我國3個桉樹人工林種植區(qū)生產(chǎn)力影響因素

潘嘉雯,林 娜,何 茜,蘇 艷,李吉躍

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣州 510642

桉樹(Eucalyptusspp.)憑借著速生、適應(yīng)性廣、生產(chǎn)力高的優(yōu)勢而被世界各國廣泛引種并大面積栽培,現(xiàn)已成為世界人工林最重要的造林樹種和木制紙原料之一[1-2]。2015年,全世界桉樹人工林種植面積已經(jīng)突破了2000萬hm2,占世界人工林種植面積的15 %[3-4]。全世界每年由桉樹人工林提供的18000萬m3木材(含鋸木和紙漿材)[5],大大緩解了全球木材供應(yīng)的壓力。截止2013年,我國桉樹人工林面積約為450萬hm2[6],現(xiàn)已遍及17個省市地區(qū),600多個縣(市),主要集中于廣東、廣西、福建、云南、海南等地[7]。桉樹人工林的大規(guī)模種植,不僅滿足了我國木材的需求量,促進木材的經(jīng)濟發(fā)展,提高了經(jīng)濟效應(yīng),還給我們帶來了巨大的生態(tài)效益和社會效益[8]。

近年來,我國大力發(fā)展桉樹人工林,其種植面積已名列前茅,但與巴西等桉樹人工林發(fā)展較好的國家相比,我國桉樹人工林生產(chǎn)力卻十分落后。據(jù)研究顯示,林分密度在1200—1700株/hm2時,巴西6.2年生的桉樹人工林喬木層生物量可達到142.60 t/hm2[9],大于廣西6年生尾巨桉人工林喬木層生物量136.05 t/hm2[10]；巴西4.8年生桉樹人工林喬木層生物量為114.1 t/hm2[11],大于廣東5年生桉樹人工林喬木層生物量88.67 t/hm2[12]；坦桑尼亞8年生桉樹人工林喬木層生物量可達到153.04 t/hm2[13],而廣西8年生桉樹人工林喬木層生物量卻只有130.86 t/hm2[14]。因此,關(guān)于提高我國桉樹人工林生產(chǎn)力的問題一直是林學(xué)家們探索的重點。要從理論和實踐上真正提高桉樹人工林生產(chǎn)力,實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展,森林生物量的研究是十分必要的基礎(chǔ)性工作。

森林生物量及其動態(tài)變化是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要特征,是衡量和評價森林生產(chǎn)力高低的最好的指標(biāo),是森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)劣和功能高低的最直接的表現(xiàn)。森林生物量和生產(chǎn)力的動態(tài)變化對人們科學(xué)地進行森林培育與利用具有重要的參考價值,對提高營林水平和林產(chǎn)品利用效率都具有重要意義[15-18]。影響森林生物量的因素有很多。連栽代數(shù)、間伐措施、混交種植、造林密度、施肥條件等都會影響森林生物量[16]。除此之外,森林生物量和生產(chǎn)力也受溫度和降水量等氣象因子的影響,溫度和降水量的大小及其區(qū)域的分布都會直接影響森林生物量,水熱條件也會直接影響森林生產(chǎn)力的大小[19-21]。目前,國內(nèi)在研究桉樹人工林生物量和生產(chǎn)力的影響因素時,主要集中在研究立地條件[22]、土壤含水量[23]、林分密度[24-26]、施肥措施[27-29]、更新方式[30]、林地清理方式[31]、混交模式[32]、連栽代數(shù)[33-35]、物種多樣性[36]對桉樹人工林生物量和生產(chǎn)力的影響,但關(guān)于氣候因子對桉樹人工林生物量和生產(chǎn)力影響的研究較少。

因此,本文在充分總結(jié)我國3個桉樹人工林種植區(qū)(廣東、廣西、云南省(區(qū)))研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對桉樹人工林喬木層生物量進行匯總、比較和分析,探究這3個桉樹人工林種植區(qū)生產(chǎn)力的影響因素,以期揭示桉樹人工林在生長過程中生物量和生產(chǎn)力的變化規(guī)律與趨勢,為桉樹人工林更好地應(yīng)對氣候變化提供重要的參考資料。這不僅有利于促進生物積累,維持和提高長期生產(chǎn)力,還為桉樹人工林的科學(xué)經(jīng)營與管理提供科學(xué)的理論依據(jù),實現(xiàn)桉樹人工林的可持續(xù)經(jīng)營。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

廣東省位于109°39′—117°19′E、20°13′—25°31′N之間,光溫水風(fēng)等氣候資源豐富,且雨熱同季,屬亞熱帶氣候區(qū)。全省年平均氣溫21.8℃,年平均降水量1789.3 mm。年平均氣溫分布呈南高北低,年降水量分布不均,呈多中心分布。廣東省全區(qū)雨量充沛,熱量豐富,種植桉樹得天獨厚。目前,廣東桉樹人工林面積已達到136萬hm2[37],占全省森林面積的13.3%。

廣西壯族自治區(qū)位于104°26′—112°04′ E、20°54′—26°24′ N之間,屬中、南亞熱帶季風(fēng)氣候。全區(qū)年平均氣溫20.7℃,年平均降水量1542.5 mm。年降水量分布不均,具有東部多,西部少的特點。廣西地區(qū)日照充足,熱量豐富,雨水充沛,適合桉樹生長,是我國最適合培育桉樹中大徑材的區(qū)域[38]。自進入21世紀(jì)以來,廣西桉樹每年以13.33萬hm2速度快速發(fā)展,已成為我國桉樹人工林的重要栽培區(qū)。目前,廣西桉樹人工林種植面積已超過200萬hm2,穩(wěn)居全國第一位[14,39]。

云南省位于97°31′—106°11′ E、21°08′—29°15′ N之間,屬于亞熱帶、熱帶高原(山地)季風(fēng)氣候。全省年平均氣溫16.5℃,年平均降水量1098.8 mm。云南地形地貌復(fù)雜,除了南北方向上水平氣候帶的差異外,又有垂直方向上不同垂直氣候帶的差異,且隨著海拔高度的變化,氣溫和降水等要素變化也很大。云南自1896年開始引種藍桉,是我國引種桉樹最早的省份之一。目前,云南桉樹面積為23.6萬hm2[40]。

1.2 數(shù)據(jù)資料收集

人工林的分布和生產(chǎn)力受人為控制影響較大,反映不出自然氣候條件對森林作用的實際潛力,但人工林在其適宜的分布區(qū)內(nèi)卻可以充分表現(xiàn)受自然力作用的生產(chǎn)力水平[41]。因此,根據(jù)我國桉樹人工林種植區(qū)多分布在亞熱帶和熱帶的特點,本研究選擇了有代表性的廣東、廣西、云南省(區(qū))為主要研究區(qū)域,收集了已發(fā)表的相關(guān)桉樹人工林研究文獻中的有關(guān)數(shù)據(jù),包括研究地點、海拔、土壤類型、桉樹生長期內(nèi)的年均溫和年降水量、林齡、林分密度和林分喬木層地上部分生物量(所選的地上部分生物量均是由平均標(biāo)準(zhǔn)木法推算),并對其進行整理和分析。這3個省(區(qū))桉樹人工林種植區(qū)的基本情況如表1所示。

表1 3個省(區(qū))桉樹人工林種植區(qū)基本情況

1.3 數(shù)據(jù)的選擇與整理

根據(jù)本研究收集到的3個省(區(qū))的數(shù)據(jù)資料,從中選擇以人工林經(jīng)營為主的桉樹種植區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于影響生物量的因素有很多,比如樹種、林齡、林分密度和氣候等,而本文主要研究林齡、海拔、林分密度、年均溫和年降水量對桉樹人工林喬木層生物量的影響。因此,本文對已獲得的數(shù)據(jù)資料進行初步篩選和提煉。從林齡來看,這3個省的桉樹人工林種植區(qū)的輪伐期一般為7—10年,而本研究選擇林齡在1—7年生范圍內(nèi)。從林分密度來看,本研究選擇密度在1200—2200株/hm2范圍內(nèi)的數(shù)據(jù),對以培育桉樹超高密度能源林為目的得到的數(shù)據(jù)進行舍棄。從土壤類型來看,本研究選擇的土壤類型一般為赤紅壤或磚紅壤,土壤偏酸性,林地較為平整。此外,選擇的桉樹人工林均為第一代種植,均是定植前施基肥,造林1—2年后進行一次追肥,此后沒有特別的施肥措施。篩選出的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 5年生桉樹人工林生物量

表3 6年生桉樹人工林生物量

從表2和表3可以看出,當(dāng)年均溫為23.1℃,年降水量為1567 mm時,林分密度為1300—1500株/hm2的5年生桉樹人工林生物量為87.79 t/hm2,小于密度為1500—1800株/hm2的林分生物量89.04 t/hm2；當(dāng)年均溫為21.8℃,年降水量為1350 mm時,林分密度為1300株/hm2的5年生桉樹人工林生物量為125.33 t/hm2,小于密度為1400株/hm2的林分生物量126.43 t/hm2。因此可初步得出,當(dāng)年均溫、年降水量和林齡相等時,林分密度在1300—2200株/hm2范圍內(nèi),生物量隨著林分密度的增加而增加。此外,當(dāng)年均溫、年降水量和林分密度相等時,林分生物量隨著林齡的增加而增加。例如,當(dāng)年均溫為23.1℃,年降水量為1567 mm,林分密度為1500—1800株/hm2時,6年生的桉樹人工林生物量為149.34 t/hm2,遠遠大于5年生的桉樹人工林生物量122.50 t/hm2。這與杜虎等[74]的研究得出的結(jié)論相同,即林分生物量會隨著林齡的增大而增加。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

將篩選出的數(shù)據(jù)用Excel 2010對其進行整理、匯總,并用R 3.3.3軟件進行生物量與各影響因素的主成分分析和混合模型分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國3個桉樹人工林種植區(qū)影響因素的主成分分析和混合模型分析

利用篩選出的海拔、林齡、林分密度、年均溫和年降水量數(shù)據(jù)與桉樹喬木層生物量數(shù)據(jù)作主成分分析,結(jié)果如表4和圖1所示,林齡、海拔、年降水量、年均溫和林分密度均是影響這3個省(區(qū))桉樹人工林生物量的主要因素,其中,海拔、年降水量、年均溫和林分密度的主成分分析值分別為0.98、0.99、-0.36和0.46。從表5可看出,通過對這5個因素的綜合模型分析,結(jié)果顯示年降水量、對桉樹人工林的生物量影響極顯著(P<0.01),林齡和林分密度對桉樹人工林的生物量影響顯著(P<0.05)。

表4 我國3個桉樹人工林種植區(qū)影響因素的主成分分析結(jié)果

表5 我國3個桉樹人工林種植區(qū)影響因素混合模型分析

*表示顯著性相關(guān)(P<0.05),** 表示極顯著性相關(guān)(P<0.01)

2.2 年均溫和年降水量對桉樹人工林生物量的影響

從中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心獲取廣東、廣西和云南省(區(qū))的氣候數(shù)據(jù),包括平均氣溫和平均降水量月值資料,資料時間跨度為1981—2010年。3個地區(qū)月平均氣溫和月降水量年內(nèi)分布圖如圖2所示。

從圖2可看出,廣東省的氣候特征屬典型的雨熱同季,降水量主要集中在3—9月,10月至2月降水量明顯較少,冷、熱月降水量分配差異較大。廣西降水主要集中在4—9月,冬季降水量最少,季節(jié)分配不均。除此之外,廣西降水具有較強的局地性[75],東部降水比西部多。云南降水充沛,干濕分明,降水主要集中在5—9月。有研究表明,云南省夏、秋、冬3季降水均呈減少趨勢,降水量年內(nèi)分配不均,存在明顯的干濕季[76]。由于冬夏兩季受不同大氣環(huán)流的控制和影響,云南降水量在季節(jié)上和地域上的分配是極不均勻的,而且,由于海拔高度的變化,降水的分布也很不均勻。

圖2 1981—2010年廣東、廣西、云南省(區(qū))月平均氣溫和月降水量年內(nèi)分布Fig.2 Monthly mean temperature and precipitation in Guangdong, Guangxi, Yunnan during 1981—2010 years

雖然廣東、廣西、云南省(區(qū))都屬于亞熱帶濕潤地區(qū),但這3個地區(qū)的年降水量卻存在差異,一是因為廣東、廣西、云南降水量年內(nèi)分布不均,有明顯的干濕季；二是因為廣西、云南降水量在地域上分布不均,特別是云南地區(qū)地形復(fù)雜,降水量分配極不均勻。這些都導(dǎo)致了廣東、廣西、云南省(區(qū))的年降水量存在較大的差異。因此,年降水量對這3個地區(qū)桉樹的生物量影響極顯著。從年均溫來看,廣東和廣西的年均溫相差不大,云南的年均溫較低,但這3個地區(qū)都是桉樹適宜生長的地區(qū),例如在云南低溫環(huán)境下,史密斯桉就能夠生長的很好,所以年均溫對這3個地區(qū)的生物量雖有影響,但是影響并不顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

(1)年均溫和年降水量是影響廣東、廣西、云南這3個省(區(qū))桉樹人工林生物量的主要氣候因素。有研究表明,中國森林生產(chǎn)力的分布格局主要取決于氣候環(huán)境中的水熱條件,而年均溫和年降水量是影響森林生物量的主要因素,且不同海拔梯度對森林生物量也有著明顯的影響[19,21]。在本研究中,由于廣東、廣西、云南省(區(qū))都位于亞熱帶,溫度都屬于桉樹生長的適宜溫度,但不同桉樹品種對溫度的要求不一樣,例如,史密斯桉在云南這種低溫環(huán)境中能生長的很好,因此溫度對桉樹人工林生物量的雖有影響,但影響并不顯著。而這3個地區(qū)存在明顯的干濕季,降水量在季節(jié)和地域上分布不均勻,導(dǎo)致這3個地區(qū)年降水量存在較明顯的差異。因此,年降水量對這3個地區(qū)桉樹的生物量影響極其顯著(P<0.01),成為影響這3個地區(qū)桉樹人工林生物量的關(guān)鍵因素。

(2)海拔和林分密度也會影響廣東、廣西、云南這3個省(區(qū))桉樹人工林的生物量,其中林分密度對桉樹的生物量影響顯著(P<0.05)。Asner等[77]認(rèn)為隨著海拔的升高,林分生物量積累受到影響。Alves等[78]對不同海拔梯度的森林生物量進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)海拔對于生物量的影響最為顯著。不同海拔對桉樹人工林生物量的影響主要是隨著海拔高度的上升,水熱條件也開始變化,影響了桉樹人工林的生長發(fā)育,因此生物量隨之改變。林分密度也會對林分生物量造成影響。葉紹明等[69]對6年生尾葉桉人工林的生物量密度效應(yīng)進行研究,結(jié)果表明隨著密度增大,林分生物量呈先增加后降低的拋物線型變化,林分單株及其各組分的生物量均隨林分密度的增加而降低。因此,在營造桉樹人工林時,應(yīng)選擇合適的地形,根據(jù)營造目的選擇合理的種植密度,以期發(fā)揮桉樹人工林最大的生產(chǎn)潛力。

(3)充足的水分條件能有效的提高桉樹人工林的生產(chǎn)力[79]。Stape等[9]發(fā)現(xiàn)在施肥的桉樹人工林中,水分是林分生產(chǎn)力的最主要限制因子,提高水分供給的同時也能提高光和氮的利用率。Hubbard等[3]研究發(fā)現(xiàn)在桉樹人工林灌溉處理試驗中,提高水分供給與葉面積的增加之間有密切的關(guān)系。趙從舉等[80]研究發(fā)現(xiàn)海南西部桉樹人工林的土壤含水量隨降水量的增加而增加,二者成極顯著正相關(guān),而土壤含水量是生產(chǎn)力主要的制約因素[81]。因此,在種植桉樹人工林時,應(yīng)了解當(dāng)?shù)販囟?、降水等氣候因子的動態(tài)變化,在旱季適當(dāng)補水,有利于提高桉樹人工林的生產(chǎn)力。

(4)本研究中,桉樹人工林生物量對溫度和降水量的變化響應(yīng)的預(yù)測主要依據(jù)年平均氣候因子的變化,但沒有考慮氣候因子的季節(jié)變異,以及月降水量、月均溫、濕度、光照等其他氣候因子的影響。例如,程瑞梅等[82]研究了氣候變化對北亞熱帶馬尾松凈生產(chǎn)力的影響,結(jié)果表明帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought severity index, PDSI)可以更好地說明在生長季節(jié)水分的可用性是影響馬尾松生產(chǎn)力的主要因子,這種關(guān)系比降水和溫度的影響穩(wěn)定。因此,這些氣候因子對桉樹人工林生物量和生產(chǎn)力的影響還有待進行更深入的研究。

(5)本文選擇了適宜桉樹人工林生長的廣東、廣西和云南3個省(區(qū))的桉樹人工林種植區(qū),取樣范圍略小。因此,下一步研究的取樣范圍可擴大到適宜桉樹人工林生長的福建、海南、湖南、貴州等地區(qū),這樣不同地區(qū)的溫度與降水量差異大,與生物量與生產(chǎn)力作分析可能會得到不同的結(jié)果。

3.2 結(jié)論

年均溫、年降水量、林齡、海拔和林分密度均是影響廣東、廣西、云南這3個省(區(qū))桉樹人工林生物量的主要因素,其中年降水量對這3個地區(qū)桉樹的生物量影響極其顯著,林齡和林分密度對桉樹的生物量影響顯著。因此,在營造桉樹人工林時,應(yīng)選擇合適的地形,根據(jù)營造目的選擇合理的種植密度,并了解當(dāng)?shù)販囟?、降水等氣候因子的動態(tài)變化,在旱季適當(dāng)補水,以期發(fā)揮桉樹人工林最大的生產(chǎn)潛力。