巒大杉與杉木人工林的生長形質(zhì)、林分分化和空間利用比較1)

歐建德 吳志莊 康永武

(福建省明溪縣林業(yè)局，三明，365200) (國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心(浙江省竹子高效加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)) (福建省沙縣林業(yè)局)

引種用材樹種獲得高品質(zhì)木材和提高木材產(chǎn)量，已成為現(xiàn)代林業(yè)的重要組成部分[1]。提升林木干材品質(zhì)作為用材林經(jīng)營培育質(zhì)量的控制內(nèi)容，日益受到林學(xué)專家的重視[2-8]。森林的空間結(jié)構(gòu)與空間利用能力往往決定了林分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、森林生產(chǎn)力及發(fā)展?jié)摿9-11]。巒大杉(CunninghamiakonishiiHayata)又名香杉，原產(chǎn)于臺(tái)灣，巒大山木材紋理直、結(jié)構(gòu)細(xì)、生長迅速、樹干通直圓滿，是臺(tái)灣地區(qū)特有的優(yōu)良用材樹種[12-14]。福建、浙江等地在20世紀(jì)80年代開始引種巒大杉。當(dāng)前對(duì)引種巒大杉的研究主要集中在苗木、生長量、生長規(guī)律、造林密度和木材物理力學(xué)性質(zhì)等方面[15-22]，有關(guān)其干材形質(zhì)表現(xiàn)與空間利用能力方面的研究報(bào)道較少。為此，本文對(duì)福建國有來舟林業(yè)試驗(yàn)場31年生巒大杉試驗(yàn)林分進(jìn)行調(diào)查分析，系統(tǒng)分析巒大杉的生長形質(zhì)、空間利用與林分分化的表現(xiàn)，為提高巒大杉人工林分的培育和經(jīng)營水平提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在福建省國有來舟林業(yè)試驗(yàn)場的林坑工區(qū)。試驗(yàn)區(qū)屬中亞熱帶東南季風(fēng)型氣候，海拔110～160 m，年平均氣溫19.4 ℃，極端最高氣溫41.0 ℃，極端最低氣溫-6.5 ℃，無霜期290～310 d，年降水量1 800 mm，平均相對(duì)濕度80%以上。該區(qū)為丘陵山地，土壤為山地紅壤，土層厚度達(dá)1.0 m，土壤肥沃。林下植被主要為亞熱帶常綠闊葉樹種和蕨類植物，蓋度80%～90%，pH值為5.5。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以1988年3月營建巒大杉與杉木(Cunninghamialanceolata)試驗(yàn)林為研究對(duì)象，巒大杉種源來自臺(tái)灣省南投，杉木種源來自福建省來舟。巒大杉人工林采用臺(tái)灣引進(jìn)的巒大杉種子，在來舟林業(yè)試驗(yàn)場培育的1年生實(shí)生苗木造林；杉木人工林采用當(dāng)?shù)厣寄痉N子培育的1年生實(shí)生苗木造林。造林株行距為2 m×2 m，造林后，連續(xù)撫育4 a，前3 a于每年5、9月份各撫育1次，造林4 a后，在9月份全面劈草1次。試驗(yàn)林分別于1994年、2002年和2008年撫育間伐，前2次間伐強(qiáng)度均為25%，第3次間伐強(qiáng)度為15%。期間其他管護(hù)措施一致。2017年11月，分別在試驗(yàn)地的陽坡的下坡位隨機(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)。

2.2 數(shù)據(jù)調(diào)查與指標(biāo)計(jì)算

2017年11月份采用常規(guī)方法在標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每木調(diào)查，分別調(diào)查樹高、胸徑、枝下高、東西和南北冠幅。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地分別選擇5株生長正常標(biāo)準(zhǔn)木，并將標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，分別測量樹高以及距離樹干基部、20、50、100、130 cm處帶皮直徑；另外，將伐倒木按1 m進(jìn)行分段，測量相應(yīng)區(qū)分段東西南北4個(gè)方向的帶皮直徑。

單株材積：根據(jù)鮑曉紅等[23]的計(jì)算方法，巒大杉單株材積(V)=0.000 081 8D1.729 8H1.044 6；杉木單株材積(V)=0.000 058 061 860D1.955 335 1H0.894 033 04計(jì)算。式中：D為胸徑，H為樹高。

分級(jí)木劃分標(biāo)準(zhǔn)：按照單木相對(duì)胸徑(d)大小劃分。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。以樣地為統(tǒng)計(jì)單元，分別計(jì)算相對(duì)胸徑各分級(jí)木比例[20,24-25]。

形質(zhì)性狀：枝下高比例=枝下高/樹高；胸高形數(shù)f=V/(g×H)(f為胸高形數(shù)，V為材積，g為胸高斷面積，H為樹高)[3,8]。

樹冠特征：樹冠長度(CL)=樹高-枝下高；冠長率=樹冠長度/樹高[3]；平均冠幅=(東西冠幅+南北冠幅)/2；樹冠圓滿度(CFR)=平均冠幅/冠長[26]。

2.3 干形曲線擬合與干形質(zhì)量評(píng)價(jià)

用改進(jìn)可變指數(shù)削度方程對(duì)樹木干形曲線研究與干材質(zhì)量評(píng)價(jià)[28-30]，改進(jìn)可變指數(shù)削度方程表達(dá)式為[24]：d/D=b1Db2(1-z)b3z2+b4z+b5。式中：d為相對(duì)高度Z處的樹干帶皮直徑；D為帶皮胸徑；Z為相對(duì)高度；b1、b2、b3、b4、b5為待定參數(shù)，其中，b1、b2、b3、b5>0，b4<0；隨著樹干的形狀變化的可變化參數(shù)r，r=b3z2+b4z+b5。

樹木干形指標(biāo)：樹木根部削度(r0.02、r0.10兩個(gè)水平)和頂端削度(r0.90)，分別代表z值為0.02、0.10和0.90時(shí)的可變化參數(shù)r值；干形變化影響點(diǎn)(Zr=1)，r值為1時(shí)，樹木的相對(duì)高度看作樹干根部形狀從凹曲線體向拋物線體和近圓錐體變化的臨界點(diǎn)，Zr=1是指r=1時(shí)的Z的最小值；拋物線體、圓柱體和近圓錐體所占比例(Zr<1)，可變參數(shù)小于1時(shí)，相對(duì)高度范圍是樹干形狀為拋物線體和圓柱體所占的范圍，Zr<1是指r<1時(shí)Z值間差值；最小可變參數(shù)(rmin)可以用來比較樹干形狀的變化，最小可變參數(shù)所在的相對(duì)高度(Zrmin)也可以分析干形的變化[28-29]。

2.4 數(shù)據(jù)處理與作圖

采用Excel2003和SPSS21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)木比例按x=asin(x)轉(zhuǎn)化后分析差異性水平。采用t檢驗(yàn)法進(jìn)行差異性水平分析。采用SPSS21.0軟件進(jìn)行改進(jìn)可變指數(shù)削度方程模型求解。采用Excel2003進(jìn)行作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 巒大杉與杉木生長性狀

由表1可知，巒大杉與杉木人工林分的林分密度無顯著差異，表明本試驗(yàn)地的巒大杉與杉木人工林分密度是一致的。在31年生人工林平均胸徑、樹高、單株材積和林分蓄積等生長性狀上，巒大杉較杉木的增長幅度分別為7.09%、12.71%、33.95%、32.37%，巒大杉較杉木有著明顯的胸徑、樹高和材積生長優(yōu)勢；樹種間的胸徑、樹高、單株材積和林分蓄積的差異均達(dá)顯著性水平，說明在同一立地生境和林分密度條件下，巒大杉較杉木人工林有著顯著的速生豐產(chǎn)性能，表明在該地區(qū)引種的巒大杉表現(xiàn)出生長的適應(yīng)性。

表1 巒大杉與杉木人工林生長形質(zhì)性狀

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，同列不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)。

3.2 巒大杉與杉木干材品質(zhì)

枝下高比例與枝下高直接關(guān)系無節(jié)良材長度比例與長短，胸高形數(shù)是重要干形指標(biāo)，均是衡量干材形質(zhì)重要性狀指標(biāo)[3,8]。

由表1可知，巒大杉枝下高雖然高于杉木約0.8 m,但樹種間無顯著差異；樹種間的枝下高比例存在著顯著性差異，表明樹種間的無節(jié)良材長度比例有顯著差別。巒大杉枝下高比例顯著小于杉木，減少幅度為7.48%，巒大杉蓄積量超過杉木32.37%，說明巒大杉預(yù)期無節(jié)良材材積和比例均比杉木大，經(jīng)濟(jì)價(jià)更高值；巒大杉枝下高雖然較高，但枝下高比例反而較低，這是由于巒大杉樹高生長速度快，且自然整枝能力較弱共同作用的結(jié)果。巒大杉的胸高形數(shù)顯著高于杉木，表明巒大杉的干形更加飽滿、整株干材質(zhì)量優(yōu)于杉木。

由于枝下高、枝下高比例與胸高形數(shù)不能很好且直觀地反映干形空間變化，為此，分別擬合巒大杉與杉木干形曲線數(shù)學(xué)模型(見表2)，并依模型繪制樹干形狀(見圖1)和可變參數(shù)r的變化圖(見圖2)，計(jì)算出相應(yīng)的r0.02、r0.1、r0.9、Zrmin、rmin、Zr=1、Zr<1等干形指標(biāo)值(見表3)。

表2巒大杉與杉木改進(jìn)可變指數(shù)削度方程參數(shù)估計(jì)值和擬合統(tǒng)計(jì)量

樹種b1b2b3b4b5r2殘差平方和巒大杉2.115-0.1722.274-3.3241.9280.9721.761杉木2.134-0.1712.165-3.2011.9450.9593.002

表3 巒大杉與杉木人工林干形指標(biāo)值

結(jié)果表2顯示，兩樹種干形曲線模型的r2值分別為0.972、0.959，符合統(tǒng)計(jì)分析的要求，擬合結(jié)果良好，表明該模型適用于巒大杉與杉木的干形曲線擬合。

由圖1可知，樹干形狀，除在樹干中段部分(相對(duì)高度0.3～0.6)的樹種間的干形變化基本一致外，其余部分樹干形狀有所差異。主要差異有：在整株相對(duì)直徑變化幅度方面，巒大杉較杉木明顯收窄，表明巒大杉的干形削度較小；在樹干基部(相對(duì)高度0～0.3)與樹干上部(相對(duì)高度0.6～1.0)兩個(gè)區(qū)段間的干形削度，杉木比巒大杉有所擴(kuò)大。

由圖2可知，巒大杉的可變參數(shù)r曲線位于杉木曲線下方，說明巒大杉較杉木有著更優(yōu)的干材品質(zhì)。

由表3可知，巒大杉的根部參數(shù)值小于杉木，說明在根部干形與削度，巒大杉干形削度較小，干形優(yōu)于杉木；巒大杉頂梢參數(shù)值(r0.9)為0.778，小于杉木的0.818，在頂梢部分削度與干形表現(xiàn)方面，巒大杉優(yōu)于杉木，與樹干形狀差異結(jié)果一致。巒大杉的干形變化影響點(diǎn)(0.376)小于杉木(0.408)，說明巒大杉樹干根部形狀從凹面體向拋物線體轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)位置較低，下調(diào)約0.032相對(duì)高度；巒大杉的Zr<1=0.624，大于杉木Zr<1=0.592，說明樹干形狀呈現(xiàn)拋物線體、圓柱體和近圓錐體范圍有所增大，干形形狀較優(yōu)；巒大杉可變參數(shù)r的最小值(rmin=0.713)小于杉木(rmin=0.762)，說明巒大杉的干形比杉木干形更接近于圓柱體和拋物線體；巒大杉的最小可變參數(shù)所在的相對(duì)高度(Zrmin=0.731)小于杉木(Zrmin=0.739)，說明可變參數(shù)r最小值出現(xiàn)在樹干的位置，巒大杉比杉木更低。

圖1 巒大杉與杉木人工林模型擬合的樹干形狀

圖2 巒大杉與杉木人工林可變參數(shù)(r)的變化

綜合兩樹種間的標(biāo)準(zhǔn)木干形以及可變參數(shù)(r)，在相同立地生境與林分密度條件下，巒大杉比杉木有著較小的削度、較優(yōu)的干形以及更優(yōu)的干材品質(zhì)，這與胸高形數(shù)指標(biāo)反映的結(jié)果相一致。

3.3 巒大杉與杉木林分分化

表4顯示，巒大杉與杉木人工林分的分級(jí)木類型主要有Ⅰ～Ⅳ級(jí)木，均未出現(xiàn)Ⅴ級(jí)木。在Ⅰ級(jí)木和Ⅳ級(jí)木比例方面，巒大杉較杉木均有所增加，分化略大，但有利于選擇優(yōu)良單株，但樹種間的Ⅰ級(jí)木和Ⅳ級(jí)木比例差異未達(dá)到顯著性水平；在Ⅱ級(jí)木和Ⅲ級(jí)木比例方面，巒大杉較杉木均有所下降，但樹種間的Ⅱ級(jí)木和Ⅲ級(jí)木比例差異未達(dá)到顯著性水平；從樹種間的分級(jí)木類型與比例說明，31年生的巒大杉與杉木整體分級(jí)木的分化水平大致相似，林分分化程度與狀態(tài)相當(dāng)。

表4 巒大杉與杉木人工林各分級(jí)木的比例

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，同列不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)。

3.4 巒大杉與杉木空間利用能力

樹冠作為林木光合作用的主要器官，是評(píng)價(jià)樹種的空間結(jié)構(gòu)與空間利用能力的指標(biāo)。本研究選擇冠長、冠長率、冠幅、樹冠表面積、樹冠體積、生長空間競爭指數(shù)與生長空間指數(shù)等7個(gè)指標(biāo)對(duì)樹種之間空間利用能力進(jìn)行比較[31-32]。

由表5可知，巒大杉的冠長、冠長率和冠幅顯著高于杉木的相應(yīng)性狀，增幅分別為55.89%、36.26%、23.91%，表明在相同的生境與林分密度條件下，巒大杉人工林較杉木有著更長冠長、冠長率和冠幅；巒大杉的樹冠表面積、樹冠體積均顯著大于杉木相應(yīng)性狀，增幅分別為84.67%、143.62%，表明巒大杉較杉木有著更大的樹冠表面積和樹冠體積。

表5 巒大杉與杉木人工林樹冠特征的表現(xiàn)

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，同列不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)。

為排除因胸徑生長導(dǎo)致樹冠體積和樹冠表面積差異影響，本研究以生長空間指數(shù)與生長空間競爭指數(shù)兩個(gè)性狀指標(biāo)，比較樹種間空間利用能力。生長空間指數(shù)值越大說明樹冠空間占據(jù)越大，對(duì)空間的利用率越好；生長空間競爭指數(shù)值越小，反映單位胸高斷面積所需的樹冠表面積越小，樹冠接受光面積越小，林木生長空間越差[10]。

樹種間的生長空間指數(shù)與生長空間競爭指數(shù)均存在著顯著性差異，巒大杉的生長空間指數(shù)和生長空間競爭指數(shù)分別較杉木顯著增大了125.49%、54.79%，表明巒大杉較杉木有著更好的空間利用能力，同時(shí)說明在后期生長階段，巒大杉有著更好的生長潛力與可能。

在相同立地生境和林分密度條件下，巒大杉較杉木有著更加發(fā)達(dá)二維和三維立體樹冠冠體、更強(qiáng)的空間利用與光合作用能力，這是巒大杉較杉木速生豐產(chǎn)的重要內(nèi)因，也與巒大杉生長的表現(xiàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。

巒大杉樹冠圓滿度顯著小于杉木，表明巒大杉樹冠形狀較杉木更加狹長。究其原因，巒大杉比杉木有著更加發(fā)達(dá)的樹冠冠體，個(gè)體間樹冠的側(cè)方蔭蔽更加強(qiáng)烈有關(guān)；為適應(yīng)這種嚴(yán)重的蔭蔽條件，巒大杉采用狹長的樹冠形狀響應(yīng)策略以獲取充足的光照。

4 結(jié)論與討論

以杉木為對(duì)照，從生長、林分分化、干材形質(zhì)、干形曲線和地上空間利用方面，較系統(tǒng)地分析了引種的31年生巒大杉的適應(yīng)性，及其干材品質(zhì)、空間利用能力等。結(jié)果表明，福建省引種的巒大杉能夠很好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，表現(xiàn)出良好的速生豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性能和空間利用能力，說明引種是成功的，可在同類生境地區(qū)推廣造林。

31年生巒大杉試驗(yàn)林分的平均胸徑、樹高和單株材積均顯著高于杉木，年平均蓄積生長量高達(dá)20.066 4 m3·hm-2，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的生長適應(yīng)性；巒大杉的無節(jié)良材長度達(dá)17.05 m，無節(jié)良材長度比例達(dá)0.767、胸高形數(shù)達(dá)0.505 0，且干形形質(zhì)優(yōu)于杉木；巒大杉的冠幅、冠長、冠長率、樹冠體積和表面積分別為5.08 m、5.16 m、0.233、35.45 m3、46.63 m2，有著發(fā)達(dá)的樹冠；31年生巒大杉的生長空間競爭指數(shù)、生長空間指數(shù)分別未0.133 m2·cm-2、1.495 m3·cm-1，具有良好的地上空間利用能力。

樹種間生長結(jié)果表明，31年生巒大杉人工林分平均樹高、胸徑、冠幅、單株材積與林分蓄積均顯著大于杉木，這與前人的結(jié)論[16-18]相驗(yàn)證。31年生樹種間的分級(jí)木類型相同，各分級(jí)木比例無顯著差異，說明樹種間的林分分化狀態(tài)一致；31年生巒大杉人工林分胸高形數(shù)均顯著高于杉木，有著更多的無節(jié)良材產(chǎn)量和更優(yōu)的干形品質(zhì)；巒大杉的枝下高比例為0.767，顯著小于杉木，這與巒大杉有著更加發(fā)達(dá)的樹冠，其冠長及冠長率均較高有關(guān)；巒大杉較杉木有著更小的削度、更優(yōu)的干形與干材品質(zhì)。巒大杉冠幅、冠幅、冠長率、樹冠體積、樹冠表面積、生長空間指數(shù)與生長空間競爭指數(shù)均顯著大于杉木，表明31年生巒大杉比杉木有著更充分的地上生長空間和更強(qiáng)的空間利用能力；巒大杉的樹冠圓滿度顯著小于杉木，樹冠形狀較杉木更加狹長以適應(yīng)相對(duì)蔭蔽的生境。

改進(jìn)可變指數(shù)削度方程很好地?cái)M合巒大杉與杉木的干形變化，這與前人在其他樹種方面的研究結(jié)論一致[28-29]。鑒于試驗(yàn)地的巒大杉的生長形質(zhì)與空間利用能力的優(yōu)良表現(xiàn)，且可以自然正常結(jié)實(shí)，建議開展后續(xù)的遺傳改良研究。