全 文 ： 收稿日期: 2000-04-10
基金项目: 国家自然科学基金重点项目“中国人工林长期生产力保持机制的研究”( 39630240)部分内容
作者简介: 张家城( 1942-) ,男,北京人,副研究员.
文章编号: 1001-1498( 2001) 02-0160-08
江西分宜地区杉木人工林不同代数间生产力
与生物量构成的比较研究
张家城1, 盛炜彤2 , 聂道平1, 白秀兰1
( 1.中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所,北京 100091;
2.中国林业科学研究院 林业研究所,北京 100091)
摘要: 将选自江西分宜大岗山地区相同立地条件和发育阶段的 1、2 代林样地的林龄变为与 1 代
林主样地的林龄一致,利用“杉木人工林生长与收获模型系统”中的部分模型, 计算林龄变换后样
地的平均优势高, 以便实现 1、2代林之间以优势高表示的生产力在同林龄、同立地的比较。用假设
检验比较 1、2 代林生产力的差异。而后根据实测生物量计算的数据,用假设检验比较 1、2 代林树
干、树根及枝叶在生物量中占百分比的差异。结果表明:在各种立地条件下, 幼龄林 1、2 代林的生
产力无显著差异;中龄林 1 代林的生产力要普遍高于 2 代林,立地条件越差差异越明显; 4～12 年
生林分, 1 代林树干占生物量百分比要普遍高于 2 代林, 1 代林树根占生物量百分比要普遍低于 2
代林, 立地条件越差上述差异越明显; 1 代林与 2 代林枝、叶占生物量百分比无显著差异。
关键词: 1、2 代连栽人工杉木林; 生产力; 生物量构成; 统计假设检验
中图分类号: S718. 55+ 6 文献标识码: A
人工林经营中, 因同一树种连栽而产生的生产力下降,已成为阻碍人工林发展的主要障
碍[ 1]。杉木[ Cunninghamia lanceolata ( Lamb. ) Hook. ]是中国特有的优质、速生、丰产用材造
林树种,南方各省广泛栽植,连栽杉木人工林也同样存在生产力下降问题 [ 2～7]。杉木人工林生
产力衰退机制和防治的研究,目前已引起有关方面和科技人员的关注。本项研究拟在上述研究
的基础上,探索连栽杉木人工林 1、2 代是在哪一发育阶段生产力出现普遍差异; 并分析连栽
1、2代林生物量各组分在分配比例上是否存在普遍差异。其目的是为连栽杉木人工林长期生
产力保持的机制研究, 提供更详细的基础资料。
试验地设在江西分宜中国林科院亚热带林业实验中心所属实验林场。大岗山地区的连栽
人工杉木林目前仅有 1、2代, 2代林也仅有幼龄林和中龄林,还未进入成林发育阶段。故试验
地安排如下: 选择 A、B、C 3组立地条件不同的试验地,每组内由立地条件相同、分别处于幼龄
林阶段和中龄林阶段的 1、2代连栽杉木林各 3块样地组成。3块样地中的 1块为主样地,其余
2块为辅样地。A、B、C 3组立地条件的优劣顺序为 A 优于B, B优于 C。而后对样地展开林分
林业科学研究 2001, 14( 2) : 160～167
For est Resear ch
调查、生物量测定; 用独立于密度的仅受立地条件、林龄影响的优势高 [ 8]作为衡量 1、2代林生
产力的指标。发育阶段相同并不见得林龄一致, 优势高是林龄的函数,林龄不一致,优势高就不
可比。本项研究是通过“杉木人工林生长与收获模型系统”[ 9] , 完成这种同龄条件下优势高转换
的。由于选择样地时注意了林分立地条件的相同,林龄又化为一致了,于是相比林分优势高若
存在普遍差异,就反映了该发育阶段 1、2代林的生产力存在普遍差异;否则便可得出相反的结
论。
1 试验地自然状况
中国林科院亚热带林业实验中心地处我国杉木中心产区东部,地理位置在江西省分宜县
的大岗山地区,为罗霄山脉北端武功山的支脉。所选的样地均在海拔 300 m 以下的中、低丘坡
面或坡麓。
该地区属亚热带季风湿润类型,四季分明, 温暖湿润。年平均气温在15. 8～17. 7℃, 1月平
均最低气温- 5. 3 ℃,年平均降水量为 1 591 mm ,主要集中在 4～6月,占全年降水量的 45%,
年平均无霜期 265 d,年平均蒸发量为 1 503 mm。试验地土壤多为砂页岩、板页岩发育的红壤,
土层深厚、质地粘重,表土腐殖质含量较低。
所选各主样地的立地条件、连栽代数、发育阶段、林龄、保留密度、乔木层生物量等情况见
表 1。
表 1 不同林龄和不同立地条件的杉木人工林样地基本情况
立地
等级 发育阶段 基 本 情 况
连 栽 代 数
第 1代 第 2代
C
级
幼龄林
林 龄/ a 6 5
保 留 密 度/ (株·hm - 2) 4 600 1 725
乔木层生物量/ ( k g·hm- 2) 32 752. 0 9 182. 75
中龄林
林 龄/ a 12 12
保 留 密 度/ (株·hm - 2) 1 800 3 900
乔木层生物量/ ( k g·hm- 2) 57 370. 3 89 873. 9
B
级
幼龄林
林 龄/ a 6 4
保 留 密 度/ (株·hm - 2) 3 267 2 300
乔木层生物量/ ( k g·hm- 2) 34 306. 5 9 844. 0
中龄林
林 龄/ a 12 12
保 留 密 度/ (株·hm - 2) 2 600 3 850
乔木层生物量/ ( k g·hm- 2) 85 986. 7 95 903. 5
A
级
幼龄林
林 龄/ a 6 6
保 留 密 度/ (株·hm - 2) 2 500 3 867
乔木层生物量/ ( k g·hm- 2) 55 370. 0 32 680. 7
中龄林
林 龄/ a 12 12
保 留 密 度/ (株·hm - 2) 2 067 2 233
乔木层生物量/ ( k g·hm- 2) 81 257. 8 54 097. 8
161第 2期 张家城等:江西分宜地区杉木人工林不同代数间生产力与生物量构成的比较研究
2 研究方法
本项研究的基本方法为对比分析法。通过统计学的假设检验,来比较、判断连栽 1、2代杉
木人工林以优势高表示的生产力,以及生物量各组分所占百分比是否存在显著差异。以所选的
每对样地每个比较项目数值的相对差为变量进行假设检验,判断 1、2代林之间是否存在显著
差异。而后根据样本平均数是大于还是小于假设的总体平均数,来判断 1代杉木人工林与 2代
林在上述比较项目上存在怎样的普遍差别。
2. 1 样地的选定方法
本项研究的所有样地, 均是在立地评价方面的专家、熟悉大岗山地区杉木人工林分布及栽
植背景的林业科技人员参与下, 经充分的踏查,以典型取样方法确定的。A、B、C 3组每组内样
地立地条件的一致性, 是根据海拔、坡向、坡度、坡位、土层厚度相似的原则来实现的。发育阶段
则根据造林时间来判断。
2. 2 1、2代林分同林龄时优势高的转换
本项研究是通过“杉木人工林生长与收获模型系统”中的有关模型,来求算林龄变化后林
分优势高的。
我国的杉木栽培区域广泛, 有三带五区之分 [ 10]。其中,中带是我国杉木分布和栽培区域最
广、生产力最高的地带。“杉木人工林生长与收获模型系统”的建模资料主要来源于这一地带的
武功山区、武夷山区、南岭山地和雪峰山区。模型系统是在大量的 1代林解析木资料、造林密度
试验资料、间伐试验资料和临时样地资料的基础上建立的 [ 9]。残差分析结果表明所建模型系统
无系统误差, 将模型输出的蓄积量预测值与实测值比较,相对标准差基本上在 10%以内,由此
表明所建模型系统具较高的预测精度 [ 9]。模型系统中各分模型,均根据上述各个地区的建模资
料分别导出 1套参数[ 9] ,中国林科院亚热带林业实验中心位于武功山支脉大岗山范围内,因此
该模型系统及针对武功山区的参数适用于本项研究的样地资料处理。
该模型系统的特点为:利用优势高生长独立于密度,并且是立地和年龄函数这一特性, 将
其作为独立变量引入其它相关模型, 增强了模型的灵活性、适应性,简化了模型的复杂性。模型
系统采用了德国生物统计学家 B. Sloboda 的树高生长微分方程:
dy / dx= b·y / x a·ln( d/ y )
将该微分方程积分并根据其积分形式在本项研究中的应用,写成如下形式:
H 2= d ( H 1/ d) exp[ - b(a- 1) t1( a- 1) + b( a- 1) t2( a- 1) ] ( 1)
式中 H 1为林分在 t1 年时的优势高, H 2为林分在 t 2年时的优势高,单位为 m; a、b、d 为参数。
对武功山区而言 d= 96. 68, a= 0. 47, b= 0. 957, 式( 1)的相关指数 R 2= 0. 957, 样本数 n= 493
( 52)
[ 9]。
若要进行立地条件相同而林龄不同的 1代林与连栽 2代林之间优势高比较,首先需要把
两个林分的林龄化为一致, 本项研究采取的是变换 1代林辅样地的林龄和 2代林主、辅样地的
林龄,使其与 1代林主样地林龄相等。而后用式( 1)求算林龄变换后各样地的优势高。计算时
式( 1)中 H 1为该林分实际调查时 t1的林分平均优势高,计算出的 H 2 为与 1代林主样地林龄
相等时 t2的林分平均优势高。样地原优势高和林龄变换后的优势高在表 2中列出。
162 林 业 科 学 研 究 第 14 卷
表 2 杉木人工林样地的实测优势高及林龄变换后计算的优势高
项 目
幼 龄 林 中 龄 林
1代 2代 1代 2代
C B A C B A C B A C B A
● ▲ ● ▲ ● ▲ ● ▲ ● ▲ ● ▲ ● ▲ ● ▲ ● ▲ ● ▲ ● ▲ ● ▲
实
测
主样地 6 5. 6 6 7. 6 6 8. 1 5 5. 2 4 4. 6 6 7. 4 12 13. 3 12 12. 6 12 12. 3 12 8. 6 12 10. 3 12 11. 4
辅样 地
1
9 9. 3 7 3. 9 7 5. 6 5 5. 2 7 6. 2 4 2. 6 14 12. 9 13 10. 9 11 8. 4 12 8. 9 9 8. 2 16 12. 1
辅样 地
2
9 11. 0 7 5. 7 7 5. 8 4 4. 4 5 4. 3 4 2. 6 14 12. 5 13 12. 0 11 7. 6 15 10. 5 9 6. 0 11 7. 1
计
算
主样地 6 5. 6 6 7. 6 6 8. 1 6 6. 5 6 7. 6 6 7. 4 12 13. 3 12 12. 6 12 12. 3 12 8. 6 12 12. 6 12 11. 4
辅样 地
1
6 5. 9 6 3. 1 6 4. 6 6 6. 5 6 5. 1 6 4. 7 12 11. 2 12 10. 1 12 9. 2 12 8. 9 12 11. 0 12 9. 2
辅样 地
2
6 7. 0 6 4. 7 6 4. 8 6 7. 3 6 5. 5 6 4. 7 12 10. 8 12 11. 1 12 8. 4 12 8. 4 12 8. 3 12 7. 8
注:●表示林龄/ a;▲表示平均优势高/ m。A、B、C表示立地等级。
2. 3 林分乔木层生物量的实际测定
表 1中各样地的生物量是实地测定得到的。乔木层生物量测定的第一步是进行林分调查。
每个样地乔木植株有 30～80株,大多数样地上乔木植株在 50株以上。依行每木检尺测胸径,
隔 4株测 1株的树高、枝下高、冠幅。每块样地测 3～5株优势木胸径、树高。根据测得的树高
和胸径数据,建立该样地胸径与树高关系的直线方程;根据枝下高数据计算平均枝下高;根据
冠幅数据计算树冠的平均宽、平均长。由样地内林木的径阶和株数分布计算总胸高断面积,再
除以样地总株数, 求出平均胸径,将求出的平均胸径代入直线方程求出林分的平均树高。而后,
在样地外相似林分中选 2株平均木, 要求其树高和胸径与算出的林分平均树高、平均胸径相对
误差不超过 5% ,且两种误差的符号相反; 要求其枝下高与林分平均枝下高的相对误差不超过
5% ;要求其冠幅宽、冠幅长与林分平均冠幅宽、平均冠幅长的相对误差不超过 5%。先分别测
定这 2株平均木的干、皮、多年生枝、多年生叶、1年生枝、1年生叶、根等部分的生物量,再求 2
株平均木相同部分生物量的平均值作为标准木该部分生物量的数值, 由标准木各部分生物量
的数值便可换算出样地和单位面积上相应部分的生物量。
干、皮采用分层切割法测定,每 1 m 为一区分段,每段干、皮分别称湿质量,而后取样品在
实验室烘至恒量, 计算含水率后再算出干质量, 各段相加即得单株的干、皮生物量。称取每段枝
叶总量的鲜质量, 每段取一标准枝,分别称取该枝上的多年生枝、多年生叶、1年生枝、1年生叶
鲜质量,而后取样品实验室烘至恒量,计算含水率后再算出干质量,各段相加即得单株的多年
生枝、多年生叶、1年生枝、1 年生叶的生物量。采用全根挖掘法测定根桩、粗根(根径大于 5
cm )、中根(根径 5～1 cm )、细根(根径小于 1 cm) 3种粗细规格根的各部分生物量, 程序与干、
皮的生物量测定相同。
3 分析比较
3. 1 1代与 2代连栽杉木人工林乔木层生产力的比较
根据表 2中相同发育阶段, 各样地林龄与 1代林主样地相同时的优势高值,组成接近于正
态分布的新变量 x i, 即
x i=
h1i- h2i
h1i
163第 2期 张家城等:江西分宜地区杉木人工林不同代数间生产力与生物量构成的比较研究
式中 x i 为第 i个新变量, h1i为第 i对样地中 1代林的平均优势高, h2i为第 i 对样地中 2代林的
平均优势高。现以样本单元数为9个的样本,分别就幼龄林和中龄林进行 1代林与 2代林的平
均优势高是否存在显著差异的假设检验。因样地数各为 9个, 两个发育阶段优势高显著差异的
假设检验均为小样本, 故用 t分布进行假设检验。检验过程如下:
假设: 1代林与 2代林的平均优势高不存在显著差异, 则变量 X i 的总体平均数为 0, 即 X-
= 0,计算统计量 t:
t= x- - X
-
s/ n- 1
式中 x-为样本平均数, s为样本标准差, n为样本单元数。先后将幼龄林、中龄林样本的 x-、s、n
代入上式,求得各自的 t值后, 再根据给定的危险率 a 和样本的自由度 f 为 n- 1,查学生氏 t
分布的双侧分位数( t0 )表[ 11] ,得 ta 值。将 t值与 ta 值进行比较,来确定是接受原假设, 还是推
翻原假设。
经计算: 幼龄林的 x-为- 0. 11, s为 0. 2, n与中龄林一样均为 9, t = 1. 54。当 a取 0. 01
时,查表 t a为 3. 355。3. 355> 1. 54, 即 t a> t。于是以 99%的可靠性接受原假设,即在江西大
岗山地区连栽人工杉木林 1、2代林的幼龄林,在不同立地条件下, 优势高均无显著差异。也就
是说在各种立地条件下,连栽杉木人工林 1、2代的生产力在幼林阶段无显著差异。
经计算:中龄林的 x-为0. 14, s 为 0. 13, t = 3. 02。当a取 0. 05时,查表 t a为2. 306。3. 02
> 2. 306,即 t > ta。于是以 95%的可靠性推翻原假设,即在江西大岗山地区连栽人工杉木林
1、2代林的中龄林,在不同立地条件下, 优势高均存在显著差异。又因样本平均数为0. 14,大于
假设的总体平均数 0, 也即有 95%的把握得出如下结论: 在江西大岗山地区连栽人工杉木林
1、2代林的中龄林,在不同立地条件下, 1代林的生产力要普遍高于 2代林。从表 2所列的数据
变化趋势来看,立地条件越差这种差异越明显。
由上述分析可见,江西大岗山地区连栽人工杉木林1、2代林在幼龄林时生产力并未呈现明显
差异,进入速生期(通常指5～12年生) 2 a以后才显出1代林的生产力要明显高于 2代林。
3. 2 1代与 2代连栽杉木人工林乔木层主要组分占生物量百分比差异的假设检验
从表1中可见,试验所选的主样地林龄最大为12年生, 最小的为 4年生。所以要讨论的实
际上是从 4年生到 12年生这一阶段,不同林龄的 1、2代杉木人工林乔木层树干、树根、枝叶所
占的生物量百分比是否存在显著差异。
表 3是根据实测生物量各组分的干质量数据,计算出的 1、2代杉木人工林乔木层各组分
所占的生物量百分比。
表 3 杉木人工林乔木层生物量各组分质量百分比
立地等级 林 分 树干/ % 树皮/ % 枝叶/ % 各径级树根/ %
< 1 cm 1～5 cm > 5 cm 小 计
C
级
幼龄林 1代林 49. 58 8. 15 30. 89 1. 61 3. 28 6. 49 11. 38
2代林 42. 51 6. 99 30. 47 2. 86 8. 49 8. 68 20. 03
中龄林 1代林 52. 97 13. 09 16. 45 0. 93 0. 64 15. 92 17. 49
2代林 33. 97 10. 58 16. 30 2. 96 3. 94 32. 25 39. 15
164 林 业 科 学 研 究 第 14 卷
(续表 3)
立地等级 林 分 树干/ % 树皮/ % 枝叶/ % 各径级树根/ %
< 1 cm 1～5 cm > 5 cm 小 计
B
级
幼龄林 1代林 42. 58 7. 30 33. 14 0. 69 0. 69 15. 6 16. 98
2代林 36. 76 7. 40 28. 34 4. 37 9. 63 13. 50 27. 50
中龄林 1代林 47. 91 11. 39 20. 78 2. 25 4. 79 12. 88 19. 92
2代林 51. 73 9. 11 16. 12 3. 31 8. 64 11. 09 23. 04
A
级
幼龄林 1代林 42. 16 5. 67 28. 12 3. 99 8. 13 11. 93 24. 05
2代林 30. 22 15. 73 28. 72 4. 17 5. 04 19. 51 25. 33
中龄林 1代林 59. 66 8. 73 16. 75 1. 87 3. 67 9. 32 14. 86
2代林 57. 96 10. 60 18. 31 1. 82 2. 00 9. 31 13. 13
3. 2. 1 1、2代林树干占生物量百分比的比较 1、2代林树干占生物量百分比是否存在显著差
异,也是通过假设检验来判断的。进行假设检验的程序与3. 1节中相同。因样本单元数是 6个,
为小样本,也用 t 分布检验。求 t的公式也相同。只是变量为相同立地条件相同发育阶段样地
中, 1代林树干占生物量百分比与 2代林树干占生物量百分比的相对差,即
x i= ( w 1i- w 2i) / w 1i
式中 x i 为第 i个变量, w 1i为第 i对样地中 1代林样地中树干占生物量百分比, w 2i为第 i对样
地中 2代林样地中树干占生物量百分比。
假设: 1代林与 2代林树干占生物量百分比无显著差异,即变量总体的平均数为 0。
假设检验的结果是以 90%的可靠性推翻原假设。即有 90%的把握得出如下结论:江西大
岗山地区 4～12年生的连栽人工杉木林中, 1 代林与 2代林树干占生物量百分比存在显著差
异。由于样本平均数 14. 80> 0,故 1代林树干占生物量百分比要普遍大于 2代林。
从表 3所列的数据变化趋势来看,立地条件越差这种差异越明显。
3. 2. 2 1、2代林树根占生物量百分比的比较 本节通过假设检验来判断 1、2代林树根占生物
量百分比是否存在显著差异。进行假设检验的程序, 与3. 1节中相同,只是变量为相同立地条件相
同发育阶段样地中, 1代林树根占生物量百分比与 2代林树根占生物量百分比的相对差。
假设: 1代林与 2代林树根占生物量百分比无显著差异,即变量总体的平均数为 0。
假设检验结果以 90%的可靠性推翻原假设。即有 90%的把握得出如下结论:江西大岗山
地区 4～12年生的连栽人工杉木林中, 1代林与2代林树根占生物量百分比存在显著差异。由
于样本平均数- 44. 88< 0, 故 1代林树根占生物量百分比要普遍小于 2代林。
从表 3所列的数据变化趋势来看,立地条件越差这种差异越明显。
3. 2. 3 1、2代林枝、叶占生物量百分比的比较 本节通过假设检查来判断 1、2代林枝、叶占
生物量百分比是否存在显著差异。进行假设检验的程序,与 3. 1节相同,只是变量为相同立地
条件相同发育阶段样地中, 1代林枝、叶占生物量百分比与 2代林枝、叶占生物量百分比的相
对差。
假设: 1代林与 2代林枝、叶占生物量百分比无显著差异,即变量总体的平均数为 0。
165第 2期 张家城等:江西分宜地区杉木人工林不同代数间生产力与生物量构成的比较研究
假设检验结果以 99%的可靠性接受原假设。即有 99%的把握得出如下结论:江西大岗山
地区 4～12年生的连栽人工杉木林中, 1代林与 2代林枝、叶占生物量百分比无显著差异。
4 小 结
( 1) 在江西分宜大岗山地区,在各种立地条件下, 连栽杉木人工林 1、2代的生产力在幼林
阶段无显著差异;而对中龄林而言, 1代林的生产力要普遍高于 2代林, 立地条件越差这一差
异越明显。说明连栽杉木人工林 1、2代生产力的差异不是在幼林阶段,而是进入速生阶段 2年
后才表现出来。
( 2) 4～12年生的连栽杉木1、2代林分, 1代林树干占生物量百分比普遍大于 2代林; 1代
林树根占生物量百分比普遍小于 2代林。从所取的样地来看,立地条件越差上述差异越明显。
1代林与 2代林枝、叶占生物量百分比无显著差异。
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166 林 业 科 学 研 究 第 14 卷
Comparison and Study on the Productivity and
Biomass Component Proportions of Different Rotation of
Chinese Fir Plantations in Fenyi, Jiangxi Province
ZH AN G J ia-cheng1, SH EN G Wei-tong2 , N IE Dao-p ing1, BA I X iu-lan1
( 1. Research Ins titute of Forest Ecology, Environm ent and Protection , CAF, Beijin g 100091, Chin a;
2. Research Inst itute of Forest ry, CAF, Bei jing 100091, Ch ina)
Abstract: The productivity of first rotat ion of Chinese f ir ( Cunninghamia lanceolata) w as
compar ed w ith that of the second ro tat ion. T he t ree height of dominant t ree w as used as the
indicator, w hich w as not inf luenced by the stand density but influenced by the site condition
and age of the stand. T he stand age on the f irst and the second generat ions sample plots o f
Chinese f ir w ith similar site condit ion and development stage in Dagang shan of Jiangxi
Pro vince w as in keeping with that of the main plot of f ir st r otat ion, and height of dominant
t rees w as calculated af ter the age-chang ing by using Grow th and Yield M odel Sy stem of Chi-
nese Fir Plantat ion, so as to compare the dom inant heights betw een the first and second ro ta-
tion stands w ith sim ilar stand age and site condit ions. Based on the data of pr act ical measur-
ing of biomass, the dif ferences of biomass percentage of t runk, roo t and leaves w ere com-
pared by the method of hypo thesis test ing . The results show ed that there w as no signif icant
dif ference of product iv ity betw een the f irst and the second rotation young stands under vari-
ous site condit ions. The product ivity of first r otat ion middle-aged stand w as higher than that
of the second ro tat ion stand. The poor er the site condit ion, the more signif icant the dif fer-
ence. Fo r 4～12 years o ld stands, it w as show ed that : ( 1) The percentag e of t runk in the to-
tal biomass was higher for f ir st rotation stand than for the second rotat ion stand. ( 2) T he
percentage of root in the total biomass w as low er for first rotat ion stand than for the second
rotat ion stand. T he poor er the site condition, the mor e significant the differ ence. ( 3) T here
existed no signif icant dif ference o f percentage of leaves and branches in total biomass be-
tw een first and second rotat ion stands.
Key words : Cunninghamia lanceolata plantat ion; pr oduct ivity; biomass component ; hypo th-
esis testing
167第 2期 张家城等:江西分宜地区杉木人工林不同代数间生产力与生物量构成的比较研究