米老排人工林生長(zhǎng)規(guī)律及生長(zhǎng)模型擬合研究

林能慶，洪永輝，李蔚倩，熊玉楨，王如均

(1.福建省龍巖市林業(yè)種苗站，福建 龍巖 364000；2.福建省上杭白砂國(guó)有林場(chǎng)，福建 上杭 364200；3.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350001；4.福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，福建 福州 350003)

學(xué)術(shù)研究

米老排人工林生長(zhǎng)規(guī)律及生長(zhǎng)模型擬合研究

林能慶1*，洪永輝2，李蔚倩3，熊玉楨2，王如均4

(1.福建省龍巖市林業(yè)種苗站，福建 龍巖 364000；2.福建省上杭白砂國(guó)有林場(chǎng)，福建 上杭 364200；3.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350001；4.福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，福建 福州 350003)

通過對(duì)米老排人工林平均木進(jìn)行樹干解析，選擇7種林木生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)米老排生長(zhǎng)過程進(jìn)行回歸分析，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行綜合比較，確定米老排的最佳生長(zhǎng)模型。最后，根據(jù)最佳生長(zhǎng)模型對(duì)米老排生長(zhǎng)過程進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果表明：米老排經(jīng)過科學(xué)經(jīng)營(yíng)后能產(chǎn)生巨大的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，可列為福建珍貴速生闊葉樹種進(jìn)行培育推廣。

米老排；人工林；樹干解析；生長(zhǎng)過程；生長(zhǎng)模型

龍巖市是福建三大林區(qū)之一。全市有林地面積157.7 萬hm2，其中杉木林面積占14.7%，馬尾松林占40.4%。由于樹種單一，杉木、松木等針葉樹種多代連栽，造成地力衰退，林分質(zhì)量下降。近年來龍巖市大面積引種桉樹，但2015年冰雪天氣造成了大面積凍害，表明桉樹生長(zhǎng)具有一定局限性。如何選擇優(yōu)良速生闊葉樹，且材積及其它指標(biāo)不亞于杉木和桉樹等其他速生樹種，為市場(chǎng)提供優(yōu)質(zhì)材種，成為龍巖當(dāng)前造林急待解決的問題。20世紀(jì)60年代后米老排(Mytilarialaosensis)[2]在全省各地引種結(jié)果表明該樹種很適合在福建生長(zhǎng)。90年代米老排在龍巖引種成功。通過多年遺傳改良，龍巖市在米老排優(yōu)樹選擇標(biāo)準(zhǔn)、母樹林營(yíng)建、苗木生長(zhǎng)規(guī)律、嫁接等方面取得突破[3-7]。米老排屬金縷梅科常綠喬木樹種，被列入我國(guó)木材戰(zhàn)略儲(chǔ)備樹種、福建省第一批主要栽培珍貴樹種。米老排木材氣干密度0.524～0.564 g/cm3，木材纖維平均長(zhǎng)達(dá)1 884 μm，總纖維素含量達(dá)80%左右，是建筑、家具、優(yōu)良的制漿造紙和人造板原料[1]。米老排兼具改善土壤理化性質(zhì)、保持水土等優(yōu)點(diǎn)，是集用材、防火、飼料等多功效于一體的速生闊葉樹，可用作營(yíng)造速生闊葉樹純林，也可以在馬尾松林下套種培育大徑材。目前，米老排已成為高效生態(tài)型混交示范模式樹種。國(guó)內(nèi)有關(guān)米老排的研究主要集中在優(yōu)樹選擇、育苗、水源涵養(yǎng)、土壤改良、材性等，而生長(zhǎng)規(guī)律研究較少[2-8]。筆者以福建上杭白砂26年生米老排為研究對(duì)象，開展生長(zhǎng)規(guī)律相關(guān)研究，為米老排科學(xué)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

米老排人工林位于福建省上杭白砂國(guó)有林場(chǎng)，處東經(jīng)116°35′～116°39′，北緯25°7′～25°08′，年均氣溫19.2 ℃，極端最低溫-6 ℃，年均降水量1 732 mm，無霜期295 d。林地地處武夷山脈南段東坡玳帽山延伸的低山丘陵地帶，海拔450～500 m，林下植被以芒萁為主，立地質(zhì)量等級(jí)Ⅱ級(jí)，高丘，中坡，紅壤，坡度16°～25°，土層厚度1 m以上。林分在第7、14、16年曾進(jìn)行間伐，林分郁閉度0.8。

1.2研究方法

在米老排人工林中按上坡、中坡、下坡布設(shè)3塊大小為20 m×10 m的臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地。標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行每木調(diào)查，在各標(biāo)準(zhǔn)地中選1株平均木進(jìn)行樹干解析。以2 m為一區(qū)分段進(jìn)行樹干解析，各齡級(jí)去皮直徑取東西、南北向平均值，去皮材積利用區(qū)分段法求算。根據(jù)斷面高度與到達(dá)該斷面的年數(shù)繪制樹高生長(zhǎng)過程曲線，得出各齡階樹高，并用平均斷面求積計(jì)算林木材積。各齡級(jí)米老排林分胸徑、樹高和材積等因子平均值，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地米老排各徑級(jí)的株數(shù)分布及解析木的樹高推算得出。

1.3數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1林分生長(zhǎng)分析

標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查可知，26年生的米老排胸徑10.2～31.3 cm，平均胸徑17.8 cm；樹高11.0～23.5 m，平均樹高15.9 m。與原產(chǎn)地廣西憑祥的26年生米老排胸徑13.5～21.5 cm，樹高18.5～21.5 m[9]對(duì)比可知，本次調(diào)查的樹高、胸徑最大值均優(yōu)于原產(chǎn)地，但個(gè)別米老排樹高、胸徑低于廣西憑祥，其變異系數(shù)較大。通過踏查，林分初植時(shí)為杉木或馬尾松與米老排混交造林，造林后第7年曾均勻衛(wèi)生伐，第14、16年間伐杉木、馬尾松為主，由于米老排萌芽更新能力強(qiáng)，現(xiàn)生長(zhǎng)較慢的植株為二代萌芽更新樹木，因此，從廣西引種的米老排較適宜在閩西、閩南地區(qū)生長(zhǎng)[2]。

表1 林分現(xiàn)狀與解析木狀況

2.2米老排生長(zhǎng)過程分析

林木生長(zhǎng)過程研究主要采用樹干解析法。在米老排人工林標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)取平均木進(jìn)行樹干解析，計(jì)算各株樣木胸徑、樹高和單株材積的年均生長(zhǎng)量和連年生長(zhǎng)量，取解析木的平均值代表林分總體情況得出米老排人工林生長(zhǎng)過程表(表2)。由表2可知，26年生米老排解析木樹高、胸徑生長(zhǎng)與林齡呈正相關(guān)關(guān)系。通過對(duì)比，試驗(yàn)地的數(shù)據(jù)與廣西憑祥及漳洲長(zhǎng)泰的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)相近[2-8]。因此，米老排具有明顯的速生特性，可作為福建省培育大徑材的首選優(yōu)良珍貴闊葉樹種之一。

2.3米老排生長(zhǎng)規(guī)律

2.3.1 米老排樹高生長(zhǎng)規(guī)律

26年生米老排樹高生長(zhǎng)總量呈不斷增加趨勢(shì)，其樹高總生長(zhǎng)量17.98 m，平均生長(zhǎng)量0.69 m，連年生長(zhǎng)量0.20～1.52 m。樹高平均生長(zhǎng)量峰值出現(xiàn)在第2年，為1.52 m/a，在第3～10年穩(wěn)定在1.02～1.26 m；第11～26年逐年減少，到第26年時(shí)樹高平均生長(zhǎng)量為0.69 m/a。樹高連年生長(zhǎng)量呈折線形波動(dòng)曲線，其連年生長(zhǎng)量每增加2～3 年后，其生長(zhǎng)速度減緩；樹高生長(zhǎng)高峰期出現(xiàn)在第5～8年，其連年生長(zhǎng)量分別為1.13和1.14 m/a，其它年份保持在0.5～0.8 m/a，但在第15、16、24年連年生長(zhǎng)量低至0.25 m左右。米老排樹高平均生長(zhǎng)量曲線與連年生長(zhǎng)量曲線在第5和第8年相交，此后米老排平均生長(zhǎng)量和連年生長(zhǎng)量逐年降低，但平均生長(zhǎng)量降幅相對(duì)平穩(wěn)，而連年生長(zhǎng)量升降波動(dòng)較大。在第15年連年生長(zhǎng)量?jī)H為0.2 m/a(表2)。由此可看出，試驗(yàn)地米老排的平均與連年生長(zhǎng)量與廣西憑祥和漳州長(zhǎng)泰的生長(zhǎng)量十分相似[2-8]，但出現(xiàn)高或低生長(zhǎng)量的年度不同。

表2 米老排人工林樹高、胸徑、材積生長(zhǎng)過程

2.3.2 米老排胸徑生長(zhǎng)規(guī)律

米老排去皮胸徑總生長(zhǎng)量隨著林齡增加逐漸增大，第26年總生長(zhǎng)量達(dá)17.57 cm。分析可知：米老排前期生長(zhǎng)速度較快，3～8 a為胸徑連年生長(zhǎng)量速生期，峰值出現(xiàn)在第4年；在第9～18年胸徑連年生長(zhǎng)量緩慢下降，保持在0.52～0.75 cm/a；第19年之后降至0.5 cm以下，與廣西的生長(zhǎng)規(guī)律相近[8]。平均生長(zhǎng)峰期出現(xiàn)在5～10 a，之后緩慢下降。連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)量曲線在第6～8 年相交(表2)，說明米老排胸徑生長(zhǎng)具有早期速生和持久的特點(diǎn)[2-8]。研究表明米老排在全林分利用下在第7年可以盈利，第8年收益率就高于行業(yè)基準(zhǔn)收益率5.56%，凈現(xiàn)值也呈上升趨勢(shì)，到11 a起達(dá)頂峰[13]。強(qiáng)化早期撫育管理有利于林木生長(zhǎng)，可縮短工業(yè)原料林建設(shè)周期，達(dá)到與桉樹培育相當(dāng)?shù)男Ч?/p>

2.3.3 米老排單株材積生長(zhǎng)規(guī)律

米老排單株材積連年生長(zhǎng)量從第14年起處于快速增加階段，其連年生長(zhǎng)量均高于0.01 m3，至第25年連年生長(zhǎng)量達(dá)到最高值0.012 8 m3/a(表2)。年平均生長(zhǎng)量從第14年起一直表現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，為0.005 5～0.008 2 m3/a，到第26年時(shí)，其材積連年生長(zhǎng)量與年平均生長(zhǎng)量仍未相交，即材積平均生長(zhǎng)量未達(dá)到最大值，表明此時(shí)米老排材積生長(zhǎng)處在旺盛階段，其數(shù)量成熟年齡尚未達(dá)到，材積的生長(zhǎng)潛力巨大。

2.3.4 米老排形數(shù)生長(zhǎng)規(guī)律

形數(shù)是反映林木生長(zhǎng)過程的重要因子，是表示樹木干形的飽滿程度的指標(biāo)。形數(shù)越大說明樹干越通直圓滿。米老排的形數(shù)隨著年齡的增加而降低，總體呈現(xiàn)波浪型曲線變化，但形數(shù)變化幅度較小。在造林后20 a內(nèi)，其胸高形數(shù)均保持在0.55以上，20 a后雖然有下降但仍保持在0.51以上，說明米老排干形好，出材率較高，培育米老排人工林可獲得較高出材量。

2.3.5 米老排林木生長(zhǎng)率

反映林木生長(zhǎng)相對(duì)速率快慢的指標(biāo)是林木生長(zhǎng)率。利用普雷斯特生長(zhǎng)率公式計(jì)算樹木的樹高、胸徑及材積等因子的生長(zhǎng)率，并繪制樹高、胸徑、材積生長(zhǎng)率曲線圖(圖1)。

圖1 米老排樹高、胸徑、材積生長(zhǎng)率曲線

米老排去皮胸徑和單株材積連年生長(zhǎng)率隨著樹齡增加而遞減，呈現(xiàn)先急后緩的趨勢(shì)。單株材積生長(zhǎng)分為2個(gè)階段，4～9 a下降較快，第10年開始維持平緩下降水平，與去皮胸徑基本平行下降。樹高連年生長(zhǎng)率波動(dòng)性較大，僅在第15年與材積生長(zhǎng)相交。分析認(rèn)為樹高生長(zhǎng)可能與該林分部分為杉木、馬尾松混交林有關(guān)。林分密度大的針闊混交林林冠重疊，造成樹高生長(zhǎng)起伏較大，在第7、14、16年間伐后其高生長(zhǎng)繼續(xù)生長(zhǎng)。樹高生長(zhǎng)率(k)為樹高與胸徑生長(zhǎng)率的比值，是反映樹高生長(zhǎng)能力指數(shù)。根據(jù)計(jì)算，26 年生米老排k值始終大于1，說明米老排樹高一直處于旺盛生長(zhǎng)狀態(tài)。

2.4米老排生長(zhǎng)模型擬合及檢驗(yàn)

2.4.1 米老排樹高生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型

對(duì)26年生米老排樹高進(jìn)行7種生長(zhǎng)模型回歸分析(表3)。理查德、蘇瑪克、韋布爾3種數(shù)學(xué)模型擬合相關(guān)性R2為6種模型中最高，均為0.998，殘差平方和≤1.211，說明這3種生長(zhǎng)模型對(duì)米老排樹高生長(zhǎng)均有較好的擬合效果。蘇瑪克模型的殘差平方和最小，可選為26年生米老排樹高生長(zhǎng)模型，其公式為H=29.598e-(15.737)/(T+4.725))。

2.4.2 米老排胸徑生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型

對(duì)米老排去皮胸徑生長(zhǎng)模型的回歸分析中(表4)，4種生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型擬合優(yōu)度均達(dá)到0.99以上，其中擬合優(yōu)度最高是理查德、韋布爾這2種數(shù)學(xué)模型，擬合相關(guān)性達(dá)0.999，殘差平方和≤0.548，說明這2種生長(zhǎng)模型對(duì)米老排胸徑有較好的擬合效果。二者中，理查德模型殘差平方和為0.325，擬合效果最佳。因此，選取理查德方程作為去皮胸徑生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型，公式為：D=25.391×(1-1.064e-0.04T)0.835。

表3 米老排去皮樹高生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型回歸分析

表4 米老排去皮胸徑生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型回歸分析

2.4.3 米老排材積生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型

7個(gè)經(jīng)驗(yàn)生長(zhǎng)模型對(duì)26年生米老排的擬合結(jié)果表明(表5)，理查德、蘇瑪克、韋布爾、坎派茲、高斯模型均能較好地對(duì)米老排材積進(jìn)行擬合，擬合優(yōu)度R2均達(dá)到0.999，但理查德(Richards)模型殘差平方和最小，為0.000 010。因此，選取理查德方程，其公式為V=0.612/(1-1.077e-0.037T)2.034，作為單株材積生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型。

表5 米老排去皮單株材積生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型回歸分析

2.4.4 入選的米老排各生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

使用入選的米老排樹高、胸徑和材積生長(zhǎng)模型估測(cè)各齡級(jí)的樹高、胸徑和材積(表6)，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示估測(cè)值與實(shí)測(cè)值總體上相近，相對(duì)總誤差較小，樹高、胸徑、材積的平均相對(duì)誤差及相對(duì)總誤差均低于1.401%(表7)。13年生樹高估測(cè)值偏低0.46 m，8年生胸徑估測(cè)值偏低0.21 cm，但總體估測(cè)值效果較好，因此，實(shí)踐中上述模型可直接用于各階段林木生長(zhǎng)預(yù)測(cè)。

表6 米老排人工林樹高、胸徑和材積生長(zhǎng)模型殘差比較

表7 米老排生長(zhǎng)模型誤差檢驗(yàn)

3 結(jié)果與討論

3.1研究結(jié)果

通過對(duì)米老排生長(zhǎng)規(guī)律的研究可知，其樹高、胸徑年生長(zhǎng)具有一定相似性，而連年生長(zhǎng)量表現(xiàn)為折線型曲線升降趨勢(shì)。樹高平均生長(zhǎng)量最大值出現(xiàn)在第2年，胸徑平均生長(zhǎng)量最大值出現(xiàn)在第8年，樹高、胸徑在10 a前其平均生長(zhǎng)量基本保持波動(dòng)性穩(wěn)定，之后樹高、胸徑均緩慢下降，因此，加強(qiáng)對(duì)幼齡期的撫育管理和施肥，可確保林木快速穩(wěn)定生長(zhǎng)。米老排材積連年生長(zhǎng)量呈現(xiàn)折線型波狀增長(zhǎng)，與胸徑、樹高生長(zhǎng)變化有一定關(guān)系，平均生長(zhǎng)量在第26年仍保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)量曲線尚未相交，說明26年生米老排尚未達(dá)到數(shù)量成熟，該樹種的數(shù)量成熟齡有待進(jìn)一步研究。米老排胸高形數(shù)隨著林齡增加保持較穩(wěn)定狀態(tài)，26 a的胸高形數(shù)為0.51，其干形可與松、杉等針葉樹種通直程度相比擬。米老排胸徑和材積連年生長(zhǎng)率隨著樹齡增加而遞減，呈現(xiàn)先急后緩的趨勢(shì)。材積生長(zhǎng)分為2個(gè)階段，4～9 a下降較快，第10年開始維持平緩下降水平，與胸徑基本平行下降。樹高連年生長(zhǎng)率波動(dòng)性較大，僅在第15年與材積生長(zhǎng)相交，說明米老排生長(zhǎng)旺盛，具有培育珍優(yōu)闊葉大徑材的潛質(zhì)。引種至福建上杭的生米老排表現(xiàn)出明顯速生特性，是該地區(qū)培育大徑材的珍貴優(yōu)良闊葉樹種之一。

3.2討論

通過分析比較，從7個(gè)生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞x取蘇瑪克和理查德數(shù)學(xué)模型建立米老排樹高、胸徑、單株材積與樹齡的生長(zhǎng)模型方程。模型精度檢驗(yàn)表明樹高、胸徑與材積的估測(cè)值基本接近實(shí)測(cè)值，在實(shí)踐中具有較強(qiáng)的可靠性。因此，根據(jù)米老排各齡級(jí)材積估測(cè)值結(jié)合林地立地條件、造林密度來確定培育短周期或中、大徑材的目標(biāo)更有意義。

對(duì)26年生米老排人工林不同林齡生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行分析，可以為米老排進(jìn)行科學(xué)撫育管理提供理論依據(jù)。首先，綜合米老排測(cè)樹因子、生長(zhǎng)量及生長(zhǎng)率的研究表明，其具有明顯的早期速生特性，樹高和胸徑連年生長(zhǎng)在第3、4、7、9年相交，并分別在第2年、第4年達(dá)到最高峰值，與桉樹早期速生特性接近，其速生性和材性均與桉樹一樣可列為短周期工業(yè)原料林進(jìn)行經(jīng)營(yíng)[8]。其次，米老排經(jīng)濟(jì)效益分析表明，在全林分利用下在第7年可以盈利，第8年收益率就高于行業(yè)基準(zhǔn)收益率5.56%，凈現(xiàn)值也呈上升趨勢(shì)，到第11起達(dá)到頂峰[13]；同時(shí)，米老排萌芽能力強(qiáng)，枯枝落葉多，若作為經(jīng)營(yíng)短周期中小徑級(jí)材和針闊混交樹種可連續(xù)多代經(jīng)營(yíng)，也具有較好經(jīng)濟(jì)收益。因此，本研究認(rèn)為可將米老排列為福建珍貴速生闊葉樹種進(jìn)行培育推廣，能夠產(chǎn)生巨大的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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林能慶(1963-),男,福建龍巖人,高級(jí)工程師,從事遺傳育種和森林培育工作。

洪永輝(1963-),男,福建龍巖人,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事林木、花卉遺傳育種、森林培育，(E-mail)hohu819@163.com。

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1004-2180(2017)03-0022-07