不同強度修枝對杉木生長和無節(jié)材形成的影響

王 嬌，關 欣，黃 苛，植可翔，陳波翰，段 萱，楊佳敏，張偉東，陳龍池，楊慶朋＊

(1.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，中國科學院森林生態(tài)與管理重點實驗室，遼寧沈陽 110016；2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 101408；3.湖南會同森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)結構與服務功能湖南省重點實驗室，湖南會同 418307；4.山西師范大學地理科學學院，山西太原 030000)

修枝是促進木材生長、提高木材質(zhì)量的主要人工林經(jīng)營措施之一。下層枯枝、病枝、消耗枝等的修剪，可以改變各器官營養(yǎng)物質(zhì)運輸分配過程，從而影響林木的質(zhì)量[1]。之前已有關于修枝對林木生長影響的研究，但研究結果并不一致。陳森錕等[2]發(fā)現(xiàn)隨修枝強度的增加，短期內(nèi)楊樹胸徑生長率降低，也有研究認為，修枝增加了林木的生長并降低了削尖度[3-5]。修枝對林木生長的作用可能因林分類型、修枝強度以及修枝時間而有所差異[6]。因此，有必要探討不同強度修枝對林木生長的長期影響，以提高林木的生產(chǎn)價值。

修枝是減少活枝和死枝數(shù)量、改變節(jié)子狀態(tài)的直接有效手段。枝條的生長與分布決定著節(jié)子的大小與分布，而節(jié)子的存在會影響木材紋理的連續(xù)性和平整性[7]。已有的研究發(fā)現(xiàn)，人工修枝有助于杉木生產(chǎn)無節(jié)材，減少節(jié)子對木材質(zhì)量的影響[8]。未經(jīng)人為干擾培育的樹木存在較多的節(jié)子，木材質(zhì)量相對較差，對木材利用造成不利影響[9]。通常，節(jié)子在樹干的2～8 m 之間分布最多，而該部分正是木材利用的核心部位[10]。由于節(jié)子分布在樹干內(nèi)部，很難直接觀察測量，目前主要是通過外部分支數(shù)據(jù)估計內(nèi)部節(jié)的特征[11]，這在一定程度上限制了對節(jié)子大小和分布以及木材質(zhì)量的準確評估。

木材材性是木材加工利用的關鍵指標。修枝措施會通過影響節(jié)子數(shù)量、大小以及分布等，對木材材性產(chǎn)生影響。目前修枝對木材材性影響的結果并不一致。Lee[12]研究認為，減少枝條能夠提高云杉的密度和抗壓強度。沙子舟等[13]研究發(fā)現(xiàn)，重度修枝可以收獲高品質(zhì)無節(jié)材，而輕度修枝可以增加木材產(chǎn)量。也有研究認為，一定強度的修枝對木材材性沒有顯著影響，而過度修枝會降低木材質(zhì)量[14-15]。因此，深入了解修枝、節(jié)子大小和分布、木材材性三者的關系是培育無節(jié)良材、提高林木利用價值的關鍵。

杉木是一種常綠速生針葉樹種，居我國人工林面積首位，具有生長迅速、產(chǎn)量高的特點，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟價值[16]。然而，近年來，部分地區(qū)杉木人工純林出現(xiàn)生產(chǎn)力低下、質(zhì)量偏低等問題[17]。因此，本研究以中國科學院會同森林生態(tài)實驗站2004 年種植的杉木人工林為研究對象，于2012 年隨機進行輕度修枝（保留冠長的75%）和重度修枝（保留冠長的50%）處理，并以未修枝作為對照，分析不同強度修枝對林木生長狀況和木材材性的影響，從而為杉木人工林無節(jié)材的生產(chǎn)及其可持續(xù)經(jīng)營提供理論指導。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究樣地位于湖南省會同森林生態(tài)實驗站杉木人工林（26° 50′ N，109° 36′ E），海拔300～500 m。該地區(qū)屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候，年均溫度為16.4 °C，年均降水量為1 200 mm。樣地土壤類型為典型的山地紅黃壤，質(zhì)地粘重[18]。

1.2 實驗設計

2004 年選擇生長良好，基徑、樹高一致的1 年生杉木幼苗，以2 m × 2 m 的間隔種植。2012 年采用完全隨機試驗設計，在杉木人工林設置3 個處理，分別為對照（未修枝，CK）、輕度修枝（保留冠長的75%，LP）和重度修枝（保留冠長的50%，HP），每個處理6 個重復。共設置18 個小區(qū)，每個小區(qū)面積10 m × 10 m。杉木人工林0～10 cm 土層的基本理化性質(zhì)分別為：土壤有機碳含量為19.08 g·kg-1，全氮含量為1.83 g·kg-1，土壤pH（H2O）值為4.32，無機氮含量為19.11 mg·kg-1，有效磷含量為2.24 mg·kg-1[19]。

1.3 指標測定

1.3.1 樣品采集 2022 年7 月在18 個小區(qū)內(nèi)各選取1 株可以代表林分狀態(tài)的標準木，測量其胸徑并在樹干上標明南北方向。伐倒后測量并記錄每株標準木的樹高和根部至樹干上每個枝條的高度、狀態(tài)（死枝或活枝），統(tǒng)計活枝和死枝的數(shù)量。隨后將樹干枝丫打掉，在全樹上標明南北方向。自樹干基部向上截取4 個1 m 長的木段并做好標記，分別為0.2～1.2 、2.0～3.0 、4.0～5.0 和6.0～7.0 m。在每株標準木的0.2、1.3 、3.6、5.6 、7.6 、9.6 、11.6 和13.6 m 處分別收集5 cm 厚的圓盤并在非工作面（上方）標記北方位、斷面高度以及樹號。

1.3.2 標準木樹干解析 待收集的所有圓盤稍加陰干，將圓盤工作面（下方）拋光后通過髓心畫出東西、南北兩條直徑線，測量年輪寬度，獲取胸徑、樹高、材積連年生長量以及飽滿度等相關數(shù)據(jù)。其中，分段飽滿度（Tr）為樹木一定長度的某段主干上端直徑與下端直徑的比值[20]，計算公式如下：

式中，DT為某段主干上端直徑，DB為該段下端直徑。

1.3.3 節(jié)子數(shù)量及分布特征 采用旋切法進行節(jié)子特征研究[21]。將每株標準木上截取的4 個1 m 長的木段用無卡軸旋切機旋切，將旋切好的木板按順序鋪開并對每張單板中的同一節(jié)子進行標記。由內(nèi)而外記錄每個節(jié)子的狀態(tài)、數(shù)量、相對高度和直徑，計算每個節(jié)子的長度和體積。通過節(jié)子直徑變化等特征確定修枝年份，定義從修枝年開始愈合的節(jié)子為修枝節(jié)，剩余不定期開始愈合的節(jié)子為自疏節(jié)。

1.3.4 木材密度測定 測定木材的氣干密度和絕干密度。在每個標準木有節(jié)子和無節(jié)子處分別切取20 mm × 20 mm × 20 mm 的木材試樣，測定弦向、徑向和順紋方向尺寸，得出試樣體積V1，并稱量試樣質(zhì)量M1，隨后將試樣烘干至恒質(zhì)量，立即測量3 個方向的尺寸并稱量此時的質(zhì)量M2，得出體積V2。

氣干密度計算公式如下：

絕干密度計算公式如下:

1.3.5 木材力學性質(zhì)測定 在每個標準木有節(jié)子和無節(jié)子處分別切取300 mm × 20 mm × 20 mm和20 mm × 20 mm × 20 mm 的試樣，依據(jù)B/T 1928—2009《木材物理力學試樣方法》測定木段抗彎強度和抗壓強度[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用重復測量方差分析和單因素方差分析檢驗修枝強度對胸徑、樹高和材積連年生長量影響的差異，采用單因素方差分析和多重比較（LSD）檢驗修枝對胸徑、樹高、材積、枝下高、枝條數(shù)量、節(jié)子數(shù)量、體積與長度影響的差異顯著性。采用雙因素方差分析和多重比較檢驗修枝和節(jié)子有無對木材密度、抗壓強度和抗彎強度影響的差異顯著性。檢驗的顯著性水平設置為p＜ 0.05。所有數(shù)據(jù)分析使用SPSS 軟件，繪圖使用Origin 2021 軟件。

2 結果與分析

2.1 修枝對杉木生長的影響

胸徑、樹高和材積的變化范圍分別為19～20.5 cm、16.5～17.5 m 和0.19～0.21 cm3，而不同強度的修枝并未顯著影響杉木的胸徑、樹高和材積（圖1a，b，c）。杉木的胸徑連年生長量初期逐年增加，到2010 年達到最大，之后隨樹齡的增長緩慢下降且趨于平穩(wěn)（圖1d）。杉木樹高連年生長量初期較高，在0.8～1.6 m 范圍內(nèi)波動，從2014 年開始逐漸降低，最終維持在0.5 m 左右（圖1e）。材積連年生長量初期逐年上升，在2018 年左右達到最大，隨后材積連年生長量開始降低（圖1f）。2012 年修枝后，胸徑、樹高和材積連年生長量僅隨林齡有顯著的改變（p＜ 0.05），而不同強度修枝對胸徑、樹高和材積連年生長量均沒有顯著影響（p＞ 0.05）。單因素方差分析結果也顯示，不同林齡杉木的胸徑、樹高和材積連年生長量在不同強度修枝處理下沒有顯著差異。

圖1 修枝對杉木胸徑、樹高、材積及其連年生長量的影響Fig.1 Effects of pruning on DBH, height and volume and annual growth of Cunninghamia lanceolata

隨修枝強度增加，樹干第一個死枝的高度也顯著增高。對照、輕度和重度修枝的死枝枝下高分別為1.96 ± 0.23 m、2.74 ± 0.26 m 和5.28 ± 0.26 m（圖2a）。死枝枝條數(shù)量也隨修枝強度增加而顯著降低（p＜ 0.05），輕度和重度修枝分別使死枝數(shù)量顯著降低17.02%和60.80%（圖2b）。不同處理下活枝的枝下高在7.7～9.7 m 范圍內(nèi)，修枝措施對第一活枝枝下高和活枝數(shù)量沒有顯著影響。修枝措施對杉木樹干飽滿度無顯著影響（圖3），然而樹干1.3～3.6 m 和3.6～5.6 m 段的樹干飽滿度顯著高于胸徑以下部分。

圖2 修枝對杉木枝下高和枝條數(shù)量的影響Fig.2 Effects of pruning on height under branches and quantity of branches of Cunninghamia lanceolata

圖3 修枝對杉木樹干飽滿度的影響Fig.3 Effects of pruning on plumpness of Cunninghamia lanceolata

2.2 修枝對杉木節(jié)子的影響

在杉木人工林中，樹干存在大量自疏后產(chǎn)生的節(jié)子，0.2～1.2 m 和2.0～3.0 m 段對照處理的自疏節(jié)數(shù)量顯著高于修枝處理，且2.0～3.0 m 樹段重度修枝的修枝節(jié)數(shù)量顯著高于輕度修枝，而4.0～5.0 m 段對照的自疏節(jié)數(shù)量僅顯著高于重度修枝處理（圖4a）。 在未修枝的6.0～7.0 m 樹段，對照、輕度修枝和重度修枝處理下的自疏節(jié)數(shù)量無顯著差異。輕度和重度修枝形成的修枝節(jié)分別占單株節(jié)子總數(shù)的33.7%和66.7%。輕度和重度修枝分別使自疏節(jié)數(shù)量顯著降低45.5%和71.4%（p＜ 0.05），且重度修枝的修枝節(jié)數(shù)量也顯著高于輕度修枝（圖4b）。

圖4 修枝對杉木節(jié)子數(shù)量的影響Fig.4 Effects of pruning on quantity of knot of Cunninghamia lanceolata

與自疏節(jié)相比，修枝節(jié)的平均直徑顯著降低42.6%（p＜ 0.05，圖5a），平均長度顯著降低32.0%（p＜ 0.05，圖5b），平均體積顯著降低48.8%（p＜ 0.05，圖5c）。與對照相比，輕度修枝使單株節(jié)子總直徑和總長度分別降低27.6%和26.4%，而重度修枝分別使其減少了40.8%和32.6%（p＜ 0.05，圖5d，e）。同時，輕度和重度修枝的單株節(jié)子總體積存在顯著差異，相比對照分別降低27.79% 和44.96%（p＜ 0.05，圖5f）。

圖5 修枝對節(jié)子直徑、長度和體積的影響Fig.5 Effects of pruning on diameter, length and volume of knot of Cunninghamia lanceolata

2.3 修枝對杉木材性的影響

相比有節(jié)木材，輕度修枝處理下無節(jié)處木材氣干密度顯著降低31.4%（圖6a），而重度修枝木材密度沒有顯著降低。無節(jié)木材的絕干密度相比有節(jié)部分顯著降低，在對照、輕度修枝和重度修枝處理下分別降低25.6%、30.3% 和12.9%（圖6b，p＜ 0.05）。修枝處理并沒有顯著改變木材的抗壓強度和抗彎強度。無節(jié)木材的抗壓強度和抗彎強度均顯著高于有節(jié)木材（圖7，p＜ 0.05）。與有節(jié)子部分相比，對照、輕度修枝和重度修枝處理下無節(jié)木材的抗壓強度分別增加25.0%、10.6%和30.1%，抗彎強度增加31.89%、23.52%和19.86%。

圖6 修枝對杉木氣干密度和絕干密度的影響Fig.6 Effects of pruning on air-dried wood density and absolute dry density of Cunninghamia lanceolata

圖7 修枝對杉木材物理力學性質(zhì)的影響Fig.7 Effects of pruning on physical and mechanical properties of Cunninghamia lanceolata

3 討論

不同強度修枝對杉木人工林的生長狀況沒有顯著影響。通常，修枝后葉片大量損失導致冠層碳固定減少，從而降低樹木生長[23-24]。然而，本研究中修枝并未顯著影響杉木的胸徑、樹高和材積（圖1），這可能是因為修枝后剩余葉片的氣孔導度、CO2固定酶等增加，使植物光合作用增強從而獲得最佳的碳收益[25]，這與徐清乾等[26]報道修枝后杉木的樹高、胸徑和材積沒有顯著差異的結果是一致的。同時，修枝前后不同處理的胸徑、樹高和材積連年生長量沒有顯著差異，也表明修枝后杉木通過提高剩余冠層的光合作用來誘導樹木的補償性生長。一般而言，隨樹高增加，側枝對主干的抑制作用越大，樹干的削尖度也越大[27]，因此合理的修枝可以增加樹干圓滿度，提高木材出材率[28]。然而本研究發(fā)現(xiàn)，杉木樹干的飽滿度受修枝強度的影響較小（圖3）。這可能是因為本研究中杉木林分密度（2 m × 2 m）相對較高，而修枝處理對樹干飽滿度的影響受林分密度調(diào)控。馬詠春等[29]也發(fā)現(xiàn)修枝可以增加低密度（6 m × 6 m）林分的樹干飽滿度，而對高密度（3 m × 6 m）林分無顯著影響。

節(jié)子的數(shù)量和大小與修枝強度密切相關。通常，杉木生長和樹冠郁閉造成下層枝條養(yǎng)分缺乏且不能進行光合作用而逐漸脫落，具有一定的自疏能力，可以通過自身調(diào)節(jié)減少節(jié)子數(shù)量[1]。Wang 等[30]的研究也表明，主干生長有利于修枝傷口的愈合，減少節(jié)子生成。本研究采用旋切法，發(fā)現(xiàn)自疏節(jié)的直徑和體積均顯著高于修枝產(chǎn)生的節(jié)子（圖5），表明修枝后節(jié)子隨著杉木生長發(fā)育逐漸被包裹起來，阻止了節(jié)子的持續(xù)生長，提高了培育無節(jié)材的效率。同時，自疏節(jié)的長度也顯著高于修枝節(jié)的長度，這可能是因為自疏過程會導致快速生長的杉木形成死結并在內(nèi)部形成彎曲繞行的樹脂道，表明在枝條具有活力的情況下修剪效果更好[1]。本研究的結果也發(fā)現(xiàn)，隨修枝強度增加，單株自疏節(jié)數(shù)量顯著減少，修枝節(jié)數(shù)量顯著增加（圖4）。此外，輕度和重度修枝均顯著降低單株節(jié)子總直徑、總長度和總體積，表明修枝處理下節(jié)子直徑更細、長度更短、體積更小，有效提升了杉木的木材質(zhì)量。相比輕度修枝，重度修枝顯著降低節(jié)子體積，表明重度修枝在不影響杉木生長的前提下，培育無節(jié)材的效果更好。

修枝通過減少節(jié)子從而改變木材物質(zhì)性質(zhì)并提高木材質(zhì)量。本研究發(fā)現(xiàn)，相比有節(jié)材，無節(jié)材氣干密度和絕干密度均顯著降低（圖6），這可能是因為節(jié)子部位的木質(zhì)素含量和木質(zhì)化程度較無節(jié)部位更高，且節(jié)子作為枝條的基部易受環(huán)境影響，其密度穩(wěn)定性優(yōu)于干材[31-32]。這表明節(jié)子會導致木材密度分布不均，致使木材在干燥時易開裂，從而影響木材材質(zhì)的穩(wěn)定性，降低木材性質(zhì)的均一性和美觀性[33]。此外，節(jié)子通常被認為是規(guī)格材等級的主要降等缺陷之一，對結構材構件的連接、穩(wěn)定性、承載力等都有顯著影響[34]。劉松齡等[35]研究發(fā)現(xiàn)，杉木節(jié)子對構件的抗彎強度影響較大，節(jié)子的尺寸與抗彎強度成反比。郭宇航等[36]也報道節(jié)子一定程度上降低木柱軸心的穩(wěn)定承載力。一致的是，本研究的結果也發(fā)現(xiàn)相比于有節(jié)木材，無節(jié)木材的抗壓強度和抗彎強度均顯著增加（圖7）?？紤]到節(jié)子尺寸與木材抗壓、抗彎強度成反比，本研究中修枝降低節(jié)子直徑、長度和體積，尤其是重度修枝處理的節(jié)子體積顯著小于輕度修枝，這表明修枝不僅從生長方面影響木材產(chǎn)量，也通過改變樹干內(nèi)部細胞結構提高木材的抗性從而在木材外觀質(zhì)量等級方面提升木材質(zhì)量[1,37]。因此，可以通過合理的修枝，減小木材的形變，提高木材的剛度和品質(zhì)，延長木制產(chǎn)品的使用時效。

4 結論

本研究發(fā)現(xiàn)修枝措施有利于杉木無節(jié)材的培育。輕度和重度修枝均未影響杉木人工林的胸徑、樹高和材積及其連年生長量，也未影響樹干的飽滿度和活枝數(shù)量。此外，與有節(jié)木材相比，無節(jié)部位的密度較低，抗彎強度和抗壓強度更高，表明節(jié)子的存在降低了杉木木材的質(zhì)量。輕度和重度修枝均顯著降低杉木單株節(jié)子總直徑和總長度，但與輕度修枝相比，重度修枝顯著降低杉木單株節(jié)子總體積，表明2 種強度修枝均可以在不影響杉木生長的情況下提升木材質(zhì)量，但重度修枝在木材外觀等級的提升方面效果更好。