間伐強(qiáng)度對(duì)杉木中齡林生長和結(jié)構(gòu)的影響

鄭鳴鳴， 任正標(biāo)， 王友良， 宋重升， 林開敏， 陳志云

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建福州350002；2.國家林草局杉木工程技術(shù)研究中心，福建福州350002；3.順昌埔上國有林場，福建順昌353205)

杉木[Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.]為我國特有的南方重要速生用材樹種，生長快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好、用途廣、經(jīng)濟(jì)效益高，在南方各省(區(qū))廣為種植[1]。經(jīng)過多年的杉木栽培技術(shù)體系研究，其經(jīng)營水平有了明顯提高，并取得了重要成果[2-4]，但在杉木人工林長期經(jīng)營過程中，由于過度追求速生豐產(chǎn)以及培育目標(biāo)不明確，造成材種供給結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡，中、小徑材多，而大徑材少，直接影響了杉木林的經(jīng)營效益和木材的有效供給。特別是隨著人們生活水平的提高，對(duì)杉木木材的需求發(fā)生了極大的變化，木材需求正朝著多樣化、高值化、高端化方向發(fā)展，對(duì)大徑材的需求量越來越大[5]，而木材市場中大徑材較為短缺，并且這種狀況有越來越嚴(yán)重的趨勢。因此，大力發(fā)展杉木大徑材定向培育已成為杉木人工林發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。

撫育間伐作為人工林培育中一個(gè)重要經(jīng)營措施，是人工林密度控制技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，一直受到較多學(xué)者的高度關(guān)注和研究[6-10]?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，間伐對(duì)杉木生長特性的影響是多方面的，主要表現(xiàn)在胸徑、樹高、冠幅、枝下高、高徑比、斷面積、單株材積、蓄積量以及出材量等方面[11-15]，不同的間伐強(qiáng)度對(duì)人工林生長也有不同的影響[16-17]，但是這些研究大多是基于在傳統(tǒng)杉木人工林培育中，由于一味追求速生豐產(chǎn)，撫育間伐普遍存在間伐強(qiáng)度偏小，保留密度較大的現(xiàn)象，而對(duì)于較高的立地條件和低保留密度的杉木大徑材定向培育背景下，間伐對(duì)杉木人工林的生長和結(jié)構(gòu)的影響還相對(duì)較為薄弱。有鑒于此，在杉木大徑材培育目標(biāo)下，以12年生杉木中齡林為研究對(duì)象，不同間伐強(qiáng)度對(duì)杉木人工林的生長和結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究，希望為杉木大徑材的定向高效培育提供一定的科學(xué)理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)

1 試驗(yàn)地概況

樣地位于福建省邵武市洪墩林業(yè)采育場(117°22′～117°31′E， 27°18′～27°24′N)， 屬福建北部武夷山脈山區(qū)，中亞熱帶季風(fēng)，年平均氣溫18.0℃，年平均降水量1 700 mm。土壤偏紅壤(主要發(fā)育在花崗巖、斑巖母質(zhì)和砂巖上)。試驗(yàn)地平均海拔550 m左右，平均坡度25°，土層較厚且腐殖質(zhì)含量較高，適合杉木生長。杉木林下植被包含鉤藤[Uncariarhynchophylla(Miq.)Miq.ex Havil.]、苦竹[Pleioblastusamarus(Keng)Keng f.]、大果粗葉榕[FicushirtaVahl var.roxburghii(Miq.)King]、芒萁[Dicranopterisdichotoma(Thunb.)Berhn.]、狗脊蕨[Woodwardiajaponica(L.F.)Sm.]和毛蕨[Cyclosorusinterruptus(Willd.)H.Ito]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在12年生杉木人工林中進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)3種間伐強(qiáng)度處理，分別是弱度間伐(CK)、中度間伐和強(qiáng)度間伐，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，進(jìn)行無序排列。研究目標(biāo)是培育杉木大徑材，所以9塊樣地均設(shè)在立地條件較好(地位指數(shù)均為18 cm)的林地，均位于下坡位，立地條件基本一致，試驗(yàn)地均為面積400 m2標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地間留有明顯間隔。間伐前后杉木人工林林分基本概況見表1。

表1 間伐前后杉木林林分基本概況Table 1 Chinese fir stand characteristics before and after thinning

2.2 調(diào)查方法

間伐前，對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)林木進(jìn)行編號(hào)以及每木調(diào)查(樹高、胸徑以及東西南北的冠幅)，樹高采用測高測距儀測量，東西、南北冠幅通過人工拉皮尺量取；先確定好被伐木再進(jìn)行間伐作業(yè)。間伐后3 a(即現(xiàn)實(shí)林分年齡為15年生)，對(duì)樣地內(nèi)編號(hào)林木進(jìn)行復(fù)查。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 單株材積計(jì)算 林分蓄積量為所有杉木單株材積累加而得，并轉(zhuǎn)化為每公頃蓄積量[18]。

式中:Vi為第i株杉木材積(m3)；Di為第i株杉木胸徑(cm)；Hi為第i株杉木樹高(m)。

2.3.2 直徑偏度、峰度和變動(dòng)系數(shù)計(jì)算 偏度(skewness，SK)、峰度(kurtosis，K)和變動(dòng)系數(shù)(coefficient of variation，CV)是描述數(shù)據(jù)分布形態(tài)的統(tǒng)計(jì)量[19]。

式中:n為樣地林木株數(shù)；xi為第i株林木的胸徑(cm)；x-為林分算術(shù)平均胸徑(cm)；S為胸徑標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3.3 不同材種出材量計(jì)算 依據(jù)林木材種，按其直徑大小的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，各徑級(jí)林木材種株數(shù)比例如表2所示，分別計(jì)算各徑階立木出材量，并按材種進(jìn)行歸并[20]。

表2 各徑級(jí)林木材種株數(shù)比例Table 2 Proportion of tree species in different diameter classes %

杉木規(guī)格材原條用材出材計(jì)算

式中:D為徑階平均胸徑(cm)；H為徑階平均樹高(m)。

運(yùn)用SPSS22.0進(jìn)行單因素方差分析(one-way，ANOVA)和多重比較(Duncan)分析，用Excel 2007軟件作圖，數(shù)據(jù)形式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐強(qiáng)度對(duì)林分平均胸徑和平均樹高的影響

從表3可以得出，間伐后，中度和強(qiáng)度間伐林分的平均胸徑顯著高于弱度間伐，且平均胸徑隨著間伐強(qiáng)度增大而增大；間伐后3 a，平均胸徑表現(xiàn)為強(qiáng)度間伐＞中度間伐＞弱度間伐，隨間伐強(qiáng)度的增大而增大；平均胸徑3 a增長量也表現(xiàn)為強(qiáng)度間伐＞中度間伐＞弱度間伐，隨間伐強(qiáng)度的增大而增大；而平均胸徑3 a增長率則表現(xiàn)為強(qiáng)度間伐＞弱度間伐＞中度間伐。強(qiáng)度間伐后3 a的平均胸徑及3 a增長量顯著高于中度和弱度間伐(P＜0.05)。說明間伐能夠提高林分平均胸徑，對(duì)胸徑生長量有顯著影響，而且強(qiáng)度間伐影響最為顯著。

間伐后3 a，林分的平均樹高表現(xiàn)為強(qiáng)度間伐＞中度間伐＞弱度間伐，平均樹高隨間伐強(qiáng)度的增大而增大；平均樹高3 a增長量和增長率均表現(xiàn)出強(qiáng)度間伐＞弱度間伐＞中度間伐，不同間伐強(qiáng)度處理間均無顯著差異。說明間伐強(qiáng)度對(duì)樹高生長無顯著影響，平均樹高生長受間伐強(qiáng)度影響較小。

表3 不同間伐強(qiáng)度的平均胸徑和平均樹高Table 3 Mean DBH and mean tree height of different thinning intensity

3.2 間伐強(qiáng)度對(duì)平均單株材積和蓄積量的影響

從表4可以得出，間伐后3 a，林分的平均單株材積表現(xiàn)為強(qiáng)度間伐＞中度間伐＞弱度間伐，且強(qiáng)度和中度間伐分別是弱度間伐的1.78和1.35倍；平均單株材積3 a增長量隨間伐強(qiáng)度的增大而增大；平均單株材積3 a增長率為強(qiáng)度間伐＞弱度間伐＞中度間伐。強(qiáng)度間伐的平均單株材積3 a增長量分別與中度、弱度間伐的存在顯著差異(P＜0.05)；中度間伐的平均單株材積3 a增長率分別與強(qiáng)度、弱度間伐的存在顯著差異(P＜0.05)。說明間伐的強(qiáng)度越大，平均單株材積增長也就越明顯，間伐強(qiáng)度對(duì)其影響顯著。

間伐后3 a，林分的蓄積量和3 a增長量隨間伐強(qiáng)度的增大而減小，但3 a增長率隨著間伐強(qiáng)度增大而增大；強(qiáng)度間伐的蓄積量及3 a增長量分別與中度、弱度間伐的都存在顯著差異(P＜0.05)，而不同間伐強(qiáng)度處理間的3 a增長率并未達(dá)到顯著差異(P＞0.05)。說明間伐對(duì)蓄積量有顯著影響。由于單位面積蓄積量是由林分保留密度和單株材積兩個(gè)因素制約，而這兩個(gè)因素又存在一定對(duì)立關(guān)系。間伐能提高單株材積生長量，但林分保留密度卻隨間伐強(qiáng)度的加大而減少，間伐強(qiáng)度適宜時(shí)，單位面積蓄積量增加明顯，而一旦間伐強(qiáng)度過大，單株材積的增長量不能完全補(bǔ)償株數(shù)減少所帶來的材積損失，從而使單位面積蓄積量可能下降，所以，間伐后3 a，隨著間伐強(qiáng)度增大，林分蓄積量反而減小。3種間伐強(qiáng)度蓄積量的3 a增長量幾乎相同，但隨著間伐強(qiáng)度增大，蓄積量的3 a增長率逐漸增大，表明強(qiáng)度間伐對(duì)保留木的生長促進(jìn)效果更加明顯。

表4 不同間伐強(qiáng)度的平均單株材積和蓄積量Table 4 Average volume and volume per plant of different thinning intensity

注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P＜0.05)。Note:different lowercase letters in the same column represent significant difference(P＜0.05).

3.3 間伐強(qiáng)度對(duì)胸徑徑階結(jié)構(gòu)的影響

從圖1(a)可以看出，間伐前，弱度間伐的林分胸徑徑階主要集中在12～16 cm，16 cm及以下徑階的株數(shù)占81.98%；中度間伐的主要集中在12～16 cm徑階，16 cm及以下徑階的株數(shù)占72.78%；強(qiáng)度間伐的主要集中在12～16 cm徑階，16 cm及以下徑階的株數(shù)占82.76%。從圖1(b)可以看出，間伐后，弱度間伐由于間伐強(qiáng)度較小，胸徑徑階主要集中在14～16 cm，16 cm及以下徑階的株數(shù)占80.47%；中度間伐占比較大的是14～16 cm徑階，16 cm及以下徑階的株數(shù)占61.81%，相比間伐前下降了10.97%；強(qiáng)度間伐主要集中在14～16 cm徑階，16 cm及以下徑階的株數(shù)占63.10%，相比間伐前下降了19.66%。從圖1(c)可以看出，間伐后3 a，弱度間伐的胸徑徑階主要集中在16～18 cm，16 cm及以上徑階的株數(shù)占62.87%，18 cm及以上徑階的株數(shù)占42.32%，24 cm及以上徑階的株數(shù)占1.52%；中度間伐的集中在16～18 cm徑階，18 cm及以上徑階的株數(shù)占62.22%，24 cm及以上徑階的株數(shù)占11.44%；強(qiáng)度間伐的集中在16～18 cm徑階，18 cm及以上徑階的株數(shù)占74.52%，24 cm及以上徑階的株數(shù)占20.94%。

林分胸徑分布是評(píng)價(jià)林分結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)杉木中齡林多為高度郁閉林分，通過合理的間伐，林分非生長性增長和間伐造成的生長效應(yīng)均有利于林分平均胸徑的提高，進(jìn)而對(duì)林分結(jié)構(gòu)的影響也就越明顯。從圖1(c)可以看出，間伐后3 a，隨著間伐強(qiáng)度的增大，徑階分布逐漸向右偏移，即大徑級(jí)林木占總株數(shù)百分比呈現(xiàn)增加的趨勢，而小徑級(jí)則呈現(xiàn)有所降低的趨勢，而且這種趨勢隨著間伐強(qiáng)度增大而增大。說明通過間伐可以促進(jìn)林木個(gè)體的生長，改善林分徑階結(jié)構(gòu)，而且強(qiáng)度間伐的效果更為顯著。

圖1 不同間伐強(qiáng)度的胸徑徑階分布Figure 1 DBH diameter distribution of different thinning intensity

從圖2(a)可以得出，3種間伐強(qiáng)度處理的林分直徑偏度總體均呈上升趨勢。間伐前，強(qiáng)度和中度間伐偏度大于0，說明此時(shí)林分中小徑階株數(shù)較多，直徑偏向小徑階；弱度間伐的小于0，說明此時(shí)林分中較大徑階株數(shù)較多，直徑偏向較大徑階。間伐后，強(qiáng)度和中度間伐偏度大于0，弱度間伐的小于0，偏度較間伐前都有增大，且增加量隨著間伐強(qiáng)度增大而增大，說明間伐能夠?qū)α址种睆椒植籍a(chǎn)生顯著影響。間伐后3 a，強(qiáng)度和中度間伐偏度大于0，弱度間伐的小于0；弱度間伐始終為負(fù)值，表明直徑分布始終右偏，但其趨勢是向0靠近，隨著時(shí)間發(fā)展直徑分布近似正態(tài)分布，直徑分布也變得更加均勻；強(qiáng)度和中度間伐偏度始終為正值，隨著時(shí)間發(fā)展增長速度減緩，有下降趨勢。說明間伐強(qiáng)度小時(shí)，林分發(fā)育會(huì)趨于正態(tài)分布，而當(dāng)間伐強(qiáng)度較大時(shí)，短期內(nèi)由于平均直徑較大，林分內(nèi)的大多直徑會(huì)小于平均值，這種趨勢隨著時(shí)間變化會(huì)逐漸減小。

從圖2(b)可以得出，弱度和強(qiáng)度間伐林分直徑峰度都呈上升趨勢，中度間伐呈現(xiàn)上升后減小趨勢。間伐前，弱度和強(qiáng)度間伐峰度小于0，中度間伐的大于0。間伐后至間伐后3 a，中度和強(qiáng)度間伐峰度大于0，而弱度間伐的仍然小于0；弱度間伐的峰度始終為負(fù)值；中度間伐的峰度始終為正值，變化趨勢為先上升后下降，杉木整體生長發(fā)育水平比較一致；強(qiáng)度間伐，間伐前峰度為負(fù)值，間伐后變?yōu)檎?，隨著時(shí)間變化，峰度明顯增大。說明間伐能夠改善林分直徑結(jié)構(gòu)，弱間伐強(qiáng)度下林分直徑分布更加向正態(tài)分布靠近，較高的間伐強(qiáng)度能夠使得直徑分布較為集中，縮小直徑分布離散程度。

從圖2(c)可以得出，3種間伐強(qiáng)度處理林分直徑變動(dòng)系數(shù)隨著時(shí)間變化都呈先減小后增加的趨勢。間伐前，3種間伐強(qiáng)度處理的變動(dòng)系數(shù)都較大，表明間伐前林分整體直徑大小差異明顯；間伐后，3種間伐強(qiáng)度處理的變動(dòng)系數(shù)較間伐前都有減小，但強(qiáng)度和中度間伐變化更顯著；間伐后3 a，3種間伐強(qiáng)度處理的變動(dòng)系數(shù)較間伐后都有增加。從變動(dòng)系數(shù)的變化來看，強(qiáng)度和中度間伐變化較為明顯，弱度間伐變化較小，變化趨勢隨間伐強(qiáng)度增大而增大。這說明間伐能夠提升林分的整體直徑水平，使得林分直徑標(biāo)準(zhǔn)差變大，導(dǎo)致直徑變動(dòng)系數(shù)值出現(xiàn)了緩慢增大趨勢，而且較大間伐強(qiáng)度造成的影響更為顯著。

3.4 間伐強(qiáng)度對(duì)材種結(jié)構(gòu)變化的影響

圖2 不同間伐強(qiáng)度的偏度、峰度、變動(dòng)系數(shù)Figure 2 Skewness， kurtosis， and coefficient of variation of different thinning intensity

從表5可知，間伐前，林分均以小徑材占多，大徑材較少，經(jīng)方差分析，不同間伐強(qiáng)度處理的出材量和出材率無顯著差異。間伐后，弱度間伐由于間伐強(qiáng)度較小，小徑材出材量較間伐前減少了0.850 9 m3·hm-2，中徑材和大徑材出材量幾乎不變；中度和強(qiáng)度間伐，小徑材出材量分別較間伐前減小了33.693 2和58.946 0 m3·hm-2，中徑材出材量分別減小了3.420 2和3.627 2 m3·hm-2，大徑材出材量不變；間伐后，3個(gè)間伐強(qiáng)度處理的小徑材出材量間都存在顯著差異(P＜0.05)，而中徑材和大徑材無顯著差異。間伐后3 a，小徑材和中徑材的出材量均表現(xiàn)為弱度間伐＞中度間伐＞強(qiáng)度間伐；弱度、中度和強(qiáng)度間伐的中大徑材(中徑材+大徑材)的出材量分別為120.528 8、143.555 4和139.669 4 m3·hm-2，表現(xiàn)為中度間伐＞強(qiáng)度間伐＞弱度間伐；大徑材的出材量和3 a增長量都表現(xiàn)為強(qiáng)度間伐＞中度間伐＞弱度間伐，強(qiáng)度間伐的大徑材出材量顯著高于中度和弱度間伐(P＜0.05)，分別是中度和弱度間伐的1.43和20.05倍。間伐后3 a，不同間伐強(qiáng)度的小徑材出材量和出材率及大徑材出材量和出材率都存在顯著差異(P＜0.05)；弱度間伐的小徑材出材率和出材量顯著高于中度和強(qiáng)度間伐，而中度和強(qiáng)度間伐的大徑材出材率和出材量也顯著高于弱度間伐。說明強(qiáng)度間伐更有利于大徑材的生長，通過間伐能提高林分大徑級(jí)林木比例，使林分胸徑分布偏向中、大徑級(jí)木，促進(jìn)大徑材出材量和出材率的增加。

表5 不同間伐強(qiáng)度的材種結(jié)構(gòu)Table 5 Species structure of different thinning intensity

4 討論與結(jié)論

間伐作為人工林經(jīng)營的一種重要措施，在人工林經(jīng)營中被廣泛應(yīng)用。研究結(jié)果表明，間伐強(qiáng)度能夠?qū)拥貎?nèi)林木胸徑生長產(chǎn)生明顯的影響，與龍忠于等[21]及龔固堂等[22]的研究結(jié)果一致。在間伐后3 a，增大間伐強(qiáng)度，胸徑增長量也基本增加，強(qiáng)度間伐對(duì)胸徑影響更為顯著，說明對(duì)于較為郁閉的中齡林，進(jìn)行間伐能夠有效改善林木營養(yǎng)空間，促進(jìn)樹冠生長，更有利于胸徑生長量的提高。間伐強(qiáng)度對(duì)樹高生長沒有顯著的影響，與汪麗等[23]的研究結(jié)果較為一致，但與刁嬌嬌等[24]的研究結(jié)果不同，相聰偉等[25]的研究結(jié)果表明，杉木生長受立地條件影響較大，而本研究目標(biāo)是為了培育大徑材，所以樣地立地指數(shù)較高，可能是造成間伐強(qiáng)度對(duì)樹高影響不顯著的主要因素。間伐后3 a，增大間伐強(qiáng)度，平均單株材積增長量增大，而林分蓄積量則減小，即過大的間伐強(qiáng)度反而會(huì)降低林分蓄積量；不同間伐強(qiáng)度下平均單株材積和蓄積量增長量基本上均達(dá)到顯著差異，而且較高強(qiáng)度間伐的效果更為顯著，與張駿等[26]的研究結(jié)果一致，而郭光智等[27]的研究還表明，立地指數(shù)越高的林分，其總蓄積在中幼齡時(shí)期的增長速率越大，說明在大徑材培育時(shí)，還應(yīng)該選擇地位指數(shù)較高的林地。

間伐能夠?qū)α址中貜浇Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響。間伐后3 a，增大間伐強(qiáng)度，徑階分布逐漸向右偏移，即大徑級(jí)林木占總株數(shù)百分率呈現(xiàn)有所增加的趨勢，24 cm及以上徑階株數(shù)百分比表現(xiàn)為強(qiáng)度間伐＞中度間伐＞弱度間伐。從林分直徑偏度、峰度和變動(dòng)系數(shù)的變化可以看出，低間伐強(qiáng)度下林分直徑分布更加向正態(tài)分布靠近，較高的間伐強(qiáng)度能夠使得直徑分布較為集中，縮小直徑分布分布離散程度。間伐后3 a，小徑材和中徑材出材量均隨間伐強(qiáng)度增大而減小，中大徑材(中徑材+大徑材)表現(xiàn)為中度間伐＞強(qiáng)度間伐＞弱度間伐，大徑材產(chǎn)量表現(xiàn)為強(qiáng)度間伐＞中度間伐＞弱度間伐，與楊桂娟等[28]得出的結(jié)論較為一致，強(qiáng)度間伐的大徑材出材率是中度間伐的1.73倍，是弱度間伐的的25.45倍，中徑材和大徑材出材率都表現(xiàn)為強(qiáng)度間伐＞中度間伐＞弱度間伐，大徑材的出材率和出材量都隨間伐強(qiáng)度增加而增加，說明強(qiáng)度間伐更有利于大徑材的生長，通過間伐能促進(jìn)林木個(gè)體的生長，提高林分大徑級(jí)林木比例，改善林分材種結(jié)構(gòu)，使林分胸徑分布偏向中、大徑級(jí)木，與范輝華等[29]研究結(jié)果較為一致。相聰偉[25]等的研究還表明，初植密度不同的樣地，初植密度越大，小徑材出材率越高，大徑材出材率越低，也從側(cè)面說明較大強(qiáng)度間伐更有利于大徑材出材量和出材率的增加，因此，要培育大徑材應(yīng)該進(jìn)行較大強(qiáng)度的間伐措施。