蒙古櫟干形變異性研究 *

程 琳 張小單 饒 飛 趙西平 郭平平 臧國長 張 娜

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002；2.贛州市林業(yè)發(fā)展服務中心，江西 贛州 341000；3.浙江理工大學藝術與設計學院，浙江 杭州 310018；4.河南科技大學園藝與植物保護學院，河南 洛陽 471000；5.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，河南 鄭州 451450）

蒙古櫟（Quercus mongolica）喜光，深根性，耐干燥瘠薄，耐寒性強[1]。我國蒙古櫟多集中在遼寧、黑龍江、吉林、內蒙古等省，是東北重要的闊葉用材樹種，常與遼東櫟（Quercus wutaishansea）、黑樺（Betular dahurica）、白樺（Betular platyphylly）、山楊（Populus davidiana）等混生[2]。干形是影響蒙古櫟林分林木質量的重要因子，優(yōu)良的干形不僅能夠提升木材質量，還對林分的經(jīng)濟和生態(tài)效益具有重要的保障作用。

目前，我國鮮有對蒙古櫟干形改良的研究[3]。國外研究表明，干形具有較強的遺傳性，且遺傳力不低于材積，具有較好的遺傳改良的潛力[4-5]。國內報道顯示，種間蒙古櫟生長的競爭強度大于種內，蒙古櫟生長因子在種間的差異顯著[6-7]。本研究通過對蒙古櫟干形和樹高等生長因子的評價，選育出具有優(yōu)良綜合性狀的優(yōu)勢木，旨在為蒙古櫟種質資源的收集、保存和高效利用提供科學理論依據(jù)[8]。

1 試驗地概況

樣地位于東北林業(yè)大學帽兒山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站老爺嶺生態(tài)站(127°30′～34′E，45°20′～25′N)，海拔300 m，屬于低山丘陵；坡向為西北，屬溫帶大陸性季風氣候；年均降雨量723 mm，集中在7～8 月，無霜期120～140 天；年均溫度21.6 ℃；以暗棕壤為主，是蒙古櫟的適生區(qū)。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

在試驗地選取郁閉度相同，生長正常，無病蟲害，不斷梢的平均木7 株(表1)，試驗于2013 年開始觀察試驗林分長勢，經(jīng)過連年觀察選擇試驗木，2019 年開始取樣和進行木材解析試驗。

表1 帽兒山森林老爺嶺生態(tài)站采伐蒙古櫟解析木的基本情況

2.2 試驗方法

計算每株試驗木各林齡位于樹高1/4、1/2、3/4的高度值，再采用差量法計算出樹高1/4、1/2、3/4 處的直徑，然后分別根據(jù)公式（1）、（2）、（3）計算出各試驗木每年的希費爾形率。最后生成變化曲線圖，再根據(jù)得出的數(shù)據(jù)和曲線圖進行株間與株內的變異分析，選出最合適的經(jīng)驗和理論生長方程。

式中，d1.3為樹干1.3 m 高處的直徑，cm；d1/4為樹干1/4 高處的直徑，cm；d1/2為樹干1/2 高處的直徑，cm；d3/4為樹干3/4 高處的直徑，cm。

2.3 分析方法

采用Excel 2007 和SPSS 19.0 進行數(shù)據(jù)分析、圖表繪制的處理。

3 結果與分析

3.1 蒙古櫟林齡與胸徑的變異性

樹高和直徑是代表干形的主要特征成分之一，7 株蒙古櫟樣木的林齡介于70～85 年，但胸徑范圍為23.8～42.2 cm，樹高范圍17.8～19.6 m，變化幅度較大，說明蒙古櫟在生長過程中株間的胸徑和樹高變異明顯。

由圖1 可知，蒙古櫟的胸徑生長與林齡呈明顯正相關，即隨著林齡的增大，胸徑生長量呈現(xiàn)出增長的總體趨勢。其中，M6總體生長速度較快，第1 年高度就達到胸徑位置，M1和M8第5 年達到胸徑位置，其余試驗木均在第3 年達到胸徑位置；M3從第30 年開始，胸徑較其余6 株試驗木生長緩慢，特別是M1，從第30 年開始生長速度高于平均水平。由于樹木在前4 年會出現(xiàn)胸高形率因樹高過小而出現(xiàn)干形變化的模糊區(qū)，因此本文采用第5～76 年的數(shù)據(jù)作為研究對象。M5和M9剛到達1.3 m 處的直徑接近1 cm，對總體形率計算結果影響不大，也將其計算在內。

圖1 蒙古櫟胸徑隨林齡的變化

對于同一株蒙古櫟，其胸徑隨林齡的變化有一定的規(guī)律性，變異度小且穩(wěn)定，可獲得最優(yōu)的生長擬合方程，在采用希費爾形率研究蒙古櫟株內干形隨林齡的變異時，胸徑對結果的變異度影響較小，希費爾形率中d1/4、d1/2及d3/4可能對變異度的影響較大，即著重研究q1、q2、q3與樹木生長間的關系。

3.2 蒙古櫟形率株間的變異性

由圖2 可知，蒙古櫟胸高形率隨林齡的變化，在第3、4 年變異系數(shù)較大；q1、q2、q3在第3、4 年時變異系數(shù)最大，第5 年后基本趨于穩(wěn)定，個體間各生長性狀變異較大，總體變異趨勢是隨著林齡的增大，變異系數(shù)逐漸減小。q2、q3的最小值在第10～20 年間變化較為明顯，先是快速減少，之后是快速增加，又快速減少。q3最大值的總體趨勢是形率隨著林齡的增長而減少，但出現(xiàn)波浪形的曲線。由于q3的最小值數(shù)據(jù)最多只到38 年，因此就將其形率變化曲線的林齡最大限設為38 年，便于理解分析。

圖2 胸高形率q1、q2、q3 隨林齡的變化

3.3 蒙古櫟形率株內的變異性

3.3.1 縱向變異

采用7 株蒙古櫟作為樣木，求其各齡級希費爾形率平均值來進行株內縱向分析(圖3)。蒙古櫟在縱向上希費爾形率有明顯差異，整體上希費爾形率變化：q1＞q2＞q3，表明蒙古櫟整體干形比較尖削，直徑由下到上依次減少，這是樹木生長的普遍規(guī)律，可用來了解樹木的最適采伐林齡，對木材生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。由于蒙古櫟幼苗在樹高1/4 處的直徑非常小，第1～2 年形率都很低，為方便分析形率整體趨勢，從第3 年對樹木形率進行分析。在第5 年后隨著林齡的增加呈逐漸減少的趨勢，在第3～5 年有較大幅度的變化，可能是蒙古櫟在此期間樹高生長及樹干直徑生長不穩(wěn)定；第5 年時q1、q2和q3的數(shù)值都在1 附近且q2等于1.01，說明蒙古櫟在第5 年時樹高1/2 處恰在胸高處附近，此時胸高處附近的干形比較均勻合理；蒙古櫟在第5 年以后，q1、q2和q3隨著林齡的增加逐漸減少，q1和q2在第11 年后變化趨于穩(wěn)定，q3在第24 年后變化趨于穩(wěn)定。q1在第76 年出現(xiàn)快速增加的趨勢，可能受到外界條件的影響，使該年樹高1/4 處的直徑增加。

圖3 希費爾形率隨林齡的變化

3.3.2 徑向變異

采用7 株蒙古櫟作為樣木，求其各齡級平均胸高形率進行株內分析(圖4)。蒙古櫟在第5 年胸高形率大于1，這一年蒙古櫟干形規(guī)整，整體長勢良好，樹冠對其的影響?。坏?～19 年樹木生長快，胸徑變大，胸高形率下降較快；第19～76 年胸高形率穩(wěn)定減少，蒙古櫟在這期間胸高形率在株間出現(xiàn)一定的差異。隨著林齡的增加，蒙古櫟的抗性增加，適應環(huán)境的能力也在增強，這種差異變小，胸高形率趨于穩(wěn)定。

圖4 胸高形率隨林齡的變化

3.4 蒙古櫟胸高形率的模擬模型

3.4.1 經(jīng)驗方程

各國學者為更好地表達樹木生長過程，通過分析研究得出了一些經(jīng)驗生長方程[9]。存在相關指數(shù)的只有豪斯菲爾德方程，修正Weibull 方程，柯列爾方程和斯洛波達方程(表2)?？铝袪柗匠毯托拚齏eibull 方程擬合效果最佳（圖5）。

表2 各經(jīng)驗方程分析結果

圖5 胸高形率經(jīng)驗方程擬合曲線

3.4.2 理論方程

目前被廣泛認可的生長理論方程有邏輯斯蒂、考爾夫方程等。分析非線性回歸方程，得出各理論方程的分析結果（表3）可知，存在相關指數(shù)R2的只有考爾夫方程和邏輯斯蒂方程。

表3 各理論方程分析結果

根據(jù)各理論方程所得相關指數(shù)R2的值和圖6的擬合結果，選擇邏輯斯蒂方程為最合適的理論方程。邏輯斯蒂方程曲線所表示的蒙古櫟胸高形率與林齡呈負相關關系，蒙古櫟的干形隨林齡增加穩(wěn)定變化。邏輯斯蒂方程曲線第5 年后形率變穩(wěn)定，說明蒙古櫟在第5 年后就能夠比較穩(wěn)定的生長，可能是氣候條件、內部因素及人為因素等共同作用的結果。用已有理論方程通過胸高形率生長方程研究蒙古櫟干形的變化有一定的局限性，胸高形率生長理論方程還需要進一步深入的研究。

圖6 胸高形率理論方程擬合曲線圖

4 結論與討論

通過對蒙古櫟形率的數(shù)據(jù)研究可以得到以下結論：

（1）樹高隨著林齡的增加呈增加趨勢。前13 年生長快速，水分、土壤、溫度等外界條件和遺傳內部條件共同影響著樹木的生長；第13～35 年間穩(wěn)定生長，之后由于營養(yǎng)的供給，樹木之間的競爭，樹木生長緩慢。

（2）蒙古櫟株間胸徑隨林齡的變異度大。蒙古櫟形率的最大值隨林齡的增加變化幅度較大，變化曲線呈多峰狀態(tài)，可能是由于蒙古櫟樹高達到胸高處的林齡不同，在蒙古櫟第一次測得胸高形率時，胸高往往位于樹干頂梢處，導致胸徑數(shù)值很小。q2、q3的最小值在第10～20 年間變化較為明顯，先是快速減少，之后是快速增加，又快速減少，形率減少的原因是樹木生長變快，期間形率增加的原因是林木生長變慢，可能受到土壤、水分、溫度、光照等因素，這也表明樹木在這期間生長不穩(wěn)定，出現(xiàn)形率不穩(wěn)定的情況[10]。q3最大值的總體趨勢是形率隨著林齡的增長而減少，但出現(xiàn)波浪形的曲線，可能原因是樹木離梢頭近的部分受遺傳因素的影響而出現(xiàn)周期性的生長。

蒙古櫟在第4～5 年時q1、q2和q3有一定幅度的增加，同時胸徑d1.3基本不變，而蒙古櫟樹干的d1/4、d1/2、d3/4有較大的增加。可能由兩方面造成：一是蒙古櫟栽植的土壤養(yǎng)分中稀土含量較少，導致樹高生長暫停或緩慢生長[11]；二是蒙古櫟在第4～5年期間，可能由于人工修剪整形，剪去樹干下部的一級枝，使樹干下部獲得適宜的生長環(huán)境和養(yǎng)分造成直徑生長加速。由此可見，樹冠結構的選擇，可以促進干形改良[12]；蒙古櫟萌生力較強，合理的剪除多余側枝，利于林木主干的生長[13]。蒙古櫟在第10～20 年間樹高1/2、3/4 處的胸高形率最小值變化較為明顯，可能原因是林木受到外界環(huán)境的影響，此時期應注意觀察樹木生長情況，及時補充營養(yǎng)，延長快速生長時間，可提高林木干形的質量。

（3）蒙古櫟株內胸徑隨林齡的變異度小，希費爾形率在縱向上有明顯差異，氣候條件和人為干擾可能是主要原因。在全年降水均勻，溫度適宜的地區(qū)，樹木干形總體長勢較好。蒙古櫟在第5 年后直徑生長和樹高生長較為穩(wěn)定，隨著直徑的上升樹干的d1/4、d1/2和d3/4數(shù)值的差異有所減少，樹干中部位干形正逐漸趨于筆直，尤其在第11 年后蒙古櫟已經(jīng)進入生長穩(wěn)定期，林齡的變化和外界環(huán)境的變化對樹木干形影響逐漸減小，樹冠形狀可能成為影響蒙古櫟生長的主要因子[14]。

（4）蒙古櫟的胸徑生長隨林齡的增大而增加。對于同一株蒙古櫟，采用希費爾形率進行株內株間變異的分析，q1、q2和q3之間進行株內分析，7 株蒙古櫟之間進行株間分析，結果是樹木在前13 年間生長變化快，到達胸高的林齡各不相同，第20 年后形率穩(wěn)定減少，樹木整體干形尖削，表明樹木直徑生長呈現(xiàn)出隨著林齡的增長而變小的趨勢。從整體來看，樹木生長直徑之間的差異性不明顯[15]，7 株蒙古櫟之間進行株內分析，q1、q2和q3之間整體水平q1＞q2＞q3，整體干形從下至上變細，但是直徑相差不明顯，總體趨勢大體相同，株內會因為樹木慢-快-慢的生長特點，樹木直徑年生長量逐漸變少，所以樹木在樹高1/4 處的直徑大于1/2 的直徑，而樹高1/2 的直徑大于3/4 的直徑。

蒙古櫟胸高形率的最小值在第10 年后隨林齡的增加變化幅度變小，可能是因為第10 年后株間差異較大；蒙古櫟平均胸高形率隨著林齡的增大，整體上呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，胸高形數(shù)也隨著林齡的增加而逐漸減少，與相關研究結果相同[16]；胸高形率和形數(shù)變化相一致，這與胸高位置固定有關[17]。在第3～6 年間變化幅度大，樹木初植密度在林木幼年時對干形影響較大，同時土壤鹽含量、pH值、營養(yǎng)成分、通氣量都可能對蒙古櫟的生長產(chǎn)生影響[18]。第10 年以后逐漸趨于平穩(wěn)，平均胸高形率為0.55～0.70，說明蒙古櫟在此期間生長穩(wěn)定，長勢良好，對外界因素的干擾有一定的抗性，樹高和直徑的穩(wěn)定性增長，蒙古櫟的干形變化趨于穩(wěn)定。胸高形率接近于1 時，說明干形規(guī)整直立，是理想木材的指標。