周新華 孫韻 王麗云 沈麗麗 易宜萍 陽武 厲月橋
(中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗中心,江西 分宜,336600) (江西省分宜縣林業(yè)局) (中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗中心)
閩楠(Phoebebournei)為樟科(Lauraceae)楠屬(Phoebe)常綠大喬木,我國南方各省份均有分布,屬國家二級重點(diǎn)保護(hù)樹種[1-4]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對木材的需求也從一般用材轉(zhuǎn)變?yōu)檎滟F用材。在滿足人們用材需求方面,由于閩楠適生區(qū)廣、生長速度快、木材紋理美觀等特點(diǎn),在滿足人們木材消費(fèi)升級中發(fā)揮重大作用。閩楠天然林分長期遭受人為掠奪式破壞導(dǎo)致瀕危狀態(tài),僅靠野生自然閩楠木材資源將無法滿足用材需求,甚至影響到我國的木材戰(zhàn)略儲備安全。因此,通過營建珍貴樹種人工林,提升珍貴用材的儲備能力成為當(dāng)前亟需解決的問題。
營造閩楠混交林具有充分利用生態(tài)結(jié)構(gòu)空間及生態(tài)環(huán)境的營養(yǎng),改善立地環(huán)境,提升林木數(shù)量和質(zhì)量水平,有效防護(hù)地表結(jié)構(gòu),提高自然災(zāi)害的抵御能力和降低林木火險等優(yōu)點(diǎn)[5],從而受到人們越來越多的關(guān)注,尤其是近年來探索林木混交對于提升森林生產(chǎn)力和林木質(zhì)量的作用成為熱點(diǎn)?;旖环绞绞腔旖涣譅I建的基礎(chǔ),也是提升混交林分生產(chǎn)力的關(guān)鍵[6]。目前,對閩楠人工混交林的研究,主要集中在天然混交林下的生物多樣性、凋落物分解和土壤特性等。王奕茹等[7]對閩楠混交林的生物多樣性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)混交林閩楠比例為46.5%~50.6%時,林下植被物種多樣性達(dá)到最大值;李慧等[8]在氮添加對杉木-閩楠混交林凋落葉基質(zhì)質(zhì)量的影響研究中,發(fā)現(xiàn)氮添加增加了杉木和閩楠凋落葉中木質(zhì)素的含量,抑制了凋落物分解;孫冬婧等[9]在近自然化改造對杉木人工林物種多樣性的影響的研究,認(rèn)為混交能夠促進(jìn)林分生長,能夠提升林內(nèi)物種多樣性。為了解以閩楠為經(jīng)營培育對象的人工混交林中,閩楠的生長、形質(zhì)特性和空間競爭能力,本研究以6年生閩楠-杉木人工混交林為研究對象,探究閩楠在混交林內(nèi)其生長形質(zhì)和空間利用能力的比例效應(yīng),為閩楠人工混交林營建提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
試驗區(qū)位于江西省新余市分宜縣中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗中心上村實(shí)驗林場,該地屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候,四季分明,溫暖濕潤,光熱充足,年平均氣溫在17.2 ℃,1月和7月平均氣溫分別為5.5 ℃和28.8 ℃,年降水量為1 643.6 mm,年蒸發(fā)量為1 503 mm,降水集中在4—9月,年日照總時長1 535.3 h,全年無霜期270 d。試驗地土壤主要為花崗巖發(fā)育而成的酸性黃紅壤,立地類型屬Ⅱ類,土壤厚度80 cm,海拔為350 m。
試驗林于2017年10月經(jīng)過清理采伐跡地、煉山整地和打穴,于2018年3月上旬進(jìn)行試驗造林,試驗共設(shè)置3個混交比例(閩楠與杉木比例分別為1∶1、2∶1和3∶1)以及閩楠純林處理。試驗按隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,每個處理重復(fù)3次,共計12個小區(qū),每個小區(qū)面積2 666.68 m2以上。3個混交比例處理分別按照1行閩楠1行杉木、2行閩楠1行杉木、3行閩楠1行杉木在各小區(qū)內(nèi)排列栽植。閩楠采用本地優(yōu)樹種子培育的2年生容器實(shí)生苗造林,杉木采用亞林中心2.5代種子園中培育的1年生容器實(shí)生苗造林,造林株行距為3.0 m×1.5 m。造林后連續(xù)3 a進(jìn)行撫育,第2年5—6月進(jìn)行鋤撫,9—10月進(jìn)行刀撫;第2和第3年的5—6月、8—9月各進(jìn)行1次刀撫。試驗林的保存率均在85%以上。
2023年11月底,在3種不同混交比例閩楠-杉木混交林以及閩楠純林(CK)小區(qū)的中間位置,分別設(shè)置20 m×30 m的樣地,調(diào)查每個樣地內(nèi)胸徑大于1 cm的所有林木的生長情況(見表1)。采用胸徑尺測量胸徑,精確到0.1 cm;采用超聲波測高儀測量樹高,精確到0.1 m;采用不銹鋼卷尺測量枝下高、東西與南北冠幅,精確到0.1 m。
表1 不同混交比例閩楠-杉木混交林分生長情況
根據(jù)研究設(shè)置平均冠幅、冠高、樹冠圓滿度、材積、尖削度、胸高形數(shù)、枝下高比例、樹冠體積、樹冠表面積和生長空間指數(shù)等評價指標(biāo),各指標(biāo)的計算公式如下[10-17]。
平均冠幅:CD=(CD,ew+CD,sn)÷2。式中,CD表示平均冠幅,CD,ew表示樹木東西冠幅,CD,sn表示樹木南北冠幅。
冠高:CL=H-HB。式中,CL表示樹冠高度,H表示樹高,HB表示樹干底部到第一個活枝的高度。
樹冠圓滿度:CFR=CD÷CL。式中:CFR表示樹冠圓滿度;CD表示樹木平均冠幅,CL表示樹冠高度。
杉木單株材積:VC=0.000 070 609 4D1.801 671H0.997 998。式中,VC表示杉木單株材積,D表示杉木的胸徑;H表示杉木的樹高。
閩楠單株材積:VP=0.000 052 76D1.882 161H1.009 317。式中,VP表示閩楠單株材積,D表示閩楠的胸徑,H表示閩楠的樹高。
尖削度=地徑÷樹高。
胸高形數(shù):f1.3=V÷(g1.3×H)。式中,V表示單株材積;g1.3表示胸高斷面積,H為表示樹高,f1.3表示胸高形數(shù)。
枝下高比例=枝下高÷樹高。
樹冠體積:CV=(π×CD,ew×CD,sn×CL)÷12。式中,CV表示樹冠體積,CD,ew表示樹木東西冠幅,CD,sn表示樹木南北冠幅,CL表示樹冠高度。
生長空間指數(shù):GS1=CV÷D。式中,GS1代表生長空間指數(shù),CV代表樹冠體積,D代表閩楠的胸徑。
主成分分析法的主要作用是降維,適用于多個性狀的綜合評價[18-20]。在閩楠生長形質(zhì)及空間利用綜合評價中,選擇具有顯著混交比例效應(yīng)的閩楠生長形質(zhì)和空間利用能力系列性狀,運(yùn)用主成分分析方法進(jìn)行降維,然后根據(jù)主成分的方差總貢獻(xiàn)率,構(gòu)建出閩楠生長形質(zhì)及空間利用能力的評價指標(biāo)體系,并建立主成分得分值評價數(shù)學(xué)模型,計算綜合得分。綜合得分越高,則代表該混交比例處理對閩楠生長和空間利用能力越有利。
采用Excel2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,SPSS18.0軟件進(jìn)行方差分析和主成分分析。
由表2可知,混交比例對閩楠-杉木人工混交林中閩楠的胸徑、樹高和單株材積等生長性狀的影響顯著,閩楠的胸徑、樹高、單株材積均呈現(xiàn)隨著混交比例的增加而先升后降的趨勢。1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠胸徑比閩楠純林(Ⅰ)的胸徑分別增長了20.77%、21.44%、10.38%;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠樹高比閩楠純林(Ⅰ)的樹高分別增長了19.38%、31.78%、11.11%;與閩楠純林相比,1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠單株材積比閩楠純林(Ⅰ)的單株材積分別增長了55.88%、79.41%、35.29%。
表2 不同閩楠-杉木混交比例下閩楠生長形質(zhì)性狀
混交比例對閩楠-杉木人工混交林中閩楠的尖削度、枝下高、枝下高比例和胸高形數(shù)等干形形質(zhì)性狀的影響顯著,閩楠的尖削度、胸高形數(shù)隨著混交比例的增加而呈現(xiàn)整體下降的趨勢,而枝下高、枝下高比例呈現(xiàn)整體上升的趨勢。1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠尖削度比閩楠純林(Ⅰ)的尖削度分別降低了8.59%、24.43%、9.82%;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠胸高形數(shù)比閩楠純林(Ⅰ)的胸高形數(shù)分別降低了7.39%、7.20%、5.30%;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠枝下高比閩楠純林(Ⅰ)的枝下高分別增加了28.00%、48.00%、10.00%;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠枝下高比例比閩楠純林(Ⅰ)的枝下高比例分別增加了13.95%、30.23%、6.98%。
由表3可知,與閩楠純林相比,除樹冠圓滿度外,閩楠-杉木人工混交林中閩楠的空間利用能力指標(biāo)均隨著閩楠混交占比的升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢。1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠平均冠幅比閩楠純林(Ⅰ)平均冠幅分別增長為6.49%、10.27%、6.49%,其中,2楠1杉(Ⅲ)混交處理的平均冠幅增長最快;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠冠高比閩楠純林(Ⅰ)的冠高分別增長18.10%、27.89%、11.28%,其中2楠1杉(Ⅲ)混交處理的冠高增長最快;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠樹冠體積比閩楠純林(Ⅰ)的樹冠體積分別增長45.36%、86.09%、73.84%,其中2楠1杉(Ⅲ)混交處理的樹冠體積增長最快;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠樹冠表面積比閩楠純林(Ⅰ)的樹冠表面積分別增長27.56%、44.39%、29.23%,其中2楠1杉(Ⅲ)混交處理的樹冠表面積增長最快;1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠生長空間指數(shù)比閩楠純林(Ⅰ)的生長空間指數(shù)分別增長13.24%、36.76%、32.35%,其中其中2楠1杉(Ⅲ)混交處理的生長空間指數(shù)增長最快。1楠1杉(Ⅱ)、2楠1杉(Ⅲ)、3楠1杉(Ⅳ)混交處理的閩楠樹冠圓滿度比閩楠純林(Ⅰ)的樹冠圓滿度分別降低了9.09%、9.09%、3.64%。
表3 不同閩楠-杉木混交比例下閩楠空間利用能力性狀指標(biāo)變化
綜合分析發(fā)現(xiàn),2楠1杉(Ⅲ)混交處理中,閩楠的平均冠幅、冠高、樹冠體積、樹冠表面積和生長空間指數(shù)等空間利用能力性狀指標(biāo)在所有處理中表現(xiàn)最優(yōu),說明2楠1杉(Ⅲ)混交的閩楠在后期生長過程中潛力最大。
本研究發(fā)現(xiàn),混交比例對閩楠-杉木人工混交林中閩楠生長形質(zhì)與空間利用能力指標(biāo)的影響差異顯著性不同,為客觀評價混交比例效應(yīng),選取胸徑(X1)、樹高(X2)、單株材積(X3)、尖削度(X4)、第一枝下高(X5)、胸高形數(shù)(X6)、冠高(X7)、樹冠圓滿度(X8)、樹冠體積(X9)、樹冠表面積(X10)、生長空間指數(shù)(X11)、平均冠幅(X12)等12個生長形質(zhì)和空間利用能力性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。為消除量綱對分析結(jié)果的影響,在開展主成分分析前對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,并進(jìn)行KMO和巴特利球形度檢驗,KMO檢驗數(shù)值為0.689,顯著度在0.01水平上顯著,說明生長形質(zhì)指標(biāo)和空間利用能力各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度高,能夠開展主成分分析。
由表4可以看出,第一個主成分的方差特征值為8.072,貢獻(xiàn)率為67.263%;第二個主成分的方差特征值為2.882,貢獻(xiàn)率為24.014%;第三個主成分的方差特征值為0.581,貢獻(xiàn)率為4.841%;第四個主成分的方差特征值為0.408,貢獻(xiàn)率為3.403%。前4個主成分的累積貢獻(xiàn)率高達(dá)99.521%,說明這4個主成分可代表12個生長形質(zhì)和空間利用能力性狀指標(biāo)。因此,提取這4個主成分,分別為F1、F2、F3、F4。各主成分的表達(dá)式為:
表4 主成分提取結(jié)果
F1=0.898X1+0.693X2+0.899X3-0.203X4+0.258X5-0.766X6+0.648X7+0.318X8+0.980X9+0.967X10+0.985X11+0.971X12;
F2=-0.039X1-0.663X2-0.267X3+0.965X4+0.259X5+0.003X6-0.707X7+0.900X8-0.071X9-0.200X10-0.095X11+0.096X12;
F3=0.148X1+0.057X2+0.156X3+0.076X4+0.928X5-0.189X6-0.101X7+0.278X8+0.161X9+0.110X10+0.134X11+0.204X12;
F4=0.384X1+0.255X2+0.300X3+0.136X4+0.075X5-0.613X6+0.242X7-0.071X8+0.054X9+0.112X10+0.005X11+0.039X12。
式中:X1為胸徑;X2為樹高;X3為單株材積;X4為尖削度;X5為第一枝下高;X6為胸高形數(shù);X7為冠高;X8為樹冠圓滿度;X9為樹冠體積;X10為樹冠表面積;X11為生長空間指數(shù);X12為平均冠幅。
由表5可知,第一個主成分的胸徑(X1)、單株材積(X3)、樹冠體積(X9)、樹冠表面積(X10)、生長空間指數(shù)(X11)、平均冠幅(X12)的特征向量值較高;第二個主成分的樹高(X2)、尖削度(X4)、冠高(X7)、樹冠圓滿度(X8)的特征向量值較高;第三個主成分第一枝下高(X5)的特征向量值較高;第四個主成分胸高形數(shù)(X6)的特征向量值較高。
表5 主成分特征值與載荷結(jié)果
由表6可知,混交比例對閩楠-杉木人工混交林中閩楠的生長形質(zhì)和空間利用能力影響較大,適當(dāng)?shù)幕旖槐壤軌虼蠓嵘}楠的空間利用能力和生長形質(zhì)。各處理的綜合得分由高到低的排序為2楠1杉處理(2.282)、1楠1杉處理(1.479)、3楠1杉處理(0.973)、閩楠純林處理(-1.365)。混交處理的閩楠生長形質(zhì)和空間利用能力均優(yōu)于閩楠純林,其中,3種混交處理的綜合得分均大于0,閩楠純林處理的綜合得分小于0,說明混交處理有利于提升閩楠生長形質(zhì)和空間利用能力。
表6 綜合得分及排名
閩楠是珍貴闊葉樹種,在我國木材儲備戰(zhàn)略中具有重要地位,在南方結(jié)合特有用材樹種杉木營建混交林已成為保障木材戰(zhàn)略安全的主要方式[21-23],混交能夠增加林木單株蓄積量、林分蓄積量、生物量,提升林分的生產(chǎn)力[24-26]?;旖槐壤@著影響閩楠-杉木人工混交林中閩楠的生長表現(xiàn),與以往對于山杜英(Elaeocarpussylvestris)[27]、深山含笑(Micheliamaudiae)[28]、木荷(Schimasuperba)[29]等樹種的研究結(jié)論相一致。本研究中,閩楠-杉木人工混交林與閩楠純林相比,胸徑、樹高、單株材積、枝下高、枝下高比例均呈現(xiàn)隨閩楠混交比例的增加而先升后降的變化,這與閩楠在幼齡期間的光營養(yǎng)需求生物學(xué)特性有關(guān)[30-31],隨著閩楠混交占比的逐漸增加,閩楠種內(nèi)之間發(fā)生的競爭也逐漸加強(qiáng),林分內(nèi)的光照和生長空間進(jìn)一步發(fā)生變化,單株閩楠生長所需的光營養(yǎng)被進(jìn)一步壓縮,造成閩楠生長所需的光照不足,導(dǎo)致閩楠的胸徑、樹高、單株材積、枝下高和枝下高比例增長緩慢。但與閩楠純林相比,閩楠混交處理的尖削度均要優(yōu)于閩楠純林處理。
本研究中,閩楠-杉木混交中的閩楠平均冠幅、冠高、樹冠體積、樹冠表面積、生長空間指數(shù)均顯著高于閩楠純林,其中2楠1杉(Ⅲ)處理中的閩楠平均冠幅、冠高、樹冠體積、樹冠表面積、生長空間指數(shù)均要大于1楠1杉(Ⅱ)、3楠1杉(Ⅳ)處理中的閩楠,由于2楠1杉(Ⅲ)處理中的閩楠種內(nèi)競爭力要強(qiáng)于1楠1杉(Ⅱ)、3楠1杉(Ⅳ)處理中的閩楠,從而促進(jìn)了閩楠的樹冠發(fā)育,提升了閩楠的空間利用能力。混交處理中閩楠的樹冠圓滿度均要顯著小于閩楠純林處理,原因是在閩楠-杉木人工混交林中,幼齡階段杉木的生長速度要快于閩楠的生長速度,而混交處理中的閩楠為了獲取生長所需的光營養(yǎng),采取樹冠狹長化策略,從而有利于在和杉木的空間競爭中獲取更多的光照,也是閩楠為適應(yīng)生境自我調(diào)整和改變的性狀表現(xiàn)。
閩楠-杉木人工混交林林分內(nèi)的生長環(huán)境發(fā)生一定變化,導(dǎo)致混交處理中閩楠的生長發(fā)育性狀、干形形質(zhì)性狀、空間利用能力發(fā)生改變。本研究各處理中,閩楠的生長形質(zhì)指標(biāo)、空間利用能力性狀綜合得分由高到低的排序依次為2楠1杉(Ⅲ)處理、1楠1杉(Ⅱ)處理、3楠1杉(Ⅳ)處理、閩楠純林處理,說明通過營建閩楠-杉木人工混交林能夠改善閩楠的生長形質(zhì),并提升其空間利用能力。
綜上所述,本研究以江西省新余市分宜縣6年生閩楠純林以及不同混交比例的閩楠-杉木人工混交林為研究對象,調(diào)查分析閩楠生長、干形形質(zhì)和空間利用能力等系列性狀的混交比例效應(yīng),發(fā)現(xiàn)閩楠-杉木不同混交比例和閩楠純林處理相比,閩楠-杉木混交可有效提升閩楠的生長發(fā)育和競爭能力,且提升的幅度與混交比例不同而異;2楠1杉(Ⅲ)混交處理是改善閩楠生長形質(zhì)、提升空間利用能力的最佳混交比例,胸徑、樹高、單株材積、尖削度、枝下高、枝下高比例、平均冠幅、冠高、樹冠體積、樹冠表面積、生長空間指數(shù)、綜合得分均在所有處理中表現(xiàn)最佳。因此,建議南方各省采用2楠1杉(Ⅲ)模式營造混交林。