嶗山林場不同密度赤松林的生長差異研究

王樹梅 ，張廣東 ，王旋 ，姜仟坤 ，曹振玉 ，曹幫華*

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2. 嶗山林場，山東 青島 266100 )

嶗山林場不同密度赤松林的生長差異研究

王樹梅1，張廣東2，王旋1，姜仟坤1，曹振玉1，曹幫華1*

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2. 嶗山林場，山東 青島 266100 )

研究了嶗山林場不同密度下赤松人工林的生長差異性以及胸徑與冠幅的相關(guān)性。不同密度下赤松人工林徑階分布呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，隨著林分密度的增大，胸徑生長量顯著減少，徑階比例減少；赤松人工林的平均樹高、枝下高以及冠幅均呈上升趨勢(shì)。在不同密度的赤松林分之間，樹高生長差異不顯著，枝下高差異顯著，胸徑差異極顯著。赤松人工林的冠幅隨著林分密度的增加而逐漸減少，但冠幅的橢球體積與之相反；通過分析得到二次多項(xiàng)式方程作為赤松人工林胸徑與冠幅的最優(yōu)關(guān)系模型，并求出方程關(guān)系式，為林業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。

赤松人工林；嶗山林場；密度；生長差異

Abstract∶This paper studied the growth variability ofPinusdensifloraplantations with different densities in Laoshan Forest Farm, as well as the correlation between DBH and crown width. The results showed that under different densities, the diameter distribution ofP.densifloraplantations increased first and then decreased. With the increase of stand density, DBH growth decreased significantly and the diameter class ratio decreased. The average tree height, clear length, and crown diameter ofP.densifloraplantation were all on the rise. There was no significant difference in tree height growth betweenP.densiflorawith different densities, and the clear length was significantly different, and the difference in DBH was very significant. The crown diameter ofP.densifloraplantation was decreased with the increasing of stand density, but the crown ellipsoid volume was the opposite. Through analysis, the quadratic polynomial equation was obtained as the optimal model between DBH and crown width ofP.densifloraplantation, and the relationship equation was obtained, which provided the basis for forestry production.

Key words∶Pinusdensifloraplantation; Laoshan Forest Farm; density; growth difference

森林結(jié)構(gòu)決定了森林的功能，對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的研究和改造是林業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，也是提高林地生產(chǎn)力，增加林地蓄積量，增強(qiáng)森林對(duì)病蟲害抵御能力的一項(xiàng)重要措施，對(duì)森林的恢復(fù)、保護(hù)和發(fā)展具有積極的作用[1-6]。赤松(Pinusdensiflora)是松科松屬常綠喬木，為深根性喜光樹種，抗風(fēng)性強(qiáng)，耐干旱和貧瘠，因其生長速度快、成林期早、材質(zhì)堅(jiān)實(shí)，是山東省膠東地區(qū)重要的造林樹種。就目前來看，赤松人工林生長狀況參差不齊，不同地方的赤松人工林生長狀況各不相同，諸多因子對(duì)其生長具有重要的影響[5-9]。本文以嶗山林場40年生赤松人工林為研究對(duì)象，調(diào)查了不同密度赤松人工林林分生長狀況，探討了其林分結(jié)構(gòu)及生長差異性，以期為赤松人工林定向培育[10-13]提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

嶗山林場位于山東省青島市，東、南瀕臨黃海，地處膠東丘陵區(qū)，地理位置為120°25′E、36°09′N。嶗山林場東高西低，除主峰嶗頂海拔1 133 m外，一般多在400～800 m之間。沿海岸線長30 km。年平均氣溫11.9 ℃, 年日照平均時(shí)數(shù)2 622.3 h，年平均降雨量約800 mm，屬典型的溫帶海洋性季風(fēng)氣候。土壤為棕色森林土，以沙壤為主，適于營造用材林、水源涵養(yǎng)林、針闊葉用材及水土保持林。森林覆蓋率為68%，自然植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)，植物種類繁多。

嶗山林場原以天然赤松及櫟類次生林為主，并有較大面積的灌木林，后經(jīng)多年改造和更新造林，目前全部是人工林。主要樹種有落葉松(Larixgmelinii)、黑松(Pinusthunbergii)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、赤楊(Alnusjaponica)、櫟樹(QuercusLinn)等，多為純林，部分是不規(guī)則的株間及小塊狀混交林。林分結(jié)構(gòu)比較單一，多數(shù)林分長勢(shì)良好。

1.2研究方法

1.2.1 林分調(diào)查

2015年11月26日以嶗山林場40年生赤松人工純林為研究對(duì)象，選取20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地3塊，對(duì)胸徑大于4 cm的所有赤松進(jìn)行每木檢尺(包括林下更新幼樹)，分別測(cè)量林分樹高、胸徑、枝下高以及冠幅，調(diào)查株數(shù)分別為145、112、75株，人為劃分為高、中、低3種密度，共計(jì)調(diào)查332株。

1.2.2 研究方法

將各林分的胸徑調(diào)查數(shù)據(jù)按照2 cm間隔劃分徑階，分別統(tǒng)計(jì)各徑階株數(shù)，計(jì)算嶗山林場不同密度下赤松人工林各徑階分布所占百分比，用Excel繪制各徑階分布柱狀圖，從而初步認(rèn)識(shí)整個(gè)嶗山林場不同密度下的赤松人工林徑階分布。計(jì)算不同密度下各徑階的平均樹高、平均枝下高以及平均冠幅((東西冠幅+南北冠幅)/2)。

用Excel繪制出不同林分密度下樹高、枝下高、胸徑和冠幅，計(jì)算3種不同林分密度的平均樹高、平均枝下高、平均胸徑和冠幅，用Excel繪制不同密度下赤松人工林生長量差異柱狀圖，并使用SPSS Statistics20.0軟件作方差分析，研究不同密度赤松人工林的生長差異性。

研究低、中、高密度赤松人工林林分冠幅與胸徑相關(guān)性，分別以徑階平均胸徑為自變量，對(duì)應(yīng)樹冠的橢圓面積、樹冠的橢球體積、平均冠幅為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，分別用多項(xiàng)式方程、線性方程、對(duì)數(shù)方程、乘冪方程以及指數(shù)方程5種方程進(jìn)行擬合，求出這5種方程的R2，得到最佳的冠幅與胸徑相關(guān)關(guān)系。樹冠橢圓面積S=πab，其中a,b分別為赤松的東西、南北冠幅，樹冠橢球體體積V=4/3 πabc，其中c為赤松的樹冠高度。

2 結(jié)果與分析

2.1赤松人工林林分各徑階分布規(guī)律

由圖1可以看出，不同密度下赤松人工林各徑階分布百分比呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。低密度林分中，各徑階均有分布，徑階跨度8～32 cm，共13個(gè)，分布最多徑階為20 cm，占16.39%，最大徑階為32 cm，占3.28%；中密度林分徑階跨度10 ～26 cm，共9個(gè)，分布最多徑階為14 ～16 cm，共占45.24%，最大徑階為26 cm，占1.19%；高密度林分徑階跨度10 ～24 cm，共8個(gè)，分布集中在14 ～18 cm，占73.73%，最多徑階為16 cm，占29.29%，最大徑階為24 cm，占4.04%。

圖1 不同密度下赤松林分各徑階分布所占百分比圖Fig.1 Percentage of diameter class distribution of P. densiflora forest under different densities

由此看出，隨著林分密度的增大，徑階變化幅度減小，株數(shù)最多徑階所占比重加大，株數(shù)最多的徑階值前移，最大徑階值減少，表明無論是株數(shù)最多徑階值還是林分最大徑級(jí)值顯著減少；林分密度小，胸徑生長最大徑級(jí)值后移，徑階分布范圍增多，大徑階個(gè)體比例增多[12-14]。

2.2赤松人工林生長差異性

2.2.1 不同密度下赤松人工林的樹高、枝下高、平均冠幅隨徑階變化規(guī)律

由圖2～4可以看出，3種密度下赤松人工林的平均樹高、枝下高以及平均冠幅均隨徑階增加呈上升趨勢(shì)。在林分中，位于林下的小徑階個(gè)體是被壓木，平均樹高小，隨著徑階逐步加大，中等木、亞優(yōu)勢(shì)木、優(yōu)勢(shì)木樹高逐步增加，變化趨勢(shì)明顯，優(yōu)勢(shì)木位于樹冠上層，樹高最大，平均胸徑也最大(圖2)；平均枝下高與冠幅的變化相對(duì)較為平穩(wěn)。就枝下高而言，3種密度下均隨徑階增加，整枝高度增加。高密度林分枝下高最大，說明林分密度大自然整枝嚴(yán)重，其次是中密度林分，低密度林分自然整枝最小(圖3)；平均冠幅表現(xiàn)出與枝下高趨勢(shì)不同，3種密度下，隨著徑階增加，平均冠幅增加，3種密度相比，低密度條件下冠幅較大，高密度下較小，但隨著徑階增加到一定程度，這一規(guī)律有所變化，出現(xiàn)中密度甚至是高密度大徑階林木冠幅大于相同徑階低密度個(gè)體的現(xiàn)象(圖4)。分析認(rèn)為，低密度的赤松林分，個(gè)體稀疏，種內(nèi)競爭小，各赤松單株之間受到的光照與水分充足，差異較小。中高密度的赤松林分之間競爭激烈，除部分優(yōu)勢(shì)木保持較大冠幅和生長量外，大部分個(gè)體生長較為平緩，尤其是徑階生長達(dá)到一定數(shù)量后，赤松林木對(duì)外界的抵抗能力大幅度增強(qiáng)，有利于林分的平穩(wěn)生長[15-16]。

圖3 不同密度下赤松人工林枝下高隨徑階變化趨勢(shì)圖Fig.3 The trend of the average clear length of P. densiflora plantation changing with diameter class under different densities

圖4 不同密度下赤松人工林平均冠幅隨徑階變化趨勢(shì)圖Fig.4 Thetrend of the average crown diameter of P. densiflora plantation changing with diameter class under different densities

2.2.2 不同密度下赤松人工林樹高、胸徑、枝下高生長指標(biāo)差異

由圖5可以看出，不同赤松林分密度下，樹高變化不明顯；而胸徑隨著密度的增加而減小，枝下高與之相反。低密度林分充足的生長空間，促進(jìn)赤松林分胸徑和樹高的生長；高密度赤松林分自然整枝能力強(qiáng)，枝下高大。由表1可知，不同密度赤松林分之間，樹高(F=0.017，P=0.983)生長差異不顯著；枝下高(F=8.073，P=0.02)生長差異顯著；胸徑(F=10.945，P=0.01)生長差異極顯著。分析認(rèn)為，在不同密度的赤松林分之間樹高無顯著變化，其高生長不受密度的影響[16]。不同密度的赤松林分，其枝下高隨著密度的增加而逐漸增大。這是因?yàn)檩^大密度的林分中，赤松競爭激烈，自然整枝能力強(qiáng)，位于下部的枝條得不到充足的光照，消耗大于自身的生產(chǎn)，從而逐漸枯死脫落。林分的密度越大，自然整枝能力越強(qiáng)，其枝下高越大。對(duì)于赤松林分的胸徑，密度對(duì)其生長有著極顯著的影響。密度越低，其胸徑生長量越大，隨著林分密度的增加，胸徑生長量逐漸降低[15]。在低密度的赤松林分中，光照營養(yǎng)充足為赤松林的生長提供了先決條件，林分的高生長與橫向生長得到充分的發(fā)揮。

圖5 不同密度下赤松林分的生長指標(biāo)差異Fig.5 The differences in growth index of P. densiflora forest under different densities

表1 不同密度下赤松林分生長指標(biāo)方差分析

2.3赤松人工林冠幅生長差異及冠幅與胸徑相關(guān)性分析

在不同密度的赤松林分中，冠幅也占據(jù)著極其重要的位置，冠幅的大小直接影響到郁閉度的大小，對(duì)林分的生長也有著不可忽視的作用。

2.3.1 不同密度下赤松人工林冠幅生長差異性比較

圖6可以看出，東西冠幅、南北冠幅以及平均冠幅均隨著赤松林分密度的增加而逐漸減少。低密度林分，個(gè)體之間空間大，林分有充足的生長空間，加上光照與營養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)，其東西與南北平均冠幅大。而較高密度的赤松林分，競爭激烈，株數(shù)多，生長空間與光照營養(yǎng)等受到局限性，其東西及南北平均冠幅低于低密度赤松林分。

圖6 不同林分密度對(duì)冠幅差異性比較Fig.6 Comparison of different stand density versus crown breadth difference

由圖7我們可以得出，不同密度的赤松林分中，樹冠的橢圓面積(東西×南北)均隨著林分密度的增大而逐漸減少，其規(guī)律與平均冠幅相似。但是我們將冠幅以“橢球體”的形式(東西×南北×冠高)呈現(xiàn)出來時(shí)，樹冠體積在不同密度條件下不同，隨林分密度增大樹冠體積逐漸增加。主要原因是在低密度林分中，樹冠冠幅較大冠長較小，隨著林分密度的提高，冠幅變小，但冠長明顯增大，總體表現(xiàn)為樹冠體積增大。

圖7 不同林分密度對(duì)冠幅差異性比較Fig.7 Comparison of different stand density versus crown breadth difference

2.3.2 不同密度下赤松人工林樹冠體積與胸徑相關(guān)關(guān)系分析

分別在不同密度用多項(xiàng)式方程、線性方程、對(duì)數(shù)方程、乘冪方程以及指數(shù)方程對(duì)冠幅與胸徑關(guān)系進(jìn)行了模擬，結(jié)果見表2。研究發(fā)現(xiàn)，多項(xiàng)式方程以其R2均大于0.8的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，成為最佳的擬合曲線，且適用于高、中、低3種不同的赤松林分密度，可以作為赤松人工林胸徑與冠幅的最優(yōu)關(guān)系模型[6-9]。

表2 不同模型判定系數(shù)對(duì)比分析

通過圖8～10對(duì)比分析可以看出，赤松人工林的胸徑與樹冠體積的相關(guān)關(guān)系以二次多項(xiàng)式的形式遞增。隨著胸徑的增加，赤松林分樹冠體積迅速增大。在這3種不同密度的林分中，其滿足的多項(xiàng)式方程各不相同。在低密度的赤松人工林中，樹冠體積與胸徑的相關(guān)關(guān)系滿足y= 0.142 5x2+ 3.036 2x- 21.929，R2=0.815 3；在中密度的赤松人工林中，樹冠體積與胸徑的相關(guān)關(guān)系滿足y= 0.961 9x2- 24.205x+ 185.43，R2=0.825 4；在高密度的赤松人工林中，樹冠體積與胸徑的相關(guān)關(guān)系滿足y= 1.074 7x2- 26.858x+ 193.37，R2=0.839 7。

圖8 低密度赤松林分胸徑與樹冠體積相關(guān)性Fig.8 Correlation between stands DBH and crown ellipsoid volume in low density pine

圖9 中密度赤松林分胸徑與樹冠體積相關(guān)性Fig.9 Correlation between stands DBH and crown ellipsoid volume in medium density pine

圖10 高密度赤松林分胸徑與樹冠體積相關(guān)性Fig.10 Correlation between stands DBH and crown ellipsoid volume in high density pine

3 討論

赤松人工林隨著林分密度的增大，胸徑生長量顯著減少，徑階數(shù)量減少，不同密度之間，樹高差異不顯著，枝下高差異顯著，胸徑差異極顯著。低密度的赤松林分，個(gè)體稀疏，種內(nèi)競爭小，各赤松單株之間受到的光照與水分充足，差異較小。中高密度的赤松林分之間競爭激烈，除部分優(yōu)勢(shì)木保持較大冠幅和生長量外，大部分個(gè)體生長較為平緩，尤其是徑階生長達(dá)到一定數(shù)量后，赤松個(gè)體對(duì)外界的抵抗能力大幅度增強(qiáng)，有利于林分的平穩(wěn)生長。樹冠是樹木進(jìn)行光合作用積累有機(jī)物的重要場所，冠幅是林木生長中重要的性狀，冠幅和冠長率直接影響樹木的生活力和生產(chǎn)力[16]，不同密度下赤松人工林的東西冠幅、南北冠幅以及平均冠幅均隨著赤松林分密度的增加而逐漸減少，但冠長在較高密度的林分中遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低密度赤松林分。低密度林分，個(gè)體之間空間大，林分有充足的生長空間，加上光照與營養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)，其東西與南北平均冠幅大。而較高密度的赤松林分，競爭激烈，株數(shù)多，生長空間與光照營養(yǎng)等受到局限性，其東西及南北平均冠幅低于低密度赤松林分。高密度的林分中，赤松林分的冠長增大。

低、中、高密度林分的徑階跨度分別為13個(gè)、9個(gè)、8個(gè)，表明隨著林分密度增大，林分胸徑分布范圍變窄，各徑級(jí)所占百分?jǐn)?shù)差距變大，也就是說林分越整齊，大徑材比例越少。徑階跨度個(gè)數(shù)變少主要是由于密度變大，高徑級(jí)分布范圍變窄造成。

在實(shí)際生產(chǎn)中，造林密度取決于立地條件、林木的生長特性、經(jīng)營目標(biāo)、輪伐期、經(jīng)營的集約程度等因素。赤松作為主要的用材林樹種，輪伐期相對(duì)較長，為了使林分提早郁閉，形成森林環(huán)境,多數(shù)造林采用密植法。在其生長過程中再通過間伐不斷地調(diào)整林分密度，保證林分良好的生長條件。但是初植密度過大，將使林分過早郁閉，林分需要提前間伐。這既沒有經(jīng)濟(jì)效益，也增加了造林成本。在考慮撫育間伐的經(jīng)濟(jì)效益情況下，也要考慮林木大小徑材的市場價(jià)值的差異性，以期在一定的輪伐期、經(jīng)營成本和立地條件下,實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益[17]。

若僅以林分平均胸徑達(dá)到目標(biāo)徑階范圍作為經(jīng)營目的時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，低密度林分75株/畝(1畝=666.7 m2)，分布最多徑階為20 cm，占16.39%，最大徑階為32 cm，占3.28%；中密度林分112株/畝，集中分布徑階為14 cm～16 cm，共占45.24%，最大徑階為26 cm，占1.19%；高密度林分145株/畝，分布集中在16 cm，占29.29%，最大徑階為24 cm，占4.04%。說明隨著密度加大，平均胸徑、最大徑級(jí)值減小，但株數(shù)分布最多的徑級(jí)所占百分?jǐn)?shù)增大、最大徑級(jí)株數(shù)所占百分?jǐn)?shù)以中密度最小。粗估蓄積量發(fā)現(xiàn)中密度赤松林分大于高密度赤松林分大于低密度赤松林分，認(rèn)為中密度造林模式為相對(duì)適宜的密度。

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Study on the growth differences ofPinusdensifloraforest under different densities in Laoshan Forest Farm

WANG Shu-mei1, ZHANG Guang-dong2, WANG Xuan1, JIANG Qian-kun1, CAO Zhen-yu1, CAO Bang-hua1*

(1. Key Laboratory of Silviculture Ecology and Environment, Shandong Agricultural University. Taian 271018, China; 2. Laoshan Forest Farm, Qingdao 266100, China)

S725.6

A

1002-4026(2017)05-0104-07

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.018

2017-03-13

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2015GNC111026)

王樹梅(1992—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樯峙嘤?/p>

*通信作者。E-mail:caobanghua@126.com