許冠軍, 鄭 宏, 林開敏, 林 強, 鄒顯花, 曹光球, 馬祥慶

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；3.福建省洋口國有林場，福建 南平 353000)

密度是影響林木生長的重要因素，通過間伐可對林分密度進行有效調(diào)控，改善林分溫濕度、土壤養(yǎng)分、光照條件[1]，為保留木生長提供良好的環(huán)境.目前，國內(nèi)外已將密度管理作為森林目標經(jīng)營的關(guān)鍵技術(shù)[2]，開展了大量的研究[3-5]，發(fā)現(xiàn)林分密度通過影響林分的生長進而影響到林分徑級的分布和材種結(jié)構(gòu)[6].因此，加強林分密度管理是調(diào)節(jié)林分結(jié)構(gòu)、提高人工林生產(chǎn)力的重要途徑.

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook]是我國南方最重要的速生用材樹種，已有近千年的栽培歷史.杉木林分密度控制技術(shù)是培育杉木大徑材的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過間伐可對林分密度進行合理調(diào)控，促進保留木胸徑的生長[7-8]，從而提高杉木大徑材的產(chǎn)量.但長期以來杉木人工林經(jīng)營過程中始終存在定向培育目標不明確的問題[9-11]，目前杉木人工林間伐密度試驗大多數(shù)集中在僅一次性間伐密度試驗的生長效果[12-14]，研究內(nèi)容也主要偏向林分生長量、蓄積量和生產(chǎn)力等指標[15-17].而有關(guān)林分經(jīng)營全周期內(nèi)林分間伐的密度管理模式對杉木人工林材種結(jié)構(gòu)形成和大徑材產(chǎn)量影響的研究則很少.童書振等[18]認為造林密度林分在同一地位指數(shù)，間伐前后林分優(yōu)勢大，平均高差異均不明顯.惠剛盈等[19]認為杉木中大徑材的培育地位指數(shù)需達到16及以上，保留密度1 050～1 350株·hm-2，林齡在20～22 a為宜.張煒銀等[20]認為運用動態(tài)規(guī)劃方法對林分密度進行調(diào)控，在理論上是可行的，并在此基礎(chǔ)上建立了18～20地位指數(shù)段大徑材林分密度控制最優(yōu)模型.雖然近些年來國內(nèi)一些專家開始重視杉木大徑材培育的密度控制技術(shù)研究[21-22]，但仍未形成一套完整的與大徑培育目標相匹配的密度管理體系[23].本文通過對兩種不同間伐密度管理模式的大徑材林分生長進行研究，為構(gòu)建杉木大徑材高效培育的密度管理體系提供依據(jù).

1 試驗地自然概況

試驗林位于福建省洋口國有林場，屬于武夷山支脈低山丘陵區(qū)，地處東經(jīng)117°55′，北緯26°52′，海拔300～400 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候.夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤，坡度25°～41°.年平均氣溫18.5 ℃，年平均降水量1 880 mm，無霜期達280 d.土壤多以山地紅壤為主，厚度均在1 m以上，表層土較為松散，呈暗紅色，A+AB層土壤厚度15～30 cm，獨特的自然地理環(huán)境為杉木提供了良好的生長條件.

2種不同密度管理模式林分皆于1984年1月造林，初植密度為2 500株·hm-2，苗木成活率95%.對第1種間伐密度管理模式(簡稱模式1)的林分間密留勻，留優(yōu)去劣，分別于造林后第13年(1998年9月)與第28年(2013年7月)各間伐1次，間伐強度分別為50%、45%，最終保留密度為650株·hm-2；2013年后，每2 a進行一次林下植被清理.2013年林下套種楠木(450株·hm-2)，套種后每年5月對閩楠幼苗進行擴穴、施肥撫育.對第2種間伐密度管理模式(簡稱模式2)林分僅在造林后第13年(1998年9月)間伐一次，間伐強度為50%，保留密度1 187株·hm-2；之后采取近自然經(jīng)營模式，通過減少人為干預(yù)，保留林下植被，逐步形成現(xiàn)有的杉木大徑材林分.

2 方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

于2017年9月進行林分數(shù)據(jù)調(diào)查.在坡形、坡向、坡度等因子基本一致的基礎(chǔ)上于2個不同間伐密度管理模式林地的上、中、下坡位，分別設(shè)置3個面積為20 m×20 m的標準試驗樣地，共6塊，并對樣方內(nèi)立木作每木檢尺、掛牌標記，并做好記錄.在樣地的4個角落和中心區(qū)域各選取1株長勢較好的杉木作為優(yōu)勢木，計算優(yōu)勢木樹高平均值，根據(jù)地位指數(shù)公式[24]推算林地地位指數(shù).試驗區(qū)林分概況如表1所示.

表1 林分基本概況Table 1 General information on the plantation

2.2 林分因子計算

2.2.1 徑階平均胸徑 以2 cm為1個徑級，對測量的杉木胸徑值進行劃分，并分別計算各徑階杉木的平均胸徑，計算公式為[25]：

(1)

式中，N為第i徑階總株數(shù)，di為第i徑階實際測量值.

2.2.2 徑階平均樹高 采用Excel數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件將野外實際測量的樹高與胸徑值進行回歸方程擬合，選取R2值最大的回歸方程作為最優(yōu)擬合方程，將各徑階平均胸徑帶入方程即得出各徑階的平均樹高，樹高以2 m為一個分段.

2.2.3 林分平均胸徑 采用斷面積加權(quán)法計算，計算公式[25]為：

(2)

式中，N表示樣地內(nèi)徑階總株數(shù)，n表示第i徑階總株數(shù).

充分挖掘德州市交通、經(jīng)濟與地理區(qū)位優(yōu)勢，依托現(xiàn)有農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場、物流基地和集散中心，與特色農(nóng)業(yè)資源與規(guī)?；a(chǎn)基地銜接，重點打造“一綜、一園、多節(jié)點”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物流體系。

2.2.4 林分平均樹高 將林分平均胸徑帶入回歸方程即得出平均樹高.

(3)

2.2.6 材種出材量[9]根據(jù)徑階材種的區(qū)分標準(6徑級以下為100%薪材，6徑級為30%薪材、70%小條木，8徑級為100%小條木，10徑級為60%小條木、40%小徑材，12徑級為10%小條木、90%小徑材，14、16徑級為100%小徑材，18徑級為40%小徑材、60%中徑材，20、22徑級為100%中徑材，24徑級為65%中徑材、35%大徑材，24徑級以上為100%大徑材)，計算規(guī)格材原條出材量，計算公式為：

V原條=3.602 437 58×10-5×D1.947 520 76×H1.007 937 69

(4)

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行計算、作圖與分析.運用單因素方差分析比較不同處理間的差異顯著性.

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐密度管理模式對林分生長的影響

圖1 不同密度管理模式下林分的平均樹高Fig.1 Mean tree height under different thinning management modes

3.1.1 間伐密度管理模式對樹高生長的影響 從圖1可知，2種間伐密度管理模式下，模式1林分平均樹高大于模式2林分.

不同間伐密度管理模式下林分樹高的方差分析結(jié)果表明，2個模式之間的林分樹高存在顯著差異(P<0.05)，區(qū)組內(nèi)林分樹高未達到顯著差異性水平(P>0.05).表明2種間伐密度管理模式對林分樹高有較大影響.

不同間伐密度管理模式下林分樹高的分布情況(圖2)顯示，隨著樹高的增加，株數(shù)總體呈先增加后減少的趨勢.但不同間伐密度管理模式下樹高株數(shù)分布規(guī)律存在如下差異：第2種模式林分樹高分布曲線比第1種模式更平緩，表明模式2林分的樹高在各個值段的株數(shù)分布也更為均勻.其樹高株數(shù)峰值出現(xiàn)在24 m區(qū)分段內(nèi)，而模式1樹高株數(shù)的占比峰值出現(xiàn)在28 m區(qū)分段內(nèi)，且明顯高于模式2，但樹高分布范圍要小于模式2的林分，表明模式1林分樹高分布更為集中.

3.1.2 間伐密度管理模式對胸徑生長的影響 從圖3可知，不同間伐密度管理模式下，模式1林分平均胸徑大于模式2林分.方差分析結(jié)果表明，不同間伐密度管理模式之間的林分胸徑存在顯著差異(P<0.05)，區(qū)組內(nèi)林分胸徑未達到顯著差異水平(P>0.05).表明2種林分密度管理模式對林分胸徑生長有較大影響.從圖4可看出，與模式1林分相比，模式2林分株數(shù)的徑階分布范圍更大，但徑階株數(shù)占比的最大峰值明顯小于模式1林分，徑階株數(shù)分布曲線也更為平緩.模式1林分內(nèi)徑階株數(shù)分布主要集中在24～38徑階段，低徑階段活立木株數(shù)比重小于模式2林分；而高徑階段活立木株數(shù)所占比重總體上大于模式2林分.

圖2 不同密度管理模式下杉木人工林樹高的分布曲線Fig.2 Height distribution curves of Chinese fir plantation under different thinning management modes

圖3 不同密度管理模式下林分的平均胸徑Fig.3 Average DBH under different thinning management modes

3.1.3 間伐密度管理模式對杉木林分蓄積量和出材量的影響 從表2可知，2種模式林分中，模式1林分平均單株材積大于模式2林分，但林分蓄積量和規(guī)格材出材量則表現(xiàn)為模式2林分大于模式1林分.

方差檢驗結(jié)果表明，不同間伐密度管理模式下林分單株材積存在顯著差異，區(qū)組內(nèi)不存在顯著差異，表明間伐密度管理模式對林分平均單株材積影響較大；林分蓄積量在2種模式林分間也存在顯著差異(P<0.05)，區(qū)組內(nèi)不存在顯著差異(P>0.05)，表明間伐密度管理模式對林分蓄積量也有較大影響；2種模式林分規(guī)格材出材量不存在顯著差異(P>0.05)，表明間伐密度管理模式對規(guī)格材出材量的影響較小.

圖4 不同密度管理模式下杉木人工林各徑階株數(shù)的分布Fig.4 Quantitative distribution of Chinese fir by diameters class under different thinning management modes

處理林分單株材積/m3林分蓄積量/(m3·hm-2)規(guī)格材出材量/(m3·hm-2)模式11.05±0.14a631.19±47.26a516.17±39.44a模式20.66±0.04b720.16±90.16b586.47±73.91a

1)表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤(n=3).不同字母表示2種模式林分間有顯著差異(P<0.05).

3.2 間伐密度管理模式對杉木材種結(jié)構(gòu)的影響

從表3可知，模式1林分小徑材出材量和出材率均為0，模式2林分小徑材出材量和出材率也較低；模式2林分中徑材出材量和出材率均遠大于模式1林分，大徑材出材量和出材率也大于模式1林分.

表3 不同間伐密度管理模式下的材種結(jié)構(gòu)情況1)Table 3 Timber structure under different density management modes

>1)表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤(n=3).不同字母表示2種模式林分間有顯著差異(P<0.05).

方差檢驗結(jié)果顯示，2種模式林分小徑材出材量和出材率均不存在顯著差異(P>0.05)；中徑材出材量和出材率均存在極顯著差異(P<0.01)；大徑材出材量不存在顯著差異(P>0.05)，大徑材出材率存在極顯著差異(P<0.01).總體來看，不同間伐密度管理模式對林分材種結(jié)構(gòu)有較大影響.

從表4可知，在26徑階段以下及[26,30)徑階區(qū)間內(nèi)，模式1林分大徑材出材量小于模式2林分；[30,40)和[40,50)徑階區(qū)間內(nèi)模式1林分大徑材出材量均大于模式2林分.可見模式1林分高徑階段大徑材出材量整體上大于模式2林分.

表4 不同間伐密度管理模式下林分各徑階大徑材的材積1) Table 4 Volume of large diameter timber under different thinning management modes m3·hm-2

1)表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤(n=3).不同字母表示2種模式林分間有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)差異.

方差分析結(jié)果表明，2種不同間伐密度管理模式林分大徑材出材量在26徑階以下存在顯著差異性(P<0.05)，在[26,30)、[30,40)、[40,50)區(qū)間段內(nèi)大徑材出材量均存在極顯著差異性.總體來看，不同間伐密度管理模式對大徑材徑階分布有很大的影響.

3.3 不同間伐密度管理模式對干材質(zhì)量的影響

從表5可知，模式1林分高徑比和枝下高均小于模式2林分；冠長和冠幅則相反，模式1林分大于模式2林分.

表5 不同間伐密度管理模式下林分高徑比、枝下高、冠長、冠幅的比較1)Table 5 Comparison on height to diameter ratio, undershoot height, crown length and crown width under different thinning management modes

1)表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤(n=3).不同字母表示2種模式林分間有顯著差異(P<0.05).

方差分析結(jié)果顯示，2種模式林分高徑比與枝下高的差異均未達到顯著水平(P>0.05)，表明兩種密度管理模式雖然對林分高徑比與枝下高產(chǎn)生一定的影響，但影響較??；林分冠長和冠幅在2種模式下差異均達到顯著水平(P<0.05)，區(qū)組內(nèi)不存在顯著差異(P>0.05)，表明兩種密度管理模式對林分冠長和冠幅影響較大.

4 小結(jié)與討論

通過對不同間伐密度管理模式下的杉木林分結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，與僅經(jīng)1次強度間伐的林分相比，2次強度間伐林分的林木樹高分布范圍更窄，林分整體樹高更大.表明2次強度間伐對林分整體樹高有明顯的促進作用，這與張水松等[27]研究結(jié)果存在差異.可能是由于2次間伐均采取留優(yōu)去劣的原則，林分內(nèi)長勢較差的林木均被除去，使模式1林分的平均樹高增加；模式1林分間伐時間較早，間伐后林分保留密度仍較大，競爭導(dǎo)致林木出現(xiàn)分化，平均樹高也較小.此外，模式2林分樹高整體上大于模式1林分還可能與模式1林分立地條件較好、林木生長養(yǎng)分供給充分有關(guān)[9].隨著觀測年限的增加，模式2林分也可能因為較高的密度使林木枝葉等器官生長受到抑制，養(yǎng)分不斷往樹梢部分輸送，促使林木不斷往上生長[28]，導(dǎo)致兩種密度管理模式下樹高差異性減小，甚至趨于一致.此外，對比分析發(fā)現(xiàn)，模式1與模式2的林分胸徑也呈現(xiàn)出顯著差異性，具體表現(xiàn)為模式1林分胸徑大于模式2林分，徑階分布也更為集中，說明不同間伐密度管理模式對胸徑生長有著較大的影響.林分密度越小，胸徑因更為充足的光照和養(yǎng)分條件其生長量更大[29]，這與葉功富等[30]的研究結(jié)果相同.

林分密度會影響林分的材種結(jié)構(gòu)，因此加強對林分密度的管理是培育杉木大徑材的關(guān)鍵措施[31].本研究發(fā)現(xiàn)，不同間伐密度管理模式中，間伐強度越大，大徑材出材量和出材率越高.中徑材出材量隨間伐強度的增大而減小，小徑材僅在模式2林分內(nèi)出現(xiàn)，且出材量和出材率均較低，這與相聰偉等[32]的研究結(jié)果存在差異.可能是因為在經(jīng)過2次高強度間伐后，一方面，林分內(nèi)長勢較差的林木均被除去，僅留下長勢較好、胸徑較大的林木；另一方面，隨著林分密度的減小，養(yǎng)分空間增大，林木獲取的養(yǎng)分更為充足，生長速度更快，原有的中、小徑材材種向大徑材方向轉(zhuǎn)化，造成中、小徑材出材量降低.本研究發(fā)現(xiàn)間伐密度管理模式對林分規(guī)格材的出材量影響不顯著，但模式1林分的超大徑材(D≥40)出材量明顯大于模式2林分.其原因主要是因為經(jīng)過2次間伐的林分整體胸徑更大，單株材積量更大，超大徑材出材量也隨之增大.但由于其林分保留密度小于僅經(jīng)過一次間伐的模式2林分，在活立木株數(shù)上的劣勢一定程度上抵消了林分胸徑偏大造成的平均單株材積較高的優(yōu)勢[33]，致使2種模式之間林分規(guī)格材和大徑材出材量的差異性不顯著，但模式2林分因株數(shù)上的優(yōu)勢其林分蓄積量大于模式1林分.

間伐密度管理模式對林分干形也存在一定影響，表現(xiàn)為經(jīng)過2次強度間伐的林分的高徑比與枝下高均小于經(jīng)過1次間伐的林分；冠長和冠幅則相反，均大于僅經(jīng)過1次間伐的林分.這是由于經(jīng)兩次強度間伐的林分擁有更為充足的營養(yǎng)空間，林木間競爭較小，整枝高度也較低，枝下高相對也低，而冠長也相應(yīng)增大.因此林冠層在生長過程中能獲得更為充足的養(yǎng)分，高徑比越小，尖削度越大.這與余碧云等[34]研究結(jié)果一致.

因為間伐對林分生長的影響還受立地條件、間伐方式、輪伐期等多種因素的綜合影響[35].因此，對不同間伐密度管理模式下杉木林分結(jié)構(gòu)的研究還有待作進一步探討.