杉木大徑材全周期定向培育技術模式構建

摘要：[目的]構建適用于不同產(chǎn)區(qū)的杉木大徑材全周期定向培育技術模式。[方法]基于40余年杉木密度試驗林固定樣地及不同產(chǎn)區(qū)臨時樣地的1 044塊樣地調(diào)查資料，系統(tǒng)考慮“造林-營林-收獲”等3個育林階段，分析確定立地指數(shù)、初植密度、首次間伐林齡、保留密度、主伐林齡、材種收獲量等6項大徑材林分培育關鍵參數(shù)。[結(jié)果]立地指數(shù)越高，初植密度越低，越有利于林分大徑材形成，且作用效果呈增長趨勢，杉木大徑材培育適宜立地指數(shù)范圍應為16指數(shù)級及其以上立地，適宜初植密度范圍可設計為1 667～3 333株·hm-2；可按林分每公頃總斷面積達23m2·hm-2時的林齡確定林分首次間伐時間；保留密度過低難以實現(xiàn)預期的大徑材出材量，而過高的保留密度則會降低林分大徑材出材率，根據(jù)同時滿足雙標準（大徑材出材率達50％以上；大徑材出材量達200m3·hm-2以上）確定的林分保留密度與立地指數(shù)級的關系，即可確定一定立地指數(shù)級林分的保留密度；根據(jù)不同立地指數(shù)級的林分大徑材出材率與林齡的關系模型，代人大徑材出材率=50％，得到不同指數(shù)級立地相應的參考主伐林齡，進而構建這一系列主伐林齡值與相應立地指數(shù)級的關系式，可確定一定立地指數(shù)級林分的主伐林齡；引入立地指數(shù)和林分密度的Richards函數(shù)可對林分胸徑、大徑材出材量、大徑材出材率和總蓄積等收獲因子實現(xiàn)良好預估，預測精度接近或高于80％。[結(jié)論]構建了“三階段-六確定”杉木大徑材全周期定向培育技術模式，可為杉木大徑材林、速豐林及國儲林基地建設提供科學支撐。

關鍵詞：杉木；大徑材；全周期；定向培育；技術模式

中圖分類號：S750 文獻標識碼：A 文章編號：1001-1498（2024）06-0012-11

國際上林業(yè)發(fā)達國家林業(yè)資源培育技術主流集中體現(xiàn)在定向培育、集約經(jīng)營及生態(tài)系統(tǒng)管理，形成遺傳、立地、密度三層面主導控制技術體系。定向是人工林培育的價值取向吲。無論是木材、糧油、生態(tài)產(chǎn)品中的單一目標還是多個復合目標，最終確定的目標即是人工林培育的出發(fā)點和行動指南。巴西桉樹紙漿材短周期培育、新西蘭輻射松建筑材集約經(jīng)營以及美國南方松結(jié)構材培育成功的很重要的原因在于聚合了樹種特性及市場需求，研發(fā)了與之相匹配的培育技術體系。作為世界人工林資源總量排名第1的國家，中國主栽用材樹種圍繞大徑材、紙漿材、材脂兼用等培育目標的定向培育技術研發(fā)取得了系列進展，但培育目標與定向培育措施結(jié)合仍不夠緊密。

大徑材是影響我國木材供給結(jié)構性矛盾的短缺性材種。人工林木材儲備、提質(zhì)增效及長期生產(chǎn)力維護等多目標需求亟需系統(tǒng)化全周期的大徑材培育技術體系作為支撐。杉木生長遍及我國整個亞熱帶、熱帶北緣、暖溫帶南緣等氣候區(qū)，栽培面積達993.33萬公頃，蓄積量達7.55億m3，分別約占全國人工喬木林主要優(yōu)勢樹種的1/4和1/3，是我國重要速生鄉(xiāng)土針葉用材樹種。在國家“九五”科技攻關時期，杉木完成了中大徑材培育機理及技術模式研究，其后在“十五”、“十一五”、“十二五”及“十三五”科技攻關、支撐或研發(fā)計劃時期，全面開展了杉木大徑材培育技術構建研究，在杉木大徑材遺傳控制、立地控制、密度控制、施肥管理等技術研發(fā)及標準化方面取得較大進展，推動了杉木大徑材培育進程。而由于培育周期長的特點，已有研究成果具有階段性與局部性，尤其缺乏完整輪伐期杉木大徑材形成的長期定位研究，缺乏不同產(chǎn)區(qū)大徑材林分培育技術的系統(tǒng)整合分析，亦因此難以對大徑材適宜立地范圍、保留密度范圍及主伐林齡等關鍵培育因子給出理論與實證兼顧的系統(tǒng)回答。鑒于此，本文基于40余年杉木密度試驗林固定樣地及來自于中心產(chǎn)區(qū)不同省區(qū)臨時樣地的1 044塊樣地調(diào)查資料，擬構建杉木大徑材全周期定向培育技術模式，為杉木人工林質(zhì)量提升及速豐林與國儲林等工程高質(zhì)量建設提供技術支撐。

1材料與方法

1.1樣地數(shù)據(jù)

固定樣地數(shù)據(jù)資料來源于中國林科院林業(yè)研究所在上世紀80年代初設置于福建省邵武市衛(wèi)閩國有林場和廣西憑祥中國林科院熱帶林業(yè)實驗中心伏波林場的2片杉木密度試驗林（初植密度A1、A2、A3；1667株·hm-2；B1、B2、B3；3 333株·hm-2；C1、C2、C3；5000株·hm-2；D1、D2、D3；6 667株·hm-2；E1、E2、E3： 10 000株·hm-2），已分別連續(xù)定位觀測41 a和43 a，獲得不同初植密度、不同立地、不同保留密度、不同林齡的465個樣地數(shù)據(jù)，試驗地概況及試驗設計可見文獻。臨時樣地資料來自于中心產(chǎn)區(qū)廣西、湖南、江西等省區(qū)的不同立地指數(shù)、不同保留密度、不同秫齡的杉木人工林現(xiàn)實林分，共計579個臨時樣地數(shù)據(jù)。所采用固定樣地和臨時樣地合計1 044塊，樣地各林分因子變幅情況如表1所示。

1.2模式構建方法

在構建思路上，圍繞人工林培育主要涉及的造林、營林、收獲3階段，再選取各階段可人為控制及相關的關鍵因子，在造林階段確定杉木大徑材培育的適宜立地指數(shù)范圍及適宜栽植密度，在營林階段確定首次間伐林齡及林分保留密度，在收獲階段確定林分主伐林齡及林分大徑材出材量等收獲因子，從而構建“三階段·六確定”的杉木大徑材定向培育優(yōu)化技術模式。

在樣地數(shù)據(jù)獲取上，對于林分立地指數(shù)，固定樣地采用20 a林齡時林分優(yōu)勢木平均高進行計算，臨時樣地按林齡及優(yōu)勢木平均高查相應杉木立地指數(shù)表得出，超出立地指數(shù)表林齡范圍時采用樣地所在區(qū)域?qū)蚯€轉(zhuǎn)換的立地指數(shù)方程求算。林分大徑材材種出材量計算方法參考《杉木林經(jīng)營數(shù)表與優(yōu)化密度控制》；林分總蓄積量基于部頒杉木二元立木材積表及林分保留株數(shù)求得。

在預測模型建立上，首先基于固定樣地數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)林分大徑材出材量、平均胸徑及總蓄積量均與林齡呈現(xiàn)出良好的3參數(shù)Richards函數(shù)關系，再采用再參數(shù)法，得到Richards方程各參數(shù)與除林齡外最能體現(xiàn)現(xiàn)實林分生產(chǎn)力的林分變量即立地指數(shù)和保留密度的引入函數(shù)形式，進而利用以林分立地指數(shù)、保留密度和林齡為自變量的Richards方程構建預測模型。模型構建時采用4種不同的數(shù)據(jù)整合方式，包括（1）總體樣地數(shù)據(jù)；（2）去除初植密度在5 000株·hm-2以上樣地后的樣地數(shù)據(jù)；（3）去除大徑材出材量為0以及初植密度在5 000株·hm-2以上樣地后的樣地數(shù)據(jù)；（4）去除5 000株·hm-2以上樣地后的分立地指數(shù)級的樣地數(shù)據(jù)（10-14、16～20、16～28、22～28指數(shù)級），每種數(shù)據(jù)整合方式均分建模數(shù)據(jù)及檢驗數(shù)據(jù)，采用擬合與檢驗所得相關指數(shù)評價選擇模擬預測模型。

2結(jié)果與分析

2.1適宜立地指數(shù)范圍確定

杉木林分大徑材出材量隨立地指數(shù)的變化趨勢表明（圖1），大徑材出材量隨立地指數(shù)的增大而增加，且高立地指數(shù)范圍內(nèi)增加的速率高于低立地指數(shù)范圍。適宜的立地指數(shù)應可生產(chǎn)相當數(shù)量的大徑材，如以大徑材現(xiàn)實生產(chǎn)力達200 m3·hm-2確定。12及以下指數(shù)級立地很難形成大徑材，14指數(shù)級有一定比例的樣地可產(chǎn)出大徑材，16指數(shù)級以上立地有較大比例樣地可產(chǎn)出200m3·hm-2以上的大徑材。因此，從培育較高的大徑材出材量角度考慮，杉木大徑材培育適宜立地指數(shù)范圍應為16及以上指數(shù)級的立地。

2.2適宜栽植密度確定

從固定樣地福建邵武杉木密度試驗林41年林分大徑材出材量隨林齡的變化情況可以發(fā)現(xiàn)（圖2），在相對低指數(shù)級立地（12～16指數(shù)級）時，初植密度對大徑材出材量影響較小，而在較高指數(shù)級立地（20～22指數(shù)級）時，同一指數(shù)級條件下（S1=20），初植密度越小，大徑材出材量越大。立地指數(shù)級越高，低密度對大徑材生長的促進作用越強，5 000株·hm-2以上的高密度則對大徑材出材量產(chǎn)生嚴重制約作用，綜合考慮密度試驗林的密度設置范圍及生產(chǎn)實踐中常用的栽植密度，杉木大徑材培育的適宜栽植密度可設計為1 667及3 333株·hm-2。

2.3首次間伐林齡的確定

依據(jù)福建邵武及廣西憑祥的杉木密度試驗林40余年長期定位觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過多種常用指標的比較分析，初步選擇了胸徑連年生長量下降至1 cm以下的林齡作為林分間伐起始林齡，發(fā)現(xiàn)該指標確定的首次間伐林齡雖與林分栽植密度呈顯著的負線性相關性，但與林分立地指數(shù)相關不顯著，不能反映林分立地指數(shù)越大首次間伐林齡應更早的一般規(guī)律（圖3）。鑒于此，基于林分斷面積動態(tài)變化規(guī)律，新構建了一個斷面積標準指數(shù)林齡，即林分每公頃總斷面積達23m2·hm-2時的林齡，發(fā)現(xiàn)該指數(shù)與林分初植密度（F=-0.65，plt;0.01）及立地指數(shù)（F=-0.38，plt;0.05）均呈顯著的負線性相關性（圖4），表現(xiàn)出良好的說理性，且該指標基于現(xiàn)實林分調(diào)查因子統(tǒng)計可得，優(yōu)于基于至少連續(xù)2a調(diào)查的胸徑連年生長量下降至1 cm以下的林齡判別方法。

構建了斷面積標準指數(shù)林齡（y）為因變量及以初植密度（ PD）和立地指數(shù)（SI）為自變量的二元線性回歸模型：

y=17.911 0-0.000 5 x PD-0.350 1 x SI（R2=0.701 0） （1）

根據(jù)式（1）即可求算林分首次間伐林齡。

2.4林分保留密度的確定

適宜的林分保留密度能夠保證林分在主伐時同時具有較高的大徑材出材量和出材率，據(jù)此設置2項杉木大徑材培育適宜林分保留密度確定標準：一是林分大徑材出材率達到50％以上，即林分達到大徑材林分；二是林分大徑材出材量達200 m3·ha-1。根據(jù)杉木中心產(chǎn)區(qū)1 044塊樣地大徑材出材率及出材量隨林分密度的變化趨勢（圖5），可以發(fā)現(xiàn)杉木大徑材出材率及出材量均隨林分密度的增大而顯著下降。所有立地下，林分大徑材出材率達到50％以上的樣地的林分密度/（株·ha-1）變化區(qū)間在[180，1 922]，而林分大徑材出材量達200 m3·ha-1以上的樣地的林分密度/（株·ha-1）變化區(qū)間在[526，3 048]，可以得到同時滿足2個確定標準的林分保留密度/（株·ha-1）的變化區(qū)間在[526，1 922]，保留株數(shù)低于526株·ha-1的林分難以實現(xiàn)大徑材出材量標準，而過高的林分保留密度因其負作用又致使林分大徑材出材率難以達50％以上。按立地指數(shù)級分別統(tǒng)計了滿足大徑材出材率達50％以上及出材量達200m3·ha-1以上現(xiàn)實林分保留密度的變化范圍，進而按2項標準同時滿足的條件得到了不同指數(shù)級立地的現(xiàn)實林分保留密度（表2）。而同時滿足2項標準的不同立地指數(shù)級的現(xiàn)實林分保留密度具有一定隨機性，進而構建了其平均值為因變量（y）與立地指數(shù)級（x）為自變量的數(shù)量關系式：

y=2.263 8x2-134.11x+2 743.7（R2=0.860 8） （2）

根據(jù)公式（2）代入林分立地指數(shù)級，得到杉木大徑材培育適宜林分保留密度標準值（表2）。

2.5林分主伐林齡的確定

林分主伐林齡的確定要求實現(xiàn)林分在主伐時同時具有較高的大徑材出材量和出材率，與林分保留密度的確定要求一致，設置2項杉木大徑材培育相應的林分主伐林齡確定標準：一是林分大徑材出材率達到50％以上；二是林分大徑材出材量達200m3·hm-2。根據(jù)杉木中心產(chǎn)區(qū)1 044塊樣地大徑材出材率及出材量隨林分年齡的變化趨勢（圖6），可以發(fā)現(xiàn)，不同立地指數(shù)級條件下杉木林分大徑材出材量及出材率總體上均隨林齡的增大而呈不同程度與數(shù)量關系的增加。所有立地下，林分大徑材出材率達到50％以上的樣地的林分年齡變化區(qū)間在[22，60]，而林分大徑材出材量達200 m3·hm-2以上的樣地的林分年齡變化區(qū)間在[21，60]，可以看到分別符合2項標準的現(xiàn)實林分年齡范圍比較接近，同時滿足2個確定標準的林分年齡的變化區(qū)間在[22，60]。按立地指數(shù)級分別統(tǒng)計了滿足大徑材出材率達50％以上及出材量達200 m3·hm-2以上現(xiàn)實林分年齡的上下限范圍，進而根據(jù)同時滿足和最快滿足2項標準的原則，采用對同一立地指數(shù)級時2個下限值取高值、2個上限值取低值的方法，得到同時滿足2項標準時不同指數(shù)級立地的現(xiàn)實林分林齡范圍，這個林齡范圍可看作現(xiàn)實主伐林齡范圍（表3）。

為更有代表性和說理性地確定主伐林齡，構建了不同立地指數(shù)級林分大徑材出材率與林齡的最優(yōu)關系模型（圖6），可以看到，指數(shù)級不同時，最優(yōu)關系模型表達形式不完全一致，但均達顯著以上相關水平?；趫D6中林分大徑材出材率與林齡的關系模型，代入標準一即大徑材出材率達到50％后，可得到不同指數(shù)級立地相應的參考主伐林齡，再構建這一系列主伐林齡值（y）與相應立地指數(shù)（SI）的最優(yōu)冪函數(shù)關系式：

y=168.29e-0.08xS1（R2=0.905 7） （3）

通過公式（3）代入林分立地指數(shù)級，得到杉木大徑材培育適宜林分主伐林齡標準值（表3）?？梢园l(fā)現(xiàn)，所得到的林分主伐林齡標準值高于或落在雙標準確定的林齡范圍。

2.6林分大徑材收獲量的確定

林齡、立地指數(shù)和林分密度是決定林分收獲量的3個主要變量。由福建邵武及廣西憑祥杉木密度試驗林定位觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，通過再參數(shù)法可建立多區(qū)域、多樣地、多林分的以林齡、立地指數(shù)、林分密度為自變量的綜合性杉木大徑材出材量、林分平均胸徑及總蓄積量的Richards預估方程（表4）。幾種數(shù)據(jù)整合方式中，總樣地及去除林分密度在5 000株·hm-2以上樣地后的總樣地兩種數(shù)據(jù)整合方式擬合與檢驗決定系數(shù)均達0.74以上；而其他數(shù)據(jù)整合方式均存在收獲變量擬合或檢驗決定系數(shù)低于0.6的情況，預估偏差較大；分立地指數(shù)級時林分大徑材出材量在某些立地預估精度不高。此外，對于林分平均胸徑而言，基于Richards方程的預估效果要優(yōu)于多元線性回歸方程。鑒于此，較優(yōu)的總樣地整合方式被選為杉木林分平均胸徑、大徑材出材量及總蓄積量的建模數(shù)據(jù)基礎，模型（4）、（5）和（6）的預估檢驗決定系數(shù)達0.787 9-0.870 6。杉木林分平均胸徑、大徑材出材量及總蓄積量Richards模型擬合理論值及檢驗預估值與實測值的線性相關分析表明（圖7），所構建的3個收獲因子的Richards模型預估值與實測值吻合度均較高，可實現(xiàn)較好的預估效果。

2.7杉木大徑材定向培育優(yōu)化技術模式構建

基于前述杉木大徑材培育程序中立地指數(shù)、首次間伐林齡、林分保留密度、林分主伐林齡、林分大徑材出材量等收獲因子的確定研究，結(jié)合整地、撫育等常規(guī)性營造林實踐，構建了涵蓋立地指數(shù)、初植密度、間伐林齡、保留密度、主伐林齡、林分平均胸徑、林分大徑材出材量、林分蓄積量等技術參數(shù)的杉木大徑材定向培育技術參考模式（表5）。

3討論

3.1造林階段的大徑材培育技術參數(shù)確定

大徑材培育本質(zhì)上包含能形成大徑材以及大徑材達到一定數(shù)量這兩層涵義。立地是大徑材形成的決定性因子，好的立地條件能決定或促進大徑材的形成與否、形成的早晚及形成的數(shù)量，已有研究亦充分證明了這一點。不同的是，以往研究涉及到的立地指數(shù)范圍都集中在16～22指數(shù)級，本研究發(fā)現(xiàn)14指數(shù)級的現(xiàn)實林分中，有一定比例的樣地可產(chǎn)出大徑材，16指數(shù)級以上立地有較大比例樣地可產(chǎn)出較高的大徑材出材量，而24～28指數(shù)級立地會有更高的大徑材生產(chǎn)潛力。初植密度是人為可控的主要培育因子，前期相關研究表明過高的初植密度會對杉木大徑材的形成產(chǎn)生抑制，本研究表明2mx3m、2mx2m及2m x 1.5m的株行距控制為杉木大徑材培育的合理初植密度范圍，而2mx1m的抹行距或更高的初植密度則會嚴重降低杉木大徑材出材量，只適合培育中小徑材為主的短周期用材林。

3.2營林階段的大徑材培育技術參數(shù)確定

間伐可有效調(diào)節(jié)林分競爭態(tài)勢，釋放林木生長潛能，有利于大徑材的快速形成。已有研究根據(jù)林分郁閉度、小徑木占比、胸徑連年生長量、斷面積連年生長量等指標確定林分首次間伐林齡，但存在準確度偏低及獲取方法過于復雜等問題，本文提出了一種新的界定方法，即采用林分每公頃總斷面積達23 m2時的林齡來指示首次間伐林齡，這一方法以適宜立地條件下合理初植密度林分達到某一林分蓄積為指示，簡潔實用且說理性強。林分保留密度是除初植密度外的另一個重要密度控制變量，與定向培育目標及初植密度和間伐強度相關，本研究發(fā)現(xiàn)高立地指數(shù)下培育杉木大徑材時林分保留密度可低至526株·hm-2，過低難以產(chǎn)出相當數(shù)量的大徑材出材量，而過高則會因競爭降低林分大徑材出材率，以往在雪峰山區(qū)、武功山區(qū)、武夷山區(qū)的試驗林分立地指數(shù)級均在22以內(nèi)，16指數(shù)級立地的林分保留密度以1 200～1 500株·hm-2為宜，18指數(shù)級立地主伐時的適宜保留密度為1 005～1 382株·hm-2，20指數(shù)級為959～1 319株·hm-2?？梢姼叩牧⒌刂笖?shù)時林分保留密度可進一步降低。

3.3收獲階段的大徑材培育技術參數(shù)確定

主伐林齡是大徑材培育的又一決定性培育因子，在目前研究的林齡范圍內(nèi)，隨林齡的延長，林分大徑材出材量不斷增加，其值實際為期望出材量、收獲期及經(jīng)濟價值的權衡問題，本文在大量林分實際出材滿足期望收獲量基礎上建立其與立地指數(shù)的關系，有效解決了立地潛力產(chǎn)出與生產(chǎn)需求的結(jié)合問題。對于出材量的預估，考慮林分累積生長的規(guī)律及關鍵林分因子，包含立地指數(shù)和林分密度的表達為“S”型曲線的非線性方程表現(xiàn)出更優(yōu)的模型精度和說理性。雖然由固定樣地與臨時樣地組成的林分資料范圍相對較泛，但優(yōu)選的各收獲因子預測精度接近或高于80％，實現(xiàn)了較好的預測效果。與以往研究相比，本研究覆蓋立地級范圍較大、培育因子系統(tǒng)且試驗周期長，所構建技術體系應用面更廣，實證性更強，體系性更全，技術體系得到全面優(yōu)化。而杉木大徑材培育技術是我國南方大徑材基地、速豐林基地及國儲林基地建設的緊缺技術，該項技術的系統(tǒng)建成可有效避免大徑材培育中立地選擇、保留密度及伐期的不科學設計和操作，為杉木大徑材高效培育奠定堅實技術基礎。

4結(jié)論

基于1044塊固定樣地和臨時樣地數(shù)據(jù)，系統(tǒng)考慮“造林-營林-收獲”等3個育林階段，構建了涵蓋立地指數(shù)、初檀密度、聞伐林齡、保留密度、主伐林齡、大徑材出材量等技術參數(shù)的杉木大徑材全周期定向培育技術模式。杉木大徑材培育適宜立地指數(shù)范圍應為16指數(shù)級及其以上立地；適宜初植密度范圍可設計為1 667-3 333株·hm-2；新構建的斷面積標準指數(shù)即林分每公頃總斷面積達23 m2時的林齡，與林分初植密度及立地指數(shù)均呈顯著的負線性相關性，可用來指示首次間伐林齡，基于斷面積標準指數(shù)林齡與初植密度和立地指數(shù)的關系式，即可求算林分首次間伐林齡；根據(jù)同時滿足雙標準（大徑材出材率50％以上；大徑材出材量200 m3·hm-2以上）確定的林分密度標準值和主伐林齡標準值，可確定一定立地指數(shù)級林分的適宜保留密度和主伐林齡；構建了包含林齡、立地指數(shù)和林分密度的杉木林分胸徑、大徑材出材量、大徑材出材率和林分總蓄積等收獲因子的預估模型，模型預測精度接近或高于80％，可實現(xiàn)較好的預測效果。本研究構建的杉木大徑材全周期定向培育技術模式，可為杉木大徑材高效培育奠定堅實的理論和技術基礎。