油松建筑材密度管理圖的編制及其應(yīng)用1)

賈茜 賈忠奎 孫啟越 張曉文 趙連清 譚紅巖 遲明峰

(國家林業(yè)和草原局油松工程技術(shù)研究中心(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083) (河北省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院) (平泉市國有黃土梁子林場)

隨著我國城市化進(jìn)程加快，人們對(duì)木制品需求量日益增加，然而國內(nèi)森林資源有限，現(xiàn)階段研究成果一定程度上解決了部分用材問題；但在建筑材方面，我國仍需大量進(jìn)口。據(jù)2018年數(shù)據(jù)顯示，我國原木進(jìn)口數(shù)量位居世界第六[1]，故建筑材林培育成為了眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。建筑材，直觀體現(xiàn)在尺寸穩(wěn)定性、木材密度、抗壓和彎曲性能等，品質(zhì)優(yōu)劣在于林木培育[2]。學(xué)者們從品種選育、造林技術(shù)及撫育養(yǎng)護(hù)等多方面集約經(jīng)營，使森林資源利用價(jià)值最大化[3]，主要集中在馬尾松(Pinusmassoniana)、火炬松(Pinustaeda)、濕地松(Pinuselliottii)及杉木(Cunninghamialanceolata)等樹種[4-7]，油松(Pinustabulaeformis)尚未見報(bào)道。前人指出培育建筑材宜在高指數(shù)立地上進(jìn)行，提高經(jīng)營水平時(shí)可在中指數(shù)立地上[8]；無缺陷樹干部分、胸徑或?qū)⑹斋@的胸徑達(dá)要求值以上[9]；減少達(dá)到建筑材目標(biāo)生長所需的時(shí)間，最大限度提高木材的產(chǎn)量和質(zhì)量[10-11]。

不同生長發(fā)育階段的密度調(diào)控在林木培育中不可或缺，密度管理圖指導(dǎo)營林措施調(diào)整和林分生長預(yù)測[12]。文獻(xiàn)[13]報(bào)道20世紀(jì)60年代日本學(xué)者首次提出密度管理圖的概念，接著對(duì)日本落葉松(Larixkaempferi)等樹種編制了密度管理圖，繼而國內(nèi)學(xué)者對(duì)落葉松(Larixgmelinii)[14]、油松[15]及杉木[16]相繼編制。然而編制的密度管理圖存在欠缺，如山西太岳林區(qū)編制的油松密度管理圖大多數(shù)是中幼齡林，近成熟林較少[17]；受選取標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)據(jù)的限制，等樹高線和等直徑線編制范圍有待拓寬，以便推廣到樹高更高、胸徑更寬的油松林[18]。近些年向不同立地多功能角度改變，使密度管理圖應(yīng)用范圍更廣泛[19]。

油松，結(jié)構(gòu)細(xì)密、材質(zhì)硬、耐久用，科學(xué)地培育、經(jīng)營和利用油松人工林，對(duì)我國北方木材供應(yīng)有重要意義[20]。因此本研究首次編制油松人工建筑材林密度管理圖，將等樹高線和等直徑線編制范圍拓寬，為制定適宜的經(jīng)營措施和森林可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

平泉市國有黃土梁子林場(41°13′N，118°41′E)，坐落于河北省東北部，位于燕山山脈的末端，遼河的上游。該地區(qū)平均海拔660 m，年平均氣溫7.4 ℃，屬溫帶大陸性干旱季風(fēng)山地氣候。全年日照時(shí)間2 000～2 900 h，年平均降水540 mm，主要集中在每年的7—9月份，土壤以棕壤土為主，生產(chǎn)力水平中等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與樣芯獲取

調(diào)查陽坡中土、陰坡中土和陰坡厚土3種主要立地類型、不同生長發(fā)育階段、不同密度的油松人工林林分。沿同一等高線，選取海拔750～800 m，坡度15°～20°，沒有明顯倒木及遭受病蟲害的樣地。每個(gè)林齡設(shè)置3個(gè)重復(fù)的固定樣地，每塊樣地20 m×20 m，共108塊樣地。每塊樣地四周留有一定間距的保護(hù)行，保證試驗(yàn)設(shè)計(jì)的邊緣效應(yīng)。按5 cm起測徑階每木檢尺。在下、中、上坡位分別取2、1、2株優(yōu)勢木，以均值作為該樣地的優(yōu)勢木值。以2 cm為一個(gè)徑級(jí)，每個(gè)徑級(jí)選取1～2株，用生長錐(CO系列雙螺旋鉆頭，400 mm/5.15，瑞典haglof)分別在胸徑和地徑處鉆取樣芯，盡量避開樹節(jié)。用Win DENDROT生長輪分析儀測量輪寬，精確到0.01 mm。河北油松人工林齡級(jí)劃分：幼齡林0～20 a、中齡林21～30 a、近熟齡31～40 a、成熟齡41～60 a、過熟齡>60 a。

采用上限排外法，每2 cm為一個(gè)徑階整化，依據(jù)各徑級(jí)林分密度及徑級(jí)分組情況，利用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查和油松二元立木材積表估測林分立木材積[22]，求和得到樣地喬木層蓄積量。

V=0.000 066 492 455×D1.865 561 70×H0.937 688 79。

(1)

式中：V為林木單株材積(m3)；D為林木胸徑(cm)；H為林木樹高(m)。

標(biāo)準(zhǔn)地各項(xiàng)因子的變動(dòng)情況見表1。

2.2 建筑材規(guī)格制定

統(tǒng)計(jì)出河北平泉油松人工林胸徑徑級(jí)范圍2～24 cm，對(duì)比用作建筑材的針葉樹種，根據(jù)給定的胸徑徑級(jí)范圍和建筑材規(guī)格按比例縮小，制定出河北油松建筑材不同胸徑徑級(jí)材種規(guī)格：大徑材胸徑D≥22 cm、中徑材16 cm≤D<22 cm、小徑材8 cm≤D<16 cm、小條木6 cm≤D<8 cm、等外材D<6 cm，梢頭部分用作薪炭材。

2.3 密度管理圖編制

利用優(yōu)勢木平均高、平均胸徑、林分密度和蓄積基礎(chǔ)資料，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制以林分密度為自變量，蓄積為因變量的密度管理圖，包括等樹高線、等直徑線、等疏密度線和最大密度線、自然稀疏線，得出各樹高級(jí)、各疏密度、各初植密度及各徑階不同林分密度對(duì)應(yīng)的單位面積蓄積量[21]。采用SPSS23.0軟件對(duì)108塊樣地?cái)?shù)據(jù)(平均樹高、平均胸徑、蓄積量)用非線性迭代法求密度管理圖參數(shù)值，相關(guān)系數(shù)大于0.8，LSD對(duì)密度管理圖林分蓄積量估計(jì)值進(jìn)行多重差異顯著檢驗(yàn)，可靠性95%的相對(duì)誤差和精度，精度大于80%則具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。用Origin9.0軟件做密度管理圖，并對(duì)等樹高線和等直徑線進(jìn)行精度檢驗(yàn)，得出0.05顯著性水平上的相對(duì)誤差、精度和F值。

(2)

等直徑線M=a21Db21Na22;

(3)

等疏密度線M=KdN1-km;

(4)

最大密度線M=aN-b;

(5)

(6)

式中：M為蓄積(m3·hm-2)；Hs為優(yōu)勢木平均高(m)；D為林分平均直徑(cm)，N為林分密度(株·hm-2)；N0為初始密度。a11、a12、a21、a22、b11、b12、b21、a、b、kd、km和kp均為參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 密度管理圖的繪制與檢驗(yàn)

非線性二乘法迭代求解參數(shù)a11、a12、a21、a22、b11、b12、b21、a、b、kd、km和kp結(jié)果分別1.161 5×10-5、2.167×10-10、6.874×10-6、1.236、3.612、6.583、2.898、2.023×10-12、2.898、787.400、1.216、1 783.696。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系用光滑曲線連接對(duì)應(yīng)點(diǎn)，構(gòu)成圖1。表2中，林分蓄積量估計(jì)值在95%可靠性前提下相對(duì)誤差為5%以下，精度93%以上，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)值均小于臨界值F0.05，所以該密度管理圖適用于河北平泉油松人工林。

表2 密度管理圖精度檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 密度管理圖的應(yīng)用

3.2.1 撫育間伐起始期與木材規(guī)格的關(guān)系

根據(jù)表1中3種立地類型蓄積和平均材積，結(jié)合樣地林分干形整體情況，確定陽坡中土重在培育小徑材，陰坡中土和陰坡厚土重在培育中、大徑材。將胸徑和斷面積年生長量明顯下降的突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)林齡的下一年，作為初始間伐期，查輪寬獲取胸徑年變化量，得出陽坡中土林分首次間伐為10年生，陰坡中土和陰坡厚土分別為9年生和7年生。可見，撫育間伐起始期因立地類型而異，培育小、中和大徑材的撫育間伐起始期依次減小。

圖1 河北平泉油松人工建筑材林密度管理圖

3.2.2 初植密度與經(jīng)營措施

根據(jù)建筑材材種規(guī)格，結(jié)合不同立地條件上林分平均胸徑和密度，一次間伐疏密度降低不超過0.2，間伐后疏密度不低于0.5[17]，求出間伐次數(shù)和強(qiáng)度。配合地位指數(shù)曲線(圖2)，求出間伐年齡、間隔期，反推出初植密度等，建立油松人工建筑材林經(jīng)營表(表3)。可知不同立地、不同經(jīng)營目的的油松建筑材林培育經(jīng)營模式。可以看出，培育不同規(guī)格建筑材的立地中，林分間伐年齡集中在幼、中齡，間隔期5～10 a。

培育小徑材，陽坡中土的初植密度大于培育中、大徑材的其他兩種立地，10年生時(shí)開始間伐，首次間伐強(qiáng)度較弱，第二次和第三次間伐強(qiáng)度等同，共間伐3次，保留密度為1 650株/hm2，保留林木的平均材積為0.069 7m3/株。

培育中徑材，陰坡厚土初植密度較陰坡中土小，間伐次數(shù)均為2次，初始間伐年齡較陰坡中土早，初始間伐強(qiáng)度小，間隔期短。保留密度為1 200株/hm2，比陰坡中土培育中徑材的林分保留密度1 500株/hm2小，保留木的平均材積0.137 5 m3/株，大于陰坡中土的0.092 0 m3/株，是陽坡中土培育小徑材的2倍左右。

培育大徑材，陰坡厚土初植密度比陰坡中土小，間伐次數(shù)均為3次。初始間伐年齡較陰坡中土早，間伐強(qiáng)度小，間隔期短。保留密度為530株/hm2，比陰坡中土培育大徑材的林分保留密度1 000株/hm2小，保留木平均單株材積0.224 5 m3/株大于陰坡中土0.145 0 m3/株，是陽坡中土培育小徑材的3倍多。

表3 油松建筑材林經(jīng)營模式

3.2.3 資源清查和生長預(yù)測

根據(jù)已知林分密度、胸徑、優(yōu)勢木高和林齡，在圖1查得蓄積量，結(jié)合地位指數(shù)圖表預(yù)測各年齡的胸徑、優(yōu)勢木高、蓄積量等。以陰坡厚土上林木平均直徑15 cm、立木密度1 150株/hm2的油松為例，設(shè)計(jì)出定量間伐量。表4中能定量預(yù)估出伐前和伐后的直徑、密度、蓄積及間伐強(qiáng)度等，對(duì)林分生長至主伐期間的密度調(diào)控有定量的把握。

表4 油松建筑材林定量間伐模式

4 結(jié)論與討論

河北森林主要分布在冀北中山落葉闊葉林區(qū)和燕北山地溫性針葉落葉林區(qū)，其中油松人工林主要集中在冀北中山落葉闊葉林區(qū)。本研究選在該區(qū)平泉國有林場，油松人工林面積大，具有代表性，且經(jīng)營環(huán)節(jié)技術(shù)要求高，前人在此做過大量研究。編制河北平泉油松建筑材林密度管理圖，體現(xiàn)的造林密度、間伐強(qiáng)度、間伐間隔期及次數(shù)等指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有林撫育和生長預(yù)測具有重要意義，有助于擴(kuò)展到河北其他油松森林經(jīng)營區(qū)，對(duì)森林經(jīng)營決策的制定具有參考價(jià)值。

造林密度直接影響幼林郁閉時(shí)間、林分生長量、間伐次數(shù)和間伐材利用等。油松喜光，但幼樹耐蔭，故造林密度適當(dāng)偏大，要同時(shí)控制側(cè)枝發(fā)育，促進(jìn)初期高生長，降低樹干尖削度。相聰偉等[22]對(duì)杉木人工林材種結(jié)構(gòu)的立地和密度效應(yīng)研究指出，高初植密度的林分，林分發(fā)展后期平均胸徑小，林分大徑材出材量小。研究發(fā)現(xiàn)培育大、中、小徑材油松林分造林密度依次增大，原因是造林密度較大，林木間相互擠壓爭奪，小徑階林木有充足的生長空間，徑階范圍拓寬，幼齡林階段林分蓄積量較高，故主要集中生產(chǎn)小徑材，反之，生產(chǎn)中大徑材。結(jié)合林場實(shí)際，本研究認(rèn)為培育大徑材的陰坡厚土建議適當(dāng)減少林苗種植密度，而陽坡中土和陰坡中土、培育中徑材的陰坡厚土反之。

間伐強(qiáng)度直接影響保留木數(shù)量和林內(nèi)環(huán)境的改善程度，對(duì)林內(nèi)直徑、樹高、材積和材質(zhì)等均產(chǎn)生不同程度的影響[23]。3種立地類型下林分間伐強(qiáng)度均逐漸增大，陽坡中土林分的整體間伐強(qiáng)度小于陰坡中土和陰坡厚土，初始間伐年齡從小到大為陰坡厚土、陰坡中土、陽坡中土。間伐強(qiáng)度依次增大，這與邵志新等[5]對(duì)火炬松建筑材、尹擁君[6]對(duì)杉木建筑材的研究結(jié)果一致，與童方平[7]對(duì)濕地松建筑材的研究結(jié)果不一致。原因可能是樹種生長特性各異，油松幼齡林耐蔭，為保證林木發(fā)育最佳，初次間伐強(qiáng)度小，后期隨著林木年齡增大，耐蔭轉(zhuǎn)變?yōu)橄补?，故林木間伐強(qiáng)度依次增大。培育中、大徑材林分，側(cè)面反映了立地質(zhì)量較好，但前期雜草生長也旺盛，故初始間伐強(qiáng)度大。培育中、大徑材的陰坡厚土比陰坡中土造林密度小，因而間伐強(qiáng)度小于陰坡中土。培育大徑材的陰坡中土、厚土林分，密度小，林木生長快，充分郁閉前，林內(nèi)就形成了明顯的分化，處于林冠中下層的被壓木，生長衰弱或幾乎停滯，但也消耗著營養(yǎng)物質(zhì)，有必要盡早下層間伐，保留上、中層生長勢較強(qiáng)的林木，提高立木蓄積。

間伐間隔期和次數(shù)取決于林分立地條件和首次間伐強(qiáng)度。從結(jié)果看，林分間伐期集中在5～10 a，間伐2～3次。吳江等[24]關(guān)于日本落葉松人工林撫育間伐間隔期的研究指出，間伐間隔期過長，期間林分密度多，生長過程中植株間競爭激烈，加快林木自然稀疏，從而降低林分質(zhì)量；間伐間隔期過短，林木間競爭尚未激烈，郁閉度未完成，至少要等到林分恢復(fù)再開始間伐，確定間隔期為6～10 a，與本研究相當(dāng)。尹擁君[6]對(duì)杉木建筑材林研究指出，立地指數(shù)14～20的林分培育中小、中大材的間伐次數(shù)為2次，而本研究中培育小、大徑材的間伐次數(shù)均為3次?？紤]原因是3種立地類型中，陽坡中土的立地指數(shù)小于其他兩種立地類型，培育小徑材的陽坡中土林分初植密度大，林分經(jīng)過多次間伐，確保林分內(nèi)合理郁閉度的形成。培育大徑材的陰坡林分，3次間伐使林木獲得完滿立木度，提高林分整體質(zhì)量。

可見，在較好立地條件下，造林密度小，首次間伐強(qiáng)度大，間伐2～3次，間隔期略長。間伐保留密度越小，對(duì)林木的胸徑、樹高及蓄積的生長促進(jìn)作用越明顯。間伐后低林木密度使林木出材率呈現(xiàn)小徑材減小、大徑材增加的趨勢，有利于中、大徑材的培育。

人工建筑材林品質(zhì)取決于樹種遺傳特性、環(huán)境狀況和培育手段，只有這3個(gè)條件配合好，做到適種、適地、適法，才能獲得滿足要求的高質(zhì)量建筑材。本研究針對(duì)河北平泉開展的定點(diǎn)研究表明，培育油松建筑材林，陽坡中土利于培育干形好的小徑材，而陰坡中土和陰坡厚土重在培育飽滿優(yōu)質(zhì)木材。培育建筑材林，適種適地后，適法是林業(yè)工作者重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，是后期林木有效產(chǎn)出的保障。以新西蘭主要建筑材樹種——輻射松為例，重在關(guān)注疏伐和修枝，把防止樹節(jié)滯留作為合理經(jīng)營的目標(biāo)[25]。此外，他人對(duì)落葉松和樟子松研究，也證實(shí)了樹節(jié)會(huì)造成木材產(chǎn)量降低[26-27]。本研究培育中、大徑材林分密度較低，幼林齡林木生長快，伴隨枝條生長也快，此時(shí)林木自然整枝慢，枝條宿存時(shí)間久，待脫落后易形成直徑較大的樹節(jié)，因此保證飽滿優(yōu)質(zhì)的同時(shí)，有必要考慮有效木材利用長度的大小及材質(zhì)好壞。本研究涉及的干形指標(biāo)只反映了林分的整體狀況，密度管理圖雖然較全面地反映和預(yù)測了林分經(jīng)營手段和生長狀況，但無法得出修枝處理及木材質(zhì)量；另外，欠缺其他適生區(qū)的研究和對(duì)比，是本研究的不足之處，待進(jìn)一步挖掘，結(jié)合建筑材材質(zhì)，更加全面地得出適應(yīng)于區(qū)域性油松建筑材林的動(dòng)態(tài)調(diào)控措施。