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杉木（Cunninghamialanceolata（Lamb.）Hook.）是中国南方广泛种植的速生树种之一，但近年来杉木连栽现象严重，导致其生产力逐年下降日趋严重。如何维持杉木人工林长期生产力已成为当前林业工作者亟待解决问题之一。由于不同造林密度可能造成相邻林木之间地上部、根系竞争关系激烈，从而影响其对土壤水肥、光照等公共资源的利用效率，进而影响到林分生产状况。综合现有研究报道，本研究提出：人工林的造林密度可决定相邻林木之间根系的竞争强度，从而影响邻株杉木根系的空间分布格局，进而影响杉木根系对土壤养分吸收效率和土壤理化性质，最终影响地上部的养分及生物量的分配，以及冠层结构。因此，选择合理的造林密度至关重要，相邻林木之间的间距决定了人工林林分结构的发展和生产力高低情况。
为验证上述科学问题，本研究选择福建农林大学莘口教学林场11年生的不同造林密度杉木人工林为研究对象，分别在3个不同造林初始密度的林分中设置20m×20m标准样地：低密度（D1，1450株·hm-2，株间距2.36m×2.36m）、中密度（D2，2460株·hm-2，株间距1.83m×1.83m）和高密度（D3，3950株·hm-2，株间距为1.44m×1.44m）。在对3个密度林分样地内进行每木检尺和树高测定的基础上，测定不同林分的冠层指数、土壤理化性质；根据平均标准木法，每块样地选择标准木1株，并任选与之相邻的竞争木1株，进行全株挖掘，测定分析标准木与竞争木不同器官的生物量分配格局、养分利用及根系空间分布格局，旨在探讨杉木人工林在不同造林密度条件下的根系竞争强度，从而影响了相邻杉木对土壤共有水肥资源的利用情况，进而影响林分生产力的机制。主要研究结果：
（1）杉木胸径随着造林密度的降低而增加，林木高度与造林密度无关。与较低密度D1林分单株生物积累量（54.72±4.96kg·株-1）和中密度D2林分（61.35±4.78kg·株-1）相比，较高密度D3林分（32.35±2.98kg·株-1）的单株生物积累量明显较小（p<0.05）；从整个林分的生物积累量来看，中密度D2林分（67.63±5.14t·hm-2）>高密度D3林分（57.08±3.13t·hm-2）>低密度D1林分（37.39±3.42t·hm-2）。
（2）造林密度对杉木人工林标准木与竞争木根系空间分布格局的影响显著。低密度D1林分竞争区内相邻林木的根系在空间上未重叠，中密度D2林分表现出一定的重叠分布，高密度D3林分的根系重叠现象最为明显。D3密度林分根系总长度和总体积均明显低于D1密度和D2密度林分（p<0.05）。
（3）造林密度对杉木人工林养分利用效率的影响较为明显。不同器官N、P、K含量的大小均表现为：叶>枝>树皮>根>枯枝>干。随着造林密度的增加，中密度D2林分的N、P、K积累总量明显大于低密度D1林分，达到最大值（640.43kg·hm-2），随后林分的养分积累总量不再明显增加，与D3密度林分积累总量（633.32kg·hm-2）的差异未达显著水平。从养分利用效率来看，随着林分造林密度的增加，全株和干材的N和K利用效率均逐渐降低，而D2密度林的P利用效率最高。
（4）从造林密度对杉木人工林土壤质量的影响情况来看，林分造林密度对土壤N、P和Mg含量的影响较大，而对K和Ca含量的影响不明显。D2密度林的土壤有机质含量明显高于D1密度和D3密度林。不同林分造林密度条件下土壤pH值差异较大，但均处于4.1-4.5之间。造林密度对0-20cm土层的土壤细菌群落数量的影响不大，但在20-40cm层中，D3高密度林的土壤细菌群落多样性最高，而D2中密度的最低。土壤表层（0-20cm）细菌群落丰度明显高于深土层（20-40cm）。
（5）林分造林密度对杉木人工林冠层结构的影响较为明显。叶面积指数（LAI）分别与造林密度（R2=0.872）、叶片氮（R2=0.510）之间均存在显著正相关关系，而土壤肥力对冠层变化的影响不明显。
（6）综上，中密度（D2）杉木林的林分生物积累量显著高于较低（D1）或较高密度（D3）的林分。这主要是因为在D2造林密度条件下（2460株·hm-2，株间距1.83m×1.83m），杉木邻株根系在空间上的重叠程度较少，存在一定程度的竞争，但明显促进了该密度条件下杉木根系对土壤N、P、K的吸收，并在体内积累，特别是显著提高了杉木干材及全株的P利用效率。这可能也与杉木林土壤表层（0-20cm）细菌群落丰度相对较高有关。随着造林密度的增加，杉木叶面积指数明显增大，有利林木的光合作用，但在高密度D3林分环境中，叶面积指数等冠层指标的增加，反而会影响到林下光环境，从而一定程度上抑制了杉木的生长。研究结果为本研究提出科学问题的验证提供了科学依据，这对于指导杉木高效培育具重要理论及实践意义。
为验证上述科学问题，本研究选择福建农林大学莘口教学林场11年生的不同造林密度杉木人工林为研究对象，分别在3个不同造林初始密度的林分中设置20m×20m标准样地：低密度（D1，1450株·hm-2，株间距2.36m×2.36m）、中密度（D2，2460株·hm-2，株间距1.83m×1.83m）和高密度（D3，3950株·hm-2，株间距为1.44m×1.44m）。在对3个密度林分样地内进行每木检尺和树高测定的基础上，测定不同林分的冠层指数、土壤理化性质；根据平均标准木法，每块样地选择标准木1株，并任选与之相邻的竞争木1株，进行全株挖掘，测定分析标准木与竞争木不同器官的生物量分配格局、养分利用及根系空间分布格局，旨在探讨杉木人工林在不同造林密度条件下的根系竞争强度，从而影响了相邻杉木对土壤共有水肥资源的利用情况，进而影响林分生产力的机制。主要研究结果：
（1）杉木胸径随着造林密度的降低而增加，林木高度与造林密度无关。与较低密度D1林分单株生物积累量（54.72±4.96kg·株-1）和中密度D2林分（61.35±4.78kg·株-1）相比，较高密度D3林分（32.35±2.98kg·株-1）的单株生物积累量明显较小（p<0.05）；从整个林分的生物积累量来看，中密度D2林分（67.63±5.14t·hm-2）>高密度D3林分（57.08±3.13t·hm-2）>低密度D1林分（37.39±3.42t·hm-2）。
（2）造林密度对杉木人工林标准木与竞争木根系空间分布格局的影响显著。低密度D1林分竞争区内相邻林木的根系在空间上未重叠，中密度D2林分表现出一定的重叠分布，高密度D3林分的根系重叠现象最为明显。D3密度林分根系总长度和总体积均明显低于D1密度和D2密度林分（p<0.05）。
（3）造林密度对杉木人工林养分利用效率的影响较为明显。不同器官N、P、K含量的大小均表现为：叶>枝>树皮>根>枯枝>干。随着造林密度的增加，中密度D2林分的N、P、K积累总量明显大于低密度D1林分，达到最大值（640.43kg·hm-2），随后林分的养分积累总量不再明显增加，与D3密度林分积累总量（633.32kg·hm-2）的差异未达显著水平。从养分利用效率来看，随着林分造林密度的增加，全株和干材的N和K利用效率均逐渐降低，而D2密度林的P利用效率最高。
（4）从造林密度对杉木人工林土壤质量的影响情况来看，林分造林密度对土壤N、P和Mg含量的影响较大，而对K和Ca含量的影响不明显。D2密度林的土壤有机质含量明显高于D1密度和D3密度林。不同林分造林密度条件下土壤pH值差异较大，但均处于4.1-4.5之间。造林密度对0-20cm土层的土壤细菌群落数量的影响不大，但在20-40cm层中，D3高密度林的土壤细菌群落多样性最高，而D2中密度的最低。土壤表层（0-20cm）细菌群落丰度明显高于深土层（20-40cm）。
（5）林分造林密度对杉木人工林冠层结构的影响较为明显。叶面积指数（LAI）分别与造林密度（R2=0.872）、叶片氮（R2=0.510）之间均存在显著正相关关系，而土壤肥力对冠层变化的影响不明显。
（6）综上，中密度（D2）杉木林的林分生物积累量显著高于较低（D1）或较高密度（D3）的林分。这主要是因为在D2造林密度条件下（2460株·hm-2，株间距1.83m×1.83m），杉木邻株根系在空间上的重叠程度较少，存在一定程度的竞争，但明显促进了该密度条件下杉木根系对土壤N、P、K的吸收，并在体内积累，特别是显著提高了杉木干材及全株的P利用效率。这可能也与杉木林土壤表层（0-20cm）细菌群落丰度相对较高有关。随着造林密度的增加，杉木叶面积指数明显增大，有利林木的光合作用，但在高密度D3林分环境中，叶面积指数等冠层指标的增加，反而会影响到林下光环境，从而一定程度上抑制了杉木的生长。研究结果为本研究提出科学问题的验证提供了科学依据，这对于指导杉木高效培育具重要理论及实践意义。