造林密度對馬尾松優(yōu)良家系人工林生長及直徑分布的影響

陳 旋，顏培棟，零天旺，梁 機(jī)，楊章旗

（1.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧 530002；3.橫縣鎮(zhèn)龍林場，廣西橫縣 530327）

森林是自然界重要的碳源、基因庫、資源庫、蓄水庫和能源庫[1]。隨著人口急劇增長，全球森林每年凈損失量為3．3×106hm2[2]。第九次全國森林資源清查顯示中國人工林保存面積為8．0×107hm2，居世界首位，但中、幼林面積所占比例為63．94%，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡，人均森林面積和蓄積少，而中國每年的木材消耗量已達(dá)到8 億m3，對進(jìn)口的依賴度超過55%，大規(guī)格木材供需矛盾尤為突出。隨著全球生態(tài)環(huán)境惡化，各國嚴(yán)管木材出口，加快木材的生產(chǎn)和調(diào)整木材結(jié)構(gòu)是解決國家木材安全問題的重要任務(wù)[3]。通過對人工林的立地控制、遺傳控制和密度控制實現(xiàn)人工林速生、穩(wěn)定和定向培育，是提升人工林質(zhì)量，保障國家木材戰(zhàn)略儲備的重要措施[4]。其中，林分密度是最易控制的因素。密度控制包括造林密度及密度調(diào)控，兩者直接關(guān)系到培育目標(biāo)的實現(xiàn)和經(jīng)營者的經(jīng)濟(jì)收入，密度調(diào)控是人工林定向培育的關(guān)鍵問題和研究熱點[5]。學(xué)者們對雜種落葉松（Hybrid Larch）[6]、杉木（Cunninghamia lanceolata）[7]和華山松（Pinus armandii）[8]等樹種開展了相關(guān)研究。

馬尾松（Pinus massoniana）分布范圍廣，林分面積大，蓄積量高，是中國特有的鄉(xiāng)土樹種。其具有耐干旱瘠薄、生長迅速、適應(yīng)力強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)價值高的特點，是我國長江流域以南廣袤酸性土壤荒山造林的先鋒樹種和主要用材樹種[9-10]。許多學(xué)者對馬尾松開展了密度控制與林分直徑結(jié)構(gòu)的研究[11-13]，但結(jié)果多源自臨時樣地或幼林階段，缺乏長期連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，林分長期生長的密度控制理論和大徑材定向培育技術(shù)需繼續(xù)完善。本研究基于22年生不同造林密度馬尾松優(yōu)良家系人工林的多年觀測數(shù)據(jù)，分析造林密度對林分生長及其直徑結(jié)構(gòu)的影響，為馬尾松優(yōu)良家系人工林定向培育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗地概況

試驗地位于廣西壯族自治區(qū)橫縣鎮(zhèn)龍林場（109°08'～109°19'E，23°02'～23°08'N），海拔450 m左右，多低山丘陵；屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫21．5 ℃，最低氣溫-1 ℃，最高氣溫39．2 ℃，年均降水量1 477．8 mm，年均蒸發(fā)量1 056．9 mm，年均日照時長1 758．9 h。造林地為杉木采伐跡地，土壤為細(xì)石英巖和泥質(zhì)粉砂巖發(fā)育而成的紅壤，土層厚度大于80 cm，坡度25°～33°，坡向西南，立地指數(shù)18。

1．2 試驗材料及試驗設(shè)計

于1997年5月造林，苗木為廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院提供的馬尾松優(yōu)良家系（桂MVF443）Ⅰ級營養(yǎng)杯苗（苗高20 cm 左右），采用塊狀整地，整地規(guī)格40 cm×30 cm×30 cm。試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4 個不同的造林密度，A：2 500 株/hm2（2 m×2 m），B：3 300 株/hm2（1．5 m×2 m），C：4 500 株/hm2（1．5 m×1．5 m），D：6 000 株/hm2（1 m×1．67 m），3 次重復(fù)，共12 個小區(qū)，小區(qū)間設(shè)置2 列保護(hù)行，小區(qū)面積400 m2，各小區(qū)集中排布，立地條件基本相同。試驗林未進(jìn)行間伐，無人為干擾。

1．3 指標(biāo)測定

自2006年（10年生）起，每年對林木進(jìn)行每木檢尺，將10～22年生連年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計整理并計算分析。其中林分平均胸徑和樹高為算術(shù)平均值；單株材積（V單）采用廣西馬尾松單株材積經(jīng)驗式計算，公式為V單= 0．714 265 437×10-4×Dg1．867008×H0．9014632，式中，Dg為林分平均斷面積對應(yīng)的直徑，H為樹高；將林木胸徑按2 cm 為一個徑階劃分并統(tǒng)計各徑階的林木株數(shù)，計算直徑株數(shù)分布率和累積頻率分布百分比。采用偏度（SK）、峰度（ST）及變異系數(shù)（CV）對林分直徑分布曲線的形狀和均質(zhì)性進(jìn)行分析，探索密度對林分直徑結(jié)構(gòu)的影響。偏度、峰度及變異系數(shù)的計算公式如下：

式中，n為林木株數(shù)，Xi為每木直徑，Xˉ為林分平均直徑，S為標(biāo)準(zhǔn)差。

1．4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010 軟件整理制表，采用OriginPro 2017 作圖，運(yùn)用SPSS 23．0 中的One-way ANOVA 進(jìn)行單因素方差分析、Duncan’s法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2．1 造林密度對林分樹高的影響

林分樹高隨林齡增大而增加，樹高年均生長量則隨林齡增大逐漸減?。辉炝置芏仍叫?，樹高及樹高年均生長量越大（圖1）。方差分析表明，各造林密度間的樹高差異不顯著（表1）。

圖1 不同造林密度馬尾松林分不同林齡樹高的變化Fig.1 Variation of tree height of P.massoniana stands with different ages in different planting densities

表1 不同造林密度樹高、胸徑、單株材積和林分蓄積量方差分析Tab.1 ANOVA of tree height,DBH,individual volume and stand accumulation in different planting densities

2．2 造林密度對林分胸徑的影響

林分胸徑及胸徑年均生長量隨造林密度增大而減小，胸徑隨林齡增加逐漸增大，不同造林密度的胸徑年均生長量分別在21、19、16 和15年生時降至最低，而后緩慢增加（圖2）。方差分析表明，13 和19～22年生時，各造林密度間胸徑差異顯著（P＜0．05），其他林齡差異極顯著（P＜0．01）；10～18年生時，胸徑差異較大，18年后差異逐年減?。ū?）。

2．3 造林密度對單株材積的影響

林分單株材積及單株材積年均生長量隨林齡增加而增大，隨造林密度增大而減小，10年生時，密度A、B 和C 的單株材積分別為密度D 的162．7%、137．0% 和123．8%；22年 生 時，分 別 為 密 度D 的131．9%、120．2%和118．5%（圖3）。方差分析表明，12、14～18 及20年生時，各造林密度間單株材積差異極顯著（P＜0．01），其余林齡差異顯著（P＜0．05）（表1）。這是由于單株材積的差異主要由胸徑差異決定，高密度林分對被壓木較大的自疏強(qiáng)度使得各林分的密度差異逐年減小，胸徑差異降低，單株材積差異隨之減小。

2．4 造林密度對林分蓄積量的影響

林分蓄積量隨林齡增加逐漸增大，22年生時，密度C 的林分蓄積量為372．29 m3/hm2，比密度A、B和D 分別高22．9%、28．9%和13．3%，林分蓄積量不僅取決于林分單株材積，更受林分保存株數(shù)影響；密度A、B、C 和D 林分蓄積年均生長量分別在13、12、12 和11年生時達(dá)到峰值，而后降低（圖4）。方差分析表明，各密度的林分蓄積量及蓄積年均生長量差異不顯著（表1）。

圖2 不同造林密度馬尾松林分不同林齡胸徑生長變化Fig.2 Variation of DBH of P.massoniana stands with different ages in different planting densities

圖3 不同造林密度馬尾松林分不同林齡單株材積變化Fig.3 Variation of individual volume of P.massoniana stands with different ages in different planting densities

圖4 不同造林密度馬尾松林分不同林齡蓄積量變化Fig.4 Variation of P.massoniana stand accumulations with different ages in different planting densities

2．5 造林密度對林分直徑結(jié)構(gòu)的影響

偏度是描述數(shù)據(jù)總體取值分布對稱性的統(tǒng)計量，SK＞0表示數(shù)據(jù)分布右偏，此時數(shù)據(jù)的平均數(shù)＞中位數(shù)＞眾數(shù)；SK＜0則左偏，此時數(shù)據(jù)的眾數(shù)＞中位數(shù)＞平均數(shù)。17年生前，造林密度越大的林分直徑分布右偏越大，是由于高密度林分直徑分化嚴(yán)重，極大徑級林木拉高了林分平均胸徑。密度A 和B 林分直徑分布的非對稱性隨林齡增大而增大，密度C 和D 則隨林齡增大而減小，是由于低密度林分可分配林地資源較多，林木個體競爭較小，多數(shù)小徑級林木快速生長為中等徑級林木，部分占據(jù)較優(yōu)地位的中等徑級林木生長至較大徑級林木，導(dǎo)致直徑分布右偏加重，而高密度林分自疏強(qiáng)度較大，被壓木淘汰率高，使林分內(nèi)趨于平均胸徑的林木株數(shù)增多，直徑分布右偏減?。▓D5a）。

峰度是描述數(shù)據(jù)分布形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計量。ST＞0 表示數(shù)據(jù)分布為尖頂峰；ST＜0 則為平頂峰。高密度的林分直徑結(jié)構(gòu)峰度隨林齡增長而降低，低密度則升高，其中密度B 林分17年生后變?yōu)楦擢M峰（圖5b）。直徑變異系數(shù)反映林分直徑分布的離散程度。各密度林分直徑變異系數(shù)逐年增大，直徑分化程度逐漸加重，分布范圍逐漸離散（圖5c）。低密度林分直徑變異較小，利于特定材的定向培育，較高密度林分更適合多規(guī)格材種的培育需求。

圖5 不同造林密度馬尾松林分不同林齡直徑結(jié)構(gòu)變化Fig.5 Variation of diameter structures of P.massoniana stands with different ages in different planting densities

各密度林分直徑結(jié)構(gòu)近似服從正態(tài)分布（圖6a）。密度A、B、C 和D 直徑最大分布頻率對應(yīng)的徑階分別為24、22、20 和18 cm，曲線峰值隨造林密度增大而左移至較小徑階。徑階累積百分比相同時，對應(yīng)的徑階隨造林密度增大而降低，密度A、B、C 和D 在16 cm 徑階的累積百分比分別為12．7%、21．1%、21．9%和32．0%，表明密度越大的林分小徑階林木株數(shù)越多（圖6b）。

圖6 22年生馬尾松林分直徑分布頻率及徑階累積百分比變化Fig.6 Variation of diameter distribution frequency and cumulative percentage of diameter class of 22-year-old P.massoniana

株數(shù)最大分布率對應(yīng)的徑階隨林齡增加向高徑階方向進(jìn)級，10～22年生之間，密度A、B、C和D林分直徑的最大分布率所對應(yīng)的徑階分別前進(jìn)了5、7、6和5個徑級。22年生時各密度林分大于20 cm徑階的株數(shù)占比分別為76．3%、66．2%、66．3%和52．0%，低密度林分直徑生長更快，且大徑級林木株數(shù)較多（表2）。

表2 不同林齡和造林密度下不同徑階的株數(shù)分布頻率Tab.2 Distribution frequency of plants with different diameter classes at different ages and planting densities (%)

3 結(jié)論與討論

本研究中，造林密度對樹高和林分蓄積量的影響不顯著，林分胸徑及單株材積隨造林密度增大而明顯減小，這與溫佐吾等[14]對馬尾松和張陽峰等[15]對米老排（Mytilaria laosensis）的研究結(jié)果相同。這種規(guī)律在18年生后逐漸縮小，比諶紅輝等[16]的研究結(jié)果延遲兩年，原因是馬尾松優(yōu)良家系具有更長效的直徑生長能力。密度C 的林分蓄積量最大，各密度林分蓄積量隨林齡增加未表現(xiàn)逐漸趨近的態(tài)勢，這與Zhang 等[17]的研究結(jié)果有差別，原因是試驗林分在17年生時遭受臺風(fēng)侵害，低密度林分由于保存密度較小，林分穩(wěn)定性和抵抗性稍差，林木枯損較大。密度A、B、C 和D 的林分蓄積年均生長量在13、12、12 和11年生時達(dá)到峰值，較當(dāng)前廣西工業(yè)原料林主伐林齡（16年生）早，也比同等立地指數(shù)及造林密度下的馬尾松人工林?jǐn)?shù)量成熟林齡（20、20、19 和18年生）提前[18]。林分密度越大，數(shù)量成熟林齡越早，與桉樹[19]和油松（Pinus tabuliformis）[20]的研究結(jié)論相同。馬尾松優(yōu)良家系林分的樹高、胸徑、單株材積及蓄積量較普通馬尾松林分均有提高[16,21]，說明馬尾松優(yōu)良家系具有較快的生長速度，能在一定程度上縮短經(jīng)營周期。

林分直徑結(jié)構(gòu)是最重要和最基本的林分結(jié)構(gòu)，林木直徑的分配狀態(tài)直接影響林木的樹高、干形、材積、材種及樹冠等因子。本研究中，低密度林分直徑分布的偏度逐年增大，峰度隨林齡增加也有增大的趨勢，變異系數(shù)相對較低，有利于單一材種培育目標(biāo)的實現(xiàn)；高密度林分直徑分布偏度和峰度逐年減小，變異系數(shù)相對較高，適合多規(guī)格材種的培育。這在Boyden 等[22]和段愛國等[7]的研究中得到佐證。株數(shù)的徑階分布頻率及累積百分比表明低密度林分直徑生長更快，且大徑級林木株數(shù)更多，與諶紅輝等[16,23]的研究結(jié)果一致。

綜上所述，馬尾松優(yōu)良家系人工林的數(shù)量成熟林齡提前，但根據(jù)林分生長和直徑結(jié)構(gòu)判斷，數(shù)量成熟時各林分小徑材居多，工藝性能較差，尚不能達(dá)到工業(yè)用材的需求，在此時應(yīng)適當(dāng)間伐，促進(jìn)林木持續(xù)高速生長。密度C（4 500株/hm2）的林分蓄積量最大，適宜培育短周期工業(yè)用材林；密度A（2 500株/hm2）林分內(nèi)，大徑材數(shù)量多、直徑分布相對集中且右偏大，更適宜定向培育大徑材林。

本研究從林分生長和直徑結(jié)構(gòu)兩方面探討不同造林密度對馬尾松優(yōu)良家系林分的影響，后續(xù)研究應(yīng)結(jié)合林分自然稀疏規(guī)律、木材工藝特性、經(jīng)濟(jì)收益和林地生產(chǎn)力維續(xù)狀況等進(jìn)行深入研究和分析，綜合探討馬尾松優(yōu)良家系人工林的定向培育理論技術(shù)和可持續(xù)經(jīng)營水平。