杉木材種結(jié)構(gòu)及大徑材生長保留密度與立地效應(yīng)

王有良，宋重升，何宗明，鄭鳴鳴，范少輝，林開敏

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國家林業(yè)和草原局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002； 3.貴州黔南布依族苗族自治州林業(yè)局，貴州 黔南 558000；4.國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100102)

作為密度控制的一個重要經(jīng)營措施，撫育間伐對改善林分結(jié)構(gòu)和提高林分質(zhì)量具有至關(guān)重要的影響[1-2].目前，有關(guān)間伐對林分生長影響的研究較多.雖然不同樹種、立地條件、林分年齡、間伐強度、間伐間隔期等對間伐生長效應(yīng)的影響規(guī)律有所差異，但普遍認(rèn)為間伐能有效促進林木胸徑增加[3-5].目前，關(guān)于不同撫育間伐保留密度對杉木人工林林分生長的影響已有較多研究，大多集中在間伐措施對林分胸徑、樹高、胸高斷面積、單株材積及蓄積量等方面的影響[6-8]，而不同間伐保留密度對杉木人工林生長的影響研究結(jié)論并不一致，主要集中在速生豐產(chǎn)方面[9].杉木大徑材定向培育技術(shù)及成果推廣是杉木乃至我國人工用材林提質(zhì)增效的迫切需求及有效途徑[10]，而有關(guān)杉木大徑材培育的研究較為薄弱.因此，加強間伐密度與林分材種結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究，優(yōu)化人工林定向培育技術(shù)尤為重要.

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook]是重要的速生用材樹種，具有速生、豐產(chǎn)、材質(zhì)優(yōu)良等特性[11]，在我國南方廣泛種植.第九次森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，目前我國杉木人工林面積已達(dá)到約987萬hm2(1.48億畝)，蓄積量達(dá)到7.55億m3，在我國人工林面積和蓄積量中均居首位，在林業(yè)產(chǎn)業(yè)和生態(tài)建設(shè)中具有重要地位和作用[12].特別是近年來，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對杉木木材產(chǎn)品的需求也呈現(xiàn)高端化、高值化和多樣化的趨勢，由于需求量增加，導(dǎo)致杉木大徑材更為短缺[11].因此，大力發(fā)展杉木大徑材定向培育技術(shù)已成為杉木人工林發(fā)展的重要趨勢，對我國杉木產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展將起到積極的推動作用.近年來，已經(jīng)開展了杉木大徑材培育研究.張俊欽等[13]認(rèn)為，在初植密度較高的中齡林培育杉木大徑材，保留密度設(shè)置為1 230、1 470株/hm2為宜；劉躍鈞等[14]認(rèn)為，合理間伐和科學(xué)施肥，能在較短時間內(nèi)提高大徑材產(chǎn)量；涂育合等[15]通過建立林分?jǐn)?shù)學(xué)模型研究發(fā)現(xiàn)，杉木大徑材的適宜主伐密度18指數(shù)級為1 005～1 382株/hm2，20指數(shù)級為959～1 319株/hm2；葉功富等[16]認(rèn)為，適時對林分進行密度調(diào)整，有利于提高中、大徑材所占比重，大徑材的培育保留密度以1 200株/hm2為宜.但已有的研究成果大多集中在某一地位指數(shù)下設(shè)計若干個密度梯度處理，一般觀測時間較長，且有時存在密度處理梯度范圍偏窄或梯度間距過寬的問題，難以在短期內(nèi)獲得較為精準(zhǔn)的密度控制方案.有鑒于此，本文基于福建省峽陽國有林場29 a生杉木人工林，調(diào)查20塊不同地位指數(shù)和保留密度樣地資料，在783～1 767株/hm2范圍內(nèi)，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型深入分析林分材種結(jié)構(gòu)和大徑材生長的立地與密度效應(yīng)，確定杉木大徑材培育過程中，在不同地位指數(shù)下林分的最優(yōu)保留密度，為杉木大徑材培育過程中林分密度和立地的精準(zhǔn)調(diào)控提供理論參考.

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于福建省南平市峽陽國有林場(26°45′N，118°10′E)，海拔90～400 m，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，平均年降雨量1 817 mm，年平均溫度19.4 ℃，最高溫和最低溫分別為41 ℃和-5.8 ℃[17].土層厚度均在1 m以上，以紅壤為主，土壤肥沃.優(yōu)良的自然地理環(huán)境使得本區(qū)十分有利于杉木生長.

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查方法

本研究樣地數(shù)據(jù)來自現(xiàn)有的29 a生不同間伐保留密度梯度的杉木林分，該林分造林密度為2 500株/hm2，間伐后，形成了20塊不同林分保留密度梯度(783～1 767株/hm2)的杉木人工林.采用典型樣地法進行林分調(diào)查.每個樣地面積均為600 m2(20 m×30 m)，對樣地內(nèi)活立木進行每木檢尺，并掛牌標(biāo)記.各樣地分別選出5株(四個角落和中心區(qū)域各選1株)長勢較好的林木作為優(yōu)勢木，根據(jù)優(yōu)勢木平均高，查福建省杉木地位指數(shù)表[18]，通過內(nèi)插法求出地位指數(shù)，計算出的地位指數(shù)規(guī)整后分別為18、20、22.利用原有林分調(diào)查數(shù)據(jù)整理得出20塊樣地的杉木林分概況，見表1.

表1 樣地基本信息Tab.1 Basic information of sample plots

1.3 數(shù)據(jù)處理

單株材積[11，19]：

式中：Vi為第i株杉木單株材積(m3)；Di為第i株杉木胸徑(cm)；Hi為第i株杉木樹高(m).

按徑階計算規(guī)格材原條出材量.材種出材量[19-20]：

V規(guī)(原條)=3.602 437 58×10-5×D1.947 520 76×H1.007 937 69，

式中：V規(guī)(原條)為規(guī)格材原條出材量(m3)；D為徑階平均胸徑(cm)；H為徑階平均樹高(m).

根據(jù)林木材種，以直徑為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，分別計算各徑階立木出材量，并按材種進行歸并[19-20].各徑階杉木材種株數(shù)占比見表2.

表2 不同徑階杉木材種株數(shù)占比Tab.2 Proportion of wood species of different diameter grades of Chinese fir /%

利用Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，運用Origin 2017制圖軟件繪制散點圖，選用最優(yōu)擬合曲線模型(擬合度R2最高)進行回歸擬合.

2 結(jié)果與分析

2.1 保留密度對林分材種結(jié)構(gòu)和大徑材生長的影響

2.1.1 保留密度對林分大徑材數(shù)量的影響

圖1 不同保留密度林分大徑材占比Fig.1 Proportion of large-diameter timber plants in different retention densities

不同保留密度林分大徑材占比見圖1.由圖1可見：隨著保留密度的增大，林分大徑材株數(shù)占比呈減小趨勢，說明高保留密度不利于林分胸徑的增長.

2.1.2 保留密度對林分大徑材蓄積量的影響

不同保留密度林分大徑材蓄積量見圖2，占比見圖3.由圖2可知：隨著保留密度的增大，林分大徑材蓄積量呈先上升后下降的趨勢，保留密度在1 000～1 200株/hm2時，大徑材均有較高的蓄積量；保留密度為1 150株/hm2時，大徑材蓄積量達(dá)到最大值，說明合理的間伐有利于杉木大徑材培育.由圖3可知：隨保留密度的增大，林分大徑材蓄積量占比總體呈下降趨勢.保留密度為980株/hm2時，大徑材蓄積量占比最大；保留密度為783～1 767株/hm2時，平均大徑材蓄積量占比為55.86%.

圖2不同保留密度林分大徑材蓄積量Fig.2Large-diameter timber accumulation of forestswith different retention densities圖3不同保留密度林分大徑材蓄積量占比Fig.3Proportion of large-diameter timber accumulationof forests with different retention densities

2.1.3 保留密度對林分材種結(jié)構(gòu)的影響

不同保留密度林分材種結(jié)構(gòu)見圖4.由圖4可見：小徑材出材量與出材率隨著林分保留密度的增大均呈增加趨勢；中徑材出材量與出材率隨保留密度的增大呈增加趨勢，保留密度在1 100～1 400株/hm2區(qū)間增量最大，在1 230～1 380株/hm2區(qū)間出材率增長最快；大徑材出材量隨保留密度的增大呈先快速增加后快速減小最后逐漸平穩(wěn)的趨勢，其中，大徑材出材量在保留密度為1 100株/hm2時達(dá)到最大，在1 000～1 200株/hm2均較大，在780～1 140株/hm2出材率均較大，在1 140～1 490株/hm2下降最明顯.

圖4 不同保留密度林分材種結(jié)構(gòu)Fig.4 Timber species structure of forests with different retention densities

圖5 不同地位指數(shù)大徑材株數(shù)占比Fig.5 Proportion of large-diameter timber plants with different status indexes

2.2 地位指數(shù)對材種結(jié)構(gòu)和大徑材生長的影響

不同地位指數(shù)大徑材占比見圖5.由圖5可見：隨著地位指數(shù)的提高，林分大徑材株數(shù)占比總體呈逐漸上升趨勢，說明地位指數(shù)高的林地適合培育大徑材林分.

不同地位指數(shù)大徑材蓄積量及占比見圖6、圖7.由圖6和圖7可見：林齡為29 a的杉木，隨著地位指數(shù)的提高，林分大徑材蓄積量和占比總體呈逐漸增加的趨勢，說明高地位指數(shù)的林地更適合培育大徑材.

圖6不同地位指數(shù)大徑材蓄積量Fig.6Large-diameter timber accumulation ofdifferent status indexes圖7不同地位指數(shù)大徑材蓄積量占比Fig.7Proportion of large-diameter timber stockvolume of different status indexes

不同地位指數(shù)各材種出材量、出材率見圖8.由圖8可見：林齡為29 a的杉木林分，隨著地位指數(shù)的提高，中徑材和小徑材出材量、出材率總體均呈下降趨勢；而大徑材出材量、出材率則呈現(xiàn)隨地位指數(shù)提高而增加的趨勢.由此說明，18及以上地位指數(shù)林地適合杉木大徑材培育.

圖8 不同地位指數(shù)各材種出材量、出材率Fig.8 The yields volume and yields of various species of different status indexes

2.3 大徑材出材量和出材率模型構(gòu)建

以20塊樣地林分調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用SPSS 19.0軟件對設(shè)定的方程進行參數(shù)擬合，參數(shù)估計結(jié)果見表3.由表3可知：2個方程的擬合相關(guān)系數(shù)(R2)均在0.5以上，殘差平方和均較小，擬合效果較好.

表3 參數(shù)估計結(jié)果Tab.3 Results of parameter estimation

根據(jù)以上參數(shù)估計結(jié)果，建立福建省杉木大徑材出材量和出材率模型：

V=e(b0+b1SI+b2lnN+b3lnN2+b4SIlnN)，

式中：V為出材量和出材率；SI為地位指數(shù)；N為林分密度；b0、b1、b2、b3、b4為模型參數(shù).

上述模型可預(yù)測杉木大徑材出材量和出材率.29 a生時，大徑材出材量最大值出現(xiàn)在地位指數(shù)為18，保留密度為1 410株/hm2的林分，較大值出現(xiàn)在保留密度1 310～1 510株/hm2的林分；在地位指數(shù)為20，保留密度為1 250株/hm2時，大徑材出材量出現(xiàn)峰值，較大值出現(xiàn)在保留密度為1 150～1 350株/hm2范圍；在地位指數(shù)為22，保留密度為1 130株/hm2時，大徑材出材量出現(xiàn)峰值，較大值出現(xiàn)在保留密度為1 030～1 230株/hm2的林分.

在地位指數(shù)為18，大徑材出材率最大時，保留密度約為1 270株/hm2，在1 170～1 370株/hm2出材率較大；在地位指數(shù)為20，大徑材出材率最大時，保留密度為1 100株/hm2，在1 000～1 200株/hm2出材率較大；在地位指數(shù)為22，大徑材出材率最大值時，保留密度為950株/hm2，在850～1 050株/hm2出材率較大.

3 結(jié)論與討論

研究發(fā)現(xiàn)，在29 a杉木林，林分保留密度越大，越會抑制林分胸徑生長，大徑材株數(shù)占比也越小，這與徐金良等[21]的研究結(jié)果一致.NORD-LARSEN T等[22]對山毛櫸的研究也得出了類似結(jié)論.究其原因認(rèn)為，間伐降低了保留密度，增加了林分的營養(yǎng)空間，因而促進了林分胸徑、樹高生長，使原有的中、小徑材朝大徑材方向轉(zhuǎn)化.但大徑材蓄積量隨保留密度的增大呈先增加而后減小的趨勢，保留密度在1 000～1 200株/hm2時蓄積量較高，在1 400株/hm2以上時蓄積量均較小，且變化較為平緩，這與蔣家淡等[23]的研究結(jié)果有所不同，可能是受林分單株材積和單位面積活立木株數(shù)的影響，在林分密度較低時，林分平均單株材積較大；隨著保留密度的增大，林分胸徑也逐漸減小[24].

林分生長直接受林分密度、立地條件、環(huán)境等因子制約[25-26].對比發(fā)現(xiàn)，林齡29 a的杉木林分，地位指數(shù)越高，大徑材出材量較大值對應(yīng)的林分保留密度相對越低.已有研究表明，隨著林分保留密度的降低和立地指數(shù)的提高，杉木出材量和出材率隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材種結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)化[27-28].林分密度太低，會因單位面積保留株數(shù)減少使大徑材產(chǎn)量下降；林分密度太高，則會因活立木間競爭加劇而使得單株活立木所獲取的養(yǎng)分減少，林分立木整體胸徑減小，也會導(dǎo)致大徑材出材量降低[26].

立地質(zhì)量是材種形成過程中的主要限制因子[20].林齡29 a的杉木，隨著地位指數(shù)的提高，林分大徑材株數(shù)、株數(shù)占比、蓄積量、蓄積量占比均呈上升趨勢，這與地位指數(shù)決定林木胸徑大小并促進林分形成的研究結(jié)果一致[26，29].地位指數(shù)對杉木大徑材的培育有顯著影響，地位指數(shù)越高，林分密度越低，越適宜培育較大規(guī)格的材種.此外，地位指數(shù)為18～22時，中、小徑材出材量、出材率隨地位指數(shù)提高而減小，大徑材出材量、出材率隨地位指數(shù)的提高而增加，這與惠剛盈等[30]的研究結(jié)果有所不同，其原因可能是在林分地位指數(shù)較高時，林地可為杉木生長提供的養(yǎng)分更為充分，生長速度更快，促使中、小徑材更多地向大徑材方向轉(zhuǎn)化，從而使得中、小徑材出材量、出材率降低.

綜上所述，杉木材種結(jié)構(gòu)的形成存在地位指數(shù)與保留密度的交互作用，低保留密度和高地位指數(shù)(≥22)適宜培育杉木大徑材.地位指數(shù)為18時，適宜培育中徑材；地位指數(shù)大于18更適宜培育杉木大徑材.培育杉木大徑材的適宜保留密度：地位指數(shù)為18時為1 310～1 510株/hm2；地位指數(shù)為20時為1 150～1 350株/hm2；地位指數(shù)為22時為1 030～1 230株/hm2.