桂北桉樹生長與材性的比較研究

陳云峰，林 武，蔣雪剛，陶明有，吳志華

(1. 廣西國有黃冕林場，廣西 鹿寨 545600；2. 國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

桉樹(Eucalyptus)為我國南方的重要戰(zhàn)略樹種之一[1]。截至2013年，桉樹在我國種植面積已達(dá)450萬hm2[2]，年產(chǎn)2 000多萬m3木材，為我國木材生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)[3]。廣西是華南桉樹主要栽培區(qū)，桉樹迅速發(fā)展對其膠合板產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要的推動作用。由于缺乏耐寒品種，在冬季較冷的桂北、桂中地區(qū)桉樹易遭受冰凍災(zāi)害，不利于其林業(yè)以及林產(chǎn)業(yè)發(fā)展[4]。因此開發(fā)優(yōu)質(zhì)的耐寒桉樹很有必要，不但可培育豐富的木材資源，而且能保障廣西膠合板產(chǎn)業(yè)可持續(xù)、安全發(fā)展，有助于提高該地區(qū)林業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

當(dāng)前對耐寒桉樹樹種選擇研究不多，本研究在前期研究的基礎(chǔ)上[5]，對10年生的幾個桉樹樹種跟蹤研究，從生長適應(yīng)性及其木材材性進(jìn)行了樹種選擇和評估，為桂北區(qū)域的桉樹定向培育和經(jīng)營提供樹種選擇和技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西國有黃冕林場白墳試驗(yàn)林地(造林時間均為2002年，實(shí)生苗，株行距為2 m × 3 m)，地理位置為 109°51′27″ E、24°44′46″ N，海拔 218 m。林場處于廣西鹿寨縣黃冕鄉(xiāng)和永?？h廣福鄉(xiāng)境內(nèi)，為中亞熱帶與南亞熱帶的過渡地帶，丘陵和低山地貌，最高海拔達(dá) 895.9 m。光照充足，水熱同季，冬夏干濕明顯，平均氣溫19℃，年平均降雨量1 750 ～2 000 mm，降雨量集中在4—8月；年均蒸發(fā)量1 426～ 1 650 mm，為水分充足區(qū)。林場林地土壤主要以砂巖、砂頁巖發(fā)育而成的紅壤、山地黃紅壤為主，適宜馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)和各種闊葉林樹種生長[4]。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為柳桉(E. saligna)、巨桉(E. grandis)、大花序桉(E. cloeziana)、鄧恩桉(E. dunnii)、粗皮桉(E. pellita)和本沁桉(E. benthamii)的原木，以當(dāng)前生產(chǎn)上廣泛使用的尾巨桉(E. urophylla × E. grandis)無性系作為對照(4年生)。

2.2 樣地設(shè)置與各性狀調(diào)查

2012年4月中旬在桉樹試驗(yàn)林地選取了幾個林分，其中鄧恩桉1、鄧恩桉2、鄧恩桉3分別為3個株行距 2.5 m × 3.5 m、2.5 m × 3 m和2 m × 3 m林分密度，每個林分選擇3個標(biāo)準(zhǔn)地(20 m × 20 m)。對每個標(biāo)準(zhǔn)地的桉樹樣木進(jìn)行每木檢尺，記錄胸徑、樹高。參照文獻(xiàn)[6]的方法，于1.3 m樹高處以Pilodyn(6J Forest)儀器進(jìn)行立木材性無損檢測，同時以生長應(yīng)力波 FAKOPP檢測儀器分析木材的應(yīng)力波波速測定。選擇大、中、小單株進(jìn)行伐倒，其中鄧恩桉分別選取3株，其他樹種分別為5株，于1.3 m的樹高處取圓盤進(jìn)行取樣，以排水法測定整個木材基本密度。

分別對樹高、胸徑、材積生長指標(biāo)、木材基本密度以及立木無損檢測指標(biāo)等進(jìn)行測量記錄，最后對各樹種比較分析。

單株材積計算公式：

式(1)中V為單株材積(m3)，DBH為胸徑(cm)；H為樹高(m)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件對各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹種的生長特性

3.1.1 樹高

圖1是10年生的柳桉、粗皮桉、大花序桉、本沁桉、巨桉、鄧恩桉和尾巨桉生長性狀。從圖1可知，7個樹種中以本沁桉最高(平均樹高19.2 m)，尾巨桉、大花序桉、巨桉分別列第2、3、4位，均高于平均值；鄧恩桉3的最小，為12.9 m。不同林分密度對鄧恩桉樹高存在影響。從表1可知，各樹種以及不同林分密度之間存在極顯著差異。

3.1.2 胸徑

由圖1可知，巨桉的平均胸徑最大(17.4 cm)，鄧恩桉3最小(11.9 cm)，樹種平均為14.6 cm，其中大花序桉(15.57 cm)和鄧恩桉2(15.58 cm)大于樹種平均值。一般而言，樹高與其胸徑成正比。但不同樹種之間有著顯著的影響(表1)，使得各樹種的胸徑變異加大。

3.1.3 單株材積

單株材積能很好地反映林木的生長情況。綜合來看，單株材積最大的為巨桉(0.196 m3)、其次是大花序桉(0.156 m3)、本沁桉(0.142 m3)和柳桉(0.138 m3)，這些樹種均超過平均值(0.129 m3)，說明在該區(qū)域有良好的適應(yīng)性。樹種之間的單株材積差異顯著(表1)。

3.1.4 枝下高、冠幅和樹皮厚度

林木枝下高直接影響樹木的生長和樹干形狀，也影響林木的出材率，樹冠是樹木進(jìn)行光合作用和呼吸作用的重要場所，冠幅直接影響樹木的生活力和生產(chǎn)力。由圖1可知，尾巨桉的枝下高最大，平均為10.3 m，其次為柳桉和巨桉。鄧恩桉不同林分密度之間差別較大。對樹冠的東西、南北方向的冠幅進(jìn)行測量，以巨桉最大(4.5 m)、柳桉次之。從大小順序看，冠幅一定程度上與樹木生長大小相關(guān)。樹皮厚度是反映樹種或品種形態(tài)特征的基本性狀，也是影響林木材積的重要參數(shù)。圖1的數(shù)據(jù)表明，粗皮桉的樹皮厚度最大(12.7 mm)，尾巨桉最小(6.2 mm)。

圖1 不同桉樹樹種生長特性

表1 不同桉樹樹種生長性狀方差分析

3.2 不同樹種的立木材性

3.2.1 Pilodyn值

Pilodyn是一種間接測定木材密度的無損檢測儀器。可用Pilodyn測定儀對立木材性如強(qiáng)度和密度進(jìn)行間接評估[7]。從表2可知，尾巨桉的Pilodyn值最大，為13.8 cm；大花序桉最小，僅為8.6 cm，進(jìn)一步對各樹種進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)各樹種可分為 4組，表明樹種之間存在著明顯的差異。

表2 不同桉樹樹種立木材性性狀情況

3.2.2 應(yīng)力波波速

木材中應(yīng)力波的傳播是與木材的物理、力學(xué)性能有直接關(guān)系的動態(tài)過程，通過測量應(yīng)力波的傳播時間或傳播速度可確定木材材質(zhì)的性能[8]。從不同樹種的應(yīng)力波波速看，最大的是大花序桉(5.82 km·s-1)，平均為5.41 km·s-1，按照應(yīng)力波波速大小各樹種排序?yàn)椋捍蠡ㄐ蜩瘢揪掼瘢距嚩麒?＞粗皮桉＞本沁桉＞鄧恩桉1＞尾巨桉＞鄧恩桉3＞柳桉。鄧恩桉1與鄧恩桉2之間應(yīng)力波波速差異不大。隨著林分密度的增加，鄧恩桉3的應(yīng)力波波速呈減小趨勢。

3.2.3 木材基本密度

從表2可知，除柳桉外，10年生的各樹種木材基本密度均超過0.6 g·cm-3，其中以鄧恩桉最大，其次是本沁桉和大花序桉，各樹種基本密度與應(yīng)力波波速基本一致，3種林分密度中以鄧恩桉3最大，說明林分越密越不利于林木生長，因此其木質(zhì)堅硬。

3.3 不同樹種的綜合評估

由于各評價性狀之間存在著相關(guān)性及共線性問題，直接用所有指標(biāo)進(jìn)行評價不一定合理。本研究首先對評價性狀進(jìn)行主成分降維分析，構(gòu)建主成分指標(biāo)，然后依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行評價選擇。

采用SPSS對各樹種不同性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表3。表3顯示，主成分的貢獻(xiàn)率隨著特征值的下降而降低，第1、2、3主成分，累計貢獻(xiàn)率高達(dá)72.6%，表明各樹種生長、立木等主要特征信息已提取，能集中反映出相應(yīng)樹種的特征和趨勢。從表3可知，第1主成分主要為樹種生長大小相關(guān)的性狀，第2主成分中除了枝下高和樹皮厚度外，因子載荷較大的性狀有 Pilodyn值和應(yīng)力波波速，第3主成分為樹皮厚度和材性的密切綜合性狀。因此可根據(jù)這些提取了綜合性狀的信息進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計選擇分析。

表3 主成分因子載荷矩陣表

根據(jù)主成分分析分別獲得第1主成分、第2主成分和第3主成分相應(yīng)的具體主成分得分值，以PC 1、PC 2、PC 3表示，具體見下公式計算所得：

PC 1=0.232×樹高+0.241×胸徑+0.268×單株材積+0.149×枝下高+0.023×樹皮厚+0.218×冠幅+0.129×Pilodyn值+0.005×應(yīng)力波波速-0.193×基本密度 (2)

PC 2=0.110×樹高+0.220×胸徑+0.196×單株材積-0.257×枝下高+0.278×樹皮厚-0.134×冠幅-0.292×Pilodyn值+0.269×應(yīng)力波波速+0.174×基本密度 (3)

PC 3=-0.376×樹高+0.230×胸徑+0.054×單株材積+0.016×枝下高+0.583×樹皮厚+0.085×冠幅+0.067×Pilodyn值-0.622×應(yīng)力波波速+0.115×基本密度 (4)

通過計算各樹種的得分情況如表4。PC 1中以巨桉最大，說明巨桉在林木生長上占有優(yōu)勢，本沁桉和大花序桉具有良好的生長表現(xiàn)，而不同林分密度對鄧恩桉生長影響顯著，因此在桉樹經(jīng)營中應(yīng)選擇適宜的林分密度。

表4 各樹種/林分的主成分得分與排名

PC 2主要與木材材性相關(guān)，各樹種比較可以看出，大花序桉和本沁桉不但生長量較大，而且具有木質(zhì)堅硬的優(yōu)良材性。相對來說，巨桉材性較差，而對照尾巨桉雖然速生，但木材材質(zhì)不如這些測試品種。PC 3主要為樹皮厚度及材性密切相關(guān)的綜合性狀。因此PC 3越大，說明樹皮厚度越大，同時應(yīng)力波波速越低，因此可看作與培育目標(biāo)要求相反的負(fù)效應(yīng)性狀。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際對樹種的需求即林木生長速生且材質(zhì)優(yōu)良，設(shè)置PC 1、PC 2、PC 3的權(quán)重為6:3:-1，得到各樹種的主成分綜合得分PC值(表4)。從綜合的PC值看，巨桉排第1位，大花序桉和本沁桉分別排在2、3位，均高于對照尾巨桉。在鄧恩桉中，不同林分密度對PC影響較大，適宜的林分密度(2.5 m × 3 m)能促進(jìn)林木生長，有利于其木材材質(zhì)形成。

4 結(jié)論

(1) 本研究對不同桉樹樹種及不同林分密度的林木生長特性和木材材性等性狀進(jìn)行了比較，結(jié)果表明不同樹種間的生長、材性等各性狀均差異顯著。對3種不同林分密度的鄧恩桉比較發(fā)現(xiàn)，林分密度會對其生長、材質(zhì)形成等產(chǎn)生顯著影響，因此在培育過程中需要選擇適宜的林分密度。

(2) 對不同樹種以及林分密度的林木生長、立木材性等性狀進(jìn)行主成分分析，發(fā)現(xiàn)主成分分析可有效地提取各樹種/林分的各性狀信息，得到的主成分指標(biāo)能有效地反映各樹種以及林分密度之間的信息特征。

(3) 根據(jù)主成分得分綜合比較發(fā)現(xiàn)，巨桉林木生長量大，大花序桉和本沁桉生長量相對較少，但木材材質(zhì)相近，表現(xiàn)為堅硬，而粗皮桉、柳桉、鄧恩桉均低于對照尾巨桉。從林木生長、立木材性方面綜合考慮，巨桉、大花序桉和本沁桉適合于冷寒地區(qū)發(fā)展，其中以巨桉最好。

[1] 謝耀堅.世紀(jì)初的桉樹研究[M].北京:中國林業(yè)出版社,2006.

[2] 陳少雄,陳小菲.我國桉樹經(jīng)營的技術(shù)問題與思考[J].桉樹科技,2013,30(3):52-59.

[3] Arnold R J,Xie Y J,Midgley S J,et al.Emergence and rise of eucalypt veneer production in China[J].International Forestry Review,2013,15(1):33-47.

[4] 鄧玉華,楊明武,陶再平,等.桉樹旋切單板外觀質(zhì)量研究[J].桉樹科技,2013,30(3):42-46.

[5] 劉濤,龍永寧,張維耀,等.幾種桉樹在冷寒地區(qū)的早期適應(yīng)性研究[J].桉樹科技,2005(2):23-31.

[6] 吳志華,李天會,張華林,等.沿海防護(hù)林樹種木麻黃和相思生長和抗風(fēng)性狀比較研究[J].草業(yè)學(xué)報,2010,19(4):166-175.

[7] 欒啟福,盧萍,井振華,等.Pilodyn評估雜交松活立木的基本密度及其性狀相關(guān)分析[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,33(3):548-552.

[8] 管珣,趙茂程,王正.基于應(yīng)力波技術(shù)測試木材材質(zhì)的研究進(jìn)展[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2013,41(2):15-17,19.