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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。
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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。
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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。
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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]。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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%。
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(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]见表 1。
表 1 刚果12号桉W5无性系不同连作代4、5年生林分生长比较
Table 1. Comparison of the growth of 4/5 years in different continuous cropping systems of W5 clones of Eucalyptus ABL.12
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 从表 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。
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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。
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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。
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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。
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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。
关于我国人工林长期生产力的保持
On the Maintenance of Long-term Productivity of Plantation in China
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摘要: 为了保持我国人工林的长期生产力和提高森林质量,达到可持续经营的目的。作者在以往研究工作的基础上,广泛收集了国内外有关成果与资料,概括论述了我国人工林森林生产力的现状、不能保持生产力的原因与机理以及长期保持人工林生产力的技术对策。按第八次清查的全国森林资源数据,每公顷蓄积量为89.79 m3,其中天然林为104.6 m3,人工林为52.76 m3,人工林森林生产力明显低于天然林;我国优势树种人工林每公顷蓄积量也不高,如杉木为69.8 m3,马尾松为56.2 m3,落叶松为58.6 m3,这些数据比日本2002年3月公布的人工林相似树种的数据低很多,如日本针叶树蓄积量为227.97 m3· hm-2,柳杉为295.83 m3 ·hm-2,落叶松为189.88 m3 ·hm-2。关于年生长量,按全国第七次资源清查的中龄林与近熟林的数据做统计:杉木人工林5.2~4.2 m3 ·hm-2,马尾松为3.2~1.8 m3· hm-2,柏木为3.4~3.2 m3 ·hm-2;但按作者掌握的我国重点或示范性、试验性小面积人工林生长量看,却很高,按我国编制的速生丰产林标准的生长量数据看比较高。我国大面积人工林生产力不高,短周期经营的杨树、桉树人工林也不高,主要原因是:(1)纯林化与针叶化严重。按第八次全国森林资源统计,纯林占人工林的85%,而且针叶化明显,人工乔木林10个优势树种中针叶林比例高达56.9%。人工纯林结构简单,生物多样性低,生物学上缺乏稳定性。人工纯林特别是针叶纯林,抗性低,抗自然灾害和大气污染能力均差,人工纯林维护地力的能力也弱。(2)集约育林的技术措施:立地控制技术未得到推广,适地适树适品种原则在育林中未能认真贯彻;密度、植被、地力控制技术也执行不力,大面积上的人工林仍属于粗放经营;连作引起林地土壤理、化、生物特性恶化,土壤质量衰退,导致林木生长不良,林分生产力逐代下降;造林作业造成水土流失,如杉木造林,传统的育林技术未得到明显改进,福建尤溪炼山后进行的3年观测结果表明,炼山和水土流失损失的有机质高达989.35 kg·hm-2,养分586.26 kg·hm-2。桉树在砖红壤进行的机耕整地,水土流失也很严重,不合理的造林作业,最终导致土壤质量与森林生产力下降。短周期培育人工林带来了2个重要问题,一是对林地肥力要求高,二是如何利用无性系才能保持长期生产力。短周期经营采用的无性系,生长速度快,生长量大,轮伐期短,养分需求量大,如刚果12号W5无性系,通常利用地上部分,以5~7 a的轮伐期计,消耗的养分达571.75 kg·hm-2,我国培养短周期人工林的土壤质量本底原本普遍不高,如果采取连作,土壤有机质养分会明显下降,土壤质量衰退,并对其功能产生危害。我国杨树、桉树等人工林要达到短周期持续经营,还需要实行多无性系造林。我国人工林长期生产力保持的技术对策,应采取先进的集约育林措施,包括遗传控制、立地控制、密度控制、植被控制与地力控制。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.
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Key words:
- plantation
- / long-term productivity
- / sustainable management
- / ecosystem management
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表 1 刚果12号桉W5无性系不同连作代4、5年生林分生长比较
Table 1. Comparison of the growth of 4/5 years in different continuous cropping systems of W5 clones of Eucalyptus ABL.12
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 -
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