湘西喀斯特地區(qū)人工林樹種的生長(zhǎng)規(guī)律及生產(chǎn)力

劉立玲 朱寧華

摘要：石漠化地區(qū)人工林培育與經(jīng)營(yíng)技術(shù)是當(dāng)今林業(yè)亟需解決的問題之一。以湖南省湘西自治州青坪國(guó)有林場(chǎng)的35年南酸棗、40年臺(tái)灣杉及40年香椿3個(gè)樹種的試驗(yàn)林為研究對(duì)象，分別設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地展開系統(tǒng)調(diào)查研究，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行樹干解析，分析其生長(zhǎng)規(guī)律，推算林分生物量。結(jié)果表明，南酸棗、臺(tái)灣杉、香椿單木胸徑、樹高及材積的總生長(zhǎng)量均隨樹齡的增加而增加;3個(gè)樹種的林分生產(chǎn)量以喬木層占比最大，喬木層林分生產(chǎn)力從大到小排列為南酸棗（5194 t/hm2）>香椿（49.48 t/hm2）>臺(tái)灣杉（49.33 t/hm2），3個(gè)樹種各器官的生產(chǎn)力均表現(xiàn)為樹干>樹根>樹枝>樹葉。通過對(duì)這3個(gè)樹種生長(zhǎng)過程的量化研究，對(duì)各樹種生長(zhǎng)的速生期及數(shù)量成熟期有所了解，可為提高林木生產(chǎn)力提供理論依據(jù)，同時(shí)也為湘西喀斯特地區(qū)南酸棗、臺(tái)灣杉及香椿人工林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)與管理提供一定的理論基礎(chǔ)，從而推動(dòng)喀斯特地區(qū)人工林的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：南酸棗;臺(tái)灣杉;香椿;生長(zhǎng)規(guī)律;生產(chǎn)力;喀斯特地區(qū);胸徑;樹高;材積

中圖分類號(hào)： S718.43文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）18-0165-06

收稿日期：2019-11-28

基金項(xiàng)目：中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金（編號(hào)：CX20192026）。

作者簡(jiǎn)介：劉立玲（1994—），女，陜西安康人，碩士研究生，主要從事石漠化植被恢復(fù)相關(guān)研究。E-mail：1041280341@qq.com。

通信作者：朱寧華，博士，副教授，主要從事森林培育相關(guān)研究。E-mail：225429@qqq.com。

南酸棗（Choerospondias axillaris）為漆樹科南酸棗屬落葉闊葉喬木，高度可達(dá)20 m，具有落葉量大、生長(zhǎng)快的特點(diǎn)，是較好的速生造林樹種，具有較高的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。臺(tái)灣杉（Taiwania cryptomerioides）為杉科臺(tái)灣杉屬高大常綠喬木，分布在中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，屬于國(guó)家一級(jí)保護(hù)植物，為優(yōu)良珍貴的用材樹種和庭園綠化樹種[1]。香椿（Toona sinensis）為楝科香椿屬高大落葉喬木，雌雄異株，其嫩葉可供食用，樹干通直，素有“中國(guó)桃花心木”之稱，不但是珍貴的用材樹種，也是園林綠化的優(yōu)選樹種，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和開發(fā)前景[2]。南酸棗、臺(tái)灣杉和香椿是湖南省湘西自治州森林生態(tài)次生林的主要造林樹種。

目前，學(xué)者已經(jīng)對(duì)南酸棗地理種源苗期性狀變異[3-4]、次生林幼林配方施肥[5]、南酸棗家系葉及生理性狀[6]等方面進(jìn)行了研究;對(duì)于臺(tái)灣杉的研究?jī)?nèi)容主要偏重于種群遺傳結(jié)構(gòu)[7-8]、次生代謝產(chǎn)物的鑒定[9]、葉揮發(fā)油的成分及其生物活性[10]等方面;而對(duì)香椿的研究主要集中在香椿花粉、種子的萌發(fā)及活力[11]、香椿種子在特定貯藏條件下活力的變化[12]等方面。目前，關(guān)于以上3個(gè)樹種次生林生長(zhǎng)規(guī)律及生物量的研究均較少。因此，本研究根據(jù)3個(gè)樹種各自的胸徑、樹高、材積生長(zhǎng)量，獲得它們的生長(zhǎng)規(guī)律，通過對(duì)這3個(gè)樹種單木生長(zhǎng)規(guī)律及生物量的分析來估測(cè)它們的林分生物量[13-14]，旨在為培育高品質(zhì)林分提供理論基礎(chǔ)。

湖南省湘西自治州青坪鎮(zhèn)土壤屬于典型的巖溶性土壤，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，植被種類單一，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性差，土地生產(chǎn)力低下，基巖大面積裸露，因此該地區(qū)屬于生態(tài)造林困難地區(qū)。要想培育品質(zhì)較好的林分，就需要圍繞森林的生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行研究。有研究者通過對(duì)湘西自治州永順縣青坪國(guó)有林場(chǎng)南酸棗、臺(tái)灣杉及香椿人工林測(cè)樹因子各年間的變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行測(cè)定，擬合了相應(yīng)的生長(zhǎng)曲線[15-16]。了解和掌握南酸棗、臺(tái)灣杉、香椿的樹高、胸徑及材積生長(zhǎng)規(guī)律，合理調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，促進(jìn)林木生長(zhǎng)，可為林木快速生長(zhǎng)期提供科學(xué)的撫育管理，從而為進(jìn)一步深入我國(guó)亞熱帶巖溶地區(qū)造林樹種的研究提供參考。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖南省湘西自治州青坪國(guó)有林場(chǎng)，地理位置為27°44.5′N，109°10′E。試驗(yàn)地大陸性季風(fēng)氣候特征明顯，境內(nèi)年降水量為1 300～1 500 mm，年均溫度為16.3 ℃，年無霜期為269～292 d，年均日照時(shí)數(shù)為1 340 h。該地的母巖主要以石灰?guī)r為主，土壤主要是紅壤和黃棕壤，土層厚度不一。各樣地人工林林下的植被比較豐富，其中草本層以天葵、蘭草、蕨類為優(yōu)勢(shì)種，此外還分布著少量沿階草、紫菀、金銀花等，平均高度為0.17 m;灌木層以薔薇、懸鉤子、油茶為優(yōu)勢(shì)種，還分布著少量珊瑚櫻等，平均高度為0.85 m;林下植被覆蓋度約為30%，枯落物層厚度約為2～3 cm。

1.2?樣地設(shè)置與數(shù)據(jù)測(cè)量

于2019年1月對(duì)湘西自治州青坪國(guó)有林場(chǎng)的南酸棗、臺(tái)灣杉及香椿人工林進(jìn)行全面的林分踏查，根據(jù)典型選樣原則，在3個(gè)樹種林分內(nèi)各設(shè)置1個(gè)最具代表性的標(biāo)準(zhǔn)地，大小為20 m×20 m，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每木檢尺，同時(shí)記錄相關(guān)測(cè)樹因子及每個(gè)樣地的海拔、坡向、坡位及林下植被。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果，選取樣方內(nèi)能夠代表林分生長(zhǎng)水平的平均木作為解析木，3個(gè)樹種各選1株，共計(jì)3株。用樹干解析法、林木分層收獲法、樣方收獲法獲得各林分的林木生物量及生產(chǎn)力實(shí)物量[17]。標(biāo)準(zhǔn)木伐倒后，在0、1.3 m，以后按2.0 m間隔的區(qū)分段分別取1個(gè)約5 cm厚的圓盤，帶回室內(nèi)進(jìn)行樹干解析，分析解析木胸徑、樹高、材積的生長(zhǎng)規(guī)律[18]。標(biāo)準(zhǔn)地的林分結(jié)構(gòu)特征見表1。

1.3?生物量調(diào)查

地上部分樣本采用分層切割收獲法采集，樹干以2 m為區(qū)分段，測(cè)定各區(qū)分段樹干、樹皮鮮質(zhì)量，地下部分采用全挖法[19]采集。各部分均采集樣本500 g。

林下植被采用樣方收獲法采集，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各設(shè)置5個(gè)面積為2 m×2 m的灌木小樣方，5個(gè)面積為1 m×1 m的草本小樣方，調(diào)查并記錄小樣方中的物種類別、數(shù)量、高度、蓋度和枯落物厚度等因素，分別測(cè)定灌木層、草本層、凋落物層的鮮質(zhì)量。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，于105 ℃殺青處理30 min后，再于85 ℃恒溫烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定各樣品的含水率，以推算各部分的干物質(zhì)量[20-21]。

1.4?數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2013、SPSS 20.0等軟件整理解析木數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各器官生物量，計(jì)算單株和林分生產(chǎn)力，并繪制林木生長(zhǎng)規(guī)律圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?解析木胸徑生長(zhǎng)過程分析

解析木的胸徑生長(zhǎng)過程如圖1、圖2所示。南酸棗在樹齡達(dá)到35年時(shí)，胸徑總生長(zhǎng)量達(dá)到 16.8 cm，此時(shí)平均胸徑生長(zhǎng)量、連年胸徑生長(zhǎng)量分別為048、0.08 cm。樹齡為10年時(shí)，南酸棗胸徑連年生長(zhǎng)量達(dá)最大值，為1.06 cm，連年胸徑生長(zhǎng)曲線與平均胸徑生長(zhǎng)曲線在樹齡為10～15年時(shí)出現(xiàn)相交。40年生臺(tái)灣杉的胸徑總生長(zhǎng)量達(dá)到 22.95 cm，此時(shí)平均胸徑生長(zhǎng)量、連年胸徑生長(zhǎng)量分別為0.57、0.23 cm，其連年胸徑生長(zhǎng)量分別在樹齡為10、25年時(shí)出現(xiàn)峰值;連年生長(zhǎng)曲線與平均生長(zhǎng)曲線在樹齡在16年時(shí)出現(xiàn)相交。40年樹齡的香椿胸徑總生長(zhǎng)量為17.15 cm，樹齡為20年時(shí)胸徑連年生長(zhǎng)量達(dá)到峰值，為0.76 cm。

2.2?解析木樹高生長(zhǎng)規(guī)律

由圖3、圖4可知，3個(gè)樹種的樹高總生長(zhǎng)量均隨著樹齡的增長(zhǎng)而增加。35年樹齡的南酸棗樹高總生長(zhǎng)量達(dá)到15.52 m，樹高于樹齡為5～10年時(shí)生長(zhǎng)得最快，處于快速生長(zhǎng)期，此后進(jìn)入穩(wěn)定生長(zhǎng)期，其樹高的連年生長(zhǎng)量范圍為0.05～1.23 m，波動(dòng)較大;樹齡為10年的南酸棗樹高連年生長(zhǎng)量、平均生長(zhǎng)量均達(dá)到峰值，分別為1.33、128 m。樹齡為40年的臺(tái)灣杉樹高總生長(zhǎng)量達(dá)2122 m，臺(tái)灣杉的樹高連年生長(zhǎng)量出現(xiàn)3次峰值，分別出現(xiàn)在10、25、35年樹齡，最大值為10年樹齡的 1.14 m;15年樹齡的臺(tái)灣杉樹高平均生長(zhǎng)量達(dá)到峰值，為 0.91 m，15年以后臺(tái)灣杉樹高的生長(zhǎng)速度減緩。樹齡為40年的香椿樹高總生長(zhǎng)量達(dá)23.50 m，其樹高連年生長(zhǎng)量出現(xiàn)2個(gè)生長(zhǎng)高峰，分別在樹齡5、20年時(shí)，25年樹齡的樹高平均生長(zhǎng)量與連年生長(zhǎng)量第2次相交，此后香椿樹高平均生長(zhǎng)量保持在0.72 m左右。

2.3?解析木材積生長(zhǎng)規(guī)律

如圖5、圖6所示，3個(gè)樹種單株材積總生長(zhǎng)量隨著樹齡的增長(zhǎng)而增加。35年生的南酸棗的單株材積總生長(zhǎng)量為0.184 6 m3，材積的平均生長(zhǎng)量和連年生長(zhǎng)量均隨著樹齡的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，材積連年生長(zhǎng)量在樹齡為15年時(shí)達(dá)到峰值，為0.009 67 m3;在樹齡為25～30年時(shí)，材積的平均生長(zhǎng)量和連年生長(zhǎng)量相交，此時(shí)林分達(dá)到主伐年齡。樹齡為40年的臺(tái)灣杉材積總生長(zhǎng)量達(dá)最大值，為0.396 1 m3，材積連年生長(zhǎng)量在樹齡為5～25年間不斷增加，在樹齡為25年時(shí)達(dá)到峰值，為0194 2 m3。臺(tái)灣杉材積連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量曲線一直未相交，材積生長(zhǎng)成熟期至少在樹齡為40年之后。40年生香椿的材積總生長(zhǎng)量為 0.253 9 m3，材積連年生長(zhǎng)量隨樹齡增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，香椿材積的平均生長(zhǎng)量一直隨著樹齡的增加而緩慢增加，當(dāng)樹齡為25年時(shí)，材積的連年生長(zhǎng)量達(dá)最大值，為0.012 0 m3;樹齡達(dá)30年之后，材積平均生長(zhǎng)量保持在 0.007 6 m3，處于平穩(wěn)增長(zhǎng)狀態(tài)。香椿材積的生長(zhǎng)高峰比樹高、胸徑的生長(zhǎng)高峰出現(xiàn)得晚;在樹齡為0～25年范圍內(nèi)，材積連年生長(zhǎng)處于一個(gè)快速增長(zhǎng)的狀態(tài)，在樹齡為25～40年范圍內(nèi)，材積的連年生長(zhǎng)量增加速度明顯減緩。材積的連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量相交于樹齡為38年時(shí)，此時(shí)林分達(dá)到數(shù)量成熟，已達(dá)主伐年齡。

2.4?林分生物量分析

由表2可知，解析木單株各器官生物量的分配比例在不同樹種間差異明顯。3個(gè)樹種的單株生物產(chǎn)量排序?yàn)榕_(tái)灣杉（515.11 kg/株）>香椿（297.50 kg/株）>南酸棗（205.06 kg/株）。3個(gè)樹種中地上部生物量占單木生物量比例最大的是樹干，均大于50%，其次是樹枝生物量，約占單木生物量的17%，而樹葉生物量只占單木生物量的極小部分。3個(gè)樹種地下部分根生物量占單木生物量的比例約為23%。

將實(shí)測(cè)得到的標(biāo)準(zhǔn)地的標(biāo)準(zhǔn)木生物量乘以該樣地的林木數(shù)，即得到林分生物量[22]。由表3可見，雖然樹種不同，但是各樹種林分生物產(chǎn)量情況卻相同。3個(gè)林分喬木層的生物量排序均為干（皮）生物量>根生物量>枝生物量>葉生物量。在3種林分林下，灌木生長(zhǎng)良好，均以薔薇、懸鉤子、茶樹

為優(yōu)勢(shì)種，灌木層的林分生物量分別為10.56、1130、11.49 t/hm2，均占全林分的17%左右。與喬木層、灌木層相比，草本層生物量只占林分生物量的很少一部分，占比在0.3%以下，雖然占比較小，但是草本層也是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在生物多樣性及涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮著巨大的生態(tài)作用。

每年林木通過光合作用生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)，除去呼吸消耗的部分，剩余部分稱為凈生產(chǎn)量[23]。由表4可知，在3個(gè)樹種的林分中，喬木層的年平均凈生產(chǎn)量排列為南酸棗[1.48 t/（hm2·年）]>香椿[124 t/（hm2·年）]>臺(tái)灣杉[1.23 t/（hm2·年）]。3個(gè)樹種各器官年平均凈生產(chǎn)量排序均為樹干>樹根>樹枝>樹葉;林分凈生產(chǎn)量占比中喬木層最高，其次是灌木層，3個(gè)樹種林分對(duì)應(yīng)的灌木層年平均凈生產(chǎn)量占比為16%左右，草本層占比最小，均在10%以下。

3?結(jié)論

本研究結(jié)果表明：（1）3個(gè)樹種胸徑、樹高及材積生長(zhǎng)量均隨著樹齡的增長(zhǎng)而增加，35年生南酸棗的胸徑總生長(zhǎng)量為16.8 cm，40年生臺(tái)灣杉、香椿的胸徑總生長(zhǎng)量分別為22.95、17.15 cm。由此可見，在石漠化地區(qū)，3個(gè)樹種的胸徑生長(zhǎng)狀況以臺(tái)灣杉最優(yōu)。35年生南酸棗樹高總生長(zhǎng)量為15.52 m，40年生的臺(tái)灣杉、香椿樹高總生長(zhǎng)量分別為21.22、23.50 m，相比較而言，香椿的樹高生長(zhǎng)得較快。（2）3個(gè)樹種林分生產(chǎn)量以喬木層占比最大，林分喬木層生產(chǎn)力由大到小排列如下：南酸棗（51.94 t/hm2）>香椿（49.48 t/hm2）>臺(tái)灣杉（4933 t/hm2）。喬木層部分以樹干的生產(chǎn)力最高，均占總生產(chǎn)力的40%以上，3個(gè)樹種各器官生產(chǎn)力排序均為樹干>樹根>樹枝>樹葉。

4?討論

本研究分3個(gè)方面對(duì)湘西自治州石漠化地區(qū)南酸棗、臺(tái)灣杉和香椿3個(gè)樹種的生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行分析得出：（1）由樹干解析的數(shù)據(jù)可知，3個(gè)樹種的胸徑總生長(zhǎng)量均隨年齡的增長(zhǎng)而增加，35年生南酸棗人工林胸徑的總生長(zhǎng)量為16.8 cm，40年生臺(tái)灣杉、香椿胸徑的總生長(zhǎng)量分別為22.95、17.15 cm。相比之下，該地區(qū)3個(gè)樹種胸徑生長(zhǎng)量較其他地區(qū)生長(zhǎng)量稍有遜色，可能是由于該石漠化地區(qū)人工林群落結(jié)構(gòu)比較單一、土壤貧瘠、土層厚薄不均勻，缺乏促進(jìn)植物生長(zhǎng)的氮、磷、鉀等元素，根系生長(zhǎng)受阻，導(dǎo)致胸徑生長(zhǎng)量偏小，生產(chǎn)力較低。（2）35年生南酸棗樹高總生長(zhǎng)量為15.52 m，40年生臺(tái)灣杉、香椿的樹高總生長(zhǎng)量分別為21.22、23.50 m，相比較而言，香椿的樹高生長(zhǎng)得較快，可能是隨著林木的生長(zhǎng)發(fā)育，林分郁閉度逐漸增大，個(gè)體之間競(jìng)爭(zhēng)明顯，生長(zhǎng)空間不足，連年生長(zhǎng)量增加速度明顯減緩，導(dǎo)致其生長(zhǎng)出現(xiàn)差異。（3）3個(gè)樹種的材積總生長(zhǎng)量均隨年齡的增長(zhǎng)而增加，35年生南酸棗材積連年生長(zhǎng)量在樹齡為15年時(shí)達(dá)到峰值，為0.009 67 m3，連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)量在樹齡為28年時(shí)相交，此時(shí)已達(dá)南酸棗人工林材積生長(zhǎng)成熟期。40年生的臺(tái)灣杉材積連年生長(zhǎng)量在樹齡為25年時(shí)達(dá)到峰值，為0194 2 m3，材積連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)量曲線一直未相交，說明臺(tái)灣杉材積生長(zhǎng)成熟期至少在40年之后。40年生香椿材積連年生長(zhǎng)量在樹齡為25年時(shí)達(dá)到最大值，為 0.012 0 m3，其材積的連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量相交于樹齡為38年，此時(shí)林分達(dá)到數(shù)量成熟，林分達(dá)主伐年齡。因此可見，在3種林分的快速生長(zhǎng)期應(yīng)加強(qiáng)水肥管理和適當(dāng)間伐，控制好林分密度[18]，充分利用其快速生長(zhǎng)期，有效促進(jìn)其樹高和胸徑的快速生長(zhǎng)，從而提高生產(chǎn)力。

根據(jù)3個(gè)樹種表現(xiàn)出的林分生產(chǎn)力可以看出，南酸棗在喀斯特地區(qū)林分生產(chǎn)量最大。由于南酸棗和香椿為闊葉樹，臺(tái)灣杉為針葉樹，闊葉樹枝干葉比針葉樹發(fā)達(dá)，加上南酸棗本身的生物學(xué)特性，材質(zhì)柔韌，收縮率小，所以盡管南酸棗樹齡較臺(tái)灣杉小，但是其林分的生產(chǎn)量反而大于臺(tái)灣杉。因此，在進(jìn)行喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)時(shí)，可以考慮優(yōu)先選擇南酸棗、香椿等闊葉樹或針闊多形式混合造林，根據(jù)該地區(qū)小生境，進(jìn)行喬灌草搭配，合理地配置密度，充分利用林地內(nèi)小氣候環(huán)境的有利條件，促進(jìn)其生物量的積累[24]。本研究選取標(biāo)準(zhǔn)木法測(cè)算喬木生物量、反向推演林分生長(zhǎng)過程，今后可擴(kuò)大徑階分布范圍，通過建立不同的生長(zhǎng)模型，開展年度追蹤觀測(cè)，為喬木層生物量估測(cè)提供依據(jù)，更深入地去研究喀斯特地區(qū)主要樹種的生長(zhǎng)規(guī)律及生物量分配，加上人工林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)，最終實(shí)現(xiàn)湘西自治州石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

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