造林密度對(duì)巒大杉生長形質(zhì)及林分分化的影響1)

歐建德

(明溪縣林業(yè)局，三明,365200)

造林密度是人工林培育中一個(gè)十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，與林木生長過程密切相關(guān)，影響著林分的生長發(fā)育及林地的生產(chǎn)力水平[1]，決定著林分后期密度大小，是影響人工林生長的重要因素之一[2]。造林密度改變個(gè)體生長空間與林分結(jié)構(gòu)，影響林木早期生長形質(zhì)、個(gè)體競爭與分化[1]。林木早期生長形質(zhì)與分化情況關(guān)系著后期健康生長與培育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，綜合其生長形質(zhì)與個(gè)體分化表現(xiàn)，依照培育目標(biāo)確定合理造林密度顯得十分必要。巒大杉(CunninghamiakonishiiHayata)又名香杉[3]，其生長迅速，樹干通直圓滿，材質(zhì)結(jié)構(gòu)細(xì)，是我國優(yōu)良用材樹種，適宜培育大中徑材，并已在福建等我國南方地區(qū)大面積發(fā)展[4]。許多地區(qū)出現(xiàn)因造林密度過大導(dǎo)致巒大杉個(gè)體分化嚴(yán)重、單株生長衰弱、林分穩(wěn)定性差的現(xiàn)象，確定其合理造林密度顯得十分迫切。當(dāng)前對(duì)巒大杉[5-7]和其他樹種造林密度的研究[2,8-10]大多圍繞生長表現(xiàn)進(jìn)行，有關(guān)形質(zhì)與個(gè)體分化效應(yīng)方面研究少[1]，迄今未見巒大杉形質(zhì)、林分分化方面的研究報(bào)道。為此，本研究以福建武平的8年生巒大杉造林密度試驗(yàn)林為對(duì)象，分析造林密度與巒大杉早期生長形質(zhì)的關(guān)系及對(duì)個(gè)體分化影響，并采用主成分分析法綜合生長形質(zhì)與個(gè)體分化表現(xiàn)進(jìn)行不同造林密度的綜合評(píng)價(jià)，為確定合理巒大杉人工林造林密度提供參考和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

研究地為福建省武平縣南坊國有林場(chǎng)黃金寨工區(qū)(25°7′～25°8′N、115°57′～115°58′E)的巒大杉人工林，屬武夷山脈南端，海拔580 m，地形開闊，土壤為花崗巖發(fā)育成的黃紅壤，土壤肥沃，pH值5.2。試驗(yàn)地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫和濕潤，雨量充沛，日照充足，水熱條件好。試驗(yàn)地年平均氣溫18.2 ℃，極端最高氣溫38 ℃，極端最低氣溫-6.3 ℃，大于等于10 ℃的年積溫6 263 ℃，平均霜期97 d，年降水量1 704 mm，年均相對(duì)濕度80%。

研究材料采用1年生裸根苗，挖明穴造林的8年生人工巒大杉林；造林密度分別為2 700、3 000、3 300、3 600株·hm-2。連續(xù)撫育3 a，每年4—5月份、8—9月份全面除草，造林后次年4—5月份進(jìn)行擴(kuò)穴培土。

1.2 調(diào)查方法

2016年12月份在不同造林密度的巒大杉人工林林分，隨機(jī)布設(shè)3個(gè)面積20 m×20 m臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地，作為3個(gè)重復(fù)。采用每木調(diào)查方法，分別測(cè)定樹高、枝下高、地徑、胸徑、2 m處樹干直徑、冠幅、通直度。

生長及形質(zhì)性狀指標(biāo)計(jì)算：巒大杉單株材積按鮑曉紅等[11]研制的V=0.000 081 8d1.729 8h1.044 6公式計(jì)算。冠長率=樹冠長度/樹高[12]；樹干通直度分為5級(jí):通直(5分)、較通直(4分)、一般(3分)、彎曲(2分)、嚴(yán)重彎曲(1分)，分?jǐn)?shù)越高越通直[13]；樹干圓滿度用2 m處樹干直徑與胸徑的比值表示[1]；高徑比=樹高/胸徑[13]；尖削度=地徑/樹高[14]；胸高形數(shù)(f1.3)=V/(g1.3×H)(式中:f1.3為胸高形數(shù)；V為材積；g1.3為胸高斷面積；H為樹高[12,15]。

個(gè)體的相對(duì)胸徑(單木競爭指標(biāo))以及等級(jí)林劃分標(biāo)準(zhǔn)：按公式d=r/R(式中：r為每株樣木胸徑；R為樣地林分平均胸徑；d為單木相對(duì)胸徑)，求得每株樣木的d值(單木競爭指標(biāo))[1]。在各樣地按分級(jí)木(Ⅰ～Ⅴ級(jí)木)歸類，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ級(jí)木，d≥1.336；Ⅱ級(jí)木，1.026≤d<1.336；Ⅲ級(jí)木，0.712≤d<1.026；Ⅳ級(jí)木，0.383≤d<0.712；V級(jí)木，d<0.383[1，16]；并以樣地為統(tǒng)計(jì)單元，分別計(jì)算相對(duì)胸徑變異系數(shù)、Ⅱ級(jí)木以下和Ⅲ級(jí)木以下的株數(shù)比例；變異系數(shù)=(標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)×100%[17]。

1.3 造林密度綜合評(píng)價(jià)與優(yōu)化

主成分分析可以較好地進(jìn)行多性狀的綜合評(píng)價(jià)[1,18-19]。選擇有著顯著造林密度效應(yīng)的生長形質(zhì)與林分分化系列性狀進(jìn)行主成分分析，在主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上的條件下，選取相應(yīng)主成分構(gòu)建性狀指標(biāo)體系，并建立主成分得分值評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型[1,18-19]。根據(jù)綜合得分為各個(gè)主成分得分值的累計(jì)原理，計(jì)算綜合得分[1]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003和SPSS21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(a=0.05)。主成分分析采用SPSS21.0軟件進(jìn)行。造林保存率、Ⅱ級(jí)木以下和Ⅲ級(jí)木以下的株數(shù)比例均按x=asin(x)轉(zhuǎn)化后方差分析。表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同造林密度對(duì)巒大杉生長的影響

從表1可以看出，除造林保存率外，不同造林密度間的8年生巒大杉樹高、胸徑、冠幅、冠高比、單株材積與林分蓄積均存在著顯著性差異，表明造林密度顯著影響著巒大杉樹高、胸徑、冠幅、單株材積與林分蓄積的生長，但對(duì)造林成活率無顯著性影響。隨造林密度的提高，巒大杉的樹高、胸徑、冠幅與單株材積均呈逐漸下降的變化趨勢(shì)；造林密度增加至3 300株·hm-2起，顯著降低了巒大杉的樹高、胸徑與單株材積，3 600株·hm-2造林密度的巒大杉樹高、胸徑與單株材積表現(xiàn)最差，2 700～3 300株·hm-2造林密度的巒大杉樹高、胸徑與單株材積表現(xiàn)良好且無顯著性差異；造林密度增加至3 000株·hm-2起，顯著降低了巒大杉的冠幅，2 700株·hm-2造林密度的冠幅與冠長率最大，3 600株·hm-2造林密度的冠幅與冠長率最?。浑S造林密度的提高，巒大杉的林分蓄積呈逐漸增加的變化趨勢(shì)，3 000株·hm-2造林密度起，顯著增加了林分蓄積，造林密度為2 700株·hm-2的林分蓄積最小。不同造林密度的巒大杉造林保存率為88.33%～93.33%，保存率較高且之間無顯著性差異，這與巒大杉屬陽性樹種，適應(yīng)跡地更新的全光照生境，且試驗(yàn)地的光照、水熱等生境條件良好、一致有關(guān)。

2.2 不同造林密度對(duì)巒大杉形質(zhì)的影響

胸高形數(shù)是重要干形指標(biāo)[12,15]，樹干通直度與圓滿度衡量干材通直圓滿程度，尖削度與高徑比與干材直徑變化相關(guān)，冠長率與枝下高直接關(guān)系無節(jié)良材比例與長短[12]，均是衡量干材形質(zhì)重要性狀指標(biāo)。結(jié)果顯示(表2)，除樹干通直度、尖削度外，不同造林密度的巒大杉圓滿度、冠長率、高徑比、枝下高、冠長率和胸高形數(shù)等形質(zhì)性狀存在著顯著性差異，表明造林密度顯著影響著巒大杉的圓滿度、冠長率、高徑比、枝下高、冠高比和胸高形數(shù)等6個(gè)干材形質(zhì)。隨造林密度的增加，巒大杉的圓滿度、高徑比、枝下高和胸高形數(shù)等形質(zhì)性狀逐漸增加。造林密度增加至3 000株·hm-2起，巒大杉枝下高顯著增加；3 600株·hm-2造林密度的枝下高最高，2 700株·hm-2造林密度的枝下高最低；巒大杉造林密度增加至3 300株·hm-2起，顯著增加了圓滿度，2 700、3 000株·hm-2造林密度的圓滿度較小、樹干欠圓滿，3 300、3 600株·hm-2造林密度的圓滿度表明良好、樹干圓滿；巒大杉造林密度增加至3 600株·hm-2時(shí)，顯著增加了高徑比與胸高形數(shù)，2 700、3 000株·hm-2造林密度的高徑比與胸高形數(shù)較小，3 600株·hm-2造林密度的高徑比與胸高形數(shù)表明良好；隨造林密度的增加，巒大杉的冠長率等形質(zhì)性狀逐漸降低，造林密度增加至3 000株·hm-2起，巒大冠長率顯著降低，2 700株·hm-2造林密度的冠長率最大，3 600株·hm-2造林密度的冠長率最小。造林密度對(duì)巒大杉的樹干通直度、尖削度無顯著性影響。

表1 巒大杉生長性狀

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

表2 巒大杉形質(zhì)性狀

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.3 不同造林密度對(duì)巒大杉林木分化的影響

相對(duì)胸徑作為與距離無關(guān)的單木競爭指標(biāo)，具有測(cè)量精確與操作方便的特點(diǎn)，且是等級(jí)木劃分的依據(jù)。相對(duì)胸徑變異系數(shù)作為衡量群體內(nèi)個(gè)體間離散程度與分化水平重要指標(biāo)，等級(jí)木的組成比例，尤其是Ⅱ級(jí)木與Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例是林分分化程度的直觀性狀。為此本研究選擇相對(duì)胸徑的變異系數(shù)、Ⅱ級(jí)木與Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例作為林木分化評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果顯示(表3)，不同造林密度巒大杉相對(duì)胸徑(單木競爭指標(biāo))的變異系數(shù)、Ⅱ級(jí)木與Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例間分別存在顯著性差異，表明造林密度顯著影響著巒大杉的相對(duì)胸徑的變異系數(shù)、Ⅱ級(jí)木與Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例，說明造林密度影響著巒大杉單木間競爭與林分分化。隨造林密度增加，巒大杉的相對(duì)胸徑的變異系數(shù)、Ⅱ級(jí)木與Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。造林密度增加至3 000株·hm-2起，顯著增加相對(duì)胸徑的變異系數(shù)，2 700株·hm-2造林密度的相對(duì)胸徑的變異系數(shù)最小、單木競爭地位分化水平低，3 600株·hm-2造林密度的相對(duì)胸徑的變異系數(shù)最大、單木競爭地位分化水平高；造林密度增加至3 000株·hm-2起，顯著增加Ⅱ級(jí)木以下和Ⅳ級(jí)木以下株數(shù)比例，2 700株·hm-2造林密度的Ⅱ級(jí)木以下與Ⅲ級(jí)木以下的株數(shù)比例最小，3 300、3 600株·hm-2造林密度的Ⅱ級(jí)木以下株數(shù)比例較大，分別為64.50%、65.87%；3 600株·hm-2造林密度的Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例最大，為11.27%。以上結(jié)果表明，造林密度顯著改變單木間競爭地位以及林分分化，隨著造林密度增加，林木個(gè)化間競爭分化加劇，以3 600株·hm-2造林密度林木個(gè)體競爭與林分分化最強(qiáng)烈。

表3 巒大杉林木分化

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.4 不同造林密度的生長形質(zhì)及林分分化的綜合評(píng)價(jià)

由于巒大杉人工林的樹高、胸徑、冠幅、單株材積、林分蓄積、冠長率、胸高形數(shù)、枝下高、高徑比、圓滿度、相對(duì)胸徑變異系數(shù)、Ⅱ級(jí)木與Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例等13個(gè)生長形質(zhì)及林分分化性狀有著顯著的造林密度效應(yīng)。本研究對(duì)以上13個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。經(jīng)主成分分析，第一主成分的方差特征值為10.333，貢獻(xiàn)率達(dá)79.483%，其中冠長率、樹高、枝下高、胸高形數(shù)等性狀影響較大；第二主成分的方差特征值為1.456，貢獻(xiàn)率達(dá)11.200%，其中林分蓄積影響最大；第一與第二主成分涵蓋了巒大杉性狀90.682%的綜合信息。

第一主成分表達(dá)式為

z1=-0.092X1-0.089X2-0.090X3-0.082X4+0.061X5-0.094X6+0.089X7+0.092X8+0.092X9+0.089X10+0.075X11+0.085X12+0.086X13；

第二主成分表達(dá)式為

z2=0.195X1+0.239X2-0.142X3+0.336X4+0.511X5+0.036X6+0.073X7+0.054X8-0.191X9-0.167X10+0.237X11+0.099X12+0.240X13；

綜合得分值Q=(z1×79.483%+z2×11.200%)/90.682%。

式中：z1為第一主成分；z2為第二主成分；Q為綜合得分值；X1為樹高；X2為胸徑；X3為冠幅；X4為單株材積；X5為林分蓄積；X6為冠長率；X7為圓滿度；X8為枝下高；X9為胸高形數(shù)；X10為高徑比；X11為Ⅱ級(jí)木以下株數(shù)比；X12為Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比；X13為相對(duì)胸徑變異系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，2 700、3 000、3 300、3 600株·hm-2造林密度巒大杉樣地綜合得分值分別為36.29、39.80、41.88、42.83(表1)。方差分析結(jié)果顯示，不同造林密度對(duì)巒大杉幼林的綜合得分值有著顯著性影響，表明造林密度顯著影響著巒大杉的綜合表現(xiàn)；當(dāng)造林密度增加至3 000株·hm-2起，巒大杉綜合表現(xiàn)差異顯著。綜合不同造林密度的生長形質(zhì)與林分分化性狀表現(xiàn)，2 700株·hm-2造林密度有利于巒大杉大中徑材培育。

3 結(jié)論與討論

林木的生長與形質(zhì)形成除受到自身遺傳因素控制外，還受到外部環(huán)境的共同作用[14]。造林密度改變著個(gè)體生長環(huán)境與競爭狀況，必然導(dǎo)致林木生長形質(zhì)與個(gè)體分化的差異。科學(xué)合理的造林密度對(duì)于人工林培育十分重要。

本研究發(fā)現(xiàn)，造林密度影響著巒大杉的樹高、胸徑、冠幅、冠長率、單株材積、林分蓄積、胸高形數(shù)、枝下高、高徑比、圓滿度以及相對(duì)胸徑變異系數(shù)、Ⅲ級(jí)木以下與Ⅳ級(jí)木以下的株數(shù)比例等生長形質(zhì)與林分分化性狀，表明巒大杉生長形質(zhì)與分化存在造林密度效應(yīng)。綜合評(píng)價(jià)巒大杉生長形質(zhì)與林分分化表現(xiàn)，結(jié)果表明，2 700株·hm-2造林密度的巒大杉總體生長表現(xiàn)最好，有利于大中徑材的培育。此研究結(jié)果驗(yàn)證了造林密度不僅影響林木生長發(fā)育[2,5-10]，還影響林木干形與個(gè)體分化的研究結(jié)論[1]。

不同造林密度的巒大杉生長效應(yīng)表明，8年生巒大杉林分平均樹高、胸徑、冠幅與單株材積均隨造林密度增大呈現(xiàn)逐漸下降變化規(guī)律；這與前人在杉木(Cunninghamialanceolata)[8]、南方紅豆杉(Taxuswallichinavar.mairei)[1]與巒大杉[5-7]的研究結(jié)論一致。究其原因，隨造林密度的增加，一方面光照、養(yǎng)分的供給難以保證個(gè)體生長需求，另一方面?zhèn)€體間競爭加劇，加快個(gè)體自然整枝，樹冠整體上移，冠幅與冠長變小，植物光合能力下降。造林密度分別達(dá)到3 600、3 600、3 000、3 000株·hm-2時(shí)，顯著降低樹高、胸徑、冠幅與單株材積，表明隨年齡增長，巒大杉生長所需的地下、地上空間不斷增加，合理調(diào)控密度十分必要。巒大杉樹高、胸徑、冠幅、冠長率與單株材積以2 700株·hm-2造林密度表現(xiàn)最好。8年生巒大杉林分蓄積隨造林密度增大呈現(xiàn)逐漸增加變化規(guī)律，造林密度達(dá)到3 000株·hm-2起，顯著提高林分蓄積，這與前人在杉木的研究結(jié)論[9]相一致，表明高密度林分能夠更加有效地利用林地空間、整體光合作用能力增強(qiáng)，利于林分蓄積生長。2 700株·hm-2造林密度的巒大杉林分蓄積表現(xiàn)最低。8年生巒大杉單株材積與林分蓄積有著不同造林密度效應(yīng)，造林密度與單株材積呈負(fù)相關(guān)、與林分蓄積呈正相關(guān)，表明相較于單株材積，造林密度是幼齡期巒大杉林分蓄積主導(dǎo)因子，林分的蓄積量更大程度地受株數(shù)的作用,密度越大,蓄積量越大，與前人在杉木[9]、細(xì)葉桉[10]的研究結(jié)論一致。

造林密度顯著影響著巒大杉的圓滿度、冠長率、高徑比、枝下高、胸高形數(shù)等干形形質(zhì)性狀，驗(yàn)證了前人密度影響干形結(jié)論[1]。其原因可能是造林密度改變植株個(gè)體營養(yǎng)空間與林分郁閉時(shí)間，影響并改變同化物質(zhì)在林木生長過程中的分配模式[20]。8年生巒大杉的圓滿度、高徑比、枝下高、胸高形數(shù)均隨造林密度增加而增大，冠長率隨造林密度增加而變小，表明高密度林分利于干材圓滿、無節(jié)干材更長的干材培育，究其原因是高密度林分提前郁閉，促進(jìn)自然整枝、減少了側(cè)枝同化物質(zhì)分配，進(jìn)而增加主干的同化物質(zhì)分配，與前人在南方紅豆杉樹種研究結(jié)論[15,19]一致；造林密度分別達(dá)到3 000、3 600、3 000、3 600株·hm-2時(shí)，巒大杉圓滿度、高徑比、枝下高、胸高形數(shù)顯著增加，造林密度達(dá)到3 000株·hm-2時(shí)冠長率顯著降低。巒大杉的樹干通直度隨造林密度增加有所增加，但造林密度對(duì)巒大杉的樹干通直度無顯著性影響；4種造林密度間通直度得分值為4.70～4.80分，表明巒大杉樹干通直度高，干形通直、變幅小，受因造林密度不同導(dǎo)致差異生境影響較小，主要受遺傳物質(zhì)控制。造林密度對(duì)樹干尖削度無顯著性影響，表明巒大杉樹干尖削度穩(wěn)定性強(qiáng)，主要受遺傳物質(zhì)控制。研究結(jié)論認(rèn)為，巒大杉干形性狀表現(xiàn)是遺傳物質(zhì)控制和生境條件雙重因素共同作用的結(jié)果，驗(yàn)證了前人的研究結(jié)論[1，14，17-18]。研究結(jié)論認(rèn)為，巒大杉的樹干形質(zhì)除受到遺傳物質(zhì)控制以外，還受到不同造林密度形成差異生境的影響，其中圓滿度、高徑比、枝下高、胸高形數(shù)受影響作用較大。

造林密度顯著影響巒大杉相對(duì)胸徑(單木競爭指標(biāo))的變異系數(shù)、Ⅱ級(jí)木與Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例。相對(duì)胸徑的變異系數(shù)、Ⅱ級(jí)木與Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例均隨造林密度增大而逐漸提高，表明造林密度影響著巒大杉個(gè)體分化程度，驗(yàn)證了前人林分結(jié)構(gòu)存在著密度間差異的結(jié)論[1]。造林密度分別增大至3 000、3 300、3 000株·hm-2起，分別顯著增大了相對(duì)胸徑的變異系數(shù)、Ⅱ級(jí)木與Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例。造林密度為2 700株·hm-2時(shí)，巒大杉林分結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。造林密度為3 000～3 600株·hm-2時(shí)的巒大杉均出現(xiàn)Ⅳ、Ⅴ級(jí)木，林木間競爭與分化嚴(yán)重；Ⅲ～Ⅴ級(jí)木株數(shù)比例增加，說明小口徑木材增加，必將降低出材率，損害經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

研究結(jié)果表明，造林密度顯著影響著巒大杉生長形質(zhì)與個(gè)體分化的綜合表現(xiàn)(綜合得分值)。比較4種造林密度的巒大杉生長形質(zhì)表現(xiàn)與林分分化情況發(fā)現(xiàn)，2 700株·hm-2造林密度的巒大杉個(gè)體生長表現(xiàn)最優(yōu)，林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、分化較遲，有利于大中徑材培育；雖然2 700株·hm-2造林密度的圓滿度、高徑比、枝下高、胸高形數(shù)等較其他3種造林密度表現(xiàn)差，但其圓滿度為0.940，高徑比是75.90、枝下高3.23 m、胸高形數(shù)為0.566，均保持在較高水平、形質(zhì)良好；其他3種造林密度的林分蓄積雖然均高于2 700株·hm-2造林密度的，但相應(yīng)的Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例亦明顯增加，將降低出材率；本研究認(rèn)為培育巒大杉大中徑材的適宜密度為2 700株·hm-2，與前人的研究結(jié)論大致相同[5-7]。

鑒于2 700株·hm-2造林密度的8年生巒大杉Ⅲ級(jí)木以下株數(shù)比例達(dá)58.36%、枝下高達(dá)3.23 m、冠長率僅為0.698，建議及時(shí)撫育間伐，促進(jìn)生長。

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