沙地樟子松人工林適宜造林密度研究

楊樹軍，尤國春，劉敏，肖巍，周麗麗

（1.遼寧省固沙造林研究所，遼寧 阜新 123000；2.昌圖縣付家林場，遼寧 鐵嶺 112517）

樟子松（Pinussylvestrisvar.mongolica）原產于我國大興安嶺和呼倫貝爾沙地，具有耐旱、耐寒、耐瘠薄、適應性強等特點。自20世紀50年代在遼寧省章古臺人工引種用于固沙造林試驗成功以來，人工造林發(fā)展很快。據國家森林資源清查資料，到1993年年底，三北地區(qū)除天津以外的12 個?。ㄊ?、區(qū)）都開展了樟子松引種推廣工作，推廣面積已達63萬hm2。目前，樟子松已發(fā)展成為我國三北地區(qū)特別是風沙區(qū)營造防風固沙林、農田、牧場防護林和用材林的主要樹種之一。

造林密度是影響沙地樟子松人工林能否成活和健康生長的關鍵因素之一，不同密度的沙地樟子松人工林群體與沙地環(huán)境之間、林分中個體之間的相互作用規(guī)律不同［1，2］。造林密度過大，導致幼林提早郁閉，個體間因為競爭作用而過早發(fā)生分化和自然稀疏現象。反之，造林密度過小，造成林分郁閉時間延遲，防風固沙功能減弱。因此，造林密度的選擇對林分在不同時期的林木種群數量有決定性的作用，其大小直接影響到林木的生長、發(fā)育、產量和質量，進而影響到人工林生產力的提高和功能的最大發(fā)揮［1－3］。在沙地引種樟子松造林的早期，為了保證造林成活率和保存率，盡快發(fā)揮防風固沙的作用，初始造林密度［4，5］通常在6 000～10 000株·hm－2。隨著造林技術的逐漸成熟，到20世紀七八十年代，生產上的初始造林密度大多為3 000～5 000株·hm－2。進入2000年以來，由于在最早引種樟子松造林的章古臺地區(qū)出現大面積樟子松枯枝死亡的不穩(wěn)定現象（樟子松衰退?。?］，造林密度過大就是導致林分衰退的起因之一。之后的生產造林中，逐漸開始降低造林密度。有關適宜造林密度的研究也受到科研工作者的重視，曾德慧等［7］從水量平衡角度出發(fā)，在分析可供沙地樟子松人工林利用的有效水量和估算不同年齡單株樟子松的年蒸騰需水量的基礎上，提出造林的初始密度在3 333株·hm－2左右較為合理。張秋良、劉朝霞等［2，8］利用灰色系統(tǒng)理論中灰關聯和灰預測方法，對毛烏素沙地試區(qū)樟子松人工林初植密度和中齡林的適宜密度調控進行了評價與預測，表明沙地樟子松適宜的初植株行距為2m×2m（2 500株·hm－2），進入中齡期后適宜的株行距為3 m×4 m（833 株·hm－2）。趙曉彬等［9，10］在毛烏素沙地榆林沙區(qū)的試驗研究中認為，樟子松栽植密度為3m×4m（833株·hm－2）時，土壤水分狀況較好，保肥、保水能力有所提高，土壤養(yǎng)分含量高，是樟子松造林的最佳栽植密度。顯然，上述研究的結論差別較大，而且張秋良、趙曉彬的研究對象均在幼齡階段（14、17齡），也有一定的局限性。遼寧省固沙造林研究所于1980年在章古臺沙地營建了多梯度的樟子松密度試驗林。本文根據多年的觀測資料，分析了造林密度對不同林齡階段的林分生長、材種出材量及經濟效益等的影響，在綜合考慮樟子松人工林能否穩(wěn)定、可持續(xù)地發(fā)揮防風固沙功能的前提下，確定了沙地樟子松人工林的適宜造林密度。

1 試驗區(qū)概況

試驗地位于科爾沁沙地南緣的章古臺地區(qū)，地處42°43′N，122°22′E，海拔226.5m。屬暖溫帶亞濕潤干旱氣候區(qū)。主要氣候特點是干旱多風，年降水量500mm 左右，且多集中于6—8月，年平均蒸發(fā)量1 553.2mm，約為降水量的3倍，空氣相對濕度60.4%。年均氣溫6.1 ℃，平均無霜期154d。年均風速3.0～3.7m·s－1。土壤類型以風沙土為主。植物區(qū)系屬于蒙古區(qū)系西遼河小區(qū)，主要代表性植物有沙蓬、豬毛蒿、拂子茅、隱子草、小黃柳、鼠李、榆樹等。

2 研究方法

該研究在遼寧省固沙造林研究所1980年春季營造的樟子松密度試驗區(qū)進行。試驗設計按照株距0.5～4m、行距1～4m、穴植1～3株，設置栽植625～10 000株·hm－2共25個造林密度水平，每個小區(qū)面積0.64hm2。造林選用樟子松2年生Ⅰ、Ⅱ級裸根苗，撫育管理按常規(guī)方法進行（每年撫育2～3次，連續(xù)3年）。為了改善林地衛(wèi)生狀況，在不影響試驗結果的情況下，對觀測標準地外的保護性林木，1992年進行了透光撫育，1997年、2002年開展了生長撫育。觀測標準地內始終沒有進行過間伐等人為降低密度的措施。

在每個試驗小區(qū)內設置觀測標準地，面積0.06～0.1hm2。造林當年調查成活率均為85%以上，造林5年調查保存率均為80%以上。1992年、2002年、2011年分別進行了標準地調查，測定內容包括胸徑、樹高、冠幅、枝下高等。材積和蓄積利用樟子松人工林二元立木材積表計算。根據試驗地樟子松生長狀況和研究需要，本文選擇8種造林密度進行比較分析（表1）。

表1 不同造林密度樣地基本情況

3 結果與分析

3.1 造林密度對胸徑生長的影響

很多研究表明，胸徑生長與密度密切相關，多呈負相關關系［11－13］。從表2可以看出：同一林齡，平均胸徑呈現隨密度的增大而減小的趨勢。方差分析結果表明：在林齡13年時，樣地1～4（1 111～2 500株·hm－2）相互間差異不顯著，與樣地5～8（3 333～10 000株·hm－2）差異顯著。到21、32年生時，各樣地胸徑生長的差異更加顯著，造林密度較小的樣地胸徑生長較快，造林密度較大的樣地胸徑生長較慢。因此，從胸徑生長角度分析，造林密度應控制在3 333株·hm－2以下。

表2 不同造林密度對胸徑的影響 cm

胸徑變異系數是反映林分分化與離散程度的重要指標［13］。從表3的數據可以看出，同齡時胸徑變異系數有隨密度增大而增大的趨勢，同一造林密度的胸徑變異系數隨林齡的增大而減小，說明同齡的林分隨造林密度增大，個體間競爭分化加??；同一密度級林分隨林齡增大個體間競爭、分化趨于穩(wěn)定。樣地1～4（1 111～2 500株·hm－2）的胸徑變異系數相對較小，也說明適宜造林密度應控制在3 333株·hm－2以下。

表3 不同造林密度的胸徑變異系數 %

3.2 造林密度對樹高生長的影響

密度對林分平均高的影響比較復雜，結論也不一。有些研究表明密度對樹高生長有影響，但影響較弱，在相當寬的一個中等密度范圍內無顯著影響［1］。樟子松人工林密度對樹高生長的影響，在林齡和立地條件一致的情況下，在幼齡階段樹高生長量有隨密度增加而增大的趨勢；隨林齡增加，密度大，對樹高生長有一定的抑制作用［11］。從本試驗數據看（見表4）：林齡13年時，造林密度對樹高生長有一定影響，但影響較弱。林齡21、32年時，樣地3～5（1 667～3 333株·hm－2）與其他密度較大和較小樣地表現較大差異。說明保持一定的密度，維持樹木個體間適度的競爭，可以促進樹高生長。因此，從樹高生長角度分析，造林密度應選擇在1 667～3 333株·hm－2。

表4 不同造林密度對樹高的影響 m

3.3 造林密度對林分蓄積生長的影響

林分蓄積量受單株材積和密度的雙重制約。從表5可以看出，造林密度對單株材積的影響，表現隨造林密度的增大而減小的趨勢。但在林齡13年時影響較弱，隨著林齡的增長，影響愈加顯著。

表5 不同造林密度對平均單株材積的影響 m3

造林密度對單位面積蓄積量有顯著影響（表6）。林齡13年時，蓄積量呈現隨造林密度的增大而增大趨勢。其后造林密度較小的樣地蓄積增長較快，造林密度較大的樣地蓄積增長較慢，到林齡21、32年時，樣地3～7（1 667～6 667株·hm－2）的蓄積量較大，蓄積量隨造林密度的增大呈近似正態(tài)分布。因此，從蓄積生長角度分析，造林密度應選擇在1 667～6 667株·hm－2。

表6 不同造林密度對林分蓄積量的影響m3·hm－2

3.4 造林密度對林分自然稀疏的影響

林分發(fā)育到一定年齡階段會出現個體間空間與資源的競爭，通過淘汰生長勢下降的個體來實現自然稀疏［14］。從表7可以看出，自然枯損率有隨造林密度的增大而增大的趨勢。林齡13年時，不同密度林分均有一定程度的自然枯損，樣地7、8（6 667、10 000株·hm－2）自然稀疏強烈，枯損率達30.1%、47.3%。林齡21年時，枯損率略有增加，但變化不大。林齡32年時，樣地5～8（3 333～10 000株·hm－2）枯損率急劇增大，達34.9%～68.5%。樣地1～4（1 111～2 500株·hm－2）枯損率變化不大，在11%～19%。據此分析，造林密度應選擇在2 500株·hm－2以下。

表7 不同造林密度對林分自然稀疏的影響

3.5 造林密度對林分徑階株數分布的影響

直徑分布是研究林木及其樹種結構的基礎，因密度影響林分的胸徑生長，自然會影響林分的胸徑結構規(guī)律［15］。將32年生時不同造林密度株數按徑階分布率繪成圖1，從圖1可以看出，曲線峰值隨造林密度的增大而左移。樣地1～3（1 111～1 666株·hm－2）株數最大分布率處在16、18徑階，16徑階以上株數分別占78.4%、78.2%、73.2%，樣地4、5（2 500、3 333 株·hm－2）株數最大分布率處在14徑階，16徑階以上株數分別占49.2%、35.0%。樣地6～8（5 000～10 000株·hm－2）株數最大分布率處在12、10徑階，16徑階以上株數僅占22.2%、9.4%、4.2%?？梢娫炝置芏葘α址中貜浇Y構及材種規(guī)格的影響很大。據此分析，造林密度應選擇在1 667株·hm－2以下。

圖1 不同造林密度林分徑級株數分布率（32a）

3.6 造林密度對材種出材量及經濟效益的影響

出材量的計算用生產上普遍采用的材種規(guī)格要求作為造材標準（表8）。材種售價按近5年市場均價計算，非規(guī)格材150 元·m－3、小徑材350 元·m－3、中徑材600元·m－3。

表8 材種造材標準

利用塞罕壩機械林場編制的樟子松人工林二元材種出材率表（潘湘海，1998）分徑階求出林分各徑級規(guī)格材種出材量，再把各徑階徑級規(guī)格相同的材積相加，得林分各徑級規(guī)格材的材積，再把所有材種材積相加，得林分總出材量（見表9）。從表9可以看出，隨著造林密度的逐漸增大，非規(guī)格材和小徑材出材量逐漸增加，中徑材出材量逐漸減??；出材率隨著造林密度的增大逐漸減小，但差別不大；木材產值呈近似正態(tài)分布，樣地3～5（1 667～3 333 株·hm－2）木材產值最大，為3.2 萬～3.5 萬元。盡管樣地1～2（1 111～1 250株·hm－2）的總出材量蓄積量較小，但是由于其中徑材出材量占比較大，木材產值也較大，為2.84萬～2.91萬元。據此分析，造林密度應選擇在2 500株·hm－2以下。

表9 不同造林密度林分材種出材量及產值

3.7 沙地樟子松人工林適宜造林密度及最佳株行距配置的確定

3.7.1 適宜造林密度的確定 確定沙地樟子松人工林的適宜造林密度，在分析造林密度對林分生長、林分結構、蓄積量、出材量及經濟效益影響的同時，還要綜合考慮培育目的、立地條件、經營條件等因素加以調整。樟子松作為三北地區(qū)防護林工程和治沙工程的主要造林樹種，確定造林密度時，必須充分考慮其能否穩(wěn)定、可持續(xù)地發(fā)揮防風固沙的生態(tài)功能。

在試驗林8個造林密度中，樣地5、6、7、8（5 000～10 000株·hm－2）造林密度過大，自然枯損率大，容易遭受病蟲為害，穩(wěn)定性差，可持續(xù)發(fā)揮林分的防護功能低。同時，其小徑材比重大，經濟效益低，生產上沒有實用價值。樣地1～2（1 111～1 250株·hm－2）造林密度較小，幼齡期成林較慢，發(fā)揮防風固沙功能效果慢；而且在干旱、風蝕沙化等惡劣環(huán)境下，造林成活率、保存率難以保證。因此，這2種密度只適宜在立地條件較好、風沙危害較輕的地段培育大徑材人工林。樣地3～4（1 667～2 500 株·hm－2）造林密度適中，胸徑、樹高、蓄積生長在3個年齡期均較大，自然枯損率較小，能始終保持著旺盛的生長力；材種出材量和木材產值也較大，符合生產上的需要。所以，沙地樟子松人工林的適宜造林密度應確定在1 667～2 500株·hm－2。

3.7.2 最佳株行距配置的確定 在確定沙地樟子松人工林的適宜造林密度應為1 667～2 500株·hm－2的基礎上。針對這2個密度級，分別選擇2種種植點配置方式進行生長量、材種出材量和木材產值的對比分析（表10），結果表明：胸徑生長為2m×3m、1.5m×4m 的較大；樹高生長差別不大；蓄積生長為2m×2m、1m×4m 的較大；材種出材量為2m×2 m、1 m×4 m 的較大，但其中徑材占比較小；木材產值為2m×3m 的最高。綜合評定，沙地樟子松人工林的最佳株行距配置方式為2m×3m。

表10 不同造林密度、不同株行距配置林分生長指標（32a）

4 結論

4.1 造林密度對沙地樟子松人工林生長的影響顯著。胸徑、單株材積的生長隨著造林密度增大而減小，表現出與造林密度間的負相關；樹高生長在林齡13年時受造林密度的影響較弱，林齡21、32年時，造林密度在1 667～3 333株·hm－2的林分樹高生長較大；蓄積量在林齡13年時，呈現隨造林密度的增大而增大趨勢。到林齡21、32年時，隨造林密度的增大呈近似正態(tài)分布。

4.2 造林密度對沙地樟子松林分結構及材種出材量有顯著影響。自然枯損率隨造林密度的增大而增大；小徑階株數、非規(guī)格材和小徑材出材量隨著造林密度增大所占比重逐漸增加，大徑階株數、中徑材出材量隨著造林密度增大逐漸減少；造林密度在1 667～3 333株·hm－2的林分木材產值最大，為3.2萬～3.5萬元。

4.3 在充分考慮樟子松人工林能否穩(wěn)定、可持續(xù)地發(fā)揮防風固沙功能的前提下，綜合分析不同造林密度對林分生長、林分結構、蓄積量、出材量及經濟效益影響，確定沙地樟子松人工林的適宜造林密度為1 667～2 500株·hm－2，最佳株行距配置方式為2 m×3m。

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