杉木人工林生物量和生产力研究进展

王俊鸿，吴鹏飞，周丽丽，马祥庆

（1.福建农林大学，福建 福州350002；2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州350002）

生物量和生产力是森林生态系统结构及功能的最基本的特征，可为森林生态系统营养循环研究提供基础数据[1，2]。在全球区域的大尺度下，研究森林生物量和生产力的地理格局及分布规律，结合气象因素和森林群落之间相关关系的研究，可对地球生物圈的承载力进行估算和预测[3]。森林生物生产力与森林碳储量结合起来研究已成了一个新热点[4－6]。

最早关于森林生物量研究可追溯到1876年，Ebermeyer在德国发表了对几种主要森林的枝叶凋落量和木材重量的研究[7]。20世纪50年代后，世界上对森林生物量的研究逐渐增多。在国际生物计划 （international biological program，IBP）和人与生物圈计划 （man and biosphere，MAB）的推动下，许多研究估算了地球生物圈的生物总储量，对地球上主要森林植被的生物量和生产力及其空间地理分布规律进行了大量研究。20世纪70年代中后期，国内森林生物量、生产力的研究开始起步，众多学者总结了全国不同森林类型的生物量与生产力，研究其规律和气候－地理分布格局，模拟了中国主要森林树种生物量估测模型[8，9]。

杉木 （Cunninghamialanceolata）是中国南方重要的用材树种，广泛分布于中国南方16个省区，具有生长快、产量高的特点，栽培面积广泛，栽培历史悠久。因此，国内对杉木的生物量和生产力研究无论从研究的范围、深度和广度方面是其它树种研究无法比拟的。国内外学者发表了大量有关杉木生物量和生产力的研究论文和成果，为杉木人工林生态系统经营提供了科学依据[10－13]。

本文通过搜集国内外有关杉木的研究文献，从杉木生物量研究方法入手，综述了不同立地类型、连载代数、林分密度、营林措施与杉木生物生产力关系的研究进展，探讨了杉木生物量和生产力的生长方程及预测模型研究情况，最后提出了杉木林生物量和生产力今后的研究方向。

1 杉木人工林生物量和生产力的调查方法、研究进展

森林生物量和生产力的研究，首先面对的是数据的调查获取方式，选择合理的调查方法对生物量数据的处理和后期分析有至关重要的作用。

潘维俦等[14]提出分级取样的测定方法，他认为林木在不同的发育阶段有不同的生长特点，据此进行每木检尺，可获取各龄级下林木的不同组成结构，能有效揭示杉木人工林在林木分化过程中的一些问题。堪小勇[15]研究了在测定杉木单株生物量时需要的叶面积比、枝叶比、含水率等转换参数的变化规律，并提出了在估测生物量时参数选择和应用方面需要注意的问题。钱志能[16]提出了杉木枝叶生物量估测方法，指出用胸径与树高或冠比率两因子估测杉木枝叶量比较理想。彭元英[17]则从测树学角度出发，用杉木材积来估算杉木各个组分干物质，并研究了林木材积和其重量指标之间的相关关系。

测定生物量方法是研究林木生物量的基础，但此类研究开展较少。国内在杉木生物量调查中多采用收获法，在估测林分生物量时，多采用相对生长方程估算树木生物量，而且一般会采用林木测定值的经验方程来推算，在应用所建立的估测方程方面受到一定限制。

2 影响杉木人工林生物量和生产力的因素分析

2.1 立地类型对杉木人工林生物量和生产力的影响

不同地域生态环境的差异会明显影响杉木生物量。冯宗炜[18]对不同自然地带杉木生物量和生产力进行比较研究发现：中带地区20年生杉木林现存量表现为中带＞南带＞北带的趋势，中带20年生杉木林年净生产量为中带＞南带＞北带相一致；温远光等[19]研究表明，在杉木生长初期郁闭阶段，影响中心产区杉木林生物量的主要矛盾集中在地上部分的发育，其限制性因素主要是林分郁闭度、光照、自然整枝情况等；在丘陵地区这种矛盾主要体现在地下部分，即土壤的结构、酸碱度、容重和水肥比例等。这种 “比例失调”的现象在同一地域的不同立地条件下也有发生。

由于立地条件的不同，即使在同一地理区域，由于光、热、水、肥等因子分配组合上存在差异，对不同杉木林分的生物量和生产力也有重要影响。佟金权[20]研究了杉木人工林生产力随地位指数的变化，在杉木人工林生物量与年龄增加方面，14和16地位指数林地与年龄的变化情况一致，地位指数16的不同年龄阶段杉木林各器官组分生物量高于地位指数14的杉木林。地位指数和杉木林成熟年龄呈反比关系[21]。

不同立地的杉木林对环境因素的适应能力不同，因此杉木生物产量与其内在生理特征因素和外在环境生态条件紧密相关。开展不同地域及立地类型杉木对不同环境变化适应性的研究对杉木人工用材林基地规划和培育有重要指导意义。

2.2 连载代数对杉木人工林生物量和生产力的影响

由于全球人口膨胀、经济快速增长对木材的需求增大，导致天然森林资源急剧减少，人工林栽植面积不断扩大，有关人工林连载导致地力衰退的情况国外有不少报导[32－35]。由于在同一片林地上杉木连续栽植，多代连栽导致林地生产力下降，造成人工林经营的 “第二代效应”，严重影响了杉木人工林的可持续经营[22，23]。

杨玉盛等[24]研究发现：由于连载代数增加，导致林分总生物量下降趋势明显，第1代到第2代下降幅度最大。刘煊章等[25]认为第2代杉木幼林生物量较第1代下降明显；马祥庆等[26－28]研究表明：多代连载导致林地地力衰退，同时轮伐期也是影响杉木人工林地力的重要因素，轮伐期越短，对林地的消耗就越严重，不利于林下植被发育。田大伦等[29]研究表明：在杉木的速生阶段，第2代的单株和林分生物量比第1代单株和林分生物量分别下降了8.52%和16.53%。赵萌等[30]报导了随着第2代杉木林年龄的增长，土壤酶活性呈递减趋势，据此提出了土壤酶活性与土壤肥力相关性极高的结论。

2.3 林分密度对杉木人工林生物量和生产力的影响

不仅连载代数会导致杉木产量增减，而且林分密度也关系到林分的结构和光照利用，从而对杉木林分生物产量产生较大影响。林开敏等[31]对不同密度杉木林分生物量结构与土壤肥力的差异研究发现：单株杉木生物量及其各器官生物量与密度增加呈相反趋势。应金花等[32]对第一代杉木研究发现：密度是林分乔木层生物量的重要影响因子，其中叶、干的分配比率随密度增大而增加，但枝、皮生物量在密度增大时则减小。黄贤松等[33]研究表明：林分总生物量随密度的增大而增大；盛炜彤[34]通过研究不同密度杉木林林下植被发育发现：未经间伐而采用适当密度调整可促进林下植被的良好发育；相聪伟等[35]在福建省邵武林场的研究表明：杉木林初植密度对林分蓄积量的影响随林分年龄的增加而趋于减小，在24年生时林分蓄积量趋于相等。

林分密度与生物量之间的关系是复杂的，既有复杂不确定的方面，也有简单可以肯定的研究结论。营养及光照空间对单株杉木生物产量的影响较大且呈正相关关系[36－39]。

2.4 营林措施对杉木人工林生物量和生产力的影响

森林的采伐利用、恢复方式、造林等营林措施对森林生物量和生产力有一定影响，人为经营活动的集约优化与否对不同地域类型的杉木生物产量有重要影响[40]。马祥庆等[41]进行不同林地清理方式对杉木林地力的影响研究发现：经过炼山清理迹地后，林地表层土壤有机质、全N、C／N养分指标下降，在造林后第六年，林地的养分指标变化幅度才趋于稳定。黄云玲等[42]在福建尤溪和南平对3种地位指数级林地的研究表明：1～5年生杉木林地炼山对14级地位指数级和18级林地杉木生长影响明显不同。陈国瑞[43]对炼山后5年生二代杉木幼林生长的研究发现：炼山和不炼山处理杉木平均胸径年生长量均在1.70cm以上，平均树高在1.00m以上，说明土壤条件较好时炼山和不炼山杉木 “二代效应”不明显，炼山处理对5年生杉木幼林生长无明显促进作用。马祥庆等[44]研究发现：不同林地清理方式对杉木人工林生态系统的影响不同，不炼山林地经采伐剩余物分解后，林分养分得到富集，在短期内能促进林下植被发育，明显提高杉木造林成活率。薛立等[45]的研究发现：炼山迹地土壤容重比杉木林地增加10%，有机质、全N、全P、全K分别比杉木林地分别下降37%、37%、47%、7%，炼山后水热条件改变，酶活性提高，有利于杉木幼林生物量的提高。

3 杉木人工林生物量和生产力预测模型

杉木林分生物量模型能较好地反映林木生长情况及林分与林地条件的关系，在各种特定条件下使用生长模型去估测林分的发育情况有较好效果。按照研究的尺度不同，森林生物量与生产力模型可分为单株生物量模型、大尺度下的通用森林生物量模型[46]。同时结合基于空间信息过程的模型越来越受到重视[47－49]，在区域尺度杉木生物量通用相对生长方程的整合方面研究逐渐增多[50，51]。

惠刚盈[52]用林分调查中的树干解析林木数据为基础，结合统计学的相关分析方法模拟林木的出材量。何宗明等[53]收集大量数据资料，对全林的整体生长模型进行了修改完善，在此基础上建立了福建省一般产区的杉木人工林自然生长模型。胥辉[54]比较了2种杉木生物量的模型，认为CAR和VAR的模型参数稳定性不同，模型的预测、估算能力也有所差别，通过研究发现CAR模型的参数估计值更为稳定，而且预测估算能力较VAR更强，在应用生物量模型中可以作为首选。吴载璋[55]采用Rihards一般化的Bertalanffy模型，用地位指数、密度指数、年龄作为自变量来拟合福建省杉木人工林生长情况，与单行曲线模型相比较，该多型生长模型比单行的曲线模型有更高的精度。刘雯雯等[56]对已发布的杉木生物量文献数据进行整合分析，建立了杉木生物量通用估算模型，经过验证此模型适用于杉木林碳贮量的估算。

4 问题与展望

近半个世纪以来，虽然国内外对杉木人工林生物量和生产力进行了大量研究，取得了很多研究成果。但由于受时间、研究条件等方面的限制，目前有关杉木人工林生物量和生产力研究方面还存在较多问题。主要表现在传统杉木人工林生物量和生产力研究数据没有考虑杉木连栽产量下降和全球气候变化对杉木生物生产力的影响，而且不同杉木产区杉木种源的相互调拨，导致杉木生物生产力遗传因素的影响增大。针对目前杉木人工林生物量和生产力研究过程中存在的问题及发展杉木人工林过程中出现的一些新的形势，提出杉木林生物量和生产力研究的发展方向：

1）在今后杉木林生物量和生产力的研究中应充分考虑全球气候变化对杉木生物生产力的影响，在应用不同时期的杉木人工林生物生产力数据时要考虑不同时期气候变化的差异。在全球变化尺度下研究气候变化对杉木生物量及生产力的影响，通过新模型来整合模拟杉木林生态系统的持续生产力、碳平衡与养分管理等。

2）在杉木生物量的测定方法上应借鉴新的技术，如采用多种生物学、生态学途径，探讨林木生物量发育生长的形成机制，试图解决在采用收获法时难以确定的地被动物、昆虫等食去的有机物质重量，打破目前应用经验模型的局限性。

3）应在不同杉木产区建立长期固定样地，建立长期观测研究台站的网络，以便连续监测不同产区杉木生物量生长，使数据的对比性、准确性增强。对各种数据进行标准化集中管理，可以有效地解决在数据共享机制方面的问题，利用GIS、RS技术对多种数据进行拟合，完善林分生长机理模型，并逐渐形成大尺度的模型[57－59]，将是未来杉木生物量模型发展的主要方向。

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