the present situation of the plantations productivity in China, the reason and mechanism that the long-term productivity of plantations was not sustained in China, and the technical countermeasures for maintaining the long-term productivity of plantations in China. According to China's eighth national forest resources inventory, the productivity of plantation is obviously lower than that of the natural forest. The stand volume of dominant tree species in plantation is much lower than that of similar tree species in Japan. The lower productivity of plantation occurred mainly in large-areas plantations and the short-rotation poplar and eucalypt plantations in China. The reasons and mechanism of low productivity of forest plantation in China could be concluded as follows:1. pure forests and conifer plantations taking the majority, 2. The inappropriate intensive technical measures of forest cultivation, and 3. short-rotation plantation cultivation creating problems, such as decline of soil fertility in forest plantation, and monoculture of elite clones. The short-rotation plantations usually need high quantity and efficiency supply of nutrient with their characteristics of fast growing, larger volume increment, and shorter harvesting rotation. Since most of the sites for developing short-rotation forest plantations have poor soil conditions in China, the soil organic matters and nutrient will decrease significantly if successive cropping was adopted, which will bring about degradation of soil function. In order to achieve sustainable management of clonal poplar, eucalypt and other plantations in China, it is also necessary to carry out afforestation with multiple clones to avoid the negative effects due to the narrow adaptability range of few clones. In this paper, the author suggests that advanced intensive cultivation measures should be applied, i.e. genetic control, site control, stand density control, vegetation control and soil fertility control.

  • 国际上很早就报道了19世纪关于德国、瑞士、挪威云杉人工林第二代生产力下降问题,20世纪40年代以后,又报道了印度尼西亚第二代柚木林生长减少的情况,以及澳大利亚南部新西兰的辐射松(Pinus radiata)、南非的展松(Pinus patula)及辐射松也存在第二轮伐期生产力下降问题。同时,国际上就如何才能维持森林长期生产力和林地肥力展开了广泛的研究。1989年国际能源机构生物能源组,研究了“森林收获对长期生产力影响”,并于1994年发表了著作《Impacts of Forest Harvesting on Long-Term Site Productivity》;1989年美国开始实施名为“The LTSP Experiment”(长期立地生产力试验)的大规模研究项目。1990年召开的国际林联第十九届世界大会上,J. EVans(美国的一位著名的人工林专家)做了“人工林长期生产力——1990年现状报告”。1993年,美国林业学会发表了“森林健康及生产力长期保持”的特别报告,提出了实施森林生态系统管理是达到森林健康和生产力长期保持的主要技术途径。这种管理主要包括维护生物多样性和土壤肥力。1995年,世界林业研究中心(CIFOR)人工林项目组织实施国际伙伴合作项目“热带人工林长期生产力研究”,包括8个国家9个树种,其中有2个树种是杉木与桉树[1]。国内,由于杉木人工林栽培历史悠久,杉农很早就知道连作会引起地力下降,20世纪60年代,中国科学院林业土壤研究所开始在湖南会同进行了研究,此后陆续有一些专家进行小规模的调查研究,“六·五”(1981—1985)期间,作者在研究杉木人工林速生丰产林栽培技术过程中,深切认识到地力衰退是发展杉木速生丰产林的重要技术障碍,因此在“七·五”(1986—1990年)“杉木人工林集约栽培技术研究”专题中作为一个重要内容(提高维护杉木林地土壤肥力)列入攻关。作者在1991年中国林学会森林生态分会与“杉木人工林集约栽培技术研究”专题组共同主持召开了《人工林土壤退化及防治技术学术讨论会》,并出版了《人工林地力衰退研究》一书。有关人工林长期生产力一词,是国外一些专家针对人工林存在生物学上稳定性差和生产力下降现象而提出的,在中国普遍地称作地力衰退,虽然名词有所不同,但是着重研究和解决的问题是相同的,就是要提高人工林生物学稳定性和维护长期生产力。本文主要针对我国人工林容易引起地力退化和病虫灾害等问题的原因与机理,在以往试验研究的基础上进行归纳总结,提出保持人工林长期生产力的技术对策,为提高我国人工林地的土壤质量、保持人工林健康稳定和长期生产力提供科学依据。

1.   我国人工林生产力现状
  • 按第八次全国森林资源清查结果报告,人工林面积为6 933万hm2,占有林地面积的36%。人工林蓄积为24.83亿m3,占森林蓄积的17%。人工林中乔木林4 704万hm2,占人工林总面积的68%。人工林乔木林按优势树种(组)分,面积比重排名前10位的为杉木、杨树、桉树、落叶松、马尾松、油松、柏木、湿地松、刺槐、栎类10个树种(组),总面积为3 439万hm2,占人工乔木林面积的73%,总蓄积量18.52亿m3,占人工乔木林蓄积的75%。

    我国人工林虽然面积很大,居世界第1位,但森林质量却不高。我国人工林不仅每公顷蓄积量低,年生长量也很低,按第八次清查的全国森林资源数据,森林蓄积量为89.79 m3 ·hm-2,其中天然林为104.62 m3·hm-2,人工林为52.76 m3·hm-2,人工林明显低于天然林。我国人工林优势树种,如杉木人工林的蓄积只为69.8 m3·hm-2,落叶松人工林蓄积为58.6 m3·hm-2,马尾松蓄积为56.2 m3·hm-2。上述3个树种均为我国人工林的主要树种,很有代表性,尤其是杉木,是我国造林面积最大、栽培历史悠久的高产树种,但按中国林科院科技信息研究所编辑的《世界林业动态》2007年10月30日报道,日本2002年3月公布的人工林资源数据,日本的针叶树、柳杉、扁柏、落叶松、阔叶树每公顷的蓄积量分别为227.97、295.83、191.51、189.88、142.29 m3·hm-2,远高于我国的人工林。

    关于生长量,作者按全国第七次资源清查中中龄林与近熟林的数据做了统计[2],杉木人工林为5.2~4.2 m3·hm-2,马尾松人工林为3.2~1.8 m3·hm-2,柏木人工林为3.4~3.2 m3·hm-2,3个树种年生长量也很低。上述3个树种的年生长量数据均是按照森林资源调查数据得出的,也就是在大面积上得到的数据,但我国重点或示范性、试验性的小面积人工林的生长量却是不低的,有的还很高。从我国制定的速生丰产林标准看,杉木中亚热带年生长量要求达到10.5 m3·hm-2以上,南北亚热带要求达到9.0 m3·hm-2以上,马尾松与杉木接近,落叶松要求达到7.5~9.0 m3·hm-2以上。据作者得到的小面积丰产林资料看,杉木、马尾松、落叶松3个树种每公顷年生长量均能达到速生丰产林标准要求,有的远高于标准要求,关于我国大面积发展的杨树和桉树无性系人工林也存在类似情况。从上面叙述的情况看,我国人工林小面积的生产力很高而大面积的却很低,其中原因,很值得认真研究。

2.   我国人工林长期生产力不能保持的原因与机理
  • 按全国第八次森林资源清查中对森林资源质量评价数据看,纯林面积占人工林总面积的85%,而混交林仅占15%,人工林中纯林比例高于天然林34个百分点。我国人工林针叶化明显,如人工乔木林10个优势树种中,针叶林的比例高达56.9%。作者对亚热带7个省做了统计,人工阔叶林的比例从1.7%到23.9%,平均起来大体为12%,作为我国亚热带以常绿阔叶林为主的林区阔叶人工林的比例太低了。关于纯林,由于森林结构单一,生物多样性低,针叶纯林的枯落物易积累不易分解、维护地力的能力差,因此,更缺乏稳定性。由几位著名的人工林专家写的《欧洲人工林培育》一书,在人工林长期生产力一节的结论中写道,关于与单作相联系的生物学上稳定性和潜在问题,仍然有许多需要研究,在一定的状况下,存在因土壤退化和病虫害而损失生产力[3]。针叶化与纯林化是我国人工林质量不高的重要原因。

  • 森林结构通常包括群落结构,如乔灌草组成不同层次的结构;林分结构主要指乔木层的树种组成、不同林冠层和直径与年龄结构等。通常说的复层异龄林,是由不同树种,不同年龄组成多林冠层结构的森林。天然林无论群落结构还是林分结构都是十分复杂的,主要是组成的植物区系成分多、树种组成多,最突出的是森林生物多样性高,这种复杂结构的天然林在水热条件优越的地方更为明显,如我国南方亚热带林区常绿阔叶林即是如此;但人工林多为纯林,由1个树种组成,有的纯林群落结构也不明显;而且,天然林还由于长期在一定的自然条件下演化而形成结构复杂的森林,对当地环境和林内生物间有很强的协调性和适应能力,因此在生物学上是稳定的,而人工纯林是短期内形成的结构简单的森林,其生物学稳定性远不如天然林,是不稳定的。

  • 生物多样性是森林稳定性的基础,生物多样性高的森林在生物学上是稳定的。人工林尤其是纯林,生物多样性很低,因而在生物学上是不稳定的。纯林由单一树种组成,现代人工林也还有单一无性系的纯林,不仅物种少,而且基因也很单一。纯林尤其由单一无性系组成的纯林对环境变化的应变能力低,对生物性灾害的抗性低。生态系统多样性、生物多样性和基因多样性是生物群落的保卫机制,天然林稳定是因为其生物多样性高。如贵州梵净山天然林区的栲树林,29个调查样地有植物种377种,参与构成乔木层的树木有152种,林下植物195种[4], 但天然林采伐后营建的杉木林是纯林,林下植被的植物种不到100种。在森林生态系统中植物多样性是其他生物多样性的基础,其他生物(如动物、微生物)多样性是随植物多样性而改变的,因此杉木人工林的生物多样性远低于它的前身栲树林或其他常绿阔叶林。陈楚莹等对人工林混交林与纯林的生物多样性比较研究结果表明,25年生杉木木荷混交林,30年生马尾松栲树混交林,30年生杉木阔叶混交林与纯林相比,除乔木层树种丰富度远高于纯林外,林下植被植物种也高于纯林,此外,混交林动物多样性、土壤的动物多样性和土壤微生物多样性也均高于纯林。人工混交林能够在生物学上提高人工林的稳定性[5]

  • 这里举一个德国的例子:德国在历史上为提高森林生产力,将原有的很大范围的天然混交林皆伐后改为同龄林(主要为云杉林),单层针叶林占主导地位,纯林对风暴雪折等抗性低,1951—1988年期间,德国巴伐利亚州森林利用量中25%为被动利用的灾害性采伐,1982—1989年因灾害强制性的采伐更高。1990年风暴对云杉威胁最大,占风倒的80%,与栎类相比,云杉遭灾高7倍[6]。2008年1—2月我国南方发生了历史罕见的重大冰雪灾害,这次灾害,人工林受损严重,尤其是纯林。据湖北省的调查[7],潜山县杉木纯林受灾率,平均受害等级和受害指数比混交林高70%、131.2%和85.0%,纯林中的杉木也比混交林中的杉木分别高97.8%、164.9%和58.9%;柳杉纯林与混交林相比也有类似情况。

  • 人工纯林特别是针叶纯林对大气污染更为敏感。如欧洲很早就出现了SO2排放对森林的危害,受害严重的是针叶树,如挪威云杉(Picea abies),欧洲赤松(Pinus sylyestris)和欧洲冷杉(Abies alba)。在中国,酸雨研究始于20世纪80年代中叶,以后有不少酸雨危害森林的报道,针叶林受害严重,如重庆南山1 500 hm2马尾松(Pinus massoniana)林,酸雨危害死亡率达46%;四川峨眉冷杉(Abies fabri)森林死亡率达40%;此外,柳州市郊、广州市郊、杭州市郊和天目山等地酸雨对马尾松林、杉木林危害也严重[8-9]。关于人工林的抗性,国内外提供的大量资料显示:人工纯林尤其是针叶纯林抗性低,群落或林分结构好的人工林,如混交林抗性较强,而群落或林分结构差的抗性低。产生上述原因的机理在于不同树种的抗性是不同的,如冯宗炜[8]认为树木对酸雨的敏感性和生态效应因树种而不同。他做了酸雨和SO2复合污染危害的试验,亚热带108个树种属于敏感的有27种,中等敏感的55种,抗性树种26种,其中敏感的有水杉(Metasquoia glyptostroboides)、银杏(Ginkgo biloba)和珙桐(Davidia involucrata)等。不同树种应对自然灾害的能力也不同,一些浅根系的树种,如云杉、毛竹、杉木,很容易受风灾和冰雪灾害,易于翻蔸倒状;相反一些落叶阔叶树在风雪冰灾中受害轻,如枫香、南酸枣、马褂木、银杏、锥栗,一些栲类受害也轻,因此不同树种混交,尤其多树种混交,可以减轻受害程度。一些复层异龄的森林,如果上层树种是抗灾害能力强的,可以保护整个森林少受灾害。

  • 人工林尤其是纯林,生物学上的不稳定性也明显地表现在维护地力的能力上,主要是维护地力能力弱,因此容易引起地力退化。人工纯林枯落物组成也是单一的,因为枯落物的组成,决定着分解枯落物的土壤动物、微生物的类群与数量。国内外许多研究证明,多种植物的落叶混合分解时,起分解作用的土壤动物、微生物种类与数量均丰富,能提高分解速率。此外,凋落物N含量与C/N比值与分解速率有密切关系。针叶含N低,C/N比值高,分解速度慢,如杉木C/N比值为77.7,而桤木叶与刺楸叶C/N比值均比杉木低,分别为32.7和42.7,分解速率比杉木快,杉木、桤木和刺楸分解95%所需时间分别为6.1、3.1、3.4 a[5]。因此纯林的凋落物,尤其是针叶纯林凋落物分解慢,凋落物易在林地积累。如一个22年生落叶松人工林,年凋落量为3.03~4.31 t·hm-2,凋落物积累量可达21.10~28.01 t·hm-2,凋落物中的养分储量达892.054 kg·hm-2。这是针叶纯林维护地力能力弱的重要原因。还有在热带和亚热带,由于高温和降水的风化与淋溶,土壤养分不足,只顶层几厘米厚的土壤肥沃,但是能够支撑高的生物量,是因为枯落物不断快速的分解和养分释放,因此枯落物的快速分解和养分归还是保持林分生产力极为重要的因素,如何提高纯林的养分循环能力,是纯林特别是针叶纯林育林中重点要解决的问题。

  • 我国林业科学发展较为滞后,一些先进的育林技术还没有完全得到推广,在发展人工林中一些传统的育林技术还在应用,林业经营强度不够高,突出表现在:①在育林中立地控制技术尚没有得到有力推广,常常做不到适地适品种;②造林作业中普遍引起水土流失,影响地力维护;③连作引起地力退化。

  • 立地条件选择在人工林营建上是基础性的,也是关键性的。我国人工造林很重视适地适树适品种,也因此进行了立地分类与立地评价,取得了不少成果,但实际上并未在应用和推广上下功夫。根据立地评价的研究结果,我国人工林单位面积蓄积量和年生长量,仅有一些小面积示范林、试验林等较高,不低于世界水平,但在大面积上(主要按国家森林资源统计的数字)却是很低的。每公顷蓄积量产生大面积低的原因是人工林集约经营措施在大面积上因各种因素难于做到,其中特别是立地控制,尤其在山区,地形、岩性、土壤、植被等立地因素的异质性高,立地控制存在难度。如在南方山区不少地方按自然地形或坡面划分小班(细班)。一个小班常常大到几公顷(如4.7~5.3 hm2),最大的可达数十公顷。作者在南方随机找了几个林场,按林场小班调查资料做了统计,林场原低山丘陵地貌面积共9 706.7 hm2,共1 851个细班,平均细班面积为5.24 hm2,有林地最大细班面积24.1 hm2,大于6.6 hm2的细班面积共435个。南方低山丘陵地形较破碎,小班面积过大,小班内土壤异质性高。根据在南方这样的山区进行的立地类型及评价调研,上述小班面积常常涉及一个坡面,从山麓到山脊按杉木进行立地评价,大体包含着4个或5个地位指级,即18、16、14、12、10,显然按这样的小班划分和进行管理属粗放经营,人工林生产力不会高,但此种小班的划分却在南方林区是普遍的。对人工林培育目标的控制,如培育大径材,也发现在一个较大的坡面或小班的杉木或马尾松林分,均纳入大径材培育,不进行立地控制;然而按作者的研究,杉木、马尾松大径材要求在18或18地位指数以上立地进行培育才易成功,培育周期才能缩短,经济效益才高。这种由于立地控制的不适当而造成的粗放经营,是我国人工林长期生产力保持中的突出问题。

  • 人工林连作因几代人工林连续采取相似的不利于地力维护的育林措施,从而引起连作人工林地力退化和生产力下降,这在我国已是一个普遍存在的问题,研究得比较深的有杉木人工林、桉树人工林、落叶松人工林。有研究和报道的还有柳杉人工林、刺槐人工林和杨树人工林等。多年的研究结果表明连作能导致人工林生长量下降[10]。目前杉木人工林已观测到第3代,从相似立地和密度林分的蓄积量指标看,连作杉木人工林第二代生产力比第1代下降了15%~30%,第3代比第1代下降了30%~50%,在立地条件差的地方,下降得更为明显,下降幅度更大,如有的地方第3代比第1代下降50%以上。此外,连作对杉木人工林的生物生产力、碳分配及林分净生产力的影响随着栽植代数而改变,不同地位指数及不同发育阶段杉木林分生物量均呈现逐代下降趋势。如16地位指数林分与1代林相比,2代幼龄林、中龄林和成熟林林分分别下降5.87%、11.68%和1.45%,3代幼龄林、中龄林和成熟林林分分别下降49.22%、60.53%和17.44%;净生长量,也反映出类似规律。连作对不同器官生物量的分配比例上也有一定影响,即1代林比2代林树干所占比例大,但2代林树根所占比例大于1代林,而且根的比重随着代数增加而提高。桉树人工林已观测到第4代,以刚果12号桉W5无性系为例,以群体生物量为指标,第2代比第1代下降了19.6%,第3代比第1代下降了26.2%,第4代比第1带下降了44.6%。落叶松人工林只有第1代与第2代的生长比例报道,第2代蓄积量下降了40%。

  • (1) 以杉木人工林为例

    人工林连作引起生长量下降的主要原因有2个[10],一个是一些人工林如杉木人工林受传统育林制度的影响,在造林育林过程中采取炼山、火烧清林、全垦,全面幼林抚育以及皆伐作业,造成大量有机质的损失和水土流失,作者的测定结果表明,在板页岩发育的红黄壤上,在一个轮伐期中损耗养分2 371.96 kg·hm-2损失有机质34.06 t·hm-2,连作2~3代,而又不改变传统的育林制度,养分与有机质损失是巨大的,而且在杉木人工林经营中,很少用施肥来补充养分。另一个是针叶人工林枯落物组成以针叶为主,分解速率慢(杉木年分解速率在25%~45%之间,马尾松为42%),养分释放慢,易在林内积累(见本文2.1.3节)。从土壤养分看,连作代土壤养分是随连作代的增加而下降。南方土壤(黄红壤)P元素是林木生长的限制因素。按福建南平不同杉木连作代土壤中有效磷测定(0~20, 20~40 cm土层),14地位指数,幼龄林2、3代分别下降20.4%、22.4%;中龄林2、3代分别下降25.6%、32.2%;成熟林2、3代分别下降32.3%、39.4%;16地位指数幼龄林,2、3代分别下降73.0%、41.7%,成熟林2、3代分别下降27.4%、16.6%。这些资料说明,在14~16地位指数的立地条件连作,杉木幼、中、成熟林P元素均是下降的,而且下降的幅度较大,从16.6%到73.0%,多数在22%~40%之间。除P元素外,有机质和水解N等也是下降的,只是没有P元素明显。土壤物理性质也有较大的改变,如根据作者对江西分宜亚林中心15个样地的分析,在12、14、16地位指数立地上连作,2代杉木林地的土壤密度增加而毛管持水量下降,如12地位指数土壤密度从1.13 g·cm-3增至1.40 g·cm-3, 14地位指数的土壤密度从1.06 g·cm-3增至1.32 g·cm-3, 16地位指数土壤密度从1.18 g·cm-3增至1.22 g·cm-3。土壤密度增加是与土壤有机质含量下降和结构恶化有关,杉木是喜欢土壤疏松而通风透气的树种,土壤密度增加,有碍杉木的生长。

    此外,连作还影响到林地土壤的生物特性的改变。随着杉木人工林栽植代数的增加,林地微生物数量趋于下降。如14地位指数的杉木成熟林,2代林土壤的细菌、放线菌、真菌数量分别比1代林下降63.80%、63.01%和70.23%,16地位指数杉木成熟林土壤微生物总数、细菌总数2代林较1代林分别下降了76.93%和21.28%。连作后,土壤酶活性也下降了,包括脲酶、转化酶、H2O2酶、磷酸酶和多酚氧化酶。如与土壤N素循环和有效N转化有关的脲酶活性,12、14、16地位指数的2代林比1代林分别下降了68.50%、62.50%和73.62%,又如影响P素代谢的磷酸酶活性,12、14、16地位指数的2代林比1代林分别下降了70.37%、36.17%和59.63%。

    (2) 以桉树人工林为例

    属于短周期经营的桉树无性系人工林也存在连作生产力下降问题,在广西雷州林业局进行连作4代的桉树林分调查,连作4代的4、5年生刚果12号按W5无性人工林,密度均为3 000株·hm-2,其不同连作代生长指标[1]表 1

    连作代 地点 调查时密度/
    (株·hm-2)
    平均高
    /m
    平均胸径
    /cm
    蓄积/
    (m3·hm-2)
    1 山口队 3 201 15.21 9.8 160.00
    2 山口队 3 179 14.1 9.0 126.59
    3 田头队 2 919 14.0 8.2 98.11
    4 田头队 3 195 12.2 7.3 75.88

    Table 1.  Comparison of the growth of 4/5 years in different continuous cropping systems of W5 clones of Eucalyptus ABL.12

    表 1看出:连作代刚果12号桉W5无性人工林平均高、平均胸径和蓄积量也随连作代数的增加而下降,下降的幅度也随代数的增加而增加。平均树高2、3、4代比1代分别下降了7.3%、7.9%和19.8%;平均胸径比1代分别下降了8.2%、16.3%和25.5%;蓄积比1代分别下降了20.9%、38.7%和52.6%。而且调查发现,上述3个因子下降是与树冠特征因子的下降紧密相关的。连作使冠幅、冠长、冠率、树冠体积、树冠体积指数、冠长/树高比例和平均单株叶量、叶面积、叶面积指数和叶面积密度,也明显地下降了;而且粗根与细根量也随连作代数增加而下降。总之连作使林分整体退化了。

    桉树无性系林木生长与林分整体退化是与林地土壤质量随连作代数的增加而降低有关,如土层0~20、20~40及0~120 cm的土壤物理性质和化学性质的均值均随连作代的增加而改变。如土壤密度在种植前(次生林)到1~4代土层0~120 cm的均值,从1.34 g·cm-3增至4代的1.60 g·cm-3;有机质从9.72 g·kg-1降至6.1 g·kg-1,有效P从2.8 mg·kg-1降至1.4 mg·kg-1。即连作导致土壤物理与化学性质恶化,土壤质量退化了。

  • 我国传统的造林作业,如杉木在造林前先要进行砍山(砍去造林地上的灌杂木等),炼山(火烧清理造林地)而后进行整地(带状或穴状)。炼山时烧去造林地上的所有有机物,损失大量有机质和养分,在山坡上炼山后的整地,常常引起严重的水土流失。根据福建尤溪炼山后3年观测(粉砂岩发育的黄红壤,穴垦)数据共损失有机质989.35 kg·hm-2,养分586.26 kg·hm-2,而获得的有效养分在一年后也多流失。

    由于桉树造林是在浅海沉积物发育的砖红壤上进行机耕整地,水土流失也很严重。年径流量达4 955 m3·hm-2,随径流流失的速效养分相当于尿素283.4 kg· hm-2·a-1,过磷酸钙8.9 kg· hm-2·a-1,氯化钾406.4 kg· hm-2·a-1所含养分;随径流流失的表土达16.8 t·hm-2·a-1,随表土流失的有机质、全N、P、K养分,相当于滤泥789 kg· hm-2·a-1,尿素19.3 kg· hm-2·a-1,过磷酸钙35.4 kg· hm-2·a-1,氯化钾48.7 kg· hm-2·a-1。地表径流和土壤侵蚀是造成杉木、桉树人工林土壤贫瘠化和肥力下降的最主要、最直接的原因[10]

    由于我国人工造林多在山区,通常坡度较陡,不少造林地超过25°,甚至30°~40°以上,加上一些人工幼林,如杉木、马尾松幼林,常采用全面抚育或扩穴抚育,忽视有水土保持价值的地面植物的保留,故易引起水土流失。以杉木幼林抚育为例,在福建尤溪花岗岩发育的红壤上,块抚和扩穴连带的5年平均年土壤流失量分别达18.517 t·hm-2和19.739 t·hm-2,有机质平均每年损失338.879 kg·hm-2和365.849 kg·hm-2,养分平均每年损失277.215 kg·hm-2和297.699 kg·hm-2,分别是不抚育的23、27倍。这个损失数值已远大于炼山及整地对土壤肥力的影响[10]

    总之,传统育林中的造林作业导致的水土流失,对人工林的地力维护带来严重的不利影响,尤其在山坡较陡,土壤抗蚀能力差,又忽视造林作业保留地被植物的情况下更为严重。

  • 短周期人工林,也可以称之为集约经营的工业人工林,国外也有称作树作(Tree Crops)的,也就是将树木像农作物一样的栽培,通常采用速生树种及其无性系种植,生长速度快,生长量高,培养周期短,在中国如桉树人工林,采伐年龄5~7 a,杨树人工林采伐年龄约10 a,集约培育主要是培育工业用材。此类人工林常常还实行全树利用,因此在培育中消耗地力大,这需要大量土壤养分的持续维持。其次,此类人工林多采用无性系培育,无性系对环境的适应性相对较窄,有的对立地要求有专一性,严格选择好立地条件才能高产。因此人工林短周期经营会带来2个关键问题,一是对林地肥力要求较高,二是如何利用好无性系才能保持长期生产力。

  • 短周期培育的无性系人工林生长速度快,生长量大,年生长量可达20~22 m3·hm-2,甚至更高,但培育周期短,而且常常实行全树利用,因此培育短周期无性系人工林,林地消耗养分量大,而我国发展无性系人工林的土地多属撩荒地,弃耕地和经长期破坏后退化的山地森林土壤,属肥沃土壤的土地不多。因此在上述2种情况下,培育无性系短周期人工林潜在问题不少。如上一节讲到的4、5年生的刚果12号桉W5无性系通常主要利用地上部分,消耗养分571.75 kg·hm-2,其中,N、P、K、Mg分别为177.28、15.71、125.9、68.99 kg·hm-2。如果连根也加以利用,林地养分多损失10.9%;而且如桉树枯落物常常作薪柴利用,则还要多损失养分218.26 kg·hm-2。如果多代连作,4代加起来养分的损耗是巨大的,仅地上部分高达1 656.92 kg·hm-2。Boyle估算过,在全树利用的基础上,经营白杨林分,将30年1次轮伐期改为每10年1次的3个轮伐期,则增加的N、P、K和Ca养分运出量分别为345%、239%、234%和173%。

    森林的集约经营与森林利用最关键的,就如何才能维持人工林生产力和林地肥力提出的重要问题已经引起世界各国关注,经营强度和养分之间有密切关系。如桉树4代连作经营,土壤养分储量明显下降。前茬的次生林N、P、K、Ca、Mg,0~60 cm土层的总含量为4 383.4 kg·hm-2,经过4代连作,土壤养分储量降为3 075.8 kg·hm-2。有机质明显下降,前茬次生林为10.39 t·hm-2,到了第3代桉树林分只有4.89 t·hm-2。尤其是土壤中有机质储量下降,会给土壤质量带来严重影响,对土壤化学、物理、生物性质与其功能均有危害。

  • 我国短周期工业人工林经营的主要为2个树种(树种组),一是桉树人工林,二是杨树人工林。桉树栽培多在南亚热带及其以南地区,杨树多在中亚热带至温带地区,二者均速生、高产,当前均为用优良无性系种植的人工林。按第七次全国森林资源统计资料[2],人工乔木林主要优势树种(组)面积:杨树757.23万hm2,桉树254.14万hm2。从生产力看,桉树:巨桉、尾赤桉、尾巨桉无性系,5~7年生长量可达30.0~45.0 m3·hm-2·a-1,杨树:美洲黑杨、欧美杨无性系,10年生生长量可达20~30 m3·hm-2·a-1;但从森林资源调查数据看(即大面积上的),桉树、杨树均达不到上述的生长量。如按全国杨树中龄林(11~15 a)面积与蓄积统计,蓄积为67.6 m3·hm-2,生长量为5.4 m3 ·hm-2·a-1;按省计,江苏省蓄积为74.0 m3·hm-2,生长量为9.9 m3·hm-2·a-1;山东省蓄积为76.36 m3·hm-2,生长量为6.3 m3·hm-2·a-1;黑龙江省蓄积为115.5 m3·hm-2,生长量为9.2 m3·hm-2·a-1。江苏、山东、黑龙江三省是杨树产量高的省,但3个省杨树年生长量仍然很低。如按速生丰产林标准[11],江苏、山东两省杨树生长量应达到18 m3·hm-2·a-1,黑龙江省应达到12 m3·hm-2·a-1。小面积上杨树无性系年生长量,如长江下游平原的美洲黑杨I-69等10年生可达22~35 m3·hm-2,黄淮流域平原欧美杨107、108可达20~30 m3·hm-2,东北地区的小黑杨无性系15年生长量可达10~15 m3·hm-2。又如桉树无性系小面积丰产林比较高,在南亚热带与北热带的巨桉、尾巨桉无性系,生长量可达30.0~45.0 m3·hm-2·a-1,但大面积上却很低,广东省桉树无性系以中龄林统计,蓄积量37.5 m3·hm-2,生长量为5.0 m3·hm-2·a-1; 广西蓄积量为33.2 m3·hm-2,生长量为4.4 m3·hm-2·a-1; 海南省蓄积量为30.13 m3·hm-2,生长量为4.0 m3·hm-2·a-1。总之短周期经营的大面积杨树与桉树人工林生长较差,反映了在大面积上栽培存在突出的问题。

    首先定向培育技术措施在大面积上难于推广,虽然杨树等速生丰产林标准中有明确规定,如关于立地条件选择中对地势土壤要求是恰当的,但是不论是杨树栽培的一些平原地区和桉树栽培的一些丘陵台地,土壤异质性高,由于缺乏立地分类与评价技术,在造林时不同无性系的适生地块难于落实,但不同无性系对立地条件的要求不同,而且定向培育措施,如施肥、整地、造林密度等技术和定向培育目标,均要由立地条件来确定,因此,在丰产林培育中没有做到适地适树,即使采取的其他培育措施是科学的,也难于提高生长量。

    其次当前我国在短周期人工林培育中,采用的优良无性系的数量不足,这也是无性系人工林稳定性差和生产力不高的主要原因。一些优良无性系虽然生产力高,但适应性窄,抗性不强,只有多无性系造林才能提高无性系人工林的适应能力和稳定性,并保持长期生产力。按照国外对优良无性系的栽培经验,应在一块较大的造林地上,需要采用多无性系相嵌配置造林,巴西是种植桉树无性系的先进国家,一些公司推荐:在确定的面积上相嵌10~20个无性系(品种),每个无性系不大于40 hm-2[12];但如根据杨树速生丰产用材林定向培育技术规程,杨树有13个栽培区,除松辽平原、海河平原及渤海沿岸和黄淮平原3个栽培区有较多无性系,其他栽培区只有少数几个无性系[11]。桉树除了一些大公司掌握较多无性系,大多数社会造林的无性系主要有2个,即尾巨桉2个无性系:DH329和GL9。从中亚热带南部到北热带这样广阔的,水热、地形、土壤条件十分复杂的区域主要种植2个优良无性系,显然是难于做到适地适品种的,所以,桉树栽培区一部分栽培好的桉树人工林生产力高,但从森林资源调查的数据看,普遍不高。据专家反映,桉树无性系人工林仍然存在油桐尺蠖及青枯病严重为害,每年生长量损失较大。

3.   我国人工林长期生产力保持的技术对策
  • 在“七·五”和“八·五”期间,国家开始对人工林发展中的问题进行了立项研究,组织科技攻关,分别设立了“人工林集约培养技术研究”和“短周期工业用材林定向栽培技术研究”2个项目,作者是这2个项目的技术负责人,共设置了分别不同树种的9个专题,同时作者也承担了杉木方面的2个专题的研究。通过10年的全国性协作攻关研究,较好的解决了我国人工林中存在的一些关键性科技问题,改变了在人工林科技上的落后状态,提出了人工林科学而有效的育林技术体系,即5个控制和1个优化栽培模式。这5个控制是遗传控制、立地控制、密度控制、植被控制和地力控制。所谓优化栽培模式,就是各项育林技术措施优化组合,并编制经营模型,进行产出和经济上的优化选择。这5个控制1个优化,在速生丰产林营建中进行了推广应用,证明是行之有效的。除“七·五”“八·五”攻关项目外,作者还承担了国家自然科学基金重点项目即“杉木、桉树”人工林长期生产力保持技术对策项目。涉及人工林长期生产力保持问题,原因是多方面的,采取的技术措施也应是综合的,从作者及其团队长期研究与实践看,只要做到上面提到的5个方面的控制,就能保持人工林的长期生产力。

  • 所谓遗传控制,就是营建人工林时要选择适合造林地和培育目标要求的,生长量大,抗性与适应能力强,经济性状好的种植材料,包括树种、种源、家系和无性系,这是保持人工林长期生产力的关键,使人工林由有优良遗传成分的林木组成,保持人工林优质健康、稳定高效,从而获得高的培育效果。

    我国建国后一直重视人工林的发展,为达到速生、丰产、优质、高效的目标,很重视树木的遗传改良,我国一些主要造林树种均已进行了遗传改良,从种源选择到家系、无性系选育,已经为人工林中优良种植材料的选择奠定了基础。目前我国杉木、马尾松、落叶松主要人工林树种均可以采用优良种源、家系造林,而杨树与桉树等短轮伐期树种人工林均可用优良无性系造林。在立地选择及其管理措施适宜的情况下,采用良种的林分稳定、生长量高,杉木、马尾松人工林的生长量可达9~10 m3·hm-2·a-1,杨树人工林可达20 m3·hm-2·a-1,桉树人工林可达20~25 m3·hm-2·a-1。据欧美杨无性系在华北平原大面积推广看[13],107与108意杨无性系的生长量可达22.5~37.5 m3·hm-2·a-1。实际上这些良种在一些丰产示范林的生长量均有更高的记录。从与过去还没有采用良种前人工林生长量比较看,年生长量普遍要高出1~2倍以上。

  • 立地控制是使人工林稳定生长并达到预期培育目标的前提。树木和其他生物体一样,对生存环境有一定的适应性和一定的要求,栽种的树木如果选择的环境能满足其要求,做到适地适树(品种),建立起来的森林才能稳定,才能充分发挥其生产潜力和环境效益。立地条件是由气候、地形(间接的,是影响气候、土壤和生物的综合体)、土壤决定的,立地条件的差别在林业上通常是采用立地分类,建立分类系统来解决的。立地控制具体地说就是控制树木(品系)所适宜生长的立地条件。人工造林立地控制好了,长期生产力的保持就有了更大的把握。人工林的立地条件,应该从宏观、中观和微观(立地类型)3个方面去控制。

    图 1为杉木产区立地类型分类系统,以此例子来说明人工林的立地控制[14]。1个树种的栽培区划分属于宏观立地控制,也就是控制大气候条件,使造林树种在最适合的气候区域栽培。如杉木栽培区(产区)划分为3个带和5个区,下边还设了3个亚区:杉木产区分中带(中亚热带)、南带(南亚热带)和北带(北亚热带)。中带是杉木中心产区,其他两带是边缘产区。中带水热条件最优越,最适合杉木生长,生产力最高。杉木的速生丰产林基地主要应部署在中心产区。

    Figure 1.  Site type classification system of Chinese fir cultivation zones

    立地的中观控制,主要控制立地类型区,它是由中地貌(中气候)的差别作为依据来划分的,在中地貌中低山立地类区水热条件最适合杉木生长,其他类型区杉木生产力相应较低,杉木造林基地(造林地)主要应设置在低山立地类型区。在这个区域中还应考虑岩性的差别(即亚区),如板页岩和花岗岩上发育的土壤也均适合于杉木生长的岩性条件。

    立地的微观控制,主要控制坡位和坡向(类型组)以及土壤条件(主要为土层厚度和腐殖质层厚度,为立地类型)。在坡位中以山坡和山洼营造的杉木林生产力高,在土壤条件中以中、厚土层及中、厚腐殖质层的高,这些部位都是造林地主要选择的立地类型组和立地类型。

    总之,通过从大气候、中地貌(中气候)到坡位、坡向与土层以及腐殖质层厚度、分层的多因子选择控制立地条件,使人工林的造林基地和造林地分层都落实到最适宜的地方,以保证为人工林长期生产力的保持打好基础。

    为了使立地控制最终落实到预估人工林的生产力(蓄积量),对杉木、马尾松、意杨、刺槐、落叶松等还编制了按立地类型区的立地质量评价表,评价指标(立地指数与蓄积量)分林龄(20、25、30 a)落实到立地类型。其中杉木、马尾松的立地质量评价表能达到使用的程度[15]

    有关立地控制,因内容太多,只能概括地写,要深入了解请参阅文献[15]。

  • 密度控制,实际是对林分进行生理生态和遗传控制。通过密度控制,调整林分的密度,改变林冠的郁闭度与林分的光辐射状况和光状况,以满足适宜保留林木生长的光照条件;同时改善林下光状况,促进林下植被的发育,有利于人工林群落结构的形成,增加人工林的生物多样性;还能改变林木的遗传成分,使林分有生产力更高、材质更好的林木组成;并拓展保留林木的发展空间,获得更多的营养面积。总之,通过密度控制,使林分在整个生长发育进程中在生理、生态和遗传上保持良好的状态。密度控制是伴随着林分培育全过程的,由此可见,林分密度控制对保持人工林的稳定性和长期生产力有极端的重要性。

  • 林分的光状况对林木的光合生产率有重要影响,而林分的光状况是受林分密度控制的。据研究测定,6年生的3种不同密度的I-69杨,低密度(555株· hm-2)、中密度(800株· hm-2)、高密度(1 665株·hm-2)林单株光合生产率分别为76.76、78.16和23.66 g·株-1·h-1。高密度林分光合生产率受到严重抑制,只有低密度林分的30.82%,更低于中密度林分。到7年生时,中密度林分单位面积光合生产率(g·m-2·h-1)也开始下降,说明这时已超过最适密度状态[16]。因此林分需要进行密度调整,才能获得充分利用光能的效果。

    在生产中,林分的光照状况,常常用树冠相连接时的郁闭度来判断,并参照林木的自然整枝状况,通常认为林冠郁闭度在0.6~0.7对林木生长是适宜的,耐荫树种和喜光树种间有些差别。间伐能调整林分密度和郁闭度,改善保留林木的生长环境,促进林木生长。当林冠郁闭度达到一定值后,如0.8以上时,由于林分光照不足,影响林木生长,这时要开始间伐,如果不间伐会影响林木正常生长。在营林上常将林分郁闭度在1.0以上时的值称之为林冠重叠度,林木间冠幅的重叠覆盖导致林内光照恶化,林木竞争激烈,如杉木人工林当林冠重叠度达到1.2~1.5时,对胸径产生明显影响,当达到1.6以上时,对胸径产生严重影响。杉木人工林密度试验(每600 m2的株数)表明[17]:当林分5年生时,A密度(100株)、B密度(200株)、C密度(300株)、D密度(400株)、E密度(600株),林冠郁闭度与重叠度分别为0.63、1.04、1.27、1.33、1.76,平均胸径分别为5.9、5.2、4.6、4.1、3.8 cm。林分8年生时,林冠重叠度分别为1.18、1.77、1.56、1.87、2.00,相应的平均胸径分别为11.5、9.4、8.1、7.2、6.4 cm;林分12年生时,林冠重叠度分别为1.10、1.36、1.38、1.62、2.03,相应的平均胸径分别为14.8、11.7、10.1、9.0、8.0 cm。显然林冠重叠度愈高胸径生长愈小,如A密度林冠重叠度小,8~12年平均胸径生长量为3.3 cm,而E密度林冠重叠度大,8~12年平均胸径生长量为1.6 cm。此外,高的林冠郁闭度,不只是影响胸径生长,还影响蓄积年生长量。如也是上述杉木人工林的密度试验,林分蓄积量在14年前总是密度大的林分蓄积量高,如林分14年生时,A、B、C、D、E密度林分的蓄积量分别为218.28、242.77、249.09、253.25和271.42 m3· hm-2,但14年后,E密度林分连年生长量也明显下降,从12~14年时的年生长量21.02 m3下降到14~16年时的16.66 m3和16~18年生时的6.68 m3

  • 上述杉木人工林不同密度林冠重叠度与年生长量的关系也在杨树人工林的密度试验林中出现,即当一定年龄以后最密的林分首先出现年生长量的下降。这种情况是与林分同化器官叶面积及其指数下降有关。当研究健杨林分叶面积指数与林分的密度和年龄关系时[18],发现高密度林分(如3 m×2 m株行距)在4年前叶面积指数随年龄的增加而增加的,4年生时为峰值,而后开始下降;而5年前,其叶面积指数总是高于其他密度较低的林分,林分的蓄积年生长量也是随着叶面积指数的变化而变化,这与杉木人工林不同密度林分林冠重叠度和蓄积生长量是一致的。林冠重叠度达到一定程度(杉木人工林在2.0左右)后,落叶树叶面积指数会下降,常绿树,尤其针叶树,因为存在多年生的叶,叶面积指数可能还较高,但树冠的挤压、光照减弱,光合效率也是下降的。虽然较高的生物量累计相应有较大的叶面积,但是,生物量的生产效率与叶面积之间没有线性关系。随着叶面积的增大,植物生物量的增加是在不断减弱的光强下进行的,因此,对生产净光合产物的作用越来越低,这就使得单位叶面积的总生长效率随叶面积的增大而降低[19]。因此,进行林分密度控制时,不仅要关注林分的株数密度(株行距)和郁闭度(包括重叠度),还要关注光合器官叶面积、叶生物量和叶面积指数与上述几种密度指标的关系。

  • 现在提出植被控制或者叫植被管理,这是因为过去人工林的大面积盲目发展已经使不少当地的原生植被、次生自然植被遭到严重损害,有的人工林区几乎很少见到原生植被,即使存在也多为零星分布或多分布于边远不可及的地方;而人工造林又多纯林,人工林针叶化严重,生物多样性很低。中国南方大面积集中连片的桉树人工林、杉木人工林、马尾松人工林,在北方大面积的杨树人工林、落叶松人工林等,森林类型单一,完全改变了以往林区森林植被类型的多样性、植物区系与生物区系的多样性状况,使整个人工林区的环境趋于恶化,生态失去平衡,人工林稳定性差,各种病虫害频发,地力严重衰退。人工林植被控制的目标是:使发展人工林的区域,通过合理规划调整林区的天然林、人工林、针叶林、阔叶林、纯林和混交林的合理比例,在林分水平上使人工林结构得到改善,提高生物多样性和生产力,并达到人工林的健康和持续经营;在区域水平上使人工林区(基地)植被结构与布局趋于合理,森林类型多样性增加,环境获得改善。

  • 发展多树种造林是改变我国人工林树种单一化、针叶化和提高人工林稳定性的重要途径。我国树种极其丰富,有许多不仅用材价值高,而且是多用途的,集材用、药用、油料以及环境景观价值等于一身。多发展阔叶树,不仅可以改善景观多样性和提高维护环境的能力,而且可以改变过去因造林树种单一带来的木材结构单一的状况,尤其缺乏珍贵用材。作者在文献[1]选择了104种阔叶树,其中包括一些珍贵树种,并列表说明了科、属、种的分布和用途,可供应用。

    发展阔叶树的途径主要是人工造林,主要解决好树种与立地条件(造林地)的选择,良种与种苗繁殖和造林技术。当前珍贵树种造林已得到林业主管部门和科技单位的重视,上述问题有较好解决;其次是四旁植树,尤其是乡村四旁隙地多,光照充足,土壤肥沃,有利于阔叶树的生长,并可与四旁绿化结合起来;发展多树种与阔叶树造林还必须加强次生林经营和针叶纯林的近自然改造(见下一节)。

  • 我国许多地区次生林数量多,其中有不少处在进展演替阶段,林分生长好、树种多,其中有不少是珍贵树种或是优良阔叶树种,通过集约经营,培育阔叶树种或珍贵树种,可取得比人工造林更好的效果。如东北林区的三大硬阔,华北西北山地的栎类树种,南方的樟属、栲属、青冈属树种等,均是次生林中的优良树种。

    通过采用近自然方法,改善针叶纯林为混交林。如东北的落叶松人工林,华北西北的油松人工林,南方的杉木与马尾松人工林,均可以利用一些耐荫的阔叶树(常绿或落叶的),在中龄林疏伐后或成熟林林下有计划有目标的种植培育,已经有不少研究和试验林在林分生长与维护环境方面取得了良好结果。

  • 在当前一方面要保护天然林,另一方面在天然林已经遭到严重破坏的情况下,为了提高森林生产力和提供木材的需要,发展人工林是一种世界性的必然趋势,因此林业科技工作者的任务如何来平衡这种关系,调整人工林与天然林的比重与布局,在人工发展中不使天然植被受到严重损害。因此在造林时要保护造林地周边的天然林和生态敏感区域的自然植被。山区的造林地地形条件十分复杂,一片造林地周边的急险坡、山脊和溪流,在生态上是敏感区域,在急险坡和山脊与溪流的两个边坡的原有森林植被,有重要的生态功能,应加以保护,这种森林植被的保护对于保护当地的生态环境和生物多样性有重要作用。在造林基地内一些小片残留的原始林和生长良好的次生林不能作为宜林地,也应加以保护与经营。此外,在造林中做好立地控制,不广种薄收,将一些不适于种植人工林的立地较差地段,如山坡的上部,可以保留封育原有植被。

  • 在每一个丰产林基地中,在实施造林前,应按照已有森林类型和树种组成情况,根据基地生态环境状况和森林发展要求,设计好人工与天然植被、针叶林和阔叶林、纯林与混交林、乡土树与外来树种的比例关系,不使基地森林植被片面发展;在已经营建人工林而存在片面发展的基地,应在编制森林经营方案时,加以逐步调整。在基地发展人工林时,不仅在林分水平上要贯彻近自然林业的理念,而且在区域水平上也应贯彻这个理念,控制好按生态系统管理要求的森林植被发展方向。

    关于发展混交林,不仅在人工林营造中要营建混交林,也要充分利用人工林特别是针叶纯林中天然更新的阔叶树,尤其是珍贵树种,引导抚育形成混交林。应当在一些针叶人工纯林中,特别是近成熟针叶人工林中,通过近自然改造,林下种植耐荫的阔叶树,特别是珍贵阔叶树,以形成复层异龄混交林,这在我国已有不少成功经验可供参考应用。

    关于混交林的营建,不一定都要进行株间行间式混交,实际上按适地适树要求进行块状相嵌式混交也很有价值,这种形式还可以称为景观的镶嵌配置,比株间行间混交容易培育,在生态上也是可行的。

  • 人工林地力控制是人工林可持续经营中一项关键技术,控制地力一是维护土壤肥力,防止土壤质量退化;二是保持人工林长期生产力。针对我国人工林地力控制中存在的主要问题,提出5项有效的控制技术措施:在育林过程中保护利用自然植被;保留采伐剩余物和保护林下枯落物;发展林下植被;经营混交林;施肥。

  • 关于传统的育林措施所造成的水土流失及其对土壤的损害已在前面第2部分已有详细论述,这里只就控制水土流失措施加以叙述。对于传统育林所采取的一些引起水土流失的不恰当措施,已经在有关人工林营建技术规定中改掉了,如炼山、全垦整地、全面抚育等。根据已有的实验研究,在育林中采用保护利用自然植被的方法,可以取得好的效果,如在人工林土壤管理中不采用火烧清林、全面抚育,而是实行水平带状整地、局部抚育等,利用这些措施较多的保留了自然植被,试验区径流系数和固体径流分别明显下降到0.07%和0.9 t·hm-2·a-1,降水输入养分69.94 kg·hm-2·a-1,同期径流输出养分29.1 kg·hm-2·a-1,生态系统净增养分占输入量的58.33%;土壤有机质流失24.01 kg·hm-2·a-1,与此同时,杉木生态系统归还有机质985.35 kg·hm-2·a-1,净增有机质为流失量的41倍[20]

    在江西分宜中国林科院亚林中心上村林场,3年杉木人工幼林不同抚育方法的实验表明,全面刀抚的方法,由于未铲除植物根系,植被萌生快,3年自然植被盖度分别为88.8%、98.3%和100%,而全面松土除草的3年自然植被盖度分别为53.8%、70%、94%,3年合计的侵蚀量分别为1.078、1.145和1.714 t·hm-2,而且从3年的生长比较看,也不产生明显影响;但刀抚法省工,水土流失量明显小[17]

    在江西分宜中国林科院亚林中心的另一个间伐试验,8年的观测资料表明,杉木人工林间伐只要强度适宜(郁闭度不低于0.6),不会导致明显的水土流失,径流系数为0.055%~0.080%;年侵蚀量0.006~0.043 t·hm-2,对照的不间伐样地径流系数和侵蚀量最高,其重要原因是对照样地郁闭度大,在观测的第8年林下植被盖度只有30%(间伐前低于10%),而其他间伐样地均达80%以上,有的达到100%[17]

    焦菊英等[21]以坡耕地为基准,观测了人工林地的植被盖度与水土保持效益的关系:当植被盖度大于30%时,减少水土流失作用明显;当植被盖度达到70%时,水土保持效益趋于稳定。

  • 关于保留采伐剩余物和林下枯落物,国内外有许多研究和实践已经证明是维护地力极为重要的措施,作者的试验与实践也取得同样的结果。在福建南平29年生杉木人工林采伐剩余物加地被物合计32~40 t·hm-2,总N、P、K、Ca、Mg分别为178~230、21~25、227~331、205~253、65~77 kg·hm-2,养分总计696~916 kg·hm-2,如果将这些采伐剩余物保留在林地,可以增加有机质和养分,对维护地力有利,如移出林外或火烧掉,则对林地地力维护是个严重损失。据Grier在美国花旗松地区的研究,采伐剩余物火烧后,以气态和飞灰的形式损失生物量为总量(75 t·hm-2)的93%,N、P、K、Ca、Mg分别损失91%、32%、5%、7%、21%[22],当然采伐剩余物覆盖林地尚有防止水土流失等作用。

    作者在福建南平对皆伐后的杉木人工林(29年生)采伐剩余物做了5种试验处理,观测4年的结果表明:采伐剩余物加倍处理最有利于杉木幼林的生长和土壤肥力的维护,而清除采伐剩余物最不利于杉木幼林生长和土壤肥力维护。

  • 林下植被,以往人们多不重视对它的发展和保护,实际林下植被是森林生态系统重要组成部分,它有促使人工林形成群落结构(如乔、灌、草三层结构等)和提高人工林群落生物多样性等的多种生态和环境功能,对地力维护有十分重要的作用,根据国内外文献报道和作者的研究,林下植被有如下功能[23-25]:增加生物多样性,改善人工林的群落结构;拦截径流,稳定土壤,防止土壤侵蚀;增加土壤有机质,促使枯落物分解,改善土壤结构;作为土壤养分库,减少养分流失;有利于林分的养分循环;固N,如林下的豆科植物,胡秃子科植物,赤杨类植物;增加土壤生物区系多样性(动物与微生物)。

    根据作者对杉木人工林的研究,林下植被有较大生物量和营养元素积累,如铁芒萁类型的生物量为4.49 t·hm-2,狗脊类型为5.22 t·hm-2,灌木-铁芒箕类型为5.73 t·hm-2,灌木-狗脊类型为8.27 t·hm-2,营养元素积累分别为78.9、129.4、104.1、165.4 kg·hm-2。林下植被单位质量的养分含量高于杉木,灌木层是杉木层的1.45倍,草本层是杉木层的2.22倍。

    林下植被的枯落物可以促使杉木凋落物的分解,如杉木枯落物中混入林下植被枯落物30%,分解速度可提高1倍。林下植被对土壤微生物区系和数量有明显影响。如16地位指数杉木人工林,林下植被盖度为69%的与植被盖度为20%的样地相比,细菌增加59.96%,放线菌增加21.6%,真菌增加13.28%。林下植被还能促进土壤酶活性、土壤速效养分和土壤有机质的明显提高。因此人工林通过间伐、调整密度、促进林下植被的发展,对促进人工林、尤其是针叶人工林养分循环、保持土壤的持续生产力有重要作用。

  • 营造混交林特别是营造针阔混交林对人工林保持长期生产力有重要意义。我国针叶纯林多,而针叶纯林对地力维护能力低。混交林地力控制功能有如下5点[1, 5, 26]

    (1) 促进枯落物的分解。多种植物(树种)枯落物混合能促进枯落物的分解和养分的释放,尤其是针叶枯落物易于积累而不易分解。Moris报道,在斯威士兰的17年生展叶松(Pinus patula)枯落物的积累量达42~78 t· hm-2,分解慢。Egunjobi与Onweluzo发现,在尼日利亚加勒比松(Pinus caribaea)枯落物矿化需要3.6 a,而典型的被子植物枯落物是2~6个月。不少科研证实针叶树与阔叶树枯落物混合能提高分解速率,有利于林分养分的循环和矿化。

    (2) 固定N。在N不足的立地上与固N树种混交能增加土壤含N量,从而提高人工林生长量。

    (3) 改善土壤物理性质。混交林能改变掉落物的组成和其分解速率,增加量多质优的腐殖质,促进土壤团聚体的形成;混交林还能增加土壤中如环节动物和节肢动物的多样性,也有利于土壤形成团聚体,降低土壤密度促进土壤渗水性,提高持水能力和含水量。

    (4) 促进微生物数量、区系及生化活性的有利改变,这与混交林组成树种多,植物种丰富,使林下植物多样性和枯落物组成多样性提高有密切关系。

    (5) 更合理地利用土壤养分,混交林不同树种对养分的种类和需求是不同的,浅根系与深根系树种混交,还可利用不同层次的土壤养分。

    由于混交林有上述功能,因此混交林能形成稳定的群落,林分具有高的生产力。营建混交林是今后发展人工林的一个重要方向,是需要大力提倡的。

  • 自20世纪以来,在森林培育中肥料的应用有了很大改变,其结果大大强化了森林管理,施肥是现代森林培育中提高林地肥力,增加森林生产力的关键措施,应用已十分普遍,特别是在人工林的培育中。

    人工林地力控制大体分为3个方面:一是育林措施,即在造林育林过程中控制水土流失和处理好采伐剩余物和枯落物;二是采取生物措施,包括发展林下植被,经营混交林等;三是施肥。人工林地力维护是综合性的,只依赖于某一项措施,地力的维护是难以达到的。我国人工林造林地土壤质量普遍不高,由天然林采伐迹地转化为人工的造林地并不多,多数是退化森林土壤形成的荒山荒地(即宜林地)。以桉树造林地土壤肥力为例,李淑仪等[27]曾根据雷州林业局363个土壤剖面普查结果对土壤肥力因子进行了综合评价,分为6级:很丰富、丰富、中等、偏低、缺乏、极缺乏。土壤有机质含量以偏低、缺乏为主,占总剖面的73%;土壤N,其中全N含量极缺乏的占64.19%,水解N占46.56%;土壤全P含量偏低、缺乏的比例为95.56%,属极缺乏的比例也达88.8%;土壤K元素含量也极缺乏,比例达95.0%,土壤Ca和Mg含量属极缺乏水平;土壤微量元素,有效B极缺乏,有效Mn、Ca、Zn也极缺乏。桉树人工林土壤养分缺乏是显而易见的。

    这里对很有代表性的杉木人工林土壤养分情况也作了一个分析,前些年杨承栋等[28]提出的“杉木人工林土壤质量指标体系”,将有机质、N、P、K、Ca、Mg 6种养分指标,分高、中、低3档进行评价,按照张建国在文献[1]提出的杉木人工林营养诊断指标:养分最适值N为145 mg·kg-1,P为13 mg·kg-1。有效养分的临界值N为80 mg·kg-1,P为6 mg·kg-1。按此参照杨承栋提出的杉木人工林土壤质量指标体系进行评价,杉木人工林P很缺乏,N要在高质量土壤上才能达到最适值,即杉木人工林土壤有速效N只有16地位指数及其以上人工林才能达到,但杉木人工林达到16地位指数及其以上的比例却是很少的。这也是南方杉木人工林普遍生产力不高的重要原因之一。

    对本底土壤肥力不足和以往传统育林措施对林地土壤质量维护不力的人工林造林地要施肥,人工林要获得高产,如营造的速生丰产林吸收养分多耗肥量大,在培育中都需要通过施肥来补充养分,提高土壤肥力,包括使用化肥和有机肥。施肥措施是保持土壤肥力的非生物方法,是在短期内快速解决林木养分供应不足的最有效措施,这对培养速生丰产林尤为重要。

Reference (28)

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