兩種楊樹矮林地上生物量及樹皮比例早期測算1)

戴麗莉 賈黎明 高媛 戴騰飛

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083) (省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))) (北京林業(yè)大學(xué))

責(zé)任編輯:王廣建。

短輪伐期矮林的概念起源于20 世紀(jì)60年代，即高密度種植速生樹種，集約經(jīng)營，輪伐周期短于15年的栽植模式［1－2］。楊樹因?yàn)樗偕⑦m生性強(qiáng)、萌蘗能力強(qiáng)以及廣泛的種間雜交親和性，是短輪伐期矮林林分中最常使用的樹種之一［3－6］。楊樹應(yīng)用范圍廣，可作為木材、紙漿以及可再生能源原料［7］。楊木既可作為直接燃料，又可作為生產(chǎn)顆粒燃料的原料，同時(shí)，也可作為生產(chǎn)第二代先進(jìn)生物燃料(纖維素乙醇)的原料。短輪伐期矮林地上生物量的估算對指導(dǎo)培育技術(shù)優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)原料林產(chǎn)量最大化具有重要作用［8］。運(yùn)用模型M=aDb(其中M 為單枝干質(zhì)量，D 為莖干直徑，a 和b 為縮放系數(shù))估算矮林林分地上部分的生物量［9］。R.Ceulemans 等［10］首次在試驗(yàn)中采用莖干離地22 cm 高的直徑(D22)為變量，估算楊樹短輪伐期矮林林分地上生物量;J.Pontailler 等［11］用莖干不同高度的直徑估算林分地上生物量，結(jié)果表明:用D22作為變量，估算矮林林分地上生物量精度較高;N.A.Afas 等［12］、I.Laureysens 等［13－17］也認(rèn)為用D22作為變量估算楊樹短輪伐期矮林林分地上生物量比較適宜。由于樹皮中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于去皮莖干［18］，且其水分和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高［19－21］，因此，無論作為纖維素乙醇生產(chǎn)原料還是顆粒燃料生產(chǎn)的原料，樹皮比例均在很大程度上反映收獲物的質(zhì)量。樹皮比例是指樹皮干(鮮)質(zhì)量在莖干總干(鮮)質(zhì)量中所占的比例［22－23］。直徑分布是短輪伐期矮林的重要特征之一，在收獲之前通過建立莖干直徑與地上生物量及樹皮(或去皮莖干)比例的簡單回歸方程，既能估算林分地上生物量，又可以預(yù)測收獲物的質(zhì)量［24］。

通過建立D22與林分地上生物量和樹皮比例的關(guān)系，驗(yàn)證林分地上生物量和收獲物質(zhì)量估算方法的可行性，并對三倍體毛白楊B301 和歐美楊107 在3 種栽植密度下林分地上生物量及收獲物質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測，為合理經(jīng)營楊樹短輪伐期矮林提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山東省高唐縣梁村鎮(zhèn)(36°58'N，116°14'E)，平均海拔27 m，地勢平坦。該地區(qū)為暖溫帶半干旱季風(fēng)區(qū)域大陸性氣候，大陸度為65.7%，具有顯著的季節(jié)變化和季風(fēng)氣候特性，光照充足，熱量豐富，降水量較少，春旱多風(fēng)，夏熱多雨，秋爽易旱，冬寒少雪。平均降水量544.7 mm，降水主要集中在7—8月份，年均蒸發(fā)量1 880 mm，年均氣溫13.2℃，極端最高氣溫41.2 ℃，極端最低氣溫－20.8 ℃，全年日照總時(shí)間為2 651.9 h，無霜期204 d。試驗(yàn)地土壤為潮土，其物理化學(xué)性質(zhì)見參考文獻(xiàn)［25］、［26］。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013年春季造林，造林樹種為三倍體毛白楊B301(triploid Populus tomentosa B301)和歐美楊107(Populus×euramericana cv.‘74/76’)，分別以3 種栽植密度(5 000、10 000、20 000 株/hm2)種植，株行距分別為1.0 m×2.0 m、1.0 m×1.0 m 和1.0 m×0.5 m，重復(fù)3 次，每個(gè)小區(qū)的面積為300 m2(10 m×30 m)。造林前，土壤施有機(jī)肥，深翻20 cm。三倍體毛白楊B301 采用1年生根萌苗，穴植造林;歐美楊107 采用長約15 cm 的插穗扦插造林(覆地膜)。1年生長兩種楊樹不同栽植密度的D22平均值見表1。

表1 1年生楊樹林分不同栽植密度的D22平均值

2.2 莖干各徑階樹皮比例測算

12月中旬在平茬前進(jìn)行取樣。各小區(qū)分別從中間行取不同株5～6 個(gè)枝。從各樣枝的下部、中部和上部分別取5 cm 長的小段。用游標(biāo)卡尺以木段1/2 處的直徑為依據(jù)，將木段分級。對于橢圓形木段，測垂直兩個(gè)方向的直徑，以平均值代替木段的直徑。按10 mm 一級分組，三倍體毛白楊B301 分為:＞0～10、＞10～20、＞20～30 mm;歐美楊107 分為:＞0～10、＞10～20、＞20～30、＞30～40 mm。將各徑階樣品混合，并稱鮮質(zhì)量，再將各木段剝皮，測得樹皮鮮質(zhì)量及去皮莖干鮮質(zhì)量，在75 ℃下烘干至恒質(zhì)量，分別測其干質(zhì)量。計(jì)算得出各徑階的干(鮮)質(zhì)量的樹皮比例及含水率。

2.3 建立D22與單枝地上生物量和樹皮比例的關(guān)系

各小區(qū)從中間行取15～16 個(gè)枝，分別測得每枝的D22。隨后從底部到頂部，依次測定每枝干部和小枝的直徑，按徑階分割，將屬于同一徑階的混合，稱質(zhì)量。根據(jù)以上步驟得到的各徑階的含水率及干(鮮)質(zhì)量樹皮比例，計(jì)算各徑階的干質(zhì)量及整枝的樹皮干(鮮)質(zhì)量，分別建立不同栽植密度的D22與單枝地上生物量、干(鮮)質(zhì)量樹皮比例的關(guān)系。

2.4 各栽植密度單枝生物量、林分地上生物量、林分樹皮地上生物量估算

根據(jù)實(shí)測的各栽植密度中間行每枝的D22(栽植密度分別為5 000、10 000 和20 000 株/hm2，樣本量分別為90、240 和480)，建立的D22與單枝地上生物量和干(鮮)質(zhì)量樹皮比例的關(guān)系，分別估算各栽植密度單枝生物量、林分地上生物量、林分樹皮地上生物量。

2.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 20 軟件進(jìn)行處理和分析。各指標(biāo)之間的差異顯著性采用多重極差檢驗(yàn)法在0.05 水平和0.01 水平上進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 莖干各徑階干(鮮)質(zhì)量樹皮比例

由表2可知，兩種楊樹干(鮮)質(zhì)量樹皮比例均隨著直徑的增大而減小。歐美楊107:＞0～10 mm 徑階的干(鮮)質(zhì)量樹皮比例顯著高于其它徑階;＞10～20 mm 徑階的干質(zhì)量樹皮比例顯著高于＞20～30、＞30～40 mm 徑階;＞0～10 mm 徑階鮮質(zhì)量樹皮比例(47.02%)比＞10～20 mm 徑階鮮質(zhì)量樹皮比例(34.20%)高37.48%;＞0～10 mm 徑階干質(zhì)量樹皮比例(49.18%)比＞10～20 mm 徑階(33.96%)高44.82%，＞10～20 mm 徑階干質(zhì)量樹皮比例比＞20～30 mm 徑階(25.86%)高出31.32%。三倍體毛白楊B301:＞0～10 mm 徑階(34.21%)和＞10～20 mm 徑階(32.37%)鮮質(zhì)量樹皮比例顯著高于＞20～30 mm徑階(27.86%);各徑階間干質(zhì)量樹皮比例的差異均達(dá)到極顯著水平，＞0～10 mm 徑階干質(zhì)量樹皮比例(34.68%)比＞10～20 mm 徑階(30.26%)高出14.61%，＞10～20 mm 徑階干質(zhì)量樹皮比例比＞20～30 mm 徑階(26.55%)高出13.97%。歐美楊107 各徑階之間干(鮮)質(zhì)量樹皮比例的變化幅度大于三倍體毛白楊B301。

表2 兩種楊樹各徑階干(鮮)質(zhì)量樹皮比例

除＞0～10 mm 徑階，兩種楊樹各徑階干質(zhì)量樹皮比例均小于鮮質(zhì)量樹皮比例，這主要是因?yàn)闃淦さ暮蚀笥谀举|(zhì)的含水率，但只有歐美楊107 的＞30～40 mm 徑階干鮮質(zhì)量樹皮比例之間差異極顯著，鮮質(zhì)量樹皮比例(26.61%)比干質(zhì)量樹皮比例(23.25%)高14.45%。兩種楊樹之間，除＞20～30 mm 徑階的干質(zhì)量樹皮比例，歐美楊107 的干(鮮)質(zhì)量樹皮比例均大于三倍體毛白楊B301，但只有＞0～10 mm 徑階的干(鮮)質(zhì)量樹皮比例差異顯著;歐美楊107 的＞0～10 mm 徑階干質(zhì)量樹皮比例比三倍體毛白楊B301 高出41.81%，鮮質(zhì)量樹皮比例高出37.45%。此外，兩種楊樹各徑階干(鮮)質(zhì)量樹皮比例的標(biāo)準(zhǔn)誤有隨著直徑的增大而減小的趨勢，這是因?yàn)橹睆叫〉哪静哪举|(zhì)不夠均勻。

3.2 D22與單枝地上生物量之間的關(guān)系

根據(jù)各栽植密度每樣枝各徑階的鮮質(zhì)量及含水率，計(jì)算出各徑階的干質(zhì)量和，即單枝地上生物量。根據(jù)各品種的栽植密度，分別建立D22與單枝地上生物量之間的關(guān)系式(見圖1、圖2)。

圖1 歐美楊107 各栽植密度的D22與單枝地上生物量的關(guān)系

圖2 三倍體毛白楊B301 各栽植密度的D22與單枝地上生物量的關(guān)系

這個(gè)模型取決于大量樣本［27］，試驗(yàn)中每種楊樹 各栽植密度的樣枝約50 個(gè)(各小區(qū)隨機(jī)取樣，取樣數(shù)不等，總樣品數(shù)約為50 個(gè))。由見圖1、圖2可知，單枝地上生物量隨著直徑的增加而增加，R2均達(dá)到0.9 以上，異速生長模型能準(zhǔn)確描述小枝和樹干地上生物量的積累［28］。

3.3 各栽植密度單枝和林分地上生物量的比較

將兩種楊樹各栽植密度的單枝地上生物量數(shù)據(jù)混合，分別建立D22與單枝地上生物量之間的通用模型(見圖3)。將實(shí)測的各栽植密度中間行植株的D22代入關(guān)系式，得到平均單株地上生物量，進(jìn)而估算出林分地上生物量。由表1可知，三倍體毛白楊B301 各栽植密度間D22差異不顯著(均值為18.44 mm)，但顯著大于歐美楊107 栽植密度為20 000株/hm2的D22(16.55 mm)。

圖3 三倍體毛白楊B301 和歐美楊107 的D22與單枝地上生物量之間的關(guān)系

由表3可知，兩種楊樹單株地上生物量均隨著栽植密度的增加而減小。歐美楊107 栽植密度為5 000 株/hm2的單株地上生物量(199.79 g)顯著大于20 000 株/hm2(154.42 g)，高出8.61%;三倍體毛白楊B301 各栽植密度間單株地上生物量的差異均不顯著，均值為161.91 g，三倍體毛白楊B301 除栽植密度為20 000 株/hm2的單株地上生物量(158.16 g)略大于歐美楊107 外，其單株地上生物量均顯著小于歐美楊107 栽植密度為5 000 株/hm2的值。三倍體毛白楊B301 為植苗造林，每株只有一干，而歐美楊107 為扦插造林，每株一干和兩干的值各占約一半，少有每株三干甚至四干(數(shù)據(jù)未顯示)，所以即使三倍體毛白楊B301 比歐美楊107 單枝長得粗壯，而單株地上生物量卻沒有優(yōu)勢。

兩種楊樹林分地上生物量均隨著栽植密度的增加而增加，且各栽植密度間的差異達(dá)到了極顯著水平。歐美楊107 栽植密度為20 000 株/hm2時(shí)，林分地上生物量為3.09 t/hm2，比栽植密度為5 000 株/hm2的林分地上生物量(1.00 t/hm2)高出209%，比栽植密度為10 000 株/hm2的林分地上生物量(1.84 t/hm2)高出68%;三倍體毛白楊B301 的栽植密度為20 000 株/hm2時(shí)，林分地上生物量最大(3.16 t/hm2)，比栽植密度為5 000 株/hm2的林分地上生物量(0.83 t/hm2)高出281%，比栽植密度為10 000株/hm2的林分地上生物量(1.62 t/hm2)高出95%，但都遠(yuǎn)低于國際平均水平的10 t/hm2。歐美楊107的林分地上生物量除栽植密度為20 000 株/hm2的值略小于三倍體毛白楊B301 外，其它兩種栽植密度下，均大于三倍體毛白楊B301，但差異均不顯著。鑒于歐美楊107 為扦插造林，而三倍體毛白楊B301為植苗造林，故而歐美楊107 的生長優(yōu)勢明顯較大。

表3 三倍體毛白楊B301 和歐美楊107 各栽植密度單枝和林分地上生物量(標(biāo)準(zhǔn)誤)

3.4 D22與干(鮮)質(zhì)量樹皮比例的關(guān)系、各栽植密度單枝和林分樹皮地上生物量比較

根據(jù)各栽植密度每樣枝各徑階干(鮮)質(zhì)量及各徑階干(鮮)質(zhì)量樹皮比例，計(jì)算出每樣枝各徑階樹皮干(鮮)質(zhì)量和，進(jìn)而得出各樣枝的干(鮮)質(zhì)量樹皮比例，分栽植密度建立D22與干(鮮)質(zhì)量樹皮比例的關(guān)系，再將兩種楊樹各栽植密度的干(鮮)質(zhì)量樹皮比例數(shù)據(jù)分別混合，建立D22與干(鮮)質(zhì)量樹皮比例之間的通用模型(見圖4～7)。歐美楊107和三倍體毛白楊B301 的干(鮮)質(zhì)量樹皮比例均隨著D22的增加而減小，這主要是因?yàn)檩^粗的枝有更多的木材，而樹皮較少。將實(shí)測的各栽植密度中間行植株的D22代入兩種楊樹D22與干質(zhì)量樹皮比例關(guān)系式，得到平均單株樹皮地上生物量，進(jìn)而估算出林分樹皮地上生物量(見表4)。

圖4 三倍體毛白楊B301 各栽植密度D22與鮮質(zhì)量樹皮比例的關(guān)系

圖5 三倍體毛白楊B301 各栽植密度D22與干質(zhì)量樹皮比例的關(guān)系

表4 三倍體毛白楊B301 和歐美楊107 各栽植密度單枝和林分樹皮地上生物量

2 種楊樹單株樹皮地上生物量均隨著栽植密度的增大而減小，與單株地上生物量類似。歐美楊107 在20 000 株/hm2的栽植密度下單株樹皮地上生物量(53.36 g)極顯著小于5 000 株/hm2(67.75 g)，而三倍體毛白楊B301 各栽植密度下的單株樹皮地上生物量均小于歐美楊107 各栽植密度下的最小單株樹皮地上生物量，且各栽植密度間的值沒有顯著差異，均值僅為49.96 g。同樣，2 種楊樹的林分樹皮地上生物量均隨著栽植密度的增加而增加，且各栽植密度間差異極顯著。當(dāng)栽植密度為20 000株/hm2時(shí)，歐美楊107 林分樹皮地上生物量分別是栽植密度為10 000、5 000 株/hm2的72.58%和276.92%;當(dāng)栽植密度為20 000 株/hm2時(shí)，三倍體毛白楊B301 的林分樹皮地上生物量分別是栽植密度為10 000、5 000 株/hm2的96%、214.71%。

歐美楊107 各栽植密度下的單株和林分樹皮地上生物量均大于三倍體毛白楊B301，但只有在5 000 株/hm2的栽植密度下，差異達(dá)到了極顯著水平，歐美楊107 較三倍體毛白楊B301 單株樹皮地上生物量超出32.84%，林分樹皮地上生物量超出30.77%。

圖6 歐美楊107 各栽植密度D22與鮮質(zhì)量樹皮比例的關(guān)系

圖7 歐美楊107 各栽植密度D22與干質(zhì)量樹皮比例的關(guān)系

4 結(jié)論與討論

本研究建立了一種在收獲之前估計(jì)短輪伐期矮林地上生物量質(zhì)量的簡單而實(shí)用的方法。實(shí)測林分中植株離地22 cm 高處直徑，便可估算地上生物量，亦可預(yù)測跟樹皮相關(guān)的產(chǎn)量。

研究結(jié)果表明，歐美楊107 的D22在40 mm 以內(nèi)，三倍體毛白楊B301 在30 mm 內(nèi)，各徑階樹皮干(鮮)質(zhì)量比例均隨著直徑的增大而減小，且各徑階之間樹皮干(鮮)質(zhì)量比例大都差異顯著，這一結(jié)果與其他研究一致。W.Guidi 等［24］將直徑分為9 組，9 個(gè)徑階樹皮干(鮮)質(zhì)量比例均隨著直徑的增大而減小，干(鮮)質(zhì)量樹皮比例的顯著差異出現(xiàn)在直徑較小的組間，隨著直徑的增加各組之間的差異減小。本研究的缺陷在于因?yàn)槭?年生楊樹林，徑階有限，下步將拓展研究。

歐美楊107 和三倍體毛白楊B301 整枝的干(鮮)質(zhì)量樹皮比例均隨著D22的增加而減小，這是因?yàn)闃淠靖鞑糠植⒉皇菂f(xié)同生長的，木質(zhì)部細(xì)胞的積累速度大于韌皮部細(xì)胞［23］。P.Tharakan 等［20］在楊樹短輪伐期矮林林分中發(fā)現(xiàn)，直徑小的植株，樹皮比例高。同樣，C.Morhart 等［29］在德國的3年生楊樹林分中發(fā)現(xiàn)樹皮比例隨著直徑的增加而減小。另外，W.Guidi 等［24］對2年生楊樹短輪伐期矮林進(jìn)行研究，建立了胸徑與樹皮比例的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)樹皮比例隨著胸徑的增加快速減小，當(dāng)胸徑達(dá)到4 cm 時(shí)，樹皮比例的下降速度減緩，最后穩(wěn)定在一個(gè)值。A.Adler 等［30］對瑞典的5年生柳樹林分中建立D55和干質(zhì)量樹皮比例的回歸方程，當(dāng)D55小于20 mm，樹皮比例快速減小;而當(dāng)其大于20 mm 后，樹皮比例便基本保持在20%。鑒于此項(xiàng)研究，應(yīng)通過控制栽植密度和選擇合適的輪伐周期等方式，在楊樹胸徑達(dá)到4 cm，柳樹D55為2 cm 時(shí)收獲，從而最優(yōu)化收獲物產(chǎn)量和質(zhì)量。本試驗(yàn)中楊樹短輪伐期矮林的高效生物質(zhì)積累規(guī)律尚待進(jìn)一步探索。

2 種楊樹單枝地上生物量隨著直徑的增加而增加，與其他類似研究的結(jié)論相同。N.Al Afas 等［12］對比利時(shí)17 個(gè)楊樹品種的短輪伐周期矮林生長對比試驗(yàn)中，建立的D22與單枝地上生物量的模型中a=0.18，b=2.40，R2=0.91，由于樹種、樹齡和立地條件(受放牧、霜害和病害影響)［28，31］的影響，當(dāng)估算不同樹種的地上生物量時(shí)，往往分樹種建立模型［32－33］;I.Laureysens 等［14］對比利時(shí)的17 個(gè)楊樹品種的同一林分進(jìn)一步研究，在第一個(gè)輪伐周期末，分品種建立了D22與單枝地上生物量的關(guān)系。雖然本研究中各栽植密度之間的模型有差異，但探究是否可以用統(tǒng)一模型代替也很有必要。本研究中分栽植密度計(jì)算的單枝和樹皮地上生物量與用各栽植密度數(shù)據(jù)混合模型計(jì)算的地上生物量，結(jié)果差異不顯著，所以可以用統(tǒng)一模型估算單枝和樹皮地上生物量。三倍體毛白楊B301 各栽植密度間單枝地上生物量均無顯著差異，而林分地上生物量差異極顯著，這是因?yàn)槠淞址譃橹裁缭炝郑? a 林分尚未郁閉，栽植密度對植株生長還未產(chǎn)生影響，而扦插造林的歐美楊107 因單株分枝，密度為20 000 株/hm2的林分已經(jīng)郁閉，密度間單枝地上生物量的差異便顯現(xiàn)出來。

三倍體毛白楊B301 各栽植密度間單枝樹皮干質(zhì)量差異均不顯著，而林分樹皮地上生物量差異達(dá)到了極顯著水平，這主要是各栽植密度間地上生物量的極顯著差異引起的。不同栽植密度之間樹皮比例差異的存在，預(yù)示著通過優(yōu)化經(jīng)營管理提高目標(biāo)產(chǎn)量的可能性。歐美楊107 在20 000 株/hm2的栽植密度下，單枝樹皮地上生物量顯著小于5 000 株/hm2，且其林分地上生物量相比于其它栽植密度還有優(yōu)勢。因此，就1年生歐美楊107 短輪伐期矮林，應(yīng)選擇20 000 株/hm2進(jìn)行種植。本試驗(yàn)結(jié)果可作為林分和樹皮地上生物量進(jìn)一步拓展研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但對于生產(chǎn)實(shí)踐、收獲年份更具有指導(dǎo)意義。雖然本研究結(jié)果顯示三倍體毛白楊B301 各栽植密度的單枝樹皮干質(zhì)量差異不顯著，這主要是因?yàn)榈谝荒旮髟灾裁芏葐沃Φ厣仙锪窟€沒有顯著差異，且林分第一個(gè)生長季通常不能代表其未來的表現(xiàn)。造林階段，多種跟土壤條件相關(guān)的因素(如溫度、含石率、濕度)影響極大，可以造成根系生長的顯著差異，進(jìn)而導(dǎo)致樹木生長量的不同，而隨著樹木不斷長大，這些因素的影響會(huì)越來越?。?2］，所以，這2 種楊樹的樹皮比例都有必要拓展研究。

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