云南松不同林齡人工林的林木分化特征分析

合金鑫，李蓮芳，李俞鑫，姜若超，黃孝杰，王姝茜，劉 暢

(西南林業(yè)大學 林學院，云南 昆明 650224)

1 引言

云南松(Pinusyunnanensis)，是西南地區(qū)特有樹種，主要分布于云南，四川和貴州的西部及西南部、西藏東部和廣西西北部，在其分布區(qū)的經(jīng)濟、生態(tài)和社會可持續(xù)發(fā)展中具有不可替代的作用[1，2]。林木分化指在林木生長發(fā)育過程中，同一樹種同齡林木生長特征的差異[3]。同一產(chǎn)地或同一良種基地的種子培育苗木，營造同齡人工林的林木分化，是基因差異及其對環(huán)境適應的表征，分析其分化特征，一方面了解林木的生長差異，另一方面為林分撫育采伐提供參考。陳健波等[4]研究3種不同造林密度(A-密度1666、B-密度1250和C-密度833株/ hm2)的尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)林木分化特征，指出林齡5.5a 時，3種密度間，林分胸徑、樹高、單株材積和蓄積量均有顯著的差異(P<0.05)，密度A、B和C的林木胸徑變異系數(shù)分別是12%、15%和15%，即林木胸徑呈現(xiàn)明顯的分化；莫凡等[5]通過研究觀光木(Tsoongiodendronodorum)胸徑與樹高的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)8 a生人工林已出現(xiàn)林木分化現(xiàn)象，需要實施疏伐；龔輝[6]研究9 a生鄧恩桉(Eucalyptusdunnii)河岸人工林分化特征，以樹高作為參考指標，每3m劃分為一個高度級，發(fā)現(xiàn)不同高度級間的個體數(shù)量差別較大，即從樹高的角度呈現(xiàn)較大的分化；姜俊等[7]分析不同林齡馬尾松(P.massoniana)人工林結(jié)構(gòu)特點，發(fā)現(xiàn)隨著林齡的增長，胸徑逐漸增加，小徑級林木株數(shù)比例逐漸減少，隨著徑級的增加株數(shù)比例降低，揭示林木隨著林齡增長，分化趨于激烈，小徑階林木增加，需要開展撫育采伐。林木分化現(xiàn)象是其生長發(fā)育的必然結(jié)果，不同樹種和林分出現(xiàn)分化的林齡和分化程度亦有差異，需要針對具體的樹種和林分開展林木分化相關(guān)調(diào)查研究，了解其分化特征的同時，為撫育采伐決策提供依據(jù)。

云南松林木早期分化的文獻查及較少，本研究對昆明市宜良縣國有祿豐村林場尖山林區(qū)4 a、11 a和14 a生云南松人工林開展調(diào)查，分析林木分化特征，豐富云南松人工林相關(guān)資料的同時，提供撫育采伐的理論依據(jù)和實踐參考。

2 林地及林分概況

研究地位于云南省昆明市宜良縣祿豐村林場尖山林區(qū)，地理坐標24°26′11″～24°30′08″N，103°00′02″～103°16′06″E，海拔約1970 m；屬亞熱帶季風氣候，年平均降雨量995.3mL，年平均氣溫17.5 ℃，最高氣溫31.5 ℃，最低氣溫-5 ℃，常年無霜期約67 d，偶爾年份有3～7 d的降雪[8]。造林地的坡度5°～10°，地勢相對平緩，為云南松點播造林的人工林采伐跡地。林地成土母巖主要由石灰?guī)r和頁巖、紫色砂巖、紫色頁巖構(gòu)成，土壤類型為紅壤，且土壤風化程度較高，有機質(zhì)含量豐富[9]。

調(diào)查的林分，林齡分別為4 a、11 a和14aa生，采用彌渡種子園良種培育的無蹲苗期苗木造林，4和11a生林分采用1 m×2 m×4 m的非均勻密度控制造林，14a生林分采用1 m×2 m×5 m的非均勻密度控制造林，調(diào)查時的林分密度分別為2751、2587和1812株/hm2，4、11和14a生林分郁閉度約0.5、0.8和0.7，林分的立地條件基本一致(表1)，均未實施撫育采伐，林分以培育用材林為主。

表1 不同林齡林分概況

3 研究方法

選擇林木生長具有代表性的地段，分不同林齡(4 a、11 a和14 a)設(shè)置樣地，每個林齡設(shè)置3個重復，共設(shè)9塊25 m×25 m的樣地，對樣地內(nèi)林木進行每木檢尺(胸徑和樹高)。以2 cm劃分徑階，分別統(tǒng)計不同林齡的徑階數(shù)及其胸徑、樹高、胸高斷面積、單株材積[10]、離散度和林木分化程度[5]、蓄積量，以及重要值[11]。相關(guān)計算公式如下：

胸高斷面積：G=πD2/4

(1)

式(1)中，G為胸高斷面積(cm2)，D為胸徑(cm)，π取3.14；

單株材積：V=0.0000871510500D1.9544793H0.7558395

(2)

式(2)中，V為單株材積(m3)，D同式(1)，H為樹高(m)；

胸徑離散度=n/N

(3)

式(3)中，n為調(diào)查某一林齡林木胸徑小于平均胸徑的林木株數(shù)，N為調(diào)查某一林齡的林木總株數(shù)；

林木分化程度=(D/Dmin)-(D/Dmax)

(4)

式(4)中，D為調(diào)查某一林齡的林木平均胸徑，Dmin為調(diào)查某一林齡的林木最小胸徑，Dmax為調(diào)查某一林齡的林木最大胸徑；

IV=(Dr+Fr+Dor)/3

(5)

式(5)中，IV為重要值(%)，Dr為調(diào)查某一林齡各徑階的斷面積比(%)，F(xiàn)r為調(diào)查某一林齡各徑階的頻度比(%)，Dor為調(diào)查某一林齡各徑階的材積比(%)；

Dr=(di/D)×100%

(6)

式(6)中，Dr同式(5)，di為調(diào)查某一林齡的某徑階胸高斷面積，D為調(diào)查某一林齡的全部徑階總斷面積；

Fr=(ni/N)×100%

(7)

式(7)中，F(xiàn)r同式(5)，ni為調(diào)查某一林齡的某徑階株數(shù)，N同式(3)；

Dor=(si/S)×100%

(8)

式(8)中，Dor同式(5)，si為調(diào)查某一林齡的某徑階材積，S為調(diào)查某一林齡的總材積。

采用Excel和SPSS24.0軟件進行數(shù)據(jù)整理和分析，為滿足方差分析的齊性要求，如果以%計數(shù)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)≤30%或≥70%的，先進行反正弦變換再進行方差分析，采用Duncan's法進行多重比較[12]。

4 結(jié)果與分析

4.1 林木胸徑和樹高分化

4 a生幼林的胸徑和樹高分別為1.2～6.7 cm和1.0～2.9 m(平均3.2 cm和1.9 m)，對應的變異系數(shù)分別為34.2%和17.4%；11 a生的以上指標分別為3.8～17.9 cm、4.7～7.5 m(平均11.0 cm和6.6 m)，變異系數(shù)分別為24.5%和9.4%；14 a生的則是5.6～20.7 cm、5.4～9.9 m(平均13.0 cm和8.2 m)，變異系數(shù)分別為19.9%和11.1%(表2)，揭示3個林齡的林木其胸徑分化較樹高的明顯，隨著林齡增大，胸徑的分化降低，一方面隨著林齡增大，部分林木自然枯損，另一方面，14 a生林木因未開展撫育采伐而抑制胸徑生長，兩方面共同導致該林齡林木間胸徑分化降低，揭示11 a生時，林木應開展撫育采伐，不宜出現(xiàn)14 a生時因密度較大而分化降低的現(xiàn)象。3個林齡間，樹高的分化未呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即4 a、11 a和14 a生的樹高變異系數(shù)呈現(xiàn)高-低-高的現(xiàn)象，也許與調(diào)查的林分年齡較少有關(guān)。

4 a、11 a和14 a生林分的林木分別包括4、8和9個徑階；4 a生4個徑階株數(shù)分別占測定總株數(shù)的9.3%、71.2%、17.9%和0.7%，以4 cm和6 cm徑階為主(共占89.1%)；11 a生林分9個徑階的株數(shù)比分別為0.6%、3.8%、9.6%、19.7%、27.4%、24.8%、12.1%和1.9%，8、10、12、14 cm徑階是林分的主要構(gòu)成部分(共占84.0%)；14 a生林分9個徑階分別占總株數(shù)的0.6%、0.6%、11.9%、22.5%、30.6%、23.8%、5.6%、3.8%和0.6%，以8～14cm徑階的為主，合計占總株數(shù)的88.8%(表2)。隨著林齡增長，徑階數(shù)目增多，揭示林木隨著林齡增長，分化逐漸激烈；然而，11 a和14 a生之間差異較小，后者僅比前者多1個徑階，表明11 a生時，林木應開展撫育采伐，否則林木生長將被抑制，如前指出，14 a生林分因未疏伐，故從徑階的角度，導致其與11 a生的分化差異較小。

表2 不同林齡林分徑階分布

不同林齡胸徑最大徑階均極顯著的大于其余徑階的(P=1.74E-109～9.47E-573<0.01)，但其株數(shù)比例較低；3個林齡的徑階株數(shù)比例呈正態(tài)分布，即大徑級和小徑級林木株數(shù)較少，中等徑級林木株數(shù)較多(表2)，符合人工林的林木株數(shù)分布規(guī)律。

4 a生林木胸徑和樹高主要集中于1.5～4.5 cm和1.4～2.3 m之間，株數(shù)占總株數(shù)的76.3%；11 a生的則集中于8.6～14.3 cm和6.1～7.5 m之間(占總株數(shù)的63.1%)；14 a生居于11.2～17.6 cm和8.1～9.8 m之間，其株數(shù)占總株數(shù)的65.4%(圖1和表3)，隨著林齡增長，集中分布的株數(shù)呈降低趨勢，進一步揭示隨著林齡增長，林分分化趨于劇烈；11 a和14 a生集中分布區(qū)的株數(shù)比例相近，主要是14 a生林木因未開展撫育采伐，導致林木群體生長被抑制，分化未充分體現(xiàn)導致的。

圖1 不同林齡胸徑-樹高散點

3個林齡的胸徑和樹高離散度分別為0.49～0.59和0.36～0.44，林木分化程度為1.71～2.28，林齡間未呈現(xiàn)規(guī)律性變化(表3)，也許采用離散度和分化程度分析該3個林齡的云南松林木分化，其準確性較采用變異系數(shù)和徑階分析的準確性差的原因造成的。4 a生林分的徑階相對較大株數(shù)比例較高，與4 a生林分相比，11 a和14 a生的小徑階林木占比例較高(表2)，結(jié)合其集中分布區(qū)的分析(圖1和表3)，表明早期林木分化較小，4 a前不需要撫育采伐，與之相反，林齡11 a生時，分化加劇應開展撫育采伐，保證林木充分生長，發(fā)揮林地生產(chǎn)力。

表3 不同林齡胸徑樹高分布

4.2 徑階斷面積和蓄積量分布及差異

4 a生林木4個徑階的平均胸高斷面積分別為2.30、6.71、19.92和35.24 cm2，占總胸高面積的2.4%、54.7%、40.2%和2.7%；11 a生林分8個徑階的平均胸高斷面積分別為11.34、20.48、40.71、67.55、94.09、130.27、172.12、224.60 cm2，占總胸高斷面積的0.1%、0.8%、3.8%、13.2%、25.4%、31.9%、20.6%和4.2%；14 a生林分其9個徑階的平均胸高斷面積分別為24.62、50.24、68.53、96.42、133.32、178.14、217.91、282.50、336.36 cm2，占總胸高斷面積的0.1%、0.2%、5.6%、15.7%、29.6%、30.7%、8.9%、7.7%和1.5%；與胸徑一致，3個林齡最大徑階的胸高斷面積均極顯著的大于其余徑階的(P=2.13E-108～2.50E-62<0.01)，林分胸徑斷面積由構(gòu)成其主要徑階的林木組成(表4)。進一步證實11 a和14 a生林木需要撫育采伐，主要伐除林木為小徑階林木部分，構(gòu)成林分主要成分的徑階和大徑階林木，根據(jù)形質(zhì)指標留優(yōu)伐劣的原則伐除劣質(zhì)木。

表4 不同林齡不同徑階的斷面積和蓄積量

4 a生林木不同徑階的平均蓄積量分別為0.106、2.756、2.336和0.149 m3/hm2，占總蓄積量的0.3%、82.3%、17.3%和0.1%；11 a生8個徑階的則分別為0.094、0.925、5.796、19.508、35.710、45.910、29.939和6.501 m3/hm2，占總蓄積量的0.1%、0.1%、1.8%、13.1%、33.3%、38.8%、12.3%和0.4%；14 a生9個徑階的分別為0.196、0.406、10.210、29.313、59.117、62.468、18.485、14.729和3.086 m3/hm2，占總蓄積的0.1%、0.1%、2.7%、15.6%、42.8%、35.1%、2.5%、1.3%和0.1%，呈現(xiàn)隨著徑階增大，單位面積蓄積量先增加后降低的趨勢(表4)，即中等徑階林木株數(shù)比例較高，其蓄積量也高，揭示開展撫育采伐，伐除小徑級林木，對林分蓄積影響較小。3個林齡，林木徑階間蓄積量呈現(xiàn)極顯著的差異(P=6.92E-101～9.19E-18<0.01)，蓄積量最大的徑階受株數(shù)比例和單株材積共同影響，因此，4 a生林分4 cm徑階的蓄積量最高(株數(shù)比為71.2%)，11 a生的12 cm徑階的蓄積最高(株數(shù)比為24.8%)，14 a生的則是12和14 cm徑階的最高(株數(shù)比為30.6%和23.8%)，且這些徑階的蓄積量極顯著高于其余徑階的(表4)，進一步揭示云南松從幼林階段即開始分化，隨著林齡增加分化趨于劇烈的規(guī)律。

4.3 徑階的重要值構(gòu)成分析

重要值是徑階在林分所占重要程度的數(shù)量特征。4 a生林木4個徑階重要值分別為4.6%、59.5%、33.9%和2.0%，11 a生林分8個徑階則分別為0.3%、1.8%、5.8%、15.5%、25.8%、29.5%、17.8%和3.5%，14 a生林分9個徑階的分別為0.3%、0.4%、7.6%、18.2%、30.9%、29.5%、8.2%、7.1%和1.3%，與胸高斷面積一致，構(gòu)成林分主要徑階的林木，亦是構(gòu)成重要值的徑階(圖2)，表明此部分徑階的林木是構(gòu)成胸徑及其斷面積與重要值關(guān)鍵構(gòu)成部分，屬林木撫育采伐中的主要保留部分。3個林齡的林分，各徑階重要值構(gòu)成與徑階結(jié)構(gòu)分布基本一致，呈正態(tài)分布；11 a和14 a生林分最高重要值都出現(xiàn)在12 cm徑階(29.5%和30.9%)，同時12 cm徑階也是其株數(shù)(24.8%和30.6%)、胸高斷面積(31.9%和29.6%)和蓄積量(38.8%和42.8%)比例最高的徑階，表明重要值可反應徑階在林分中的重要程度；同時，重要值亦指出，林木撫育采伐需要遵循“伐小留大”的原則，加速中等徑階林木向大徑階林木生長。

圖2 不同林齡徑階重要值

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

對云南松4 a、11 a和14 a生林分的林木進行調(diào)查，采用2 cm劃分徑階，3個林齡分別包括4、8和9個徑階，隨著林齡增大，胸徑分化趨于劇烈。3個林齡的林木，分別由4 cm、6、8～14 cm、8～14 cm徑階構(gòu)成林分的主要部分，其胸高斷面積和重要值都由主要徑階構(gòu)成。隨著徑階增大，蓄積量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，4 cm、11 cm和14 a生最大的4 cm、12 cm和14 cm徑階平均蓄積量分別達2.756 m3/hm2、45.901 m3/hm2和62.482 m3/hm2；從胸徑、胸高斷面積、蓄積量和重要值的角度，一方面揭示11 a生林分需要開展撫育采伐，另一方面表明，撫育采伐主要伐除胸徑和樹高均小于主要徑階的林木，其余徑階以留優(yōu)伐劣選擇采伐木。此外，林木分化程度表明，4 a生林木分化較小，尚不需要撫育采伐。

5.2 討論

林木分化是林分生長過程中普遍發(fā)生的現(xiàn)象。胸徑結(jié)構(gòu)反映林分內(nèi)其分布狀態(tài)，直接影響著林木的樹高、胸高斷面積和蓄積量等林分因子，研究同林齡的胸徑分布規(guī)律可以掌握林分的生長狀況，進而對其采取適當?shù)膿嵊胧13]。王冬至等[14]對27 a、32 a和39 a生落葉松(Larix gmelinii)林分結(jié)構(gòu)的研究，結(jié)果顯示隨著林齡增大，不同林齡林分結(jié)構(gòu)隨著林齡的增加林木分化加劇。本研究的結(jié)果，隨著林齡增長，林木分化加劇，與已有研究相一致，揭示林木隨林齡變化具有共同特征。

林分直徑結(jié)構(gòu)和樹高結(jié)構(gòu)反應林分的分化程度[15]。韋建秋[16]對禿杉(Taiwaniaflousiana)人工林進行胸徑和樹高調(diào)查，指出林分的徑階呈正態(tài)分布；齊鵬等[17]對青海云杉(Piceacrassifolia)天然林徑階的研究發(fā)現(xiàn)，其分布呈倒“J”型曲線，而人工同齡林則呈正態(tài)分布或近正態(tài)分布；徐端秒等[18]對日本扁柏(Chamaecyparisobtuse)和日本花柏(C.pisifera)直徑分布研究，指出林分直徑均符合正態(tài)分布。本研究3個林齡的徑階分布均呈現(xiàn)正態(tài)分布，與上述結(jié)論一致，因此可以根據(jù)林分株數(shù)分布分化規(guī)律，判定林木采伐的時間和制定撫育采伐強度，11 a生林分小徑階林木分布較多，表明其應開展撫育疏伐。

林分胸高斷面積和蓄積量是林木胸徑、樹高和林分密度綜合作用的結(jié)果[19]。姜俊等[7]通過不同林齡馬尾松人工林結(jié)構(gòu)特點的分析發(fā)現(xiàn)，6個林齡單株平均材積均隨著年齡的增長而增加，林木分化導致近熟(50～60 a)的林木株數(shù)稀少，但提供林分50%以上的蓄積量，指出對10～40 a林分進行間伐，可增加大徑級木材產(chǎn)量；黃欣明等[20]對廣西田林縣4種不同林齡尾巨桉人工林生長量的分析，指出，因林木分化，不同林齡尾巨桉相同徑階的蓄積量波動較大；謝天時[21]對不同林齡的水杉(Metasequoiaglyptostroboides)人工林生長分析，發(fā)現(xiàn)不同林齡單株材積隨林齡增長而增加，因林木劇烈分化，27 a生平均蓄積增長是32 a生的1.23倍，即林木出現(xiàn)劇烈分化階段應進行撫育采伐，否則影響林分生長。本研究結(jié)果與以上文獻的基本一致，其中，11 a和14 a生小徑階林木的胸高斷面積和蓄積量比例較小，預示應開展撫育采伐，伐除小徑階林木，即胸高斷面積隨徑階的分布亦是判斷撫育采伐的指標之一。