林齡和立地條件對冀北山地油松單木生長量和生長率的影響

楊曉聰，陳曉薔，竇松傲，李倩茹，許中旗，賈彥龍

(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北 保定 071000)

樹木的生長對森林的結(jié)構(gòu)和功能具有重要影響，歷來受到人們的關(guān)注[1]。生長量和生長率是常用的表示樹木生長的指標(biāo)。其中，樹木生長量是一定時期內(nèi)樹木增長量的絕對數(shù)值，受到林分立地條件的影響。例如坡向、坡位、土層厚度等均會影響到樹木的生長量[2-4]。樹木生長率是指林木的連年生長量與其總生長量的比值，是樹木相對生長速度以及對未來生長量預(yù)估的重要指標(biāo)，是否受到立地條件影響還有爭論[5]。

目前，人們對不同樹種生長率對立地條件的響應(yīng)得到了不同結(jié)果。郝青云在對落葉松生長率進(jìn)行研究時，認(rèn)為生長率是一種在原有基數(shù)上的相對值，認(rèn)為立地條件對樹木生長率幾乎無影響[6]。而杜紀(jì)山等通過分析杉木生長率和立地質(zhì)量的動態(tài)變化發(fā)現(xiàn)生長率受到立地質(zhì)量的影響[7]。油松是我國的特有樹種，是我國北方主要的造林樹種之一，關(guān)于立地條件對樹木生長量的影響有大量研究，但是關(guān)于立地條件對油松生長率的研究較少[8-11]。例如，孫進(jìn)對秦嶺東部油松的分析發(fā)現(xiàn)，林齡是決定生長率的主要因素，立地質(zhì)量的影響不大，但是該研究也強(qiáng)調(diào)該結(jié)果具有研究地區(qū)的局限性[12]。因此，關(guān)于油松樹木生長率在其他油松分布區(qū)是否受到立地條件的影響還不清楚。

燕山北部山地是河北省最重要的森林分布區(qū)，京津冀地區(qū)的生態(tài)屏障，在維持區(qū)域生態(tài)安全方面具有重要作用，油松是該地區(qū)主要造林樹種。本研究以河北省圍場縣木蘭圍場國有林場油松單木為研究對象，通過設(shè)置不同立地質(zhì)量下油松樣地，選取優(yōu)勢木采伐進(jìn)行樹干解析，計算單木胸徑、材積、樹高的生長量和生長率，分析林齡和立地條件對油松單木生長量和生長率的影響。旨在為研究油松森林資源變化動態(tài)以及制定森林采伐限額等提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究地概況

河北省冀北地區(qū)的圍場滿族蒙古族自治縣，位于灤河上游地區(qū)，屬陰山、大興安嶺、燕山余脈的匯接地帶，地理坐標(biāo)為E 116°32′～117°14′，N 41°35′～42°40′，海拔高度750～1 850 m。圍場縣地處典型的森林-草原交錯帶，地形包括丘陵、山地、高原等，包含著半濕潤-半干旱大陸性季風(fēng)性氣候、寒溫帶-中溫帶季風(fēng)氣候、大陸性季風(fēng)型山地氣候等多種氣候類型。圍場縣年平均氣溫3.1 ℃，年平均降水量445～500 mm。圍場縣森林植被豐富，植被類型主要以常綠針葉林、落葉針葉林為主，以針闊混交林、闊葉林、灌木叢為輔，油松是當(dāng)?shù)氐闹饕炝謽浞N之一，具有大面積分布。

1.2 樣地設(shè)置

以該地區(qū)木蘭圍場國有林場新豐分場油松人工林為研究對象，設(shè)置不同立地條件(海拔、土層厚度、坡度、坡位)下油松人工林樣地14塊，樣地情況見表1。油松人工林土層厚度范圍是31～100 cm，海拔范圍是1 017～1 272 m，坡度的范圍是10°～36°，林齡的范圍是37～56年，20年樹高的范圍是5.38～9.59 m。

表1 樣地基本信息表

1.3 樣地調(diào)查與樹干解析

在樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查樹高、胸徑和冠幅，同時記錄山體坡度、海拔、土層厚度等地形因子。根據(jù)每木檢尺的結(jié)果選擇樣地中胸徑大且最高的5株樹木，取樹高平均值選出平均優(yōu)勢木，伐倒并進(jìn)行樹干解析，共獲取解析木14株。根據(jù)樹高確定區(qū)分段，樹高小于10 m的以1 m為區(qū)分段，樹高大于10 m的以2 m為區(qū)分段，對各區(qū)分段中部、梢頭直徑處截取圓盤，以1年為間距調(diào)查年輪寬度，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。依據(jù)樹干解析結(jié)果，計算每株優(yōu)勢木直徑生長量、材積生長量、直徑生長率和材積生長率。生長量和生長率隨林齡變化的變異系數(shù)為同一林齡不同立地條件下各油松優(yōu)勢木生長量或生長率的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值。

1.4 建立立地指數(shù)

立地指數(shù)通常用某一樹種在一定基準(zhǔn)年齡時的優(yōu)勢木平均高來表示。因此，確定其基準(zhǔn)年齡是確定樹種立地指數(shù)的關(guān)鍵。本研究基于油松優(yōu)勢木解木的樹高連年生長量和林齡的關(guān)系來確定該地區(qū)油松人工林的立地指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，樹高連年生長量在20年之后生長速度趨于穩(wěn)定(圖1)，因此，可將20年確定為河北省木蘭圍場地區(qū)油松人工林的基準(zhǔn)年齡。這與前期研究確定的北京低山地區(qū)、河北平泉地區(qū)油松人工林立地指數(shù)基準(zhǔn)年齡一致[8，13]?；鶞?zhǔn)年齡確定后，可利用各樣地20年時油松優(yōu)勢木平均樹高反應(yīng)該林分的立地質(zhì)量，并研究其對油松胸徑和材積生長率的影響。

圖1 樹高連年生長量與林齡的關(guān)系

2 結(jié)果與分析

2.1 油松單木生長量和生長率與林齡的關(guān)系

油松單木不同標(biāo)準(zhǔn)地優(yōu)勢木直徑生長量、材積生長量以及直徑生長率、材積生長率和林齡的關(guān)系，見圖2。

圖2 油松單木直徑、材積生長量和生長率與林齡的關(guān)系

對圖2進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著林齡的增加，油松單木直徑生長量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(R2=0.30)，在林齡為30年左右時直徑生長量達(dá)到最低值為0.005 m左右。油松單木直徑生長率隨林齡的增加呈冪指數(shù)函數(shù)下降趨勢(R2=0.78)，在林齡達(dá)到20年后開始收斂并趨于穩(wěn)定在約5%。隨著林齡的增加，油松單木材積生長量呈冪指數(shù)上升趨勢(R2=0.95)，且隨著林齡的增加，不同標(biāo)準(zhǔn)地優(yōu)勢木的差異越來越大，說明材積生長量受到立地條件的影響。油松單木材積生長率隨林齡增加呈冪指數(shù)函數(shù)下降趨勢(R2=0.89)，在林齡達(dá)到20年后開始收斂并趨于穩(wěn)定在約6%。從該結(jié)果來看，直徑生長率和材積生長率隨林齡變化顯著，不同標(biāo)準(zhǔn)地之間差異不大，表現(xiàn)出生長率與立地條件無關(guān)。

2.2 油松單木生長量和生長率變異系數(shù)與林齡的關(guān)系

油松單木不同標(biāo)準(zhǔn)地優(yōu)勢木的直徑生長量、材積生長量、直徑生長率、直徑生長率的變異系數(shù)與林齡之間的關(guān)系，見圖3。

圖3 林齡與油松直徑、材積生長量及生長率變異系數(shù)的關(guān)系

對圖3分析發(fā)現(xiàn)，隨著林齡的增加，直徑生長量變異系數(shù)呈下降趨勢，未達(dá)到顯著水平，直徑生長量變異系數(shù)的數(shù)值主要集中在0.2～0.5之間。隨著林齡的增加，直徑生長率的變異系數(shù)呈下降的趨勢，直徑生長率變異系數(shù)的數(shù)值主要分布于0.2～0.6之間。隨著林齡的增加，材積生長量變異系數(shù)的數(shù)值呈下降的趨勢，材積生長量變異系數(shù)的數(shù)值主要分布于0.25～0.7之間。材積生長率的變異系數(shù)隨著林齡的增加有上升的趨勢，材積生長率變異系數(shù)的數(shù)值主要集中在0.15～0.35之間?？梢园l(fā)現(xiàn)盡管直徑生長率和材積生長率在林齡達(dá)到20年后逐步收斂并趨于穩(wěn)定，但是生長率變異系數(shù)的數(shù)值和生長量變異系數(shù)沒有顯著差異，這表明生長率也受到立地質(zhì)量的影響。

2.3 油松單木生長量和生長率與立地條件的關(guān)系

油松直徑、材積生長量及生長率與各立地因子的相關(guān)關(guān)系，如表2所示。

表2 立地因子與油松直徑、材積生長量及生長率的相關(guān)關(guān)系

對表2分析發(fā)現(xiàn)，海拔與油松單木直徑生長量、直徑生長率、材積生長率呈負(fù)相關(guān)，其中與材積生長率達(dá)到顯著水平(P<0.05)，與材積生長量為正相關(guān)。坡度和土層厚度與各生長量、生長率均為正相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平。坡位與直徑生長量和生長率均為正相關(guān)，與材積生長量和生長率均為負(fù)相關(guān)，都未達(dá)到顯著水平。總體來說，油松單木生長率受到立地條件的影響，其中海拔是影響油松生長率最重要的立地因子。

2.4 油松單木生長量和生長率與立地質(zhì)量的關(guān)系

20年油松優(yōu)勢木樹高與生長量、生長率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 油松直徑、材積生長量和生長率與立地質(zhì)量的關(guān)系

對圖4進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，直徑生長量和生長率均隨立地質(zhì)量的增加呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，而材積生長量呈現(xiàn)增加趨勢，材積生長率呈現(xiàn)顯著下降趨勢。這說明立地質(zhì)量不僅影響油松單木的生長量，同時對生長率也有重要影響。

3 討論與結(jié)論

前人的研究結(jié)果表明，林齡、立地條件、氣候條件等均會對森林生長量產(chǎn)生影響[14-15]。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，油松單木的直徑生長量和材積生長量均受到林齡和立地條件的影響。其中，直徑生長量隨林齡的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，其原因是在當(dāng)?shù)赜退闪铸g30年左右時進(jìn)行了撫育采伐，油松單木的生長速度加快。材積生長量隨林齡的增加呈喇叭形上升趨勢，且隨立地質(zhì)量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，均說明生長量受到立地質(zhì)量的影響，立地質(zhì)量越好生長量越大。

與立地條件對樹木生長量的影響不同，立地條件對樹木生長率的影響還存在爭議。一部分研究認(rèn)為生長率是一個相對值，其主要受到林齡或胸徑的影響，而與立地條件的關(guān)系不大，所以在建立生長率模型時并沒有考慮立地條件的影響[6,16-17]；然而也有研究認(rèn)為生長率同樣受到立地條件的影響，在建立生長率模型或指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐時應(yīng)該考慮[7]。本研究以冀北山地油松林為例，首先探討了不同立地條件下林齡對油松單木生長量和生長率的影響，生長量隨林齡增加呈現(xiàn)喇叭形分布，林齡越大不同立地條件的生長量越分散，說明立地條件對生長量有影響；而生長率隨林齡增加呈現(xiàn)冪指數(shù)降低且逐漸收斂的趨勢，與之前馬煒等的研究結(jié)果類似[18]。從表象上來看，生長率主要受到林齡或胸徑的影響，不同立地條件的樣地間差別不大，這也是之前很多研究認(rèn)為立地質(zhì)量對生長率無影響的主要原因。然而，本研究通過進(jìn)一步分析不同立地條件下油松單木生長量和生長率隨林齡的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，油松單木生長量和生長率的變異系數(shù)基本無差別，特別是生長率變異系數(shù)并未隨林齡增加有顯著降低的趨勢，說明雖然生長率隨林齡增加逐漸趨于穩(wěn)定，但并不代表其在不同立地質(zhì)量下的變異變小。經(jīng)過逐一分析海拔、坡度、土層厚度、坡位與油松生長量和生長率的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，海拔是影響油松生長率最大的立地因子。魏安超和張大為在研究云南松單木材積生長率時也認(rèn)為海拔有重要影響[19]。本研究分析了該地區(qū)油松林立地質(zhì)量與生長率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)立地質(zhì)量確實(shí)對油松單木生長率有重要影響，隨著立地質(zhì)量增加油松單木胸徑、材積生長率呈顯著降低趨勢，其主要原因是立地質(zhì)量越好的林分其總材積和胸徑越大，當(dāng)年的生長量與總量的比值越低，即生長率越低，其規(guī)律與材積生長量隨立地質(zhì)量的變化正好相反。

本研究初步回答了油松單木生長量和生長率受到立地條件影響的問題，特別是材積生長率會受到海拔的重要影響，這表明在建立油松生長率模型時應(yīng)考慮立地條件的影響，而不僅是林齡或胸徑的影響，這對油松林經(jīng)營和生長預(yù)測具有重要意義。當(dāng)然，由于本研究樣地和優(yōu)勢木樹干解析數(shù)量較少，該結(jié)果的應(yīng)用存在局限性，未來需要加強(qiáng)對樣地數(shù)據(jù)的調(diào)查，對更多樣地進(jìn)行研究，以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。