間伐密度管理模式對(duì)杉木大徑材生長(zhǎng)的影響

許冠軍, 鄭 宏, 林開敏, 林 強(qiáng), 鄒顯花, 曹光球, 馬祥慶

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；3.福建省洋口國(guó)有林場(chǎng)，福建 南平 353000)

密度是影響林木生長(zhǎng)的重要因素，通過間伐可對(duì)林分密度進(jìn)行有效調(diào)控，改善林分溫濕度、土壤養(yǎng)分、光照條件[1]，為保留木生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境.目前，國(guó)內(nèi)外已將密度管理作為森林目標(biāo)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)[2]，開展了大量的研究[3-5]，發(fā)現(xiàn)林分密度通過影響林分的生長(zhǎng)進(jìn)而影響到林分徑級(jí)的分布和材種結(jié)構(gòu)[6].因此，加強(qiáng)林分密度管理是調(diào)節(jié)林分結(jié)構(gòu)、提高人工林生產(chǎn)力的重要途徑.

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook]是我國(guó)南方最重要的速生用材樹種，已有近千年的栽培歷史.杉木林分密度控制技術(shù)是培育杉木大徑材的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過間伐可對(duì)林分密度進(jìn)行合理調(diào)控，促進(jìn)保留木胸徑的生長(zhǎng)[7-8]，從而提高杉木大徑材的產(chǎn)量.但長(zhǎng)期以來杉木人工林經(jīng)營(yíng)過程中始終存在定向培育目標(biāo)不明確的問題[9-11]，目前杉木人工林間伐密度試驗(yàn)大多數(shù)集中在僅一次性間伐密度試驗(yàn)的生長(zhǎng)效果[12-14]，研究?jī)?nèi)容也主要偏向林分生長(zhǎng)量、蓄積量和生產(chǎn)力等指標(biāo)[15-17].而有關(guān)林分經(jīng)營(yíng)全周期內(nèi)林分間伐的密度管理模式對(duì)杉木人工林材種結(jié)構(gòu)形成和大徑材產(chǎn)量影響的研究則很少.童書振等[18]認(rèn)為造林密度林分在同一地位指數(shù)，間伐前后林分優(yōu)勢(shì)大，平均高差異均不明顯.惠剛盈等[19]認(rèn)為杉木中大徑材的培育地位指數(shù)需達(dá)到16及以上，保留密度1 050～1 350株·hm-2，林齡在20～22 a為宜.張煒銀等[20]認(rèn)為運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法對(duì)林分密度進(jìn)行調(diào)控，在理論上是可行的，并在此基礎(chǔ)上建立了18～20地位指數(shù)段大徑材林分密度控制最優(yōu)模型.雖然近些年來國(guó)內(nèi)一些專家開始重視杉木大徑材培育的密度控制技術(shù)研究[21-22]，但仍未形成一套完整的與大徑培育目標(biāo)相匹配的密度管理體系[23].本文通過對(duì)兩種不同間伐密度管理模式的大徑材林分生長(zhǎng)進(jìn)行研究，為構(gòu)建杉木大徑材高效培育的密度管理體系提供依據(jù).

1 試驗(yàn)地自然概況

試驗(yàn)林位于福建省洋口國(guó)有林場(chǎng)，屬于武夷山支脈低山丘陵區(qū)，地處東經(jīng)117°55′，北緯26°52′，海拔300～400 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候.夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤(rùn)，坡度25°～41°.年平均氣溫18.5 ℃，年平均降水量1 880 mm，無霜期達(dá)280 d.土壤多以山地紅壤為主，厚度均在1 m以上，表層土較為松散，呈暗紅色，A+AB層土壤厚度15～30 cm，獨(dú)特的自然地理環(huán)境為杉木提供了良好的生長(zhǎng)條件.

2種不同密度管理模式林分皆于1984年1月造林，初植密度為2 500株·hm-2，苗木成活率95%.對(duì)第1種間伐密度管理模式(簡(jiǎn)稱模式1)的林分間密留勻，留優(yōu)去劣，分別于造林后第13年(1998年9月)與第28年(2013年7月)各間伐1次，間伐強(qiáng)度分別為50%、45%，最終保留密度為650株·hm-2；2013年后，每2 a進(jìn)行一次林下植被清理.2013年林下套種楠木(450株·hm-2)，套種后每年5月對(duì)閩楠幼苗進(jìn)行擴(kuò)穴、施肥撫育.對(duì)第2種間伐密度管理模式(簡(jiǎn)稱模式2)林分僅在造林后第13年(1998年9月)間伐一次，間伐強(qiáng)度為50%，保留密度1 187株·hm-2；之后采取近自然經(jīng)營(yíng)模式，通過減少人為干預(yù)，保留林下植被，逐步形成現(xiàn)有的杉木大徑材林分.

2 方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

于2017年9月進(jìn)行林分?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)查.在坡形、坡向、坡度等因子基本一致的基礎(chǔ)上于2個(gè)不同間伐密度管理模式林地的上、中、下坡位，分別設(shè)置3個(gè)面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)樣地，共6塊，并對(duì)樣方內(nèi)立木作每木檢尺、掛牌標(biāo)記，并做好記錄.在樣地的4個(gè)角落和中心區(qū)域各選取1株長(zhǎng)勢(shì)較好的杉木作為優(yōu)勢(shì)木，計(jì)算優(yōu)勢(shì)木樹高平均值，根據(jù)地位指數(shù)公式[24]推算林地地位指數(shù).試驗(yàn)區(qū)林分概況如表1所示.

表1 林分基本概況Table 1 General information on the plantation

2.2 林分因子計(jì)算

2.2.1 徑階平均胸徑 以2 cm為1個(gè)徑級(jí)，對(duì)測(cè)量的杉木胸徑值進(jìn)行劃分，并分別計(jì)算各徑階杉木的平均胸徑，計(jì)算公式為[25]：

(1)

式中，N為第i徑階總株數(shù)，di為第i徑階實(shí)際測(cè)量值.

2.2.2 徑階平均樹高 采用Excel數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件將野外實(shí)際測(cè)量的樹高與胸徑值進(jìn)行回歸方程擬合，選取R2值最大的回歸方程作為最優(yōu)擬合方程，將各徑階平均胸徑帶入方程即得出各徑階的平均樹高，樹高以2 m為一個(gè)分段.

2.2.3 林分平均胸徑 采用斷面積加權(quán)法計(jì)算，計(jì)算公式[25]為：

(2)

式中，N表示樣地內(nèi)徑階總株數(shù)，n表示第i徑階總株數(shù).

充分挖掘德州市交通、經(jīng)濟(jì)與地理區(qū)位優(yōu)勢(shì)，依托現(xiàn)有農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)、物流基地和集散中心，與特色農(nóng)業(yè)資源與規(guī)?；a(chǎn)基地銜接，重點(diǎn)打造“一綜、一園、多節(jié)點(diǎn)”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物流體系。

2.2.4 林分平均樹高 將林分平均胸徑帶入回歸方程即得出平均樹高.

(3)

2.2.6 材種出材量[9]根據(jù)徑階材種的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)(6徑級(jí)以下為100%薪材，6徑級(jí)為30%薪材、70%小條木，8徑級(jí)為100%小條木，10徑級(jí)為60%小條木、40%小徑材，12徑級(jí)為10%小條木、90%小徑材，14、16徑級(jí)為100%小徑材，18徑級(jí)為40%小徑材、60%中徑材，20、22徑級(jí)為100%中徑材，24徑級(jí)為65%中徑材、35%大徑材，24徑級(jí)以上為100%大徑材)，計(jì)算規(guī)格材原條出材量，計(jì)算公式為：

V原條=3.602 437 58×10-5×D1.947 520 76×H1.007 937 69

(4)

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、作圖與分析.運(yùn)用單因素方差分析比較不同處理間的差異顯著性.

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐密度管理模式對(duì)林分生長(zhǎng)的影響

圖1 不同密度管理模式下林分的平均樹高Fig.1 Mean tree height under different thinning management modes

3.1.1 間伐密度管理模式對(duì)樹高生長(zhǎng)的影響 從圖1可知，2種間伐密度管理模式下，模式1林分平均樹高大于模式2林分.

不同間伐密度管理模式下林分樹高的方差分析結(jié)果表明，2個(gè)模式之間的林分樹高存在顯著差異(P<0.05)，區(qū)組內(nèi)林分樹高未達(dá)到顯著差異性水平(P>0.05).表明2種間伐密度管理模式對(duì)林分樹高有較大影響.

不同間伐密度管理模式下林分樹高的分布情況(圖2)顯示，隨著樹高的增加，株數(shù)總體呈先增加后減少的趨勢(shì).但不同間伐密度管理模式下樹高株數(shù)分布規(guī)律存在如下差異：第2種模式林分樹高分布曲線比第1種模式更平緩，表明模式2林分的樹高在各個(gè)值段的株數(shù)分布也更為均勻.其樹高株數(shù)峰值出現(xiàn)在24 m區(qū)分段內(nèi)，而模式1樹高株數(shù)的占比峰值出現(xiàn)在28 m區(qū)分段內(nèi)，且明顯高于模式2，但樹高分布范圍要小于模式2的林分，表明模式1林分樹高分布更為集中.

3.1.2 間伐密度管理模式對(duì)胸徑生長(zhǎng)的影響 從圖3可知，不同間伐密度管理模式下，模式1林分平均胸徑大于模式2林分.方差分析結(jié)果表明，不同間伐密度管理模式之間的林分胸徑存在顯著差異(P<0.05)，區(qū)組內(nèi)林分胸徑未達(dá)到顯著差異水平(P>0.05).表明2種林分密度管理模式對(duì)林分胸徑生長(zhǎng)有較大影響.從圖4可看出，與模式1林分相比，模式2林分株數(shù)的徑階分布范圍更大，但徑階株數(shù)占比的最大峰值明顯小于模式1林分，徑階株數(shù)分布曲線也更為平緩.模式1林分內(nèi)徑階株數(shù)分布主要集中在24～38徑階段，低徑階段活立木株數(shù)比重小于模式2林分；而高徑階段活立木株數(shù)所占比重總體上大于模式2林分.

圖2 不同密度管理模式下杉木人工林樹高的分布曲線Fig.2 Height distribution curves of Chinese fir plantation under different thinning management modes

圖3 不同密度管理模式下林分的平均胸徑Fig.3 Average DBH under different thinning management modes

3.1.3 間伐密度管理模式對(duì)杉木林分蓄積量和出材量的影響 從表2可知，2種模式林分中，模式1林分平均單株材積大于模式2林分，但林分蓄積量和規(guī)格材出材量則表現(xiàn)為模式2林分大于模式1林分.

方差檢驗(yàn)結(jié)果表明，不同間伐密度管理模式下林分單株材積存在顯著差異，區(qū)組內(nèi)不存在顯著差異，表明間伐密度管理模式對(duì)林分平均單株材積影響較大；林分蓄積量在2種模式林分間也存在顯著差異(P<0.05)，區(qū)組內(nèi)不存在顯著差異(P>0.05)，表明間伐密度管理模式對(duì)林分蓄積量也有較大影響；2種模式林分規(guī)格材出材量不存在顯著差異(P>0.05)，表明間伐密度管理模式對(duì)規(guī)格材出材量的影響較小.

圖4 不同密度管理模式下杉木人工林各徑階株數(shù)的分布Fig.4 Quantitative distribution of Chinese fir by diameters class under different thinning management modes

處理林分單株材積/m3林分蓄積量/(m3·hm-2)規(guī)格材出材量/(m3·hm-2)模式11.05±0.14a631.19±47.26a516.17±39.44a模式20.66±0.04b720.16±90.16b586.47±73.91a

1)表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3).不同字母表示2種模式林分間有顯著差異(P<0.05).

3.2 間伐密度管理模式對(duì)杉木材種結(jié)構(gòu)的影響

從表3可知，模式1林分小徑材出材量和出材率均為0，模式2林分小徑材出材量和出材率也較低；模式2林分中徑材出材量和出材率均遠(yuǎn)大于模式1林分，大徑材出材量和出材率也大于模式1林分.

表3 不同間伐密度管理模式下的材種結(jié)構(gòu)情況1)Table 3 Timber structure under different density management modes

>1)表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3).不同字母表示2種模式林分間有顯著差異(P<0.05).

方差檢驗(yàn)結(jié)果顯示，2種模式林分小徑材出材量和出材率均不存在顯著差異(P>0.05)；中徑材出材量和出材率均存在極顯著差異(P<0.01)；大徑材出材量不存在顯著差異(P>0.05)，大徑材出材率存在極顯著差異(P<0.01).總體來看，不同間伐密度管理模式對(duì)林分材種結(jié)構(gòu)有較大影響.

從表4可知，在26徑階段以下及[26,30)徑階區(qū)間內(nèi)，模式1林分大徑材出材量小于模式2林分；[30,40)和[40,50)徑階區(qū)間內(nèi)模式1林分大徑材出材量均大于模式2林分.可見模式1林分高徑階段大徑材出材量整體上大于模式2林分.

表4 不同間伐密度管理模式下林分各徑階大徑材的材積1) Table 4 Volume of large diameter timber under different thinning management modes m3·hm-2

1)表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3).不同字母表示2種模式林分間有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)差異.

方差分析結(jié)果表明，2種不同間伐密度管理模式林分大徑材出材量在26徑階以下存在顯著差異性(P<0.05)，在[26,30)、[30,40)、[40,50)區(qū)間段內(nèi)大徑材出材量均存在極顯著差異性.總體來看，不同間伐密度管理模式對(duì)大徑材徑階分布有很大的影響.

3.3 不同間伐密度管理模式對(duì)干材質(zhì)量的影響

從表5可知，模式1林分高徑比和枝下高均小于模式2林分；冠長(zhǎng)和冠幅則相反，模式1林分大于模式2林分.

表5 不同間伐密度管理模式下林分高徑比、枝下高、冠長(zhǎng)、冠幅的比較1)Table 5 Comparison on height to diameter ratio, undershoot height, crown length and crown width under different thinning management modes

1)表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3).不同字母表示2種模式林分間有顯著差異(P<0.05).

方差分析結(jié)果顯示，2種模式林分高徑比與枝下高的差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，表明兩種密度管理模式雖然對(duì)林分高徑比與枝下高產(chǎn)生一定的影響，但影響較??；林分冠長(zhǎng)和冠幅在2種模式下差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，區(qū)組內(nèi)不存在顯著差異(P>0.05)，表明兩種密度管理模式對(duì)林分冠長(zhǎng)和冠幅影響較大.

4 小結(jié)與討論

通過對(duì)不同間伐密度管理模式下的杉木林分結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，與僅經(jīng)1次強(qiáng)度間伐的林分相比，2次強(qiáng)度間伐林分的林木樹高分布范圍更窄，林分整體樹高更大.表明2次強(qiáng)度間伐對(duì)林分整體樹高有明顯的促進(jìn)作用，這與張水松等[27]研究結(jié)果存在差異.可能是由于2次間伐均采取留優(yōu)去劣的原則，林分內(nèi)長(zhǎng)勢(shì)較差的林木均被除去，使模式1林分的平均樹高增加；模式1林分間伐時(shí)間較早，間伐后林分保留密度仍較大，競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致林木出現(xiàn)分化，平均樹高也較小.此外，模式2林分樹高整體上大于模式1林分還可能與模式1林分立地條件較好、林木生長(zhǎng)養(yǎng)分供給充分有關(guān)[9].隨著觀測(cè)年限的增加，模式2林分也可能因?yàn)檩^高的密度使林木枝葉等器官生長(zhǎng)受到抑制，養(yǎng)分不斷往樹梢部分輸送，促使林木不斷往上生長(zhǎng)[28]，導(dǎo)致兩種密度管理模式下樹高差異性減小，甚至趨于一致.此外，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，模式1與模式2的林分胸徑也呈現(xiàn)出顯著差異性，具體表現(xiàn)為模式1林分胸徑大于模式2林分，徑階分布也更為集中，說明不同間伐密度管理模式對(duì)胸徑生長(zhǎng)有著較大的影響.林分密度越小，胸徑因更為充足的光照和養(yǎng)分條件其生長(zhǎng)量更大[29]，這與葉功富等[30]的研究結(jié)果相同.

林分密度會(huì)影響林分的材種結(jié)構(gòu)，因此加強(qiáng)對(duì)林分密度的管理是培育杉木大徑材的關(guān)鍵措施[31].本研究發(fā)現(xiàn)，不同間伐密度管理模式中，間伐強(qiáng)度越大，大徑材出材量和出材率越高.中徑材出材量隨間伐強(qiáng)度的增大而減小，小徑材僅在模式2林分內(nèi)出現(xiàn)，且出材量和出材率均較低，這與相聰偉等[32]的研究結(jié)果存在差異.可能是因?yàn)樵诮?jīng)過2次高強(qiáng)度間伐后，一方面，林分內(nèi)長(zhǎng)勢(shì)較差的林木均被除去，僅留下長(zhǎng)勢(shì)較好、胸徑較大的林木；另一方面，隨著林分密度的減小，養(yǎng)分空間增大，林木獲取的養(yǎng)分更為充足，生長(zhǎng)速度更快，原有的中、小徑材材種向大徑材方向轉(zhuǎn)化，造成中、小徑材出材量降低.本研究發(fā)現(xiàn)間伐密度管理模式對(duì)林分規(guī)格材的出材量影響不顯著，但模式1林分的超大徑材(D≥40)出材量明顯大于模式2林分.其原因主要是因?yàn)榻?jīng)過2次間伐的林分整體胸徑更大，單株材積量更大，超大徑材出材量也隨之增大.但由于其林分保留密度小于僅經(jīng)過一次間伐的模式2林分，在活立木株數(shù)上的劣勢(shì)一定程度上抵消了林分胸徑偏大造成的平均單株材積較高的優(yōu)勢(shì)[33]，致使2種模式之間林分規(guī)格材和大徑材出材量的差異性不顯著，但模式2林分因株數(shù)上的優(yōu)勢(shì)其林分蓄積量大于模式1林分.

間伐密度管理模式對(duì)林分干形也存在一定影響，表現(xiàn)為經(jīng)過2次強(qiáng)度間伐的林分的高徑比與枝下高均小于經(jīng)過1次間伐的林分；冠長(zhǎng)和冠幅則相反，均大于僅經(jīng)過1次間伐的林分.這是由于經(jīng)兩次強(qiáng)度間伐的林分擁有更為充足的營(yíng)養(yǎng)空間，林木間競(jìng)爭(zhēng)較小，整枝高度也較低，枝下高相對(duì)也低，而冠長(zhǎng)也相應(yīng)增大.因此林冠層在生長(zhǎng)過程中能獲得更為充足的養(yǎng)分，高徑比越小，尖削度越大.這與余碧云等[34]研究結(jié)果一致.

因?yàn)殚g伐對(duì)林分生長(zhǎng)的影響還受立地條件、間伐方式、輪伐期等多種因素的綜合影響[35].因此，對(duì)不同間伐密度管理模式下杉木林分結(jié)構(gòu)的研究還有待作進(jìn)一步探討.