不同產(chǎn)區(qū)杉木人工林初植密度對優(yōu)勢高生長的影響*

李曉燕 段愛國,2 張建國,2

（1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 國家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 林木資源高效生產(chǎn)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091；2. 南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210037）

林分優(yōu)勢高是一個重要的測樹因子，在立地生產(chǎn)力指示、森林生長和產(chǎn)量預(yù)測、生物量估算等方面具有重要作用（Zhouet al., 2019）。相比林分平均高，林分優(yōu)勢高受森林經(jīng)營的干擾小，相對較穩(wěn)定，常用于評價不同林分的立地質(zhì)量（段愛國等, 2004）。國內(nèi)外對林分優(yōu)勢高進(jìn)行了廣泛研究，如不同立地條件或密度時優(yōu)勢高生長動態(tài)規(guī)律、優(yōu)勢高生長方程模擬（Cieszewskiet al., 1993；Weiskittelet al., 2009；李春明等, 2010；Leeet al., 2021）、優(yōu)勢高生長影響因子（Scolforoet al., 2013）等。林分優(yōu)勢高生長動態(tài)規(guī)律是最基礎(chǔ)的育林技術(shù)研究，尤其是探討各種制約因素影響條件下的優(yōu)勢高生長動態(tài)規(guī)律對后期模擬和準(zhǔn)確估計(jì)林分優(yōu)勢高具有重要意義（MacFarlaneet al.,2000； Harringtonet al., 2009； Anto?n-Ferna?ndezet al.,2011）。

通常認(rèn)為，優(yōu)勢高不受林分密度影響，常用基準(zhǔn)年齡時的林分優(yōu)勢木平均高即立地指數(shù)評價立地質(zhì)量（Pienaaret al., 1984；林開敏等, 1996）。然而在不同初植密度范圍內(nèi)，林分優(yōu)勢高受初植密度影響的程度不同（洪玲霞, 1997；Zhaoet al., 2011），在同一地區(qū)相似立地條件下種植同一樹種，初植密度不同，優(yōu)勢高生長過程存在差別，在不同地區(qū)以及不同林分生長發(fā)育階段，優(yōu)勢高受初植密度的影響也不同。原因在于潛在的優(yōu)勢高生長-密度關(guān)系是一個動態(tài)過程，這種關(guān)系在林分全生命周期內(nèi)不斷發(fā)生變化（Cieszewskiet al., 1993），林分優(yōu)勢高是否受初植密度影響以及受初植密度影響的規(guī)律和程度如何，與研究所選樹種、地理環(huán)境差異、林分生長發(fā)育階段、設(shè)置的密度范圍等有很大關(guān)系（Knoweet al., 1996；Sharmaet al., 2002a）。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國南方最重要的速生用材樹種，也是我國現(xiàn)有人工林中面積和蓄積量最大的樹種，具有長勢快、材質(zhì)好和抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)。杉木產(chǎn)區(qū)分三帶五區(qū)，不同產(chǎn)區(qū)因立地質(zhì)量差異生產(chǎn)力變化較大（童書振等, 2019）。人工林經(jīng)營中，立地條件確定后，林分密度是可通過人為干預(yù)控制林分生長的主要因子（童書振等, 2002；相聰偉等, 2015）。當(dāng)前，已有杉木密度效應(yīng)研究主要局限于某一區(qū)域或某一林齡下初植密度對林分優(yōu)勢高生長的影響（林開敏等, 1996；洪玲霞, 1997），初植密度對不同產(chǎn)區(qū)和不同林分生長發(fā)育階段下杉木優(yōu)勢高生長的長期動態(tài)影響和作用程度鮮見報(bào)道。鑒于此，本研究以杉木中帶東區(qū)（江西分宜）和中帶中區(qū)（四川納溪）共30 塊長期定位觀測的杉木密度試驗(yàn)林樣地（林齡范圍為2~30 年生）為研究對象，探討初植密度對不同產(chǎn)區(qū)杉木人工林優(yōu)勢高生長全過程的影響規(guī)律和發(fā)生程度，揭示杉木人工林優(yōu)勢高生長的初植密度效應(yīng)及其對立地質(zhì)量指示性的有效范圍，以期為杉木人工林優(yōu)勢高生長評價及密度有效調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況與研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在江西省分宜縣大崗山年珠林場和四川省瀘州市納溪林區(qū)，各試驗(yàn)地自然地理概況見表1。

表1 各試驗(yàn)地自然地理概況Tab. 1 Physical geography of each experimental field

1.2 樣地設(shè)置

江西分宜和四川納溪試點(diǎn)杉木密度試驗(yàn)林分別于1981 年春和1982 年春采用1 年生實(shí)生裸根苗造林。裸根苗栽種后按常規(guī)造林撫育管理，次年春季及時利用大苗補(bǔ)植，保證100%保存率，后期不進(jìn)行間伐、修枝等經(jīng)營干擾。各試點(diǎn)均按照隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，包括5種初植密度，分別為A（1 667 株·hm-2，2.0 m×3.0 m）、B（3 333 株·hm-2， 2.0 m×1.5 m）、 C（5 000 株·hm-2，2.0 m×1.0 m）、 D（6 667 株·hm-2， 1.0 m×1.5 m）、E（10 000 株·hm-2，1.0 m×1.0 m），每5 種初植密度組成1 個區(qū)組，重復(fù)3 次，共15 個小區(qū)。每個區(qū)組內(nèi)不同小區(qū)立地條件基本一致，且經(jīng)檢驗(yàn)相同初植密度的不同區(qū)組間優(yōu)勢高生長差異不顯著。2 個試點(diǎn)共30 個小區(qū)，每個小區(qū)面積均為600 m2（20 m×30 m）。對樣地內(nèi)林木進(jìn)行每木編號，每塊樣地四周各設(shè)置2 行同樣密度的杉木保護(hù)帶。

1.3 林分調(diào)查與數(shù)據(jù)處理

造林后每隔1~3 年于年底林木停止生長后或下一年林分開始生長前，采用測高桿等對樹高等測樹因子進(jìn)行每木調(diào)查，各試驗(yàn)地林分調(diào)查情況見表2。每個小區(qū)選取6 株最高木作為優(yōu)勢木，以6 株優(yōu)勢木的平均高作為林分優(yōu)勢木平均高。

表2 各試驗(yàn)地林分調(diào)查情況①Tab. 2 Stand investigation informations in each experimental field

利用Excel、SPSS Statistics 25.0 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較（Tukey檢驗(yàn)），采用R 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同初植密度林分優(yōu)勢高隨林齡的動態(tài)變化規(guī)律

由圖1 可知，隨林齡增長，中帶東區(qū)江西試點(diǎn)不同初植密度間林分優(yōu)勢高差異愈趨明顯，初植密度負(fù)效應(yīng)增強(qiáng)。在中帶中區(qū)四川試點(diǎn)，幼齡期時（10 年生以前），不同初植密度間林分優(yōu)勢高差異較?。辉?0~22 年生之間，初植密度負(fù)效應(yīng)較為明顯；22 年生以后，隨林齡增長，不同初植密度間林分優(yōu)勢高差異變小?？梢园l(fā)現(xiàn)，2 個試驗(yàn)地杉木人工林優(yōu)勢高與初植密度均呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，即初植密度越小，林分優(yōu)勢高越大。在林分生長發(fā)育前期，不同初植密度林分優(yōu)勢高生長軌跡幾乎重合，2 個試點(diǎn)初植密度對林分優(yōu)勢高影響均較小，在林分生長發(fā)育中后期，優(yōu)勢高生長速度相對減緩，且不同初植密度林分優(yōu)勢高差異越來越明顯，四川試點(diǎn)在生長發(fā)育后期林分優(yōu)勢高的初植密度效應(yīng)減弱。

圖1 不同產(chǎn)區(qū)不同初植密度下的優(yōu)勢高生長動態(tài)過程Fig. 1 The dynamic process of dominant height growth of different initial planting densities at different distribution areas

2.2 不同初植密度林分優(yōu)勢高年均生長量、連年生長量的動態(tài)特征

由圖2 可知，各產(chǎn)區(qū)林分優(yōu)勢高年均生長量和連年生長量達(dá)到峰值前，不同初植密度間差異較小但逐漸增大，且在峰值附近差異最大，之后隨林齡增長，不同初植密度間的明顯差異維持相對較長一段時間，且漸趨變小，進(jìn)入成熟齡后，不同初植密度間差異又逐漸趨于一致。中帶東區(qū)江西試點(diǎn)不同初植密度間優(yōu)勢高年均生長量和連年生長量峰值分別出現(xiàn)在5~8年生和4~5 年生期間。中帶中區(qū)四川試點(diǎn)，不同初植密度間優(yōu)勢高年均生長量在8~10 年生時達(dá)到最大，初植密度越小，峰值越大，連年生長量均在8 年生時達(dá)到最大。

圖2 優(yōu)勢高年均生長量和連年生長量的動態(tài)變化過程Fig. 2 The dynamic process of mean annual increment of dominant height

總體上，林分優(yōu)勢高年均生長量和連年生長量與初植密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即初植密度越小，年均生長量和連年生長量越大。年均生長量和連年生長量的峰值隨初植密度增大而減小，且初植密度越大，峰值出現(xiàn)時間越早。從不同試點(diǎn)立地指數(shù)大小來看，江西立地質(zhì)量要高于四川試點(diǎn)，基本上是立地條件越好的產(chǎn)區(qū)其林分優(yōu)勢高年均生長量和連年生長量高峰出現(xiàn)的時間越早。

2.3 不同產(chǎn)區(qū)林分優(yōu)勢高在不同初植密度間的分化程度

不同初植密度樣地間林分優(yōu)勢高生長的分化程度可通過變異指標(biāo)大小反映。由圖3 可知，江西試點(diǎn)林分優(yōu)勢高極差值隨林齡增長不斷增加，表明隨林齡增長，江西試點(diǎn)林分優(yōu)勢高在不同初植密度間的分化程度越來越大，與圖1 所反映的規(guī)律一致。而四川試點(diǎn)林分優(yōu)勢高在12 年生以前，隨林齡增長極差增長速度較為迅速，在12~19 年生間，極差值保持穩(wěn)定并維持在一個較高水平，表明在該時期不同初植密度間優(yōu)勢高生長的分化程度較高且保持穩(wěn)定，之后隨林齡增長而逐漸降低。從變異系數(shù)隨林齡的動態(tài)變化規(guī)律來看，5 年生（江西）或9 年生（四川）以前，隨林齡增長，變異系數(shù)逐漸減小，此后，不同試點(diǎn)的變異系數(shù)與極差的變化規(guī)律一致。

圖3 不同產(chǎn)區(qū)不同初植密度杉木林分優(yōu)勢高分化的動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic change of dominant high differentiation of Chinese fir plantation caused by different densities at different distribution areas

總體上，立地條件越好的產(chǎn)區(qū)其不同密度間優(yōu)勢高生長的分化程度越大，尤其是中齡期以后，這種規(guī)律更為明顯。

2.4 不同產(chǎn)區(qū)、不同林齡下初植密度對優(yōu)勢高生長的影響程度

方差分析及多重比較結(jié)果（表3）表明，5 年生以后，江西試點(diǎn)的初植密度效應(yīng)均達(dá)顯著水平，且低、中初植密度（A、B 或C）與高初植密度（D 或E）間差異達(dá)顯著或極顯著水平。隨林齡增長低密度與高密度樣地間優(yōu)勢高生長差異越來越大。10 年生以前，差異顯著的密度組合間優(yōu)勢高生長相差最大不超過2 m，而10 年生以后，所有差異顯著的密度組合之間優(yōu)勢高生長差值均在2 m 以上，其中在5 年生，A 密度與D 密度樣地間優(yōu)勢高相差0.52 m，而在28 年生，A 與D 密度間相差3.34 m。在標(biāo)準(zhǔn)年齡20 年生時，A 與D密度間優(yōu)勢高相差2.46 m，A 與E 密度之間相差1.94 m，最大差值明顯超過一個指數(shù)級（2 m）。四川試點(diǎn)在10 年生以前初植密度效應(yīng)不顯著，10~19 年生間，在0.05 或0.10 水平上A 與E 密度樣地間差異顯著，且隨林齡增長，A 與E 密度間差值越來越大，其中在10 年生，A 與E 密度間優(yōu)勢高相差1.59 m，而在19 年生，A與E 密度間相差2.13 m。而22 年生以后，不同密度間優(yōu)勢高生長差異均未達(dá)顯著水平。

表3 不同產(chǎn)區(qū)初植密度對優(yōu)勢高影響的單因素方差分析及多重比較結(jié)果（Tukey 檢驗(yàn)）①Tab. 3 One-way analysis of variance and multiple comparison for the effect of initial planting densities on dominant height at different distribution areas (Tukey test)

江西試點(diǎn)在低、 中初植密度范圍（1 667~3 333 株·hm-2）或高初植密度范圍（6 667~10 000 株·hm-2）內(nèi)，不同密度間優(yōu)勢高生長差異在0.05 水平上不顯著，而低、中初植密度（1 667~3 333 株·hm-2）與高初植密度（6 667~10 000 株·hm-2）間差異顯著。在四川試點(diǎn)時的部分林齡下，當(dāng)初植密度達(dá)到或超過5 000 株·hm-2后，其與相對低的初植密度（1 667~3 333 株·hm-2）林分比較，初植密度則會對優(yōu)勢高生長在0.05 或0.10 水平上產(chǎn)生顯著制約作用。

3 討論

3.1 不同產(chǎn)區(qū)、不同林齡下初植密度對優(yōu)勢高生長的影響程度分析

優(yōu)勢高被廣泛用于計(jì)算立地指數(shù)，立地指數(shù)指某一樹種在基準(zhǔn)年齡時的優(yōu)勢木平均高（Sharmaet al.,2002b；Leeet al., 2021），以往應(yīng)用立地指數(shù)這一概念時，通常假設(shè)優(yōu)勢高生長不受林分密度或間伐處理的影響（Pienaaret al., 1984；Harringtonet al., 2009；Anto?n-Ferna?ndezet al., 2011）。但眾多研究對該假設(shè)提出了挑戰(zhàn)，發(fā)現(xiàn)林分密度對優(yōu)勢高生長的影響與研究所選樹種（Cieszewskiet al., 1993）、 地理環(huán)境差異（MacFarlaneet al., 2000）、林分生長發(fā)育階段（Anto?n-Ferna?ndezet al., 2011）、設(shè)置的密度范圍（Zhaoet al.,2011）、優(yōu)勢高定義方法（Ritchieet al., 2012；Ochalet al., 2017）等有很大關(guān)系，從而導(dǎo)致在不同試驗(yàn)條件下，優(yōu)勢高受密度影響的規(guī)律和程度存在很大不同。

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前初植密度范圍和調(diào)查期內(nèi)，江西試點(diǎn)在5 年生以后初植密度效應(yīng)差異才開始顯現(xiàn)，隨林齡增長，初植密度負(fù)效應(yīng)愈強(qiáng)，且這種顯著的初植密度效應(yīng)差異一直持續(xù)到調(diào)查期末，與Zhao 等（2011）和Anto?n-Ferna?ndez 等（2011）的研究結(jié)果一致。對于四川試點(diǎn)，在林分競爭加劇期間（10~19 年生）內(nèi)表現(xiàn)出顯著的初植密度效應(yīng)差異，初植密度較低的林分具有更大的優(yōu)勢高增長優(yōu)勢，當(dāng)林分進(jìn)入成熟林時期，高密度樣地的優(yōu)勢高增長優(yōu)勢越來越大，甚至優(yōu)于低密度樣地。MacFarlane 等（2000）指出在林分競爭激烈階段，優(yōu)勢高與初植密度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨林齡增長，不同密度間差異越來越小。諶紅輝等（2010）對馬尾松（Pinus massoniana）20 年生間伐林進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同保留密度樣地間優(yōu)勢高生長無顯著差異。唐繼新等（2019）探討間伐密度調(diào)控后林分保留密度對南亞熱帶米老排（Mytilaria laosensis）中齡林優(yōu)勢木生長的影響，發(fā)現(xiàn)不同密度優(yōu)勢高生長過程存在一定差異，但差異不顯著。本研究發(fā)現(xiàn)江西試點(diǎn)在低、中初植密度范圍（1 667~3 333 株·hm-2）或高初植密度范圍（6 667~ 10 000 株·hm-2）內(nèi)，不同密度間優(yōu)勢高生長差異不顯著，而低、中初植密度與高初植密度間差異顯著。Weiskittel 等（2009）認(rèn)為超出正常范圍之外的初植密度在林分生長到一定年齡階段時會對優(yōu)勢高生長產(chǎn)生明顯制約作用。Zhao 等（2011）發(fā)現(xiàn)造林8 年后，火炬松（Pinus taeda）人工林在低密度（741~2 224 株·hm-2）與高密度（3 706~4 448 株·hm-2）間，優(yōu)勢高生長受到初植密度顯著影響。洪玲霞（1997）認(rèn)為初植密度對林分優(yōu)勢高生長過程影響較大，但在3 000~5 000 株·hm-2的初植密度范圍內(nèi)，林分優(yōu)勢高生長不受初植密度影響。可以看出，相關(guān)初植密度對優(yōu)勢高生長的影響研究與本研究結(jié)果一致，均當(dāng)初植密度差異較大時具顯著影響；而間伐降低林分保留密度，在低的保留密度范圍內(nèi)密度對優(yōu)勢高影響不顯著。

3.2 初植密度對優(yōu)勢高年均生長量和連年生長量的影響

優(yōu)勢高年均生長量和連年生長量的生長動態(tài)規(guī)律及其峰值在不同產(chǎn)區(qū)和不同初植密度下存在差異?？傮w上，優(yōu)勢高年均生長量和連年生長量與初植密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且初植密度越大，其峰值越小，峰值出現(xiàn)時間越早，結(jié)果符合密度越大林分越早進(jìn)入郁閉期的生長發(fā)育規(guī)律，與余克勝等（2019）的研究結(jié)果一致；同時研究發(fā)現(xiàn)基本上是立地條件越好的產(chǎn)區(qū)，林分越早進(jìn)入郁閉期。

3.3 優(yōu)勢高對立地質(zhì)量的指示性探討

用優(yōu)勢高評價立地質(zhì)量，其前提假設(shè)是優(yōu)勢高與林分密度無關(guān)（Staebler，1948；Lockhart，2013；Tarmuet al., 2020），但直接用基準(zhǔn)年齡時的優(yōu)勢高作為立地質(zhì)量評價指標(biāo)是否合理還有待進(jìn)一步探討。有研究指出優(yōu)勢高還受到除立地條件外的其他因素影響（Cieszewskiet al., 1993；Leeet al., 2021）。不同的年齡階段、密度范圍，優(yōu)勢高受年齡和密度的影響不同。本研究發(fā)現(xiàn)江西試點(diǎn)，從5 年生開始出現(xiàn)兩兩差異顯著的密度組合，且隨林齡增長，差異顯著的密度組合間優(yōu)勢高生長差異越來越大，在標(biāo)準(zhǔn)年齡20 年生時，差異顯著的密度組合中，優(yōu)勢高相差最大達(dá)2.46 m，明顯超過一個立地指數(shù)級，此時用優(yōu)勢高來指示立地質(zhì)量欠合理，缺乏一定準(zhǔn)確性。Meredieu 等（2002）指出在優(yōu)勢高生長中，除了胸高年齡和立地指數(shù)效應(yīng)外，還包括林分密度效應(yīng)，所以要修正林分密度的影響來求算優(yōu)勢高。如果用基準(zhǔn)年齡時的優(yōu)勢木平均高作為杉木人工林立地質(zhì)量的評價指標(biāo)，在預(yù)估立地指數(shù)時，則需要對初植密度高于5 000 株·hm-2的林分進(jìn)行密度的修正。

4 結(jié)論

本研究以我國南方2 個試驗(yàn)地長期定位觀測杉木密度試驗(yàn)林為研究對象，探究在不同產(chǎn)區(qū)及不同林分生長發(fā)育階段下初植密度對杉木優(yōu)勢高生長全過程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1） 林分優(yōu)勢高與初植密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即初植密度越小，優(yōu)勢高越大，隨林齡增長，不同初植密度間林分優(yōu)勢高生長差異越來越大，四川試點(diǎn)在生長后期林分優(yōu)勢高的初植密度效應(yīng)逐漸減弱；2） 優(yōu)勢高年均生長量和連年生長量與初植密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且初植密度越大，其峰值越小，峰值出現(xiàn)時間越早；3） 在不同產(chǎn)區(qū)，初植密度對優(yōu)勢高生長影響的顯著程度因不同年齡階段而異，江西試點(diǎn)從6 年生開始到調(diào)查期末初植密度間差異均達(dá)顯著或極顯著水平，四川試點(diǎn)在10~19 年生間，在0.05 或0.10 水平上A 與E 密度間存在顯著差異；4） 立地條件整體更優(yōu)的產(chǎn)區(qū)其不同初植密度間優(yōu)勢高生長的分化程度相對更大；5） 江西試點(diǎn)在5 年生以后，四川試點(diǎn)在10~19 年生間，在低、中初植密度范圍（1 667~3 333 株·hm-2）或高初植密度范圍（6 667~10 000 株·hm-2）內(nèi)，林分優(yōu)勢高生長不受初植密度的顯著影響，而當(dāng)初植密度達(dá)到或超過5 000 株·hm-2后，其與相對低的初植密度（1 667~3 333 株·hm-2）林分比較，初植密度則會對優(yōu)勢高生長產(chǎn)生顯著的制約作用。標(biāo)準(zhǔn)年齡20年生時，江西試點(diǎn)差異顯著的密度組合中，優(yōu)勢高相差最大達(dá)2.46 m，明顯超過一個立地指數(shù)級，此時用優(yōu)勢高來指示立地質(zhì)量欠合理，缺乏一定準(zhǔn)確性，所以在預(yù)估立地指數(shù)時，對初植密度高于5 000 株·hm-2的林分需要修正密度的影響，否則忽略密度作用可能會導(dǎo)致難以解決的預(yù)測差異。