太行山側(cè)柏樹干心材與邊材的厚度及其與直徑的關(guān)系

摘要：在太行山石灰?guī)r山地50年生側(cè)柏（Platycladus orientalis）純?nèi)斯ち种?，采用樹干解析與生長錐法調(diào)查了樹干徑向組分心材、邊材、樹皮的厚度及方位差異，分析了各組分厚度與樹干直徑的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了回歸模型。結(jié)果表明，70株樣樹的樹干直徑分布在3.92～15.95 cm，平均直徑為9.80 cm，即平均半徑為4.90 cm，其中心材厚度（2.70 cm，占半徑的55%）gt;邊材厚度（1.84 cm，38%）gt;樹皮厚度（0.36 cm，7%）。樹干半徑及心材厚度在不同方位間無顯著差異；邊材厚度及樹皮厚度存在顯著的方位差異，南側(cè)最大。樹干半徑、心材厚度、邊材厚度與樹干直徑呈極顯著正相關(guān)；建立了樹干不同方位心材、邊材厚度與樹干直徑的非線性與線性回歸模型。

關(guān)鍵詞：側(cè)柏（Platycladus orientalis）； 心材； 邊材； 直徑； 相關(guān)關(guān)系； 太行山

中圖分類號：S791.38" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）11-0122-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.11.021 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

The thickness of heartwood and sapwood of Platycladus orientalis and its relationship with the trunk diameter in Taihang Mountains

LI Zhen-hua， WANG Ke-xing， HUANG Yan-li

（School of Civil Engineering and Architecture， Xinxiang University， Xinxiang" 453003， Henan， China）

Abstract： In a 50-year-old Platycladus orientalis plantation in the limestone mountains of Taihang Mountain， the thickness and orientation differences of the tree radial components， including heartwood， sapwood and bark，were investigated by trunk analysis and growth cone method. The correlation between the thickness of each component and the trunk diameter of the tree was analyzed， and a regression model was established. The results showed the trunk diameter of 70 sample trees ranged from 3.92 cm to 15.95 cm with an average diameter of 9.80 cm and an average radius of 4.90 cm， the thickness of heartwood （2.70 cm， accounting for 55% of radius） gt; sapwood thickness （1.84 cm， 38%） gt; bark thickness （0.36 cm， 7%）. There was no significant difference among four directions in trunk radius and heartwood thickness； there was a significant directional difference in sapwood thickness and bark thickness， with the largest value in the south direction. There were extremely significant positive correlations between stem radius， heartwood thickness， sapwood thickness and trunk diameter. The nonlinear and linear regression models of each component thickness and trunk diameter were established in different directions of the tree trunk.

Key words： Platycladus orientalis； heartwood； sapwood； diameter； correlation； Taihang Mountains

樹木干部通常分為心材、邊材、樹皮三部分。心材位于樹干中央，由死細胞組成，由于富含樹脂、色素等物質(zhì)，色澤較深，質(zhì)地較密實，對樹木起到支撐結(jié)構(gòu)作用；邊材靠近樹皮，由淺色、柔軟和具活性的薄壁細胞組成上下聯(lián)通的導(dǎo)管和管胞，保障水分和養(yǎng)分等液流輸導(dǎo)［1］。研究樹木心材、邊材的結(jié)構(gòu)特征，是探索樹木水分和養(yǎng)分利用機理、樹木生長收獲模型及木材工藝利用的基礎(chǔ)［2］。邊材厚度相對穩(wěn)定，心材厚度及樹木半徑隨樹木年齡而不斷增加［3］，但樹木種類、生長區(qū)域及氣候條件不同，其心材、邊材的厚度組成存在一定差異。尤其邊材厚度對評估樹木蒸騰耗水、光合生產(chǎn)及呼吸消耗對策有關(guān)鍵作用［4，5］，因此，在實踐中需要精準測量。如測定蒸騰量的常用方法是樹干液流探針法［6-8］，在安裝探針和利用點位數(shù)據(jù)擴展估算樹木整株或整片林分的蒸騰量時，需要明確樹干邊材厚度，即蒸騰液流由下至上通過樹干的截面寬度。若能建立樹干直徑與心材、邊材厚度的可靠關(guān)系，則可在野外條件下快捷、安全地通過簡單測量樹干直徑來推算樹干組分厚度，并進行液流探針的準確安裝與液流數(shù)據(jù)的擴展計算［9-11］。已有相關(guān)研究多關(guān)注樹干邊材形成及向心材的轉(zhuǎn)化機制、樹干徑向組成及其空間變異特征等［12-14］，針對樹干直徑與樹干心材、邊材厚度關(guān)系的研究還不充分。因此，在太行山南側(cè)的低山丘陵區(qū)，以當?shù)氐湫驮炝謽浞N側(cè)柏（Platycladus orientalis）為對象，在當?shù)亓謽I(yè)部門撫育間伐作業(yè)時期，通過樹干解析法與生長錐鉆取樹芯法觀測近地表處樹干的心材、邊材等組分厚度，采用單因素方差分析法比較方位差異，采用回歸分析法建立樹干直徑與樹干組分厚度的關(guān)系，為開展森林生態(tài)水文研究奠定基礎(chǔ)，也為科學(xué)培育與管護側(cè)柏人工林提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省輝縣市的方山（35°49′33″N，113°49′17″E），屬南太行低山丘陵地帶，海拔平均為220 m。屬于暖溫帶大陸性季風氣候，歷年平均氣溫14 ℃；年均降水量650 mm，夏秋季降水量占全年的72%，且多暴雨；年均濕度68%，最大凍土深度285 mm。無霜期為220 d，全年日照時間約2 400 h。主要植被類型為20世紀70年代人工種植的側(cè)柏人工純林，極端困難立地分布的是雜灌叢。側(cè)柏是太行山石灰?guī)r山地主要造林樹種之一，適應(yīng)當?shù)馗珊等彼?、土壤瘠薄的惡劣環(huán)境，并在防風護坡、保持水土等方面發(fā)揮了重要的生態(tài)功能。

2 方法

2.1 樣地設(shè)置與樣樹選取

2020年3—6月，在研究區(qū)內(nèi)相鄰的4個不同坡向（陽坡、陰坡、半陽坡、半陰坡）的坡面上，避開林緣和林窗，在側(cè)柏純林（林齡約50 a）內(nèi)部選擇立地條件和郁閉度適中的代表性地段，共設(shè)置10個調(diào)查樣地，面積均為10 m×10 m。對每個樣地所有林木的胸徑、樹高逐一調(diào)查，然后各選擇5～10株不同徑級（代表優(yōu)勢度）的林木為調(diào)查樣樹，共70株樣樹。

2.2 樹干徑向組分厚度觀測

在當?shù)亓謽I(yè)部門開展撫育間伐期間，采用樹干解析法實測其中40株樣樹樹干近地表處（1 m以下，避開樹疤、枝杈等）的樹盤，采用生長錐鉆取另外30株樣樹近地表處的樹干直徑（東西、南北2個軸向）樹芯樣本，帶回室內(nèi)打磨樣品表面，并標記出東、西、南、北4個方位，然后根據(jù)心材、邊材及樹皮等組分的顏色、材質(zhì)差異，測定并記錄各組分的厚度。心材厚度為樹干髓心到心材外緣的長度，邊材厚度為心材外緣至樹皮內(nèi)緣的長度，每個方位的心材、邊材及樹皮的厚度之和為該方位的樹干半徑，2個相反方位的半徑之和為該軸向的樹干直徑。

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法

采用Excel 2016軟件整理所有樣樹的樹干直徑及各徑向組分的厚度數(shù)據(jù)，采用SPSSAU在線分析軟件對不同方位間各組分厚度的差異進行單因素方差分析及差異顯著性檢驗，對各組分厚度與樹干直徑的關(guān)系進行Pearson相關(guān)分析及一元線性、非線性回歸分析，根據(jù)決定系數(shù)（R2）和顯著性（P）來篩選擬合度最優(yōu)的生長曲線作為預(yù)測各組分厚度的回歸模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹干徑向組成特征

調(diào)查70株側(cè)柏的樹干直徑為3.92～15.95 cm，平均直徑為9.80 cm，即平均半徑為4.90 cm。由表1可知，心材厚度是樹干徑向的主要組分，平均為2.70 cm，占半徑的55%；邊材厚度是次要組分，平均為1.84 cm，占半徑的38%；樹皮厚度是最小組分，平均為0.36 cm，占半徑的7%。

樹干半徑在不同方位間的差異不顯著，大小排序為北側(cè)（5.15 cm）gt;東側(cè)（4.91 cm）gt;南側(cè)（4.86 cm）gt;西側(cè)（4.69 cm）。心材厚度在不同方位間的差異也不顯著，大小排序為北側(cè)（2.93 cm）gt;東側(cè)（2.79 cm）gt;西側(cè)（2.63 cm）gt;南側(cè)（2.45 cm），占半徑的比例排序為北側(cè)（60%）gt;東側(cè)（57%）gt;西側(cè)（54%）gt;南側(cè)（50%）。邊材厚度在不同方位間存在顯著差異，南側(cè)最大，平均為2.02 cm（占比41%），略大于北側(cè)（1.89 cm，39%），顯著大于東側(cè)（1.76 cm，36%）和西側(cè)（1.69 cm，34%）。樹皮厚度在不同方位間存在極顯著差異，主要表現(xiàn)為南側(cè)、西側(cè)、東側(cè)的數(shù)值極顯著大于北側(cè)。

綜合來看，樹干北側(cè)的半徑最大、心材最厚、樹皮最??；樹干西側(cè)的半徑最小、邊材最?。粯涓赡蟼?cè)的心材最薄、邊材最厚、樹皮最厚；樹干東側(cè)的各項數(shù)據(jù)均適中。

3.2 與直徑的相關(guān)關(guān)系

由表2可知，不同的樹干徑向組分，其厚度與樹干直徑的關(guān)系有很大差異。整體上，相關(guān)系數(shù)的大小排序為半徑gt;心材厚度gt;邊材厚度gt;樹皮厚度。其中，半徑、心材厚度及邊材厚度（除南側(cè)外）均與東西直徑、南北直徑、平均直徑呈極顯著正相關(guān)，南側(cè)的邊材厚度僅與南北直徑呈顯著正相關(guān)，與東西直徑、平均直徑相關(guān)性均不顯著；樹皮厚度與樹干直徑的相關(guān)系數(shù)都很低，多為0.2～0.3，僅南側(cè)、北側(cè)這2個方位上與樹干直徑存在顯著正相關(guān)。東、西側(cè)的各組分厚度與東西直徑的相關(guān)系數(shù)較大，其次是平均直徑、南北直徑；南、北側(cè)的組分厚度與南北直徑的相關(guān)系數(shù)較大，其次是平均直徑、東西直徑。綜上可知，如果用樹干直徑來估算和預(yù)測不同方位的樹干徑向組分厚度，最好用與該方位所在軸向的樹干直徑數(shù)據(jù)，并且可靠度最高的是心材厚度，其次是邊材厚度，最低的是樹皮厚度。

3.3 與直徑的回歸模型

由表3可知，非線性模型多為冪函數(shù)或二項式函數(shù)，其擬合優(yōu)度R2最高，即用所在軸向的直徑數(shù)據(jù)對樹干徑向組分厚度進行估算和預(yù)測的精度相對較高；同時列出了線性模型供參考使用，其R2均略低于非線性模型，但計算更簡便，實用性好。所有模型均通過F檢驗，P基本都小于0.01，即有效。從R2大小可知，樹干直徑對半徑、心材厚度的估算和預(yù)測精度較高，對邊材厚度的估算和預(yù)測精度較低。

4 討論與小結(jié)

4.1 討論

本研究考慮坡向、坡位、樹木優(yōu)勢度等因素的影響，在不同坡面、坡位上選擇了不同優(yōu)勢等級的70株側(cè)柏樣樹，將數(shù)據(jù)平均后，分析樹干不同組分的厚度、方位差異及其與樹干直徑的關(guān)系。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)50年生側(cè)柏林中，樹干組分以心材為主，其厚度平均為2.70 cm，占半徑的55%，邊材厚度平均為1.84 cm，占38%，樹皮占7%。心材邊材厚度比為1.47。本研究與王華田等［6］在北京西郊對22～57年生側(cè)柏林中的研究結(jié)果相似，其心材、邊材厚度分別為2.29、1.72 cm，心材邊材厚度比為1.33。吳芳［15］在陜西省安塞縣黃土丘陵區(qū)安裝液流探針時，其選擇的30年生側(cè)柏樣樹的邊材厚度為2.4～3.3 cm，高于本研究結(jié)果，可能與其研究區(qū)的氣候條件更為干旱有關(guān)。

本研究中，側(cè)柏樹干半徑、心材厚度在4個方位間均不存在顯著差異，這與周翼飛等［16］對迎春5號楊樹（Populus nigra × Populus simonii）、常建國等［17］對油松（Pinus tabuliformis）的研究結(jié)果相似；但不同的是，本研究區(qū)域側(cè)柏的邊材厚度在南側(cè)較大，顯著高于東側(cè)、西側(cè)，北側(cè)適中；樹皮厚度在北側(cè)較小，顯著低于南側(cè)、西側(cè)和東側(cè)。原因可能在于，這2項研究所在的地形較平坦，樹木稀疏、樹冠相互遮蔽少，水熱環(huán)境相對均勻，不同方位間樹干組分可以均衡發(fā)育；而本研究地區(qū)處在丘陵地帶，林分密度大，方位間存在資源環(huán)境的先天差異，導(dǎo)致側(cè)柏樹干組分特征發(fā)生適應(yīng)性變化。但其對坡向、密度等因素的具體適應(yīng)機制，還需擴大樣本量繼續(xù)深入研究。如果在該地區(qū)側(cè)柏林中使用液流探針測定樹木蒸騰，建議安裝在邊材厚度相對適中的樹干北側(cè)。

本研究先采用相關(guān)分析法，確定樹干直徑與心材、邊材厚度的關(guān)系均達到極顯著正相關(guān)，然后采用回歸分析法對數(shù)據(jù)進行線性與非線性函數(shù)關(guān)系擬合，發(fā)現(xiàn)心材厚度與樹干直徑的關(guān)系以冪函數(shù)來表達為最優(yōu)，其決定系數(shù)為0.656～0.781，即樹干直徑對心材厚度變化的解釋程度或預(yù)測精度達65.6%～78.1%。邊材厚度與樹干直徑的回歸模型多以二項式函數(shù)為最優(yōu)，這與周鳳艷［14］建立的沙地樟子松（Pinus sylvestris）邊材厚度與樹干直徑的結(jié)論類似；但其構(gòu)建的模型決定系數(shù)較高，很多達0.8以上，而本研究中模型的決定系數(shù)較低，基本低于0.3。原因可能在于，該文獻的研究地區(qū)為平坦的沙地，相較于本研究區(qū)的丘陵地形，其樹木發(fā)育更好，相關(guān)規(guī)律更明顯；此外，該文獻構(gòu)建的模型R2明顯受到林齡的影響，在10年生樹木上建立的模型R2普遍較高，最高達0.975 3，最低為0.569 7；而在20年生、30年生樹木上的R2明顯降低，為0.205 3～0.733 7。本研究中的樹木林齡多在50年左右，故模型預(yù)測精度更接近于該文獻中相對高齡的樹木。相對于心材（由死細胞組成）的逐年穩(wěn)步形成，邊材的生長受更多環(huán)境因素的影響，未來需考慮其他因素，進一步探究其變化機制和提高模型優(yōu)度。

4.2 小結(jié)

在太行山南麓的石灰?guī)r山地，50年生側(cè)柏的樹干組分中，心材、邊材、樹皮的厚度分別占半徑的55%、38%、7%；心材厚度在不同方位間的差異不明顯，邊材厚度、樹皮厚度存在顯著方位差異；心材厚度、邊材厚度均與樹干直徑呈顯著正相關(guān)；構(gòu)建了不同方位的心材厚度、邊材厚度與樹干直徑的線性與非線性回歸模型，其中，冪函數(shù)預(yù)測心材厚度的精度較高，二項式函數(shù)預(yù)測邊材厚度的精度較低。未來可考慮其他環(huán)境因素影響，繼續(xù)補充樣本數(shù)量，深入探究樹干組分厚度的組成特征及變化機制，不斷提高模型的適用性和預(yù)測的精準性。

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收稿日期：2023-11-02

基金項目：河南省高等學(xué)校重點科研項目（22B180014）；河南省科技攻關(guān)項目（222102320104）；新鄉(xiāng)學(xué)院博士科研啟動項目（1366020158）

作者簡介：李振華（1985-），男，河南輝縣人，講師，博士，主要從事森林生態(tài)、園林綠化研究，（電話）15736988795（電子信箱）lzhh2016@126.com。