密度調(diào)控對杉木人工林及套種闊葉樹生長的影響

劉建中 曾素平 王書韌 臧毅明 郭利娜 王 輝 朱亞軍徐夏云 謝小艇 姜春前*

（1青陽縣林業(yè)局，安徽青陽 247100；2中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091；3中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實驗中心，江西新余 336600）

杉木[Cunninghamia lanceolate（Lamb.）Hook.]是我國亞熱帶地區(qū)種植范圍廣泛的速生用材樹種，位居人工林面積首位，種植面積達1.24×107hm2，約占全國造林總面積的25%[1-3]，杉木木材總產(chǎn)量約占全國市場商品材的20%[4]。自1970 年以來，杉木人工純林面積不斷擴大，當(dāng)前杉木人工林普遍進入第2～3 代經(jīng)營階段，長期的短周期集約化經(jīng)營造成了杉木林地營養(yǎng)嚴(yán)重缺乏，導(dǎo)致林地生產(chǎn)力下降，林分生長緩慢，從而限制了林業(yè)產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展[5-6]。因此，亟需探索有效的營林措施提升杉木人工林質(zhì)量，維持其群落穩(wěn)定和生態(tài)平衡。

森林經(jīng)營最常見的方式是調(diào)控林分密度，主要通過調(diào)節(jié)林分內(nèi)水分和光熱資源分配規(guī)律，直接影響林下植被群落的組成、生態(tài)功能以及林地生產(chǎn)力等[7-9]。對人工林來說，林分密度不僅影響林分自生的生長發(fā)育、冠層結(jié)構(gòu)和林內(nèi)環(huán)境，而且對林下植被的生長分布和群落組成等均有著顯著影響[10]。當(dāng)前，撫育間伐是林分密度調(diào)控的主要方式，間伐有利于快速改善林分空間結(jié)構(gòu)[11]。間伐后林下套種是將多年生林木與其他栽培植物組合在同一空間內(nèi)進行經(jīng)營管理的模式，有助于充分利用林地資源，增強人工林群落穩(wěn)定性[12]。實踐證明，對人工純林進行撫育間伐后套種闊葉樹種，形成針闊混交林，是人工干預(yù)森林生長的有效措施[13-14]。相關(guān)學(xué)者關(guān)于人工林密度調(diào)控的研究主要集中在探究不同間伐強度和時間下人工林生長發(fā)育的變化規(guī)律[15-16]、林分生產(chǎn)力[17]、林下植被生長狀況[18]、土壤理化性質(zhì)和微生物特征[19]等方面?，F(xiàn)有研究普遍認(rèn)為，間伐有利于促進林分及林下植被生長，且基本隨間伐強度增大效果越顯著[20-23]。比如，王立超等[20]通過對白蠟（Fraxinus chinensis）、旱柳（Salix matsudanaKoidz）、白榆（Ulmus pumilaL.）3 種人工林不同林分密度生長情況分析發(fā)現(xiàn)，降低林分密度能促進各林分的生長，其中白榆人工林在密度調(diào)控后效果最佳，顯著優(yōu)于調(diào)控前。商添雄等[24]研究指出，間伐可促進華北落葉松（Larix principis-rupprechtiiMayr）人工林單株林木胸徑和冠幅生長，增大林木單株冠徑比與生產(chǎn)力。楊育林等[25]通過對川中丘陵區(qū)柏木（Cupressus funebrisEndl.）人工林撫育間伐發(fā)現(xiàn)，間伐可改變林內(nèi)光熱環(huán)境，繼而促進林下植物的生長更新，其中以高強度間伐作用最為顯著。魏阿榮[26]通過分析不同間伐強度對杉木人工林下套種楠木（Phoebe zhennanS. K. Lee & F. N.Wei）的生長發(fā)現(xiàn)，高強度間伐后楠木生長最佳，此時楠木的地徑、樹高均顯著高于其他間伐處理。林木及林下植被生長變化與間伐后林分密度具有較大相關(guān)性，探究不同密度調(diào)控處理后一定時期內(nèi)喬木林及林下套種植物生長發(fā)育動態(tài)變化趨勢，有利于深入了解營林措施對人工林植被生長和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，對人工林的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生產(chǎn)起著關(guān)鍵的作用。

為此，本研究以安徽省青陽縣窯西林場內(nèi)杉木人工林為研究對象，通過觀測疏伐4 年內(nèi)不同密度林分內(nèi)杉木及套種闊葉樹地徑/胸徑和樹高數(shù)據(jù)，探究林木在同一時期不同密度林分內(nèi)或同一密度林分內(nèi)不同時期的動態(tài)生長趨勢及顯著性差異，揭示林分密度調(diào)控對杉木人工林及林下套種闊葉樹生長發(fā)育的影響，以期篩選適合當(dāng)?shù)厣寄救斯ち值淖罴巡煞姸?，旨在改善杉木純林地力衰退的現(xiàn)狀，為今后調(diào)控人工林林分結(jié)構(gòu)、提高生態(tài)功能以及科學(xué)經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省青陽縣窯西林場（117°40'～118°05'E，30°19'～30°50'N），屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫16.1 ℃，年平均降雨量1 500 mm，年平均日照時數(shù)2 066 h，無霜期218 d；地形以山地丘陵為主，海拔高度介于50～1 000 m。成土母質(zhì)為頁巖，林地土壤類型為黃紅壤，土層深厚肥沃。區(qū)域內(nèi)植物種類分布多樣，包括常綠針葉林、針闊混交林、常綠-落葉闊葉混交林、竹林、落葉灌叢等多種植被類型，喬木樹種主要為杉木、馬尾松（Pinus massonianaLamb.）、青岡（Quercus glaucaThunb.）等[27]。

1.2 試驗方法

2018年3月，選擇海拔、坡度和坡向等生境條件和林分初始密度基本一致的14年生杉木人工林，按照隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4種林分密度，分別為低密度（675 株/hm2，KL）、中密度（825 株/hm2，KM）、高密度（1 050 株/hm2，KH）和對照（1 740 株/hm2，CK），樣地面積均為20 m×20 m，其中實驗組樣地均為3 個，對照樣地為6 個，共15 個樣地。密度調(diào)控前調(diào)查樣地內(nèi)林木胸徑、樹高、冠幅、林分結(jié)構(gòu)、林下更新狀況以及海拔、坡度、坡向等立地因子等，樣地設(shè)置情況見表1。

表1 樣地設(shè)置及林分概況

密度調(diào)控時，遵循砍小留大、砍劣留優(yōu)且兼顧保留木均勻分布的原則對林分進行間伐作業(yè)。間伐后調(diào)查并記錄喬木株數(shù)、胸徑、樹高等因子；適當(dāng)清理砍伐剩余物，隨機均勻套種樹高、地徑基本一致、生長健壯的1 年生浙江楠（Phoebe chekiangensis）和檫木（Sassafras tzumu）苗，密度均為225 株/hm2。2 種樹種在每個樣地是隨機排列，盡量保證每個樣地內(nèi)各樹種數(shù)量基本一致。以2018 年間伐后的每木調(diào)查數(shù)據(jù)分別測算林分處理后的林分初始生長情況，之后樣地每隔2 年調(diào)查1 次，即分別于2020、2022 年對各個樣地的杉木進行每木檢尺，套種闊葉樹則需測量地徑和樹高。調(diào)查時，單株胸徑用圍尺測量（精度0.1 cm），樹高與枝下高使用激光測高儀測量，利用皮尺測量東西、南北冠幅。

1.3 生長指標(biāo)計算

本研究通過4 年的連續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)測算間伐套種闊葉樹后杉木人工林林分樹高、胸徑、冠幅和立木材積等指標(biāo)，以及套種闊葉樹的樹高、胸徑等生長指標(biāo)，單株材積計算公式如下：

V= 0.000 058 774 02 ×D1.9699831× H0.89646157

式中：D為單株胸徑；H為單株樹高；V為單株材積。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010 和SPSS 23.0 軟件進行統(tǒng)計與分析，對主要生長參數(shù)進行單因素方差分析和Fisher LSD 檢驗。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分密度杉木人工林生長發(fā)育情況

如表1 所示，密度調(diào)控后同一時期，杉木林胸徑、樹高、單株材積均表現(xiàn)出隨林分密度減小而增大的趨勢，其中低密度林分生長最佳，CK 和高密度林分胸徑、樹高、材積與其他密度林分之間均存在顯著差異（除間伐后0 年，P＜0.05）。密度調(diào)控后0 年時，不同密度杉木林平均胸徑表現(xiàn)為低密度＞中密度＞高密度＞CK，低密度林分平均胸徑顯著大于其他密度，其杉木林胸徑為CK的1.31倍；平均樹高和單株材積在密度調(diào)控后均顯著大于CK（P＜0.05），低密度林分平均樹高和單株材積分別為CK 的1.20、1.89 倍。密度調(diào)控后2、4 年，杉木胸徑、樹高和單株材積也表現(xiàn)為低密度＞中密度＞高密度＞CK，且密度調(diào)控前后存在顯著差異，高密度林分顯著小于低密度和中密度林分（P＜0.05）。密度調(diào)控2 年后，低密度林分的胸徑、單株材積分別為CK 的1.12、1.27 倍；密度調(diào)控4 年后，低密度林分與CK 之間的生長差異與密度調(diào)控2 年后基本一致。

杉木林密度調(diào)控后連續(xù)調(diào)查觀測發(fā)現(xiàn)（表2），相同密度杉木林胸徑、樹高、單株材積變化趨勢一致，均表現(xiàn)為隨林齡的增大而增大。低密度杉木林胸徑、單株材積僅在密度調(diào)控后4 年顯著大于0 年，而平均樹高在密度調(diào)控后2～4年與0年相比均顯著增大。密度調(diào)控后2～4 年，中密度和高密度林分胸徑、樹高、單株材積均顯著大于間伐0 年時林分；密度調(diào)控4 年后，高密度林分單株材積為0 年時的1.23 倍；中密度杉木林單株材積在密度調(diào)控后不同時間之間存在顯著性差異，間伐后4 年是0 年的1.62倍（P＜0.05）。

表2 不同密度和間伐時間后杉木林生長情況

2.2 不同林分密度杉木人工林生長量的變化趨勢

由圖1 可知，適度的撫育間伐促進杉木胸徑、樹高和單株材積生長量的增加，但其增量存在差異。間伐后2～4 年，杉木胸徑生長量隨間伐強度增加均呈現(xiàn)先明顯上升后下降的趨勢，杉木胸徑生長量均表現(xiàn)為中度間伐后顯著高于其他間伐處理下的胸徑增量。密度調(diào)控2 年和4 年后，杉木林胸徑生長量基本大于CK；2 年和4 年時中密度林分胸徑生長量分別為CK 的2.71、2.54 倍。杉木樹高（圖1b）和單株材積（圖1c）生長量的變化趨勢與胸徑生長量的變化趨勢一致，均表現(xiàn)為隨林分密度的減小先增加后減少，中密度杉木林樹高和單株材積生長量最大，隨時間的推移杉木樹高和單株材積生長量下降。

圖1 間伐后杉木胸徑、樹高和單株材積生長量

2.3 不同林分密度杉木林下套種闊葉樹種生長發(fā)育規(guī)律

由圖2 可知，林下套種闊葉樹地徑和樹高均隨林分密度減小呈增大趨勢。低密度杉木林下闊葉樹平均地徑顯著大于其他密度林分（P＜0.05），分別為CK、高密度和中密度林分的1.35、1.25和1.22倍。林下套種闊葉樹平均樹高在密度調(diào)控后均顯著大于CK，其中低密度林下闊葉樹平均樹高為CK 的1.26倍。

圖2 不同林分密度杉木林下套種闊葉樹生長發(fā)育情況

3 討論與結(jié)論

3.1 林分密度對杉木林生長發(fā)育的影響

撫育間伐是人工林經(jīng)營和培育中調(diào)控林分組成和密度的一種有效管理措施，能緩解單木競爭、促進林木生長、縮短輪伐期，在杉木人工林經(jīng)營中已被廣泛應(yīng)用[28-29]?，F(xiàn)有研究通過對杉木、紅松（Pinus koraiensisSiebold & Zucc.）等人工純林進行間伐處理后，林木的胸徑、樹高以及單株材積等指標(biāo)均隨間伐強度的增強而增大[21，30-31]。本研究發(fā)現(xiàn)，對杉木人工林進行密度調(diào)控（間伐）后，杉木胸徑、樹高和單株材積均隨林分密度減小呈增大趨勢，且密度調(diào)控后林分均顯著大于未調(diào)控林分，表明間伐促進杉木生長，尤其是低密度杉木林生長最佳。鄭鳴鳴等[32]研究發(fā)現(xiàn)，間伐能夠促進杉木林分胸徑和材積的生長，在強度間伐下最為顯著，但間伐對樹高則無顯著影響與本研究結(jié)果不同，主要是因為林分的立地指數(shù)存在差異。王立超等[20]通過對相同立地條件下，不同林分密度白蠟、旱柳、白榆人工林生長情況分析發(fā)現(xiàn)，降低林分密度促進了各林分的平均胸徑、樹高、冠幅的生長，其中白榆人工林在密度調(diào)控后顯著大于調(diào)控前，這與本研究結(jié)果一致。周鈺淮等[21]研究發(fā)現(xiàn)，柳杉人工林的生長和生產(chǎn)力隨間伐強度增大而增大，而這些作用隨時間的推移而下降，這與本研究發(fā)現(xiàn)的胸徑、樹高和單株材積在密度調(diào)控后2～4年顯著大于0 年，而2 年和4 年之間無顯著差異一致，說明密度調(diào)控在短期內(nèi)會顯著促進林分生長，隨時間延長作用則減弱。本研究發(fā)現(xiàn)間伐后杉木胸徑、樹高和單株材積生長量隨林分密度減小先增大后減小，中密度林分生長量最大。魏阿榮[26]研究發(fā)現(xiàn)，隨著撫育間伐強度的增加，杉木胸徑、樹高和單株材積等生長指標(biāo)的生長量呈增大趨勢，這與本研究結(jié)果不同，可能與林分密度、林間的光照或養(yǎng)分供應(yīng)存在差異有關(guān)。周鈺淮等[21]研究發(fā)現(xiàn)，柳杉人工林在間伐后前3 年和后3 年，胸徑和單株材積年生長量均表現(xiàn)為隨間伐強度增大呈增大趨勢，且各處理間基本存在顯著差異，這與本研究結(jié)果不同，主要因為物種及間伐強度存在一定差異。汪建新[22]研究認(rèn)為，不同強度撫育間伐處理下的杉木林分胸徑、樹高和林分蓄積生長量均大于未撫育林分，這與本研究發(fā)現(xiàn)的密度調(diào)控后杉木胸徑、樹高、單株材積生長量基本大于未調(diào)控林分一致，說明林分可通過撫育間伐改善其生長和營養(yǎng)空間，促進林分生長。

3.2 林分密度對杉木林下套種闊葉樹生長的影響

研究認(rèn)為，杉木純林經(jīng)營中適度降低林分密度有利于林下植被生長、維持林地土壤肥力，實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營[33]。楠木和檫木等闊葉樹適宜混交種植，可在陰濕環(huán)境中正常生長[26]，杉木人工林下套種闊葉樹有利于維持林分穩(wěn)定、改善土壤養(yǎng)分、促進林分健康生長[34]。謝家儀[23]通過在杉木林分內(nèi)套種木荷（Schima superbaGardner & Champ.）發(fā)現(xiàn)，隨林分間伐強度的增加，林內(nèi)套種木荷的胸徑、樹高、冠幅呈上升趨勢，這與本研究發(fā)現(xiàn)的杉木林內(nèi)套種闊葉樹地徑和樹高均隨林分密度減小呈增大趨勢結(jié)果一致；魏阿榮[26]研究發(fā)現(xiàn)，不同間伐強度對杉木人工林下套種楠木的地徑、樹高和保存率相關(guān)生長指標(biāo)均具有顯著的影響，高強度間伐處理后楠木的地徑、樹高顯著高于其他處理，這與本研究發(fā)現(xiàn)的低密度杉木林下套種闊葉樹的地徑、樹高最大或顯著大于其他密度林分一致，說明間伐強度越大或林分密度越低，越有利于林下套種植物的生長，這是因為間伐等密度調(diào)控措施增大林分間隙，改變了林內(nèi)光熱環(huán)境，可在一定程度上增加植物所需的光照、水分和養(yǎng)分，促進林下植物的生長更新，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)強度間伐影響效果更為明顯[25]。朱宏光等[35]通過在不同間伐強度馬尾松林下套種米老排（Mytilaria laosensisLec.）、紅錐（Castanopsis hystrixHook. f.）和潤楠[Machilus nanmu（Oliver）Hemsley]發(fā)現(xiàn)，中度間伐（40%）可以促進林下套種樹種的生長，這與本研究結(jié)果不同，主要是因為不同闊葉樹種的生存會受多變的環(huán)境條件和樹種本身特性差異的影響。