間伐和施肥對杉木成熟林生長和材種結(jié)構(gòu)的影響

趙銘臻，王利艷，劉 靜，鄒顯花,2，鄭 宏，范福金，馬祥慶,2，林開敏,2，李 明,2

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院, 福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院 國家林業(yè)與草原局杉木工程技術(shù)研究中心, 福建 福州 350002；3.福建省洋口國有林場, 福建 順昌 353200）

杉木Cunninghamia lanceolata是中國南方最重要的速生造林樹種，生長速度快，成材時間較短，其造林面積和蓄積量均居中國用材林樹種的首位，人工林面積達(dá)8.95×106hm2，占中國人工林面積的30%以上[1]，木材產(chǎn)量約占全國商品材的25%[2]。長期以來杉木人工林經(jīng)營主要依靠營造大面積、高密度的速生豐產(chǎn)林來滿足市場對木材的需求[3]。這種經(jīng)營模式下的杉木人工林往往只能輸出中小徑材，杉木大徑材數(shù)量少，林分生產(chǎn)力和經(jīng)營效益不高。大力發(fā)展杉木大徑材定向培育技術(shù)已成為杉木人工林經(jīng)營的重要方向[4]。20世紀(jì)90年代末，中國才開始開展對杉木大徑材的培育技術(shù)研究，研究主要集中在良種壯苗選擇、立地選擇、林分密度調(diào)控、施肥等經(jīng)營措施上[5]，但缺乏杉木大徑材培育的材種結(jié)構(gòu)形成機制、不同培育措施的組裝配套等關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究。間伐和施肥是大徑材培育中用到較多的撫育措施，林分密度越大，小徑階林木株數(shù)越多，大中徑階林木株數(shù)越少[6]，合理密度能有效改變林分的材種結(jié)構(gòu)[7]，帶來最直觀的林地生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益。晏姝等[8]對南嶺山區(qū)現(xiàn)存杉木大徑材林分的調(diào)查表明：林分密度和土壤肥力是培育杉木大徑材的主導(dǎo)因子。但目前有關(guān)杉木人工林間伐和施肥管理的研究對象大多是幼齡林和中齡林，對于間伐和精準(zhǔn)配方施肥共同作用于杉木成熟林的研究較少。本研究分析了不同間伐保留密度及不同氮、磷肥施用量對杉木成熟林材種結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力、大徑材出材量和出材率的影響，以期為高效培育杉木大徑材提供參考。

1 試驗地概況

試驗林位于福建省南平市順昌縣洋口林場，地形屬武夷山支脈的低山丘陵地帶，海拔為300～700 m。屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為18.6 ℃，年平均降水量為1 300～2 100 mm，無霜期可達(dá)305 d，氣候溫暖，雨量充沛。土壤以山地紅壤為主，是適合杉木大徑材培育的中心產(chǎn)區(qū)。樣地內(nèi)土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical properties of soil in the experimental site

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

樣地選自27年生立地指數(shù)均大于22的杉木成熟人工林，處理前林分密度為800～850株·hm-2。采用正交試驗，設(shè)置集中連片的9塊樣地，設(shè)間伐保留密度、氮肥施用量、磷肥施用量共3個因素。間伐保留密度設(shè)置為 300、600、825 (不間伐)株·hm-2，氮肥 (尿素)施用量設(shè)置為 0、100、200 g·株-1，磷肥(鈣鎂磷肥)施用量設(shè)置為0、250、500 g·株-1。間伐和施肥處理于2016年的11月杉木生長停滯期進行，施肥采用溝施方法，在每株樹上坡開一條弧形溝，溝在樹冠正投影下，溝長約100 cm，寬約20 cm，深約30 cm，氮肥和磷肥一次性施入后立即覆土。各樣地具體處理措施如表2。

表2 各樣地間伐施肥處理情況Table 2 Various thinning and fertilization treatments

2.2 樣地調(diào)查

2017—2020年每年的4月對各樣地的杉木進行標(biāo)記號牌管理和每木檢尺，采用Haglof Vertex Ⅳ超聲波樹木測高儀測量樹高，以圍徑尺測定胸徑，以5 m標(biāo)桿測量南北冠幅和東西冠幅，并以2017年的數(shù)據(jù)作為間伐和施肥處理前的生長情況。

2.3 數(shù)據(jù)處理

杉木人工林材種結(jié)構(gòu)的計算參考文獻[9-10]的方法。

2.3.1 杉木平均胸徑計算 為方便統(tǒng)計和計算，對杉木胸徑進行徑階劃分，以2 cm為1個徑階，以16為起測徑階，其立木胸徑為 [15 cm, 17 cm)，18 徑階為 [17 cm, 19 cm)，20 徑階為 [19 cm, 21 cm)，以此類推。對各徑階株數(shù)進行統(tǒng)計，并分別計算各徑階杉木的平均胸徑(Di)，計算公式為其中，Ni表示第i徑階總株數(shù)，di表示第i徑階胸徑值。

2.3.2 杉木擬合樹高計算 為提高樹高測量值的精準(zhǔn)度，通過建立試驗樣地內(nèi)所有林木的胸徑和樹高生長模型，利用實測的平均胸徑代入生長模型，算出擬合樹高進行后續(xù)分析(圖1)。胸徑和樹高生長模型的擬合優(yōu)度分析表明：各擬合模型的精準(zhǔn)度從大到小排序為冪函數(shù)(R2=0.235 8)、二次函數(shù)(R2=0.226 6)、指數(shù)函數(shù) (R2=0.216 6)、一次線性函數(shù)(R2=0.2036)，所以冪函數(shù)y=8.3553x0.334 4作為樹高回歸計算的最優(yōu)函數(shù)模型。

圖1 樹高和胸徑回歸擬合結(jié)果Figure 1 Regression fitting results of tree height and DBH

2.3.3 平均單株材積公式vi=0.000 058 777 042Di1.969 983 1Hi0.896 461 57。其中，Di為第i徑階平均胸徑，Hi為第i徑階擬合樹高。

2.3.4 林分蓄積量計算 分別計算樣地內(nèi)各徑階平均單株材積，乘以所對應(yīng)的徑階株數(shù)，即得相對應(yīng)徑階材積。對樣地內(nèi)各徑階材積累加求和，得到樣地林分的總材積，并換算林分的蓄積量(m3·hm-2)。

2.3.5 材種株數(shù)的劃分 林木材種按其直徑大小的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，進階≥26為大徑材，18～24為中徑材，10～16為小徑材。以徑階大小為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)計算各徑階立木出材量，并按照表3所示比例對林分立木各徑階中各材種所占株數(shù)進行歸并。

表3 各徑級林木材種株數(shù)比例Table 3 Proportion of tree species in different diameter classes

2.3.6 材種出材量計算 杉木規(guī)格材的原條用材出材量計算公式為V規(guī)(原條)=3.60243758×10-5×D1.947 520 76×H1.007 937 69。其中，D為徑階平均胸徑 (cm)；H為徑階平均樹高 (m)。V=V+V+V，規(guī) (原條)規(guī) (小徑材)規(guī)(中徑材)規(guī)(大徑材)按比例求得小徑材、中徑材、大徑材的出材量。出材率為出材量與林分蓄積量的比值。

2.3.7 數(shù)據(jù)分析方法 使用SPSS軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)和分析差異顯著性，使用Excel進行樹高胸徑擬合，使用 Origin 2018 制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐和施肥對杉木成熟林生長和蓄積的影響

不同間伐和施肥處理下，林分的平均胸徑、年平均樹高、平均單株材積和蓄積量在3 a的生長中均有提升。處理前林木平均胸徑為25.80～33.14 cm，處理后平均胸徑為27.43～35.25 cm，平均胸徑的增量為 1.28～2.88 cm。處理前年平均樹高為 24.77～26.94 m，處理后年平均樹高為 25.29～27.50 m，年平均樹高的增量為 0.38～0.84 m。處理前平均單株材積為 0.6351～1.123 4 m3，處理后平均單株材積為 0.7302～1.2913 m3，平均單株材積的增量為 0.0775～0.1972 m3。處理前蓄積量為 270.3812～608.5037 m3·hm-2，處理后蓄積量為 326.3937～716.550 0 m3·hm-2，蓄積量的增量為 50.3838～120.7630 m3·hm-2。

不同處理下平均胸徑、年平均樹高、平均單株材積和蓄積量每年增量并不一致(圖2)，說明間伐撫育和施肥會對成熟林的杉木生長產(chǎn)生影響。就其增量變化趨勢來看，并無一定規(guī)律，這可能與每個樣地的施肥配比有關(guān)，對于增量連年增長或先增后減的樣地，其氮肥配比較多，較高的速效氮肥施用量能夠有效促進杉木的短期速生。氮肥施用量較少而磷肥施用量較多樣地，其施肥效應(yīng)在往后的生長過程中逐步顯現(xiàn)，隨著施肥效應(yīng)的逐步減弱，林分密度將會成為制約杉木生長的主要因素。

圖2 平均胸徑、年平均樹高、平均單株材積和蓄積量增量Figure 2 Increment of average DBH, annual average tree height, average individual volume and stand volume in successive years

由圖3顯示：樣地6平均胸徑、年平均樹高和平均單株材積的總增量最多，蓄積量總增量僅次于樣地5，其處理方式為間伐保留密度600 株·hm-2、氮肥施用量200 g·株-1、磷肥施用量0 g·株-1。樣地5的蓄積量總增量最多，其處理方式為間伐保留密度600 株·hm-2、氮肥施用量100 g·株-1、磷肥施用量250 g·株-1。相同的間伐保留密度下，高的氮肥施用配比能短期內(nèi)增加杉木個體的生長，而氮肥磷肥配合施用能夠短期內(nèi)增加蓄積量的累積?？傇隽孔钌俚?個樣地分別為樣地1、2、3、8，其中樣地1、3、8的間伐保留密度均為825 株·hm-2，即不進行間伐。結(jié)果表明：雖然有施肥因素影響，但保留密度過大仍會限制杉木成熟林胸徑增加。此外，林地3 a間的年平均樹高總增量基本與平均胸徑總增量一致，符合樹高-胸徑生長模型。平均單株材積總增量最少是樣地1，其處理措施為不間伐，不施肥，也反映了合理的間伐保留密度和施肥處理能夠有效促進杉木成熟林生長。樣地2、4、7、9等的蓄積量總增量最少，其中樣地4、7、9的間伐保留密度均為300 株·hm-2，表明間伐強度過大情況下會在3 a內(nèi)明顯影響林分蓄積量的增長。

圖3 平均胸徑、年平均樹高、平均單株材積和蓄積量總增量Figure 3 Total increment of average DBH, annual average tree height, average individual volume and stand volume

3.2 間伐和施肥對杉木成熟林材種結(jié)構(gòu)的影響

由圖4可見：在間伐和施肥處理前后，除樣地3有少量小徑材，其余均只有中大徑材，3 a間中徑材出材量整體呈減少趨勢，大徑材出材量整體呈增長趨勢。由圖5～6可見：無論在處理前后，大徑材出材量和出材率始終大于中徑材出材量。大徑材出材量在間伐和施肥處理后3 a的增量為42.9265～152.5223 m3·hm-2。樣地 8，即保留原林分密度 825 株·hm-2、氮肥施用量為 200 g·株-1、磷肥施用量為250 g·株-1處理下，大徑材出材量的增量最大，比處理前增加了 152.522 3 m3·hm-2。大徑材出材率相比 3 a前增加了0.10%～11.32%，其中增加最大的也是樣地8，比處理前的大徑材出材率增加了11.32%(圖6)。

圖4 3 a 間中大徑材出材量變化情況Figure 4 Change of output of medium and large diameter timber in the past three years

圖5 處理前后中大徑材出材量雷達(dá)圖Figure 5 Radar chart of output of medium and large diameter wood before and after treatment

圖6 處理前后中大徑材出材率雷達(dá)圖Figure 6 Radar chart of output rateof medium and large diameter wood before and after treatment

對于大徑材出材率增量的分析(表4)表明：間伐保留密度和磷肥施用量對其具有顯著影響(P＜0.05)，而氮肥施用量對其影響較小，3個因素的主次關(guān)系依次為磷肥施用量、間伐保留密度、氮肥施用量，最佳組合為間伐保留密度825株·hm-2(即不間伐)、氮肥施用量200 g·株-1、磷肥施用量250 g·株-1，這與大徑材出材量的分析結(jié)果一致。因此，立地指數(shù)為22，間伐保留密度825株·hm-2的條件，能夠使林分維持較高的大徑材出材量和出材率。過低的間伐保留密度不再增加大徑材，而合適的施肥量會有效提高林分大徑材比例。

表4 各影響因素對大徑材出材量 (率)的顯著性情況Table 4 Significance of the factors affecting the yield (rate) of large diameter materials

4 討論與結(jié)論

由于林木之間對養(yǎng)分空間的競爭作用，使間伐成為杉木人工林撫育中必不可少的環(huán)節(jié)。徐金良等[11]研究發(fā)現(xiàn)：間伐會顯著增加杉木胸徑的增長，高強度的間伐對其胸徑增長的影響更加顯著。這是由于間伐使林分密度減小，一方面林木之間間隙增大，林木有了足夠的生長空間，同時對陽光、水分和養(yǎng)分的競爭減小[12]。另一方面，林內(nèi)光照增強，促進了林下植被的生長，增加了生物多樣性，使人工林生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，杉木林免受病蟲害侵?jǐn)_[1]。不同間伐強度對杉木中齡林也具有相同作用[13]，中度和強度間伐林分的平均胸徑顯著高于弱度間伐，且平均胸徑隨著間伐強度的增大而增大。而這種規(guī)律對杉木成熟林同樣適用，本研究表明：間伐保留的密度過大會限制杉木成熟林林分平均胸徑的增加。其他樹種也同樣受間伐強度影響，對68年生的紅松Pinus koraiensis人工林不同強度的撫育間伐研究結(jié)果[14]表明：隨間伐強度的減弱，林分平均胸徑達(dá)到較高水平所需年份越來越長。油松Pinus tabuliformis林間伐后2 a的平均胸徑隨間伐強度增大而升高[15]；北美短葉松Pinus banksiana的間伐強度越大，平均胸徑越大[16]。對巨尾桉Eucalyptus grandis×E. urophylla的研究[17]表明：施用過量氮肥會抑制桉樹生長。本研究也表明：氮肥施用量能促進杉木個體的生長，但基于成本、生態(tài)環(huán)境保護和施肥效益考慮，杉木大徑材培育的氮施用量不宜過高。

林木的平均單株材積與胸徑樹高息息相關(guān)，在杉木成熟林間伐和施肥試驗中，與未間伐相比，不同強度的間伐和施肥均促進了平均單株材積的增長。但間伐強度過大，不利于林分蓄積量的增長，反而會使林分蓄積量減少。鄭鳴鳴等[13]對杉木中齡林的研究發(fā)現(xiàn)：增大間伐強度，間伐3 a后，平均單株材積增長量增大，而林分蓄積量則減小。涂育合等[18]針對杉木成熟林間伐的研究得出：間伐保留密度最小的樣地，其蓄積量也最少。李杰茹等[19]對不同撫育間伐強度下秦嶺南坡銳齒櫟Quercus alienavar.acuteserrata天然次生林研究表明：單株材積增長隨間伐強度的增大而增大，但低強度間伐下，其蓄積量最大。SULLIVAN等[20]研究了不同間伐強度對美國黑松Pinus contorta的影響得出：低強度間伐林分蓄積量增長最大，未間伐林分次之，中度和重度間伐則小于未間伐樣地。說明間伐強度過大，并不利于林分蓄積量的增長，與本研究結(jié)果一致。但尤文忠等[21]認(rèn)為：強度間伐有利于蒙古櫟Quercus mongolica蓄積量的積累，在中齡林階段應(yīng)加大間伐強度。而龔固堂等[22]對柏木Cupressus funebris的研究表明：不同間伐強度對蓄積量的影響并不明顯。關(guān)于間伐能否提高林分總蓄積歷來有較大爭議，這可能是由于間伐強度、立地條件、樹種等各方面的差異，導(dǎo)致結(jié)果不同。相同間伐強度下，氮、磷肥共同施用能夠增加林分蓄積量。湛紅輝[23]研究表明：施肥對馬尾松Pinus massoniana幼林及中齡林階段的蓄積量增加都有影響，但磷肥在其中起關(guān)鍵作用。彭桂永[24]研究表明：杉木中齡林間伐和施肥6 a后，間伐和施肥均對蓄積量的增加起到了極顯著的作用。

本研究認(rèn)為：間伐和施肥導(dǎo)致立地指數(shù)為22的杉木成熟林中徑材出材量和出材率不斷減少，大徑材出材量和出材率不斷增加。可見立地指數(shù)高的林地更適合培育大徑材，這可能是由于立地指數(shù)高的林地提供的養(yǎng)分更多，林木生長速度更快，林分間的競爭就越大，在成熟時期樣地上保留的株數(shù)就越少，大徑材的出材率越大[25]。郭光智等[26]在南亞熱帶杉木人工林材種結(jié)構(gòu)長期立地與密度效應(yīng)的研究中指出：立地指數(shù)為18的林分中，中徑材比例隨年齡增長表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，與本研究結(jié)果一致，其大徑材比例在成熟年齡之后也不斷增加。惠剛盈等[27]研究表明：在材種的形成過程中，立地條件是其主要限制因子，在立地指數(shù)低的林地中，無論何種間伐保留密度，都難以形成大徑材。本研究正交試驗的方差分析表明：間伐保留密度、氮肥量、磷肥量對杉木成熟林大徑材出材量的增加均具有顯著的影響；間伐保留密度和磷肥量對大徑材具有顯著影響，而氮肥量這個因素對其的影響較小。

本研究得到的最佳間伐密度和施肥配比為間伐保留密度825株·hm-2、氮肥施用量200 g·株-1、磷肥施用量250 g·株-1。在高立地指數(shù)(22)杉木成熟林大徑材培育過程中，保留適宜的間伐密度，并增施氮肥和適量磷肥，可有效促進大徑材出材量和出材率，過低的間伐保留密度在短期內(nèi)不能有效促進林地大徑材出材量和出材率的增加。該結(jié)論可能與林地較高的立地指數(shù)有關(guān)，對于立地指數(shù)為18～22的杉木大徑材林地，這一結(jié)論的一致性還有待繼續(xù)研究。