沙地樟子松邊材寬度與胸徑關系研究

周鳳艷

(遼寧省固沙造林研究所，遼寧 阜新 123000)

沙地樟子松邊材寬度與胸徑關系研究

周鳳艷

(遼寧省固沙造林研究所，遼寧 阜新 123000)

對相同立地條件下的10、20、30、40年生樟子松人工固沙林進行胸徑、邊材厚度測定，分析不同年齡邊材厚度與胸徑相關關系及不同年齡邊材生長特征。結果表明：10年生時平均邊材寬度為6 cm；20～30年生平均邊材增幅?。?0～40年生時邊材增幅大。10年、20年生樟子松邊材厚度與胸徑關系模型符合拋物線模型，擬合方程分別為y=0.146 2x2-1.554 6x+6.401 7 (R2=0.975 3)、y=-0.057 6x2+1.456 1x-4.761 9(R2=0.669 7)；30年生樟子松東、南兩個方位邊材厚度與胸徑關系可用曲線擬合，東方位符合指數(shù)模型，方程為y= 0.980 1 e0.081 1x(R2=0.733 7)，南方位符合拋物線方程y=0.009x2-0.07x+1.940 4 (R2=0.518 7) 或指數(shù)方程y=1.082 7 e0.065 4x(R2=0.516 4)；40年生樟子松的東方位和北方位可用冪指數(shù)模型擬合，分別為y=0.196 5x1.077 2(R2=0.476 8)和y= 0.029 1x1.748 8(R2= 0.785 5)，南、西方位的相關關系可用指數(shù)模型擬合，表達式分別為y=0.673 e0.104 7x(R2=0.750 4)和y= 0.455 8 e0.123 84x(R2=0.934 6)。不同年齡邊材寬度顯著差異，可以反映其生長狀況、水分利用對策、物質(zhì)生產(chǎn)等方面的特征。

邊材厚度；樟子松；胸徑；沙地

邊材向心材的轉化過程是樹木生長中的一個重要的生理學過程，樹木葉量或葉面積與樹干的邊材面積呈正相關，邊材面積與葉面積之比也常常用于表征樹木的蒸騰耗水或固碳能力；心材和邊材材性上的差異也會影響木材的加工和利用，因此研究樹木邊材和心材生長發(fā)育規(guī)律，是探索樹木水分關系和碳代謝機理、構建樹木生長收獲模型、有效利用木材的基礎[1]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)原產(chǎn)內(nèi)蒙古紅花爾基地區(qū)，20世紀50年代成功引種到遼寧省阜新市章古臺沙地(科爾沁沙地的東南部)。與中國主要森林樹種相比，雖然樟子松的天然林面積和蓄積量較小，但樟子松具有較強的耐寒、耐旱、耐貧瘠土壤，較速生、樹干通直，材質(zhì)良好等特性，適合沙地生長，在中國北方，尤其是干旱、半干旱風沙地區(qū)，已經(jīng)成為營造防風固沙林、農(nóng)田草牧場防護林、水土保持林和用材林的主要樹種。自

20世紀90年代初以來，最早引種的樟子松人工固沙林出現(xiàn)了大面積的衰退死亡現(xiàn)象以來，很多學者從栽植密度[2]、群落穩(wěn)定性[3]、林木生長狀況[4,5]、水分脅迫[6]、水分虧缺[7]等角度分析了沙地樟子松死亡原因，但栽植密度大小、群落穩(wěn)定與否、林木生長狀況好壞，水分虧缺與否，歸根到底還是樹木本身的水分平衡問題。研究樹木的水分平衡比較復雜，從植物對水資源的利用情況看，凡影響光合、蒸騰和蒸發(fā)過程的環(huán)境因素均影響水分利用效率，主要有大氣、土壤和栽培等管理因素[8]，在地下水埋淺且處于生長季節(jié)的高密度的喬木林植物蒸騰作用強烈，蒸騰消耗的水分最多[9]。樹木的蒸騰耗水的測定目前最精確的測定方法為熱擴散式探針法(thermal dissipation probe method，即TDP法)，該方法從原理上克服了蒸騰量測定的系統(tǒng)誤差，但需要測定樹木的邊材面積，因此，邊材厚度的測定成了影響蒸騰測定的中心工作[10-12]。如何測定邊材厚度，由單木如何進一步推測整個林分的邊材面積也是一個亟待解決的問題。不少專家學者試圖通過邊材厚度與其他易測因子之間的定量關系，通過測定一些易測因子來推導邊材面積，從而測定整個林分的蒸騰耗水量。Hatton 等研究表明，邊材面積與蒸騰量之間、胸徑與蒸騰量之間均呈現(xiàn)明顯的線性關系[13]。我國在這方面的研究起步較晚，馬履一等[14]對油松(Pinustabulaeformis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、翟洪波等[15]對油松、栓皮櫟(Quercusvariabilis)等進行了初步研究，但還沒有研究樟子松邊材面積與其他易測因子的相關報道?；诖?，本文從不同林齡、不同方位研究了樟子松的邊材寬度與胸徑的相互關系，為樟子松林分蒸騰耗水量的研究奠定基礎，為科學經(jīng)營和利用當?shù)厣痔峁┛茖W依據(jù)和基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于遼寧省固沙造林研究所章古臺試驗基地(42°43′ N，122°22′ E，海拔226.5 m)，屬科爾沁沙地的一部分，年平均氣溫5.9 ℃，極端最高溫度43.2 ℃，極端最低溫度-33.4 ℃，≥10 ℃的年積溫為3 148 ℃。年降水一般在450～500 mm左右，降水變率大，最大年降水量為744.8 mm，最小年降水量為262.3 mm，各季分配不均，70%以上集中在夏季。每6～7 a出現(xiàn)1次干旱年，近年來干旱頻率增大。年蒸發(fā)量1 300～1 880 mm，約為年降水量3倍，相對濕度59%，旱季長達9個月。章古臺地區(qū)冬季以西北和偏北風為主，平均風速3.3 m·s-1；春季多南風、偏西南風，風力大，持續(xù)時間長，風速為4.5～5.0 m·s-1，最大風速達25 m·s-1，年風速≥3 m·s-1的日數(shù)為160 d，春季6級以上大風日為46 d。年日照時數(shù)2 680～2 853 h。早霜在9月底或10月初，晚霜在4月中下旬，無霜期150～160 d。土壤為生草風沙土，主要代表性植物有色木(Acermono)、山里紅(Crataeguspinnatifida)、家榆(Ulmusmacrocarpa)、大果榆(U.macrocarpa)、山杏(Armeniacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、小黃柳(Salixgordejevii)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)、小葉樸(Celtisbungeana)、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)等。

1.2 研究樣地與研究方法

在立地條件類似、相互間距小于3 km的10、30、40年生樟子松純林中，各選取1塊20 m×20 m、地勢較平坦、樹木生長狀況良好的林地作為試驗樣地，所選試驗樣地距離林分邊緣均大于50 m。由于20年生樟子松純林生長狀況良好的較少，且林分密度較小，故在20年生樟子松純林中，選取1塊10 m×20 m的樣地，其它條件與其他三塊不同齡級標準地一致。首先對標準地進行每木調(diào)查，以2 cm為單位進行徑階整列，計算每個徑階里樹木的平均胸徑，找出該徑階里與平均胸徑最接近的個體，用生長錐在樹干的胸高位置(去樹皮)鉆取直徑為5 mm，東、西、南、北4個方位的生長芯，根據(jù)心材與邊材顏色差異區(qū)分邊材與心材間的界限，用螺旋測微器測量生長芯的邊、心材半徑值進行統(tǒng)計分析，數(shù)值不包括樹皮厚度。以下平均心材與平均邊材均簡稱心材與邊材。表1為標準地林分基本特征，其中10 a、20 a、30 a、40 a分別表示10 a、20 a、30 a、40 a的樟子松樣地。

表1 標準地林分基本特征

用Excel2003對邊材寬度與胸徑關系進行相關分析，通過相關性分析，確定齡級、邊材面積、胸徑之間的相關性，繪制樟子松邊材面積與胸徑關系的散點圖，選擇最優(yōu)生長曲線建立數(shù)學模型。數(shù)學模型的評價指標采用決定系數(shù)(R2)，確定模型后對其進行顯著性檢驗，并加以評價。用于擬合的曲線類型見表2。

表2 胸徑生長曲線擬合方程

注：Y為邊材厚度；X為胸徑；a、b、c為待求參數(shù)

2 結果與分析

2.1 心材、邊材的生長與徑生長特征

心材寬度以逐年遞增的趨勢增長，在30～40 a時增長數(shù)值最大；邊材寬度除30 a外均以遞增的趨勢增長，10 a以前和30～40 a增長數(shù)值大；10 a前、30～40 a 徑生長較大(表1)。

2.2 10 a樟子松邊材寬度與胸徑關系

10年生樟子松在4個方位胸徑與邊材厚度均成極顯著(P<0.01)的正相關。用5種不同的曲線擬合4個方位二者之間的關系(圖1，表3)，結果顯示：4個方向的邊材厚度與胸徑關系的最優(yōu)生長曲線均為拋物線，可建立二次回歸模型描述相關性，其擬合情況如表4。

表3 不同方位胸徑與邊材厚度5種曲線擬合R2值

由表4分析可知其中以西方位邊材厚度與胸徑之間建立的拋物線方程的擬合程度為最大(R2=0.975 3)，東方位邊材厚度與胸徑之間的擬合程度最小(R2=0.818 9)。4個拋物線方程經(jīng)F檢驗后，結果均存在顯著性差異，故上述建立的拋物線方程均可以比較準確的描述不同方位邊材厚度與胸徑間關系。

圖1 不同方位邊材寬度與胸徑的擬合模型

方向R2方程東0．8189y=0．0459x2-0．3105x+2．8282南0．8624y=-0．0008x2+0．645x+0．8502西0．9753y=0．146x2-1．5546x+6．4017北0．8535y=0．1774x2-2．0929x+8．8473

2.3 20年生樟子松邊材厚度與胸徑的關系

相關分析結果顯示東方位的胸徑與邊材厚度呈顯著(P<0.05)的正相關關系，相關系數(shù)R為0.699 5。用5種曲線擬合東方位邊材厚度與胸徑之間的關系(如圖2，表5)，結果顯示：拋物線對東方位邊材厚度與胸徑之間的關系擬合的最好，R2值為0.669 7。東方位的邊材厚度與胸徑關系的最優(yōu)生長曲線為拋物線，可建立二次回歸模型描述相關性，其方程為y=-0.057 6x2+1.456 1x-4.761 9，經(jīng)F檢驗，存在顯著性，故可用此拋物線方程由胸徑預測東方位的邊材寬度值。

表5 東方位邊材寬度與胸徑5種曲線擬合的R2值

圖2 東方位邊材厚度與胸徑的拋物線模型

2.4 30年生樟子松邊材厚度與胸徑關系

對30年生樟子松每個方位的邊材厚度與胸徑相關分析的結果顯示東、南、西、北四個方位的胸徑與邊材厚度均存在顯著(P<0.05)的正相關關系。其中東方位邊材厚度與胸徑之間呈極顯著正相關(P<0.01)。用5種不同的曲線對30年生樟子松林東、南、西、北四個方位的邊材厚度與胸徑二者之間的關系進行擬合，擬合情況見表6。

表6 不同方位胸徑與邊材厚度5種曲線擬合R2值

圖3顯示：東方位邊材厚度與胸徑5種曲線擬合的擬合優(yōu)度都大于0.5，說明可以用這5種曲線擬合東方位邊材厚度與胸徑之間關系，指數(shù)方程、拋物線方程、線性方程、冪指數(shù)的擬合效果R2值都很接近，進行F檢驗，存在顯著性差異。圖4表明，南方位拋物線、指數(shù)、線性圖形對二者間的擬合優(yōu)度值都在0.5以上，說明南方位邊材厚度與胸徑之間用這3種曲線進行擬合都可以，擬合效果為南方位拋物線、指數(shù)、線性方程的擬合優(yōu)度R2值都很接近，進行F檢驗，存在顯著性差異。用這幾種類型方程均可描述30 a樟子松邊材厚度與胸徑之間關系，相應的方程表達式如下表7。對于西、北方向：表7中結果顯示，30 a樟子松邊材厚度與胸徑間的5種曲線擬合中擬合優(yōu)度R2均小于0.4，說明邊材厚度與胸徑在西、北方位用這5種曲線方程并不能可靠的描述出來。故不建立二次模型進行預測。

圖3 東方位邊材厚度與胸徑不同曲線擬合圖

方位類型R2值表達式東線性方程0．7236y=0．2423x-0．2177拋物線方程0．7296y=0．0068x2+0．0607x+0．9284指數(shù)方程0．7337y=0．9811e0．0811x冪指數(shù)方程0．7077y=0．2148x1．0137南拋物線方程0．5187y=0．0009x2-0．07x+1．9404指數(shù)方程0．5164y=1．0827e0．0654x線性方程0．5037y=0．1691x+0．4314

圖4 南方向邊材厚度與胸徑曲線擬合圖

2.5 40年生樟子松邊材厚度與胸徑的關系

邊材厚度與胸徑相關分析結果顯示，東、南、西、北四個方位40年生樟子松胸徑與邊材厚度均成極顯著(P<0.01)的正相關關系。西方位的相關性最為顯著。用5種不同的曲線擬合東、南、西、北四個方位其二者之間的關系(如圖5，表8)。

表8 不同方位胸徑與邊材厚度5種曲線擬合R2值

結果顯示：用于東方位邊材厚度與胸徑之間擬合的5種曲線中，只有冪指數(shù)的擬合優(yōu)度大于0.5，指數(shù)曲線的擬合優(yōu)度接近0.5。南方位邊材厚度與胸徑5種曲線擬合中，拋物線、冪指數(shù)、指數(shù)圖形對二者間的擬合優(yōu)度值都在0.6以上(表8，圖5)，尤其指數(shù)方程的擬合優(yōu)度達到了0.67以上。西方位材厚度與胸徑5種曲線擬合中，拋物線、指數(shù)圖形對二者間的擬合優(yōu)度值都在0.93以上。北方位邊材厚度與胸徑5種曲線擬合中，冪指數(shù)圖形對二者間的擬合優(yōu)度值最大。上述這些方程在進行F檢驗后，均有顯著性差異，表明這些方程在描述不同方位40年生樟子松邊材厚度與胸徑間關系的適用性。相應的表達方程式見表9。

圖5 南方位邊材厚度與胸徑曲線擬合圖

方位擬合曲線類型R2表達式南拋物線方程0．6649y=0．0242x2-0．4294x+4．0648冪指數(shù)0．663y=0．0368x1．6386指數(shù)方程0．6711y=0．666e1．101x西拋物線方程0．9753y=0．1462x2-1．5546x+6．4017指數(shù)方程0．9381y=0．8385e0．1759x

3 結論與討論

3.1 邊材的生長特征

邊材寬度變化規(guī)律間接反映了該樹種生長規(guī)律：樹木在達到一定年齡(心材起始樹齡)或直徑(心材起始去皮直徑)之后，邊材以相對穩(wěn)定速度向心材轉化(20～30 a)，隨著樹木年齡或直徑的增長，樹冠越來越大，維持整個樹體生理活動所需要的輸導組織越來越多，邊材面積不斷增加(30～40 a)，徑生長速度加快。

3.2 不同方位邊材寬度與胸徑的關系

不同林齡的樟子松邊材厚度與樟子松胸徑存在顯著相關性，10 a樟子松邊材厚度與胸徑的最優(yōu)生長模型符合拋物線模型，擬合優(yōu)度均大于0.7，拋物線方程為y= 0.146 2x2- 1.554 6x+ 6.401 7(R2=0.975 3)擬合效果最好。20 a樟子松中最優(yōu)生長方程為拋物線方程y=-0.057 6x2+1.456 1x-4.761 9(R2=0.669 7)。30 a樟子松中只有東、南兩個方位邊材厚度與胸徑關系可用曲線擬合，東方位符合指數(shù)方程y= 0.980 1 e0.081 1x(R2=0.733 7)，南方位符合拋物線y= 0.009x2- 0.07x+ 1.940 4(R2=0.518 7)或指數(shù)方程y= 1.082 7 e0.065 4x(R2=0.516 4)。40 a樟子松東方位為冪指數(shù)y= 0.196 5x1.077 2(R2=0.476 8)，南、西方位的指數(shù)表達式分別為y= 0.673e0.104 7x(R2=0.750 4)和y= 0.455 8 e0.123 8x(R2=0.934 6)，北方向為冪指數(shù)y= 0.029 1x1.748 8(R2= 0.785 5)，其中西方位的回歸效果最好。

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Correlations between Sapwood Thickness and DHB ofPinussylvestrisvar.mongolicain Sandy Land

Zhou Fengyan

(Liaoning Provincial Dune-Fixation and Afforestaiton Institute , Fuxin 123000 , China)

DBH & sapwood of 10, 20, 30 & 40-year-oldPinussylvestrisvar.mngolicasand-fixation forest were determined under the same site conditions.Growth features of sapwood with different ages,correlations between thickness of sapwood and DBH at different ages were analyzed.Result shows that mean sapwood width of 10-year-oldPunussylvestrisvar.mongolicais 6 cm;the increase of mean sapwood is little at 20-30year-old; the increase of mean sapwood is great at 30-40-year-old;correlations between sapwood thickness & DBH of 10,20-year-oldPinusSylvestrisvar.mongolicacoincidence parabolic model,the fitting equation isy=0.146 2x2-1.554 6x+6.401 7(R2=0.975 3), andy=-0.057 6x2+1.456 1x-4.761 9(R2=0.669 7), respectively.Sapwood thickness & DBH of 30-year-oldPinussylvestrisvar.mongolicacan be fit by curve in eastern and sorthern bearing,the eastern bearing coincidence exponential model , the model isy= 0.980 1e0.081 1x(R2=0.733 7), the southern bearing coincidence parabolic equation:y= 0.009x2- 0.07x+ 1.940 4 (R2=0.518 7) or exponential equationy= 1.082 7e0.065 4x(R2=0.516 4; sapwood thickness and DBH of 40-year-oldPinussylvestrisvar.mongolicacan be fit by power exponent in eastern and northern bearing,being y = 0.196 5x1.077 2(R2=0.476 8)and y = 0.0291x1.748 8(R2= 0.785 5)respectively;the correlation of southern bearing and westen bearing can be fit by exponent model,the expression isy= 0.673e0.104 7x(R2=0.750 4)andy= 0.455 8 e0.123 84x(R2=0.934 6). The significant differences in width of sapwood with different ages can reflect the characteristics of their growth status, water use countermeasures, and material production.

sapwood thickness;Pinussylvestrisvar.mongolica; DHB; sandy land

1005-5215(2017)04-0048-06

2017-

周鳳艷(1969-)，女，大學，高級工程師，主要從事林木遺傳育種與荒漠化治理等研究,Email:fengyanzhou@sohu.com

S791.253

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.04.017