不同密度对杉木纯林径级结构及土壤地力的影响

田海燕，徐清乾

(1.浏阳市林业局，湖南 浏阳 410300； 2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

杉木(Cunninghamialanceolata)具有速生丰产、木材优质、适应性强等特性，是中国南方地区首要的人工造林树种，长期以来初植密度多在2000株·hm-2以上。较高的初植密度加之前期快速生长，有利于杉木林分尽快郁闭，从而抑制杂草、杂灌生长，减少抚育成本；但随着林分的生长，中、幼龄林分的相邻个体间竞争加剧，窄小的空间无法满足生产较多大、中径材的需求。

间伐是优化林分结构的重要调控手段，已成为速生丰产林高效培育的主要营林措施[1]。土壤地力指土层物理质地结构、厚度、水源涵养、化学营养物质含量、缓存、供给、微生物对有机物分解的综合能力，维护土壤地力是商品林经营重要的追求目标。盛炜彤[2]、徐清乾等[3]的研究表明，通过间伐至适宜的保留密度，能实现林分总蓄积及大径材的较高产出。林隙空间增大，立木间有部分阳光直射，林间通风良好，林下植被的生长环境得到改善，林下植被凋落物的回归土壤得到增加，其营养物可充分改良土壤理化性质并提高土壤微生物数量，对土壤有机物分解、土壤呼吸、土壤保湿、地力维护具有重要作用。本文对比分析了不同保留密度(间伐强度)对杉木林分径级结构及土壤地力的影响，可为杉木人工林间伐作业和地力维护提供技术支撑。

1 试验地概况

试验地位于湖南省浏阳市张坊镇白石村张坊林场，中心点地理坐标为114°03′05″E、28°33′02″N，属亚热带季风性湿润气候，具四季分明、雨量充沛、光照偏少、无霜期偏短等特点。年均日照1525 h，年均气温16.7 ℃，活动积温5 216 ℃，年均降水量1 700 mm，年均相对湿度78%，年均无霜期235 d；地貌为中低山，海拔194 m；土壤为板页岩风化物形成的黄壤，土壤肥沃，造林时平均有机质含量3.0%，pH 5.7～6.8，适宜于杉木高效培育。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验材料为1996年3月采用杉木1年生裸根苗营造的杉木人工林。该林分立地条件为18指数，按规格40cm×40cm×35cm穴垦整地，每穴施0.75kg复合肥作基肥，初植密度1 950株·hm-2。幼林前3年每年除杂、培蔸两次。

2.2 试验设计

间伐试验采用随机区组设计进行，第一次间伐于林分8年生时(2003年秋季)进行，第二次间伐于林分14年生时(2009年秋季)进行。2次间伐后形成6个水平的保留密度(表1)，各保留密度设置3次重复(设置3个30 m×20 m规格的标准地)，共计18个永久性样地。

表1 间伐试验设计Tab.1 Design of thinning test密度处理保留密度/(株·hm-2)间伐强度/%A45076.9B67565.4C90053.8D1 12542.3E1 35030.8对照(CK)1 9500

2.3 数据采集及处理

2.3.1 林分生长指标

2003年秋季和2009年秋季间伐时，测定全部间伐木的胸径和树高；2021年12月，对6个保留密度、18个永久性样地中的26年生立木进行每木胸径调查。参照相聪伟等[4]对胸径的归类方法，将D≥25 cm、16 cm

2.3.2 土壤地力指标

18个小区(标准地)内均按“五点采样法”布置5个正方形(1.5 m×1.5 m)小样方进行采样和分析：(1)野外调查小样方内林下植物种类；全株采样并于林木无性系育种湖南省重点实验室(以下简称实验室)烘干至恒重，测定地上、地下部分总生物量。(2)连续3日为晴天时采用直径5.5 cm、深度4.2 cm的环刀切取自然状态下的土壤表土100 cm3，在实验室烘干至恒重后测定土壤容重[5]；使用山东仁科测控技术有限公司生产的土壤水分监测仪(SSXT-SQ-02)在野外测定深度20cm的土壤含水率。(3)锄挖采集0～20 cm表层土样带回实验室，一部分于阴凉处自然风干，粉碎后过百目筛，采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量[6]；另一部分通过多次无菌水振荡稀释逐步配置成10-6梯度土壤溶液，采用牛肉膏蛋白胨培养基、马丁氏培养基、高氏一号培养基，在28.0℃环境下分别培养1、3、7 d，采用平板稀释分离法观测记录细菌、真菌、放线菌的活菌数量[7]。

2.4 数据统计与分析

采用Excel及SPSS 10.0对调查测定的数据进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 不同密度对杉木纯林径阶、径级结构的影响

3.1.1 各径阶株数百分比分布

不同保留密度林分(含间伐木在内)各径阶株数的比例见表2。

表2 不同密度林分各径阶株数占比Tab.2 Percentage of each diameter class plant in different density stands密度处理各径阶株数比例/%681012141618202224262830平均胸径/cmA5.1 5.9 6.8 7.3 8.0 8.5 9.3 9.9 10.4 11.4 9.8 4.9 2.7 18.22±1.44 bB4.4 5.2 5.8 6.1 7.1 7.5 8.0 9.2 11.5 12.6 11.3 8.0 3.3 19.19±1.72 abC2.9 3.4 3.8 4.4 5.7 7.0 9.5 11.3 13.4 12.8 12.5 9.3 4.0 20.32±1.82 abD1.0 1.5 2.7 3.7 5.9 7.3 10.1 12.8 14.0 13.4 12.8 10.0 4.8 21.13±1.93 a E1.6 2.1 3.1 4.2 5.6 8.4 10.4 12.3 13.5 12.9 12.5 9.2 4.2 20.69±1.86 abCK1.8 4.9 8.7 9.1 9.5 10.1 11.3 10.1 9.7 9.3 8.8 5.0 1.7 18.03±1.48 b 注:同列不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。

从表2可以看出，含间伐木在内，26年生树龄的杉木人工纯林，胸径区域均处于6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30等13个径阶范围。进行间伐的5个密度，各径阶株数百分比均呈现“极高点左侧缓慢上升、右侧急剧下降”的非对称抛物线分布；保留密度A和B的林分，株数占比极高点位于24径阶(比中值18径阶大3个径阶)，分别占11.4%和12.6%，左侧小于24径阶的株数占比分别为71.2%和64.8%，右侧大于24径阶的株数占比分别为17.4%和22.6%；保留密度C、D、E的林分，株数占比极高点位于22径阶(比中值18径阶大2个径阶)，分别占13.4%、14.0%和13.5%，左侧小于22径阶的株数占比分别为48.0%、45.0%和47.7%，右侧大于22径阶的株数占比分别为38.6%、41.0%和38.8%。未进行间伐的CK，各径阶株数占比呈现两侧基本对称的抛物线分布，极高点(占比11.3%)位于中值点18径阶，左侧小于18径阶和右侧大于18径阶的株数占比分别为44.1%和44.6%。随着保留密度的增加，6个处理株数占比极高点所处径阶表现出逐渐下降的走势(24径阶→22径阶→18径阶)，这是由于低保留密度间伐的较小胸径木较多，当间伐木计算在内时，造成低保留密度较小径阶株数比例较高。

A、B、C、D、E、CK保留密度的26年生杉木林分，含间伐木在内，平均胸径分别为18.22、19.19、20.32，21.13、20.69、18.03 cm，呈现随着保留密度的提高先增大后减小的规律。与CK相比，间伐处理能够增加胸径，但是各间伐处理中只有D密度与CK之间存在显著差异；这说明林分保留密度要合适，过稀或过密都不利于木材的产出，间伐至1 125株·hm-2较为理想。

3.1.2 各径级材种株数百分比分布

按不同径级材种分类，含间伐木在内，不同保留密度林分各径级材种株数占比见表3。

从表3可以得知，A、B、C、D、E、CK处理，大径材株数占现保存立木的比例分别为81.3%、70.2%、60.3%、51.5%、40.3%、15.5%，呈现明显的逐渐下降趋势，与保留密度呈显著的负相关，这是因现存立木株数逐渐增大造成的。含间伐木在内，小径材、小条木株数分别从A处理的500、374株·hm-2逐步减少至极低点D处理的355、109株·hm-2，而后逐步增加至极高点CK处理的603、323株·hm-2；相应地，占造林株数的比例分别从A处理的23.8%、17.8%减少至极低点D处理的16.9%、5.2%，再增加至极高点CK处理的28.7%和A处理的17.8%，呈现出两侧高、中间低的U形分布，这说明中等保留密度生产的小径材、小条木较少。

表3 不同密度林分各径级材种株数占比Tab.3 Percentage of each diameter grade timber in different density stands密度处理大径材中径材小径材小条木数量/(株·hm-2)占现立木比例/%占造林株比例/%数量/(株·hm-2)占造林株比例/%数量/(株·hm-2)占造林株比例/%数量/(株·hm-2)占造林株比例/%A366±35.5 b81.3±8.3 a17.4±1.8 b 861±84.4 b41.0±4.2 b500±45.2 ab23.8±2.5 ab374±35.1 a17.8±1.7 aB474±45.1 b70.2±7.2 a22.6±2.1 ab 867±85.0 b41.3±4.1 b435±42.3 ab20.7±1.9 ab323±32.1 ab15.4±1.6 abC543±50.2 ab 60.3±6.5ab25.8±2.4 ab 987±92.3 ab 47.0±4.5 ab359±34.1 b17.1±1.8 b212±23.2 b10.1±1.3 bD579±52.0 ab51.5±5.5 ab27.6±2.9 ab1 056±99.8 a50.3±5.1a355±33.5 b16.9±1.5 b109±15.0 b 5.2±0.8 bE544±51.1 ab40.3±4.3 ab25.9±2.4 ab1 031±98.8 a49.1±4.8 a382±40.3 b18.2±1.9 b143±17.3 b 6.8±0.9 bCK326±36.6 b15.5±2.7 b15.5±1.9 b 848±81.6 b40.4±4.0 b603±54.4 a28.7±3.0 a323±33.1 ab15.4±1.6 ab

大径材、中径材株数及占比均呈现两侧低、中间高的抛物线分布，株数分别从A处理的366、861株·hm-2逐步增加至极高点(均为D处理)579、1 056株·hm-2，而后逐步减少至极低点326、848株·hm-2(均为CK)；相应地，占造林株数的比例分别从17.4%、41.0%增加至极高点27.6%、50.3%(均为D处理)，再减少至极低点15.5%、40.4%(均为CK)。从高效培育大、中径材的角度出发，D保留密度(1 125株·hm-2)最为理想，大径材、中径材比例比CK分别高出78.1%和24.5%。

3.2 不同密度对杉木纯林土壤地力的影响

3.2.1 林下植物及土壤理化性质比较

不同保留密度林分，林下植物种类、生物量及土壤理化指标见表4。

表4 不同密度林分林下植物及土壤理化性质Tab.4 Undergrowth plants and soil physicochemical properties in different density stands密度处理林下植物0～20 cm表层土壤种类/个生物量/(kg·m-2)容重/(g·cm-3) 含水率/% 有机质含量/% A19±2.0 a0.89±0.078 a1.22±0.11 b23.8±2.6 a2.58±0.27 abB18±1.8 a0.83±0.072 a1.26±0.13 b22.6±2.4 ab2.79±0.29 abC16±1.7 ab0.78±0.066 ab1.31±0.16 ab22.0±2.3 ab2.98±0.30 abD14±1.5 ab0.73±0.061 ab1.34±0.18 ab21.6±2.1 ab3.18±0.32 aE12±1.4 ab0.68±0.058 ab1.40±0.20 ab21.1±1.9 ab2.87±0.28 abCK8±1.0 b0.35±0.043 b1.63±0.24 a18.8±1.5 b2.47±0.25 b

从表4可以看出，林下植物种类和生物量随着杉木密度的减小而逐渐增加，CK有金毛耳草(Hedyotischrysotricha)、鳞蕗蕨(Hymenophyllumlevingei)、紫柄蕨(Pseudophegopterispyrrhorhachis)、凤丫蕨(Coniogrammejaponica)、海金沙(Lygodiumjaponicum)、葛(Puerariamontanavar.lobata)、

钩藤(Uncariarhynchophylla)、山葡萄(Vitisamurensis)等8种植物；E密度林下共12种植物，比CK增加了铁芒萁(Dicranopterislinearis)、白菊(Dendranthemamorifolium)、柳叶箬(Isachneglobosa)、八角麻(Boehmeriaplatanifolia)；D密度比E密度增加乌蕨(Odontosoriachinensis)和淡竹叶(Lophatherumgracile)2种植物，共计14种植物；C密度在D密度的基础上增加飞蓬(Erigeronacris)和白茅(Imperatacylindrica)2种植物，共计16种植物；B密度共计18种植物，在C密度基础上增加了中华苦荬菜(Ixerischinensis)和狗脊(Woodwardiajaponica)2种植物；A密度增加茶(Camelliasinensis)，共计19种植物。5个间伐处理的林下植物种类和生物量相互间无显著差异，平均值分别为15.8种和0.78 kg·m-2，显著大于CK的8种和0.35 kg·m-2，这是因为保留密度越低，林隙空间越大，光照越强，越有利于林下植物生长。

土壤容重随着杉木密度的增加而逐渐增加，6个处理土壤容重分别为1.22、1.26、1.31、1.34、1.40、1.63 g·cm-3，5个间伐处理林分的土壤容重均小于CK，说明间伐后较低密度杉木林分的土壤会变得较疏松、孔隙较多、通透性较好、潜在肥力较高。土壤含水率随着杉木密度的增加而逐渐降低，6个处理分别为23.1%、22.6%、22.0%、21.6%、21.1%、18.8%，5个间伐处理林分的土壤含水率均显著大于CK，说明通过间伐可减少土壤水分蒸腾、提高土壤的蓄水能力。土壤有机质含量随着杉木密度的增加呈现先增加后减少的趋势，6个处理分别为2.58%、2.79%、2.98%、3.18%、2.87%、2.47%，D密度的土壤有机质含量最高，比CK增加28.7%。

3.2.2 土壤微生物数量比较

不同密度杉木林分土壤中细菌、放线菌、真菌的数量分别如图1、图2、图3所示。

图1 不同保留密度处理林分土壤细菌数量Fig.1 Quantity of bacteria in the soil of different reserved density stands

图2 不同保留密度处理林分土壤放线菌数量Fig.2 Quantity of actinomycetes in the soil of different reserved density stands

图3 不同保留密度处理林分土壤真菌数量Fig.3 Quantity of fungi in the soil of different reserved density stands

微生物是土壤中最活跃的重要组成部分，不仅参与土壤有机物分解、养分元素转化和循环过程，还在维持土壤生态功能方面起到不可替代的作用。从图1、图2、图3可知，土壤微生物中细菌数量最多、放线菌数量次之、真菌数量较少，分别为58.8×104～66.8×104、20.3×104～23.4×104、17.7×102～20.9×102个·g-1，细菌占比约80%；6个保留密度林分土壤细菌数量分别为61.5×104、63.4×104、66.6×104、66.8×104、64.3×104、58.8×104个·g-1，放线菌数量分别为20.5×104、21.8×104、23.0×104、23.4×104、22.2×104、20.3×104个·g-1，真菌数量分别为18.5×102、19.6×102、20.7×102、20.9×102、19.8×102、17.7×102个·g-1，随着杉木密度的增加，均呈先增加后减少走势，以C密度和D密度的数量较多，且CK的3种微生物数量均为最低值，说明间伐对微生物数量有一定的提高作用。6个处理的3种微生物数量变化与相应的土壤有机质含量变化高度同步，微生物数量与土壤有机质含量呈正相关，说明微生物在土壤有机物分解中起到重要作用。

4 结论与讨论

(1)将间伐木计算在内，26年生杉木人工纯林胸径均处于6～30的13个径阶范围；通过间伐的5个保留密度A(450株·hm-2)、B(675株·hm-2)、C(900株·hm-2)、D(1125株·hm-2)、E(1 350株·hm-2)，各径阶株数占比均呈现“极高点左侧缓慢上升、右侧急剧下降”的非对称分布，极高点分别落在24、24、22、22、22径阶；未经间伐的CK(1 950株·hm-2)各径阶株数占比呈“极高点左侧缓慢上升、右侧缓慢下降”的基本对称分布，极高点出现在18径阶。6个保留密度的平均胸径分别为18.22、19.19、20.32，21.13、20.69、18.03 cm，大径材株数占比分别为17.4%、22.6%、25.8%、27.6%、25.9%、15.5%，均呈现随着杉木保留密度的增加先逐步增高后逐渐下降的趋势，且都以CK最小，与徐清乾等[8]的研究结果接近。

(2)林下植物种类和生物量随着杉木密度的增加而逐渐减少，A、B、C、D、E、CK 6个保留密度的林下植物种类分别为19、18、16、14、12、8种，生物量分别为0.89、0.83、0.78、0.73、0.68、0.35 kg·m-2，间伐处理的林下植物种类及其生物量均显著大于CK。这是由于保留密度越低，林分郁闭度越低，林隙空间越大，越有利于林下植物的生长，与黄光文等[9]、李伟伟等[10]、刘玉安[11]的研究结果基本一致。

(3)土壤容重随着杉木密度的增加逐渐增加，间伐处理的土壤容重显著小于CK，说明间伐能使土壤变得更疏松，提高土壤潜在肥力，有效改良土壤物理性能[12]。土壤含水率随着杉木密度的增加逐渐减小，间伐处理显著大于CK，说明间伐可减少土壤水分蒸腾，提高土壤的蓄水能力[13]。6个保留密度的土壤有机质含量分别为2.58%、2.79%、2.98%、3.18%、2.87%、2.47%，随着杉木密度的增加呈现先增加后减少趋势，与卜瑞瑛等[14]对不同密度华北落叶松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii)林分的土壤有机质含量变化趋势的研究结果类似。

(4)土壤微生物中细菌数量最多、放线菌数量次之、真菌数量较少，细菌占比约80%。随着杉木林分密度的增加，细菌、放线菌、真菌数量均呈先增加后减少趋势[15-16]，C密度和D密度数量较多，CK数量最少，说明间伐在一定程度上改良了土壤微生物的生长环境。微生物数量与土壤有机质含量呈正相关，说明微生物在土壤有机物分解中起到重要作用[17]。

(5)从杉木林分生长速度、林分质量、林下植物种类、林下植物生物量、土壤理化性质、土壤微生物数量综合衡量，较高密度造林时，中、幼林间伐十分必要，且间伐强度要适当，本试验中以保留密度为1 125株·hm-2最为合适。