南亞熱帶杉木人工林材種結(jié)構(gòu)長期立地與密度效應(yīng)

郭光智，段愛國，張建國＊，廖樹壽

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京， 100091；2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京， 210037；3. 濰坊市林業(yè)局，山東 濰坊， 261041；4. 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 憑祥， 532600)

國際上工業(yè)人工林培育往往基于遺傳控制、立地控制、密度控制等3大控制技術(shù)，實(shí)行生態(tài)系統(tǒng)管理。在盛煒彤[1]提出的人工林育林技術(shù)體系中，密度及立地控制起著基礎(chǔ)且重要的作用。選擇適宜的初植密度或保留密度，可有效掌控林分空間競爭格局，調(diào)整林木競爭態(tài)勢，調(diào)控林分生長過程[2]。以往關(guān)于密度控制的研究多側(cè)重于不同保留密度對林分水平蓄積、生物量及林下植被等的影響[3-9]。立地控制的相關(guān)研究主要反映在立地定性或數(shù)量化評價及指示性指標(biāo)優(yōu)勢木平均高生長曲線簇[1,10]。

杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）是我國南方亞熱帶特有優(yōu)良速生鄉(xiāng)土用材樹種[11-12]，杉木林立地與密度效應(yīng)研究開展較早，主要集中在密度或立地控制下林分樹高、胸徑、材積、自然稀疏、生長模擬預(yù)測等響應(yīng)研究[13-16]。劉景芳和童書振對杉木中帶、南帶、北帶林分材種結(jié)構(gòu)的密度與立地早期作用規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析[17]，發(fā)現(xiàn)造林密度及立地指數(shù)顯著作用于杉木林材種分布。但已有研究多基于臨時樣地或林分生長的中幼齡階段，且研究區(qū)域主要為中亞熱帶[18]，而在同樣為杉木主產(chǎn)區(qū)的南亞熱帶，杉木林材種結(jié)構(gòu)的長期密度與立地效應(yīng)研究一直未見報(bào)道。鑒于此，基于廣西憑祥36 a生杉木密度試驗(yàn)林定位觀測數(shù)據(jù)，對其林分材種結(jié)構(gòu)的密度與立地效應(yīng)進(jìn)行了研究，以期揭示南亞熱帶杉木林材種結(jié)構(gòu)的長期密度與立地作用規(guī)律，為杉木林定向培育提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣西憑祥市境內(nèi)中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波林場（106°43′ E，22°06′N），屬北熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，濕潤半濕潤氣候。光熱條件極好，降水充沛，但夏濕冬干。年平均氣溫19.9 ℃，年降水量1 400 mm，年蒸發(fā)量1 200 mm。海拔500 m，地貌主要為低山，坡度25～30°。土壤以發(fā)育在花崗巖等母質(zhì)上的紅壤為主，土層厚度大于1 m。林下植被主要有大沙葉（Aporosa chinensis（Champ.）Merr.）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa（Ait.）Hassk.）、金毛狗脊（Cibotium barometz（L.）J. Sm.）和鐵線蕨（Adiantum capillus-veneris Linn.）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 杉木密度試驗(yàn)林于1982年春采用廣西當(dāng)?shù)胤N源1 a生杉木裸根苗營造，5種初植密度，分別為 1 667、3 333、5 000、6 667、10 000株·hm-2（株行距分別為2.0 m×3.0 m、2.0 m×1.5 m、2.0 m×1.0 m、1.0 m×1.5 m、1.0 m×1.0 m，分別記為A、B、C、D、E）。采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個密度設(shè)置3塊樣地（A1、A2、A3，B1、B2、 B3， C1、 C2、 C3， D1、 D2、 D3， E1、 E2、E3），共15塊樣地，每塊樣地面積600 m2。每個小區(qū)周圍各栽植2行同密度的杉木作為保護(hù)帶。1.2.2 測樹因子調(diào)查 在杉木固定樣地內(nèi)，對每株杉木掛牌記號，每年生長停止后調(diào)查。林分1982—1991年逐年調(diào)查，1991年后分別于1993、1994、 1995、 1997、 1999、 2003、 2005、 2007、2009、2015年進(jìn)行了調(diào)查。3～4 a生時，每年測定每木樹高；5～6 a生時，每年測定每木樹高、胸徑、冠徑及樹高達(dá)1.3 m以上的胸徑（D1.3）；7 a生開始，每年測量每木樹高、胸徑、冠徑及枝下高；10 a生開始，除檢尺每木胸徑外，每個小區(qū)改測50株樹高、冠徑和枝下高。在每個小區(qū)的上、中、下坡位各選2株優(yōu)勢木，將這6株優(yōu)勢木的平均高作為林分優(yōu)勢高，如上一觀測年度選定的優(yōu)勢木枯死或缺失，則在其附近另擇一株上層木作為替補(bǔ)；20 a生時，以6株優(yōu)勢木平均高作為小區(qū)立地指數(shù)級值，以2 m為1個樹高級距，整化為立地指數(shù)級。截至2015年，連續(xù)定位測定至36 a生，期間未間伐。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析處理 數(shù)據(jù)處理軟件采用EXCEL、SPSS19，圖形制作采用SigmaPlot10.0。胸徑以2 cm為1個徑階，林分平均胸徑采用林分?jǐn)嗝娣e平方平均直徑，林分平均樹高采用林分內(nèi)測得樹高的算術(shù)平均高。平均單株材積計(jì)算采用部頒杉木二元立木材積表經(jīng)驗(yàn)式：

平均單株材積乘以株數(shù)，即為小區(qū)材積，然后換算為每公頃總材積?？偛姆e包含活立木材積、枯損木材積，又分別包括用材、薪材及廢材，用材包括大徑材（LT）、中徑材（MW）、小徑材（SW）和小條木（LNT）。

對于相同初植密度、相同立地指數(shù)級的林分，根據(jù)需要采取平均化處理。B1和B3的平均值B1-3代表16立地指數(shù)級B密度，C1和C3的平均值C1-3代表16指數(shù)級C密度。

參照材種的劃分標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合推算經(jīng)驗(yàn)公式[17]：D1.3≥26徑階為大徑材，24徑階≥D1.3≥18徑階為中徑材，16徑階≥D1.3≥10徑階為小徑材，8徑階≥D1.3≥6徑階為小條木，將各小區(qū)不同林齡林分大、中、小徑材及小條木等各立木株數(shù)和徑階材積分別歸并。參照林分立木材種按徑階大小的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)和過渡徑階的處理辦法[17]，分別計(jì)算各徑階立木出材量，并按各材種進(jìn)行歸并。文中材種材積比例系在用材中比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 10立地指數(shù)級不同初植密度林分材種株數(shù)與材積分布的密度效應(yīng)

圖 1、圖 2分別描述了 10立地指數(shù)級C2、E2材種株數(shù)及材積比例分布的動態(tài)變化。由圖可見，11～36 a生期間，C2、E2中、小徑材株數(shù)與材積比例均隨林齡增長而遞增，且小徑材增長速度較快；C2小條木株數(shù)與材積比例、E2小條木材積比例一直呈下降趨勢。C2、E2均未形成大徑材，中徑材分別形成于18 a、24 a生。在林分生長后期，林齡相同時，小徑材、小條木、中徑材材積比例依次降低，且C2小徑材材積比例超過小條木材積比例的時間比E2早8 a。36 a生時，C2、E2小徑材材積比例分別為70.81%、61.35%，中徑材材積比例分別為14.44%、13.89%。顯然，10指數(shù)級立地短周期經(jīng)營時只能培育小徑材及小條木。

圖 1 C2材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 1 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of C2 timber assortments

圖 2 E2材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 2 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of E2 timber assortments

2.2 14立地指數(shù)級不同初植密度林分材種株數(shù)與材積分布的密度效應(yīng)

圖3、圖4、圖5分別描述了14立地指數(shù)級A、B、D 3種初植密度林分材種株數(shù)及材積比例分布的動態(tài)變化。由圖可見，A1、B2、D3小條木株數(shù)與材積比例均隨林齡增長而遞減，隨密度增大而增加，11 a生時小條木株數(shù)比例分別為36.0%、62.0%、66.6%，至36 a生時分別降至0、2.74%、13.39%，而材積比例則由18.27%、45.13%、67.42%分別降至0、0.70%、3.25%。

小徑材株數(shù)及材積比例均隨林齡增長呈先增后降的趨勢，A1、B2、D3小徑材株數(shù)比例分別于14、28、28 a生時達(dá)到峰值67.00%、73.27%、58.17%，之后下降，36 a生時分別微降至49.06%、67.12%、54.33%；其材積比例分別于12、18、18 a生時達(dá)到峰值82.57%、75.87%、69.42%，到36 a生時分別降至29.15%、44.20%、45.17%。

中徑材株數(shù)及材積比例均隨林齡增長呈明顯上升趨勢，均隨初植密度增大而降低。A1、B2、D3中徑材分別形成于11、14、18 a生，株數(shù)比例分別從11 a生時的1.00%、0.51%、0.83%增至36 a生時的33.96%、26.03%、21.26%，相應(yīng)材積比例增幅大于株數(shù)比例，分別由2.74%、1.82%、2.98%增至45.39%、43.19%、37.21%。

大徑材株數(shù)和材積比例均隨林齡增長而增加，A1、B2、D3分別于24、26、28 a生出現(xiàn)一定比例大徑材，初植密度愈低大徑材形成愈早、比例愈大。36 a生時，A1、B2、D3大徑材株數(shù)比例分別僅為9.43%、4.11%、3.94%，材積比例分別為25.46%、11.90%、14.37%。

圖 3 A1材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 3 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of A1 timber assortments

圖 4 B2材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 4 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of B2 timber assortments

圖 5 D3材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 5 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of D3 timber assortments

可見，14指數(shù)級立地若采用A密度造林或可培育少量大徑材，36 a生時大徑材株數(shù)比例不到10%，材積比例雖達(dá)25%但約11%的最大增幅是在30～36 a生期間，且材積最大分布率徑階均未超過16徑階，故更宜培育中、小徑材。

2.3 16立地指數(shù)級不同初植密度林分材種株數(shù)與材積分布的密度效應(yīng)

圖6至圖10分別描述了16立地指數(shù)級A、B、C、D、E 5種初植密度林分材種株數(shù)及材積比例分布的動態(tài)變化。從圖中可以看出，5種密度林分小條木株數(shù)與材積比例總體隨林齡增長而遞減，遞減速度隨密度增大而減緩，且在林分成熟期比例較低。小徑材株數(shù)比例受初植密度影響較大，A、B、C密度林分小徑材株數(shù)比例隨林齡增長表現(xiàn)為先增后減趨勢，D密度林分下降不明顯，E密度林分則在后期略有增加。A、B、C、D密度林分小徑材株數(shù)比例分別在14、26、24、28 a生時達(dá)到峰值76.00%、68.69%、63.61%、66.67%。5種密度

圖 6 A3材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 6 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of A3 timber assortments

圖 7 B1-3材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 7 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of B1-3 timber assortments

圖 8 C1-3材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 8 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of C1-3 timber assortments

中徑材株數(shù)和材積比例總體趨勢均為隨林齡增長而增加。A、B、C、D、E密度林分中徑材形成時間隨密度降低而提早，分別為11、12、12、14、16 a生。36 a生時，D、E、B、C、A密度林分中徑材株數(shù)比例依次增加，分別為21.98%、29.41%、31.21%、36.62%、38.27%，總體表現(xiàn)為初植密度愈低中徑材比例愈高；中徑材材積比例則D、E、B、A、C密度林分依次增加，分別達(dá)31.65%、44.90%、45.81%、46.16%、47.59%。

圖 10 E1材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 10 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of E1 timber assortments

大徑材株數(shù)和材積比例隨林齡增長而增加，初植密度越低則大徑材愈早形成，A、B、C、D、E密度林分大徑材形成時間分別為24、26、24、28、28 a生；36 a生時大徑材株數(shù)比例分別為12.35%、5.90%、7.73%、6.59%、3.92%，材積比例分別為26.79%、13.27%、19.04%、23.21%、10.64%，總體表現(xiàn)為密度越低，大徑材株數(shù)及材積比例越大。

16指數(shù)級立地適宜培育中徑材，且中低初植密度林分的中徑材比率更高，C密度即5 000株·hm-2林分的中徑材比例最高；長周期經(jīng)營時，也可培育大徑材，但初植密度要低，36 a生時最低的A初植密度林分大徑材比例可超過26%。

2.4 18立地指數(shù)級不同初植密度林分材種株數(shù)與材積分布的密度效應(yīng)

圖11、圖12、圖13分別描述了18立地指數(shù)級A2、D1、E3材種株數(shù)及材積比例的動態(tài)變化。從圖中可以看出，A2、D1、E3小條木株數(shù)和材積比例均隨林齡增長而下降，在林分生長中后期非常少。A2、D1、E3小徑材株數(shù)比例分別在12、18、28 a生時達(dá)到最大值77.78%、60.84%、53.23%，到36 a生時分別降至33.90%、37.50%、46.15%；小徑材材積比例則分別于11、14、18 a生時達(dá)到最大值79.86%、76.15%、66.41%，到36 a生時分別降至16.22%、20.17%、24.72%，小徑材株數(shù)比例較材積比例變動幅度小，達(dá)到峰值的時間分別晚1、4、10 a生；初植密度愈大，小徑材材積比例下降幅度愈大且在成熟期越小。

中徑材株數(shù)和材積比例在18指數(shù)級立地具有較復(fù)雜變化，A2、D1、E3中徑材株數(shù)比例在30 a生前隨林齡增長而增加，僅A2在30 a生后略有下降；中徑材材積比例均隨林齡增長先增后降，且初植密度越小達(dá)到最高值越早，下降趨勢亦越明顯。A2、D1、E3中徑材株數(shù)比例在36 a生時分別為38.98%、42.19%、35.38%；中徑材材積比例則分別在20、28、30 a生時達(dá)到峰值 52.29%、50.02%、45.43%，均接近或超過50%。

圖 11 A2材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 11 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of A2 timber assortments

圖 12 D1材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 12 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of D1 timber assortments

圖 13 E3材種株數(shù)和材積比例分布的動態(tài)變化Fig. 13 Number of trees and volume proportions distribution dynamic changes of E3 timber assortments

大徑材株數(shù)和材積比例均隨林齡增長而增加，材積比例較株數(shù)比例增長趨勢更明顯。A2、D1、E3大徑材分別形成于18、24、20 a生，36 a生時株數(shù)比例分別達(dá)27.12%、20.31%、12.31%，材積比例分別達(dá)48.29%、38.01%、31.56%。顯然，初植密度越低，大徑材比例越高，且增長趨勢愈明顯?？梢姡?8指數(shù)級立地培育中徑材潛力很大；但更適宜培育大徑材，若初植密度在1 667株·hm-2，輪伐期延長至36 a時大徑材材積比例可接近50%。

3 討論

人工林分的材種結(jié)構(gòu)與立地、密度和林齡的關(guān)系密切[19-22]。已有研究表明，中亞熱帶區(qū)域不同初植密度的杉木林分徑級分布差異明顯。隨林齡增長和林分經(jīng)營密度逐漸降低，杉木林徑級分布逐步向大徑木方向偏移，導(dǎo)致出材率與出材量變動，規(guī)格材結(jié)構(gòu)因而發(fā)生變化[7,13,18-19,23-24]，本研究發(fā)現(xiàn)這種變化與南亞熱帶區(qū)域杉木林材種分布發(fā)展動態(tài)一致，且不同初植密度林分材種分布動態(tài)存在明顯差異。假定輪伐期足夠長，南亞熱帶一定立地條件下杉木林分潛在最高規(guī)格材種總會隨初植密度降低而更早出現(xiàn)，且材積比例更高，而適宜培育材種（一般指材積比例最大或較大的材種）往往是中低密度更有利于形成。中、大徑材材積比例在較低初植密度時更大，這與規(guī)格材數(shù)量隨密度增大而下降的早期研究結(jié)果統(tǒng)一[25-27]。

立地質(zhì)量是人工林生產(chǎn)力高低的主要前提及控制因子。對南亞熱帶馬尾松的研究表明，在18～20指數(shù)級立地培育大、中徑材，以初植密度1 667 株·hm-2最優(yōu)[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，10～18 指數(shù)級范圍內(nèi)不同立地適宜培育的杉木材種大小、結(jié)構(gòu)、成材早晚與峰值均存在明顯差異，且立地效應(yīng)大小受初植密度高低的影響，立地質(zhì)量對初植密度較低林分的材種結(jié)構(gòu)具有更大的作用效果。立地指數(shù)顯然對杉木中、大徑級材種的形成具有決定性影響，立地指數(shù)愈高，初植密度越低，適宜培育的材種規(guī)格愈大，而立地指數(shù)過低，無論密度如何調(diào)控，在培育期限內(nèi)無法生產(chǎn)出較大規(guī)格的材種。

4 結(jié)論

基于廣西憑祥36 a生杉木密度試驗(yàn)林定位觀測數(shù)據(jù)，對南亞熱帶杉木人工林林分材種結(jié)構(gòu)的長期密度與立地作用規(guī)律進(jìn)行了研究，得到如下主要結(jié)論：

杉木林材種形成存在明顯的立地與密度的交互作用，立地質(zhì)量具決定性作用，而培育高規(guī)格材種時初植密度亦可成為關(guān)鍵限制因素。

在杉木南帶產(chǎn)區(qū)，10指數(shù)級立地短周期經(jīng)營時只適宜培育小徑材及小條木，如經(jīng)營周期延長則宜培育小徑材，且初植密度不宜過大。14指數(shù)級立地適宜培育中、小徑材，若以中徑材為第一培育材種時初植密度宜低，而以小徑材為第一培育材種時初植密度可略高。16指數(shù)級立地適宜培育中徑材，且中低初植密度林分的中徑材比例較高，C密度即5 000株·hm-2林分的中徑材比例最高，約48%；長周期經(jīng)營時最低A初植密度即1 667株·hm-2林分大徑材比例可超過26%。18指數(shù)級立地中徑材生產(chǎn)潛力很大，但更宜培育大徑材，且初植密度宜控制在A密度，輪伐期延長至36 a生時大徑材材積比例可接近50%。