趙銘臻，王利艷，劉 靜，鄒顯花,2，鄭 宏，范福金，馬祥慶,2，林開敏,2，李 明,2

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院, 福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院 國家林業(yè)與草原局杉木工程技術(shù)研究中心, 福建 福州 350002；3.福建省洋口國有林場, 福建 順昌 353200）

杉木Cunninghamia lanceolata是中國南方最重要的速生造林樹種，生長速度快，成材時(shí)間較短，其造林面積和蓄積量均居中國用材林樹種的首位，人工林面積達(dá)8.95×106hm2，占中國人工林面積的30%以上[1]，木材產(chǎn)量約占全國商品材的25%[2]。長期以來杉木人工林經(jīng)營主要依靠營造大面積、高密度的速生豐產(chǎn)林來滿足市場對木材的需求[3]。這種經(jīng)營模式下的杉木人工林往往只能輸出中小徑材，杉木大徑材數(shù)量少，林分生產(chǎn)力和經(jīng)營效益不高。大力發(fā)展杉木大徑材定向培育技術(shù)已成為杉木人工林經(jīng)營的重要方向[4]。20世紀(jì)90年代末，中國才開始開展對杉木大徑材的培育技術(shù)研究，研究主要集中在良種壯苗選擇、立地選擇、林分密度調(diào)控、施肥等經(jīng)營措施上[5]，但缺乏杉木大徑材培育的材種結(jié)構(gòu)形成機(jī)制、不同培育措施的組裝配套等關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究。間伐和施肥是大徑材培育中用到較多的撫育措施，林分密度越大，小徑階林木株數(shù)越多，大中徑階林木株數(shù)越少[6]，合理密度能有效改變林分的材種結(jié)構(gòu)[7]，帶來最直觀的林地生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。晏姝等[8]對南嶺山區(qū)現(xiàn)存杉木大徑材林分的調(diào)查表明：林分密度和土壤肥力是培育杉木大徑材的主導(dǎo)因子。但目前有關(guān)杉木人工林間伐和施肥管理的研究對象大多是幼齡林和中齡林，對于間伐和精準(zhǔn)配方施肥共同作用于杉木成熟林的研究較少。本研究分析了不同間伐保留密度及不同氮、磷肥施用量對杉木成熟林材種結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力、大徑材出材量和出材率的影響，以期為高效培育杉木大徑材提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)林位于福建省南平市順昌縣洋口林場，地形屬武夷山支脈的低山丘陵地帶，海拔為300～700 m。屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為18.6 ℃，年平均降水量為1 300～2 100 mm，無霜期可達(dá)305 d，氣候溫暖，雨量充沛。土壤以山地紅壤為主，是適合杉木大徑材培育的中心產(chǎn)區(qū)。樣地內(nèi)土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical properties of soil in the experimental site

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

樣地選自27年生立地指數(shù)均大于22的杉木成熟人工林，處理前林分密度為800～850株·hm-2。采用正交試驗(yàn)，設(shè)置集中連片的9塊樣地，設(shè)間伐保留密度、氮肥施用量、磷肥施用量共3個因素。間伐保留密度設(shè)置為 300、600、825 (不間伐)株·hm-2，氮肥 (尿素)施用量設(shè)置為 0、100、200 g·株-1，磷肥(鈣鎂磷肥)施用量設(shè)置為0、250、500 g·株-1。間伐和施肥處理于2016年的11月杉木生長停滯期進(jìn)行，施肥采用溝施方法，在每株樹上坡開一條弧形溝，溝在樹冠正投影下，溝長約100 cm，寬約20 cm，深約30 cm，氮肥和磷肥一次性施入后立即覆土。各樣地具體處理措施如表2。

表2 各樣地間伐施肥處理情況Table 2 Various thinning and fertilization treatments

2.2 樣地調(diào)查

2017—2020年每年的4月對各樣地的杉木進(jìn)行標(biāo)記號牌管理和每木檢尺，采用Haglof Vertex Ⅳ超聲波樹木測高儀測量樹高，以圍徑尺測定胸徑，以5 m標(biāo)桿測量南北冠幅和東西冠幅，并以2017年的數(shù)據(jù)作為間伐和施肥處理前的生長情況。

2.3 數(shù)據(jù)處理

杉木人工林材種結(jié)構(gòu)的計(jì)算參考文獻(xiàn)[9-10]的方法。

2.3.1 杉木平均胸徑計(jì)算 為方便統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，對杉木胸徑進(jìn)行徑階劃分，以2 cm為1個徑階，以16為起測徑階，其立木胸徑為 [15 cm, 17 cm)，18 徑階為 [17 cm, 19 cm)，20 徑階為 [19 cm, 21 cm)，以此類推。對各徑階株數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分別計(jì)算各徑階杉木的平均胸徑(Di)，計(jì)算公式為其中，Ni表示第i徑階總株數(shù)，di表示第i徑階胸徑值。

2.3.2 杉木擬合樹高計(jì)算 為提高樹高測量值的精準(zhǔn)度，通過建立試驗(yàn)樣地內(nèi)所有林木的胸徑和樹高生長模型，利用實(shí)測的平均胸徑代入生長模型，算出擬合樹高進(jìn)行后續(xù)分析(圖1)。胸徑和樹高生長模型的擬合優(yōu)度分析表明：各擬合模型的精準(zhǔn)度從大到小排序?yàn)閮绾瘮?shù)(R2=0.235 8)、二次函數(shù)(R2=0.226 6)、指數(shù)函數(shù) (R2=0.216 6)、一次線性函數(shù)(R2=0.2036)，所以冪函數(shù)y=8.3553x0.334 4作為樹高回歸計(jì)算的最優(yōu)函數(shù)模型。

圖1 樹高和胸徑回歸擬合結(jié)果Figure 1 Regression fitting results of tree height and DBH

2.3.3 平均單株材積公式vi=0.000 058 777 042Di1.969 983 1Hi0.896 461 57。其中，Di為第i徑階平均胸徑，Hi為第i徑階擬合樹高。

2.3.4 林分蓄積量計(jì)算 分別計(jì)算樣地內(nèi)各徑階平均單株材積，乘以所對應(yīng)的徑階株數(shù)，即得相對應(yīng)徑階材積。對樣地內(nèi)各徑階材積累加求和，得到樣地林分的總材積，并換算林分的蓄積量(m3·hm-2)。

2.3.5 材種株數(shù)的劃分 林木材種按其直徑大小的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)階≥26為大徑材，18～24為中徑材，10～16為小徑材。以徑階大小為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各徑階立木出材量，并按照表3所示比例對林分立木各徑階中各材種所占株數(shù)進(jìn)行歸并。

表3 各徑級林木材種株數(shù)比例Table 3 Proportion of tree species in different diameter classes

2.3.6 材種出材量計(jì)算 杉木規(guī)格材的原條用材出材量計(jì)算公式為V規(guī)(原條)=3.60243758×10-5×D1.947 520 76×H1.007 937 69。其中，D為徑階平均胸徑 (cm)；H為徑階平均樹高 (m)。V=V+V+V，規(guī) (原條)規(guī) (小徑材)規(guī)(中徑材)規(guī)(大徑材)按比例求得小徑材、中徑材、大徑材的出材量。出材率為出材量與林分蓄積量的比值。

2.3.7 數(shù)據(jù)分析方法 使用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和分析差異顯著性，使用Excel進(jìn)行樹高胸徑擬合，使用 Origin 2018 制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐和施肥對杉木成熟林生長和蓄積的影響

不同間伐和施肥處理下，林分的平均胸徑、年平均樹高、平均單株材積和蓄積量在3 a的生長中均有提升。處理前林木平均胸徑為25.80～33.14 cm，處理后平均胸徑為27.43～35.25 cm，平均胸徑的增量為 1.28～2.88 cm。處理前年平均樹高為 24.77～26.94 m，處理后年平均樹高為 25.29～27.50 m，年平均樹高的增量為 0.38～0.84 m。處理前平均單株材積為 0.6351～1.123 4 m3，處理后平均單株材積為 0.7302～1.2913 m3，平均單株材積的增量為 0.0775～0.1972 m3。處理前蓄積量為 270.3812～608.5037 m3·hm-2，處理后蓄積量為 326.3937～716.550 0 m3·hm-2，蓄積量的增量為 50.3838～120.7630 m3·hm-2。

不同處理下平均胸徑、年平均樹高、平均單株材積和蓄積量每年增量并不一致(圖2)，說明間伐撫育和施肥會對成熟林的杉木生長產(chǎn)生影響。就其增量變化趨勢來看，并無一定規(guī)律，這可能與每個樣地的施肥配比有關(guān)，對于增量連年增長或先增后減的樣地，其氮肥配比較多，較高的速效氮肥施用量能夠有效促進(jìn)杉木的短期速生。氮肥施用量較少而磷肥施用量較多樣地，其施肥效應(yīng)在往后的生長過程中逐步顯現(xiàn)，隨著施肥效應(yīng)的逐步減弱，林分密度將會成為制約杉木生長的主要因素。

圖2 平均胸徑、年平均樹高、平均單株材積和蓄積量增量Figure 2 Increment of average DBH, annual average tree height, average individual volume and stand volume in successive years

由圖3顯示：樣地6平均胸徑、年平均樹高和平均單株材積的總增量最多，蓄積量總增量僅次于樣地5，其處理方式為間伐保留密度600 株·hm-2、氮肥施用量200 g·株-1、磷肥施用量0 g·株-1。樣地5的蓄積量總增量最多，其處理方式為間伐保留密度600 株·hm-2、氮肥施用量100 g·株-1、磷肥施用量250 g·株-1。相同的間伐保留密度下，高的氮肥施用配比能短期內(nèi)增加杉木個體的生長，而氮肥磷肥配合施用能夠短期內(nèi)增加蓄積量的累積?？傇隽孔钌俚?個樣地分別為樣地1、2、3、8，其中樣地1、3、8的間伐保留密度均為825 株·hm-2，即不進(jìn)行間伐。結(jié)果表明：雖然有施肥因素影響，但保留密度過大仍會限制杉木成熟林胸徑增加。此外，林地3 a間的年平均樹高總增量基本與平均胸徑總增量一致，符合樹高-胸徑生長模型。平均單株材積總增量最少是樣地1，其處理措施為不間伐，不施肥，也反映了合理的間伐保留密度和施肥處理能夠有效促進(jìn)杉木成熟林生長。樣地2、4、7、9等的蓄積量總增量最少，其中樣地4、7、9的間伐保留密度均為300 株·hm-2，表明間伐強(qiáng)度過大情況下會在3 a內(nèi)明顯影響林分蓄積量的增長。

圖3 平均胸徑、年平均樹高、平均單株材積和蓄積量總增量Figure 3 Total increment of average DBH, annual average tree height, average individual volume and stand volume

3.2 間伐和施肥對杉木成熟林材種結(jié)構(gòu)的影響

由圖4可見：在間伐和施肥處理前后，除樣地3有少量小徑材，其余均只有中大徑材，3 a間中徑材出材量整體呈減少趨勢，大徑材出材量整體呈增長趨勢。由圖5～6可見：無論在處理前后，大徑材出材量和出材率始終大于中徑材出材量。大徑材出材量在間伐和施肥處理后3 a的增量為42.9265～152.5223 m3·hm-2。樣地 8，即保留原林分密度 825 株·hm-2、氮肥施用量為 200 g·株-1、磷肥施用量為250 g·株-1處理下，大徑材出材量的增量最大，比處理前增加了 152.522 3 m3·hm-2。大徑材出材率相比 3 a前增加了0.10%～11.32%，其中增加最大的也是樣地8，比處理前的大徑材出材率增加了11.32%(圖6)。

圖4 3 a 間中大徑材出材量變化情況Figure 4 Change of output of medium and large diameter timber in the past three years

圖5 處理前后中大徑材出材量雷達(dá)圖Figure 5 Radar chart of output of medium and large diameter wood before and after treatment

圖6 處理前后中大徑材出材率雷達(dá)圖Figure 6 Radar chart of output rateof medium and large diameter wood before and after treatment

對于大徑材出材率增量的分析(表4)表明：間伐保留密度和磷肥施用量對其具有顯著影響(P＜0.05)，而氮肥施用量對其影響較小，3個因素的主次關(guān)系依次為磷肥施用量、間伐保留密度、氮肥施用量，最佳組合為間伐保留密度825株·hm-2(即不間伐)、氮肥施用量200 g·株-1、磷肥施用量250 g·株-1，這與大徑材出材量的分析結(jié)果一致。因此，立地指數(shù)為22，間伐保留密度825株·hm-2的條件，能夠使林分維持較高的大徑材出材量和出材率。過低的間伐保留密度不再增加大徑材，而合適的施肥量會有效提高林分大徑材比例。

表4 各影響因素對大徑材出材量 (率)的顯著性情況Table 4 Significance of the factors affecting the yield (rate) of large diameter materials

4 討論與結(jié)論

由于林木之間對養(yǎng)分空間的競爭作用，使間伐成為杉木人工林撫育中必不可少的環(huán)節(jié)。徐金良等[11]研究發(fā)現(xiàn)：間伐會顯著增加杉木胸徑的增長，高強(qiáng)度的間伐對其胸徑增長的影響更加顯著。這是由于間伐使林分密度減小，一方面林木之間間隙增大，林木有了足夠的生長空間，同時(shí)對陽光、水分和養(yǎng)分的競爭減小[12]。另一方面，林內(nèi)光照增強(qiáng)，促進(jìn)了林下植被的生長，增加了生物多樣性，使人工林生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，杉木林免受病蟲害侵?jǐn)_[1]。不同間伐強(qiáng)度對杉木中齡林也具有相同作用[13]，中度和強(qiáng)度間伐林分的平均胸徑顯著高于弱度間伐，且平均胸徑隨著間伐強(qiáng)度的增大而增大。而這種規(guī)律對杉木成熟林同樣適用，本研究表明：間伐保留的密度過大會限制杉木成熟林林分平均胸徑的增加。其他樹種也同樣受間伐強(qiáng)度影響，對68年生的紅松Pinus koraiensis人工林不同強(qiáng)度的撫育間伐研究結(jié)果[14]表明：隨間伐強(qiáng)度的減弱，林分平均胸徑達(dá)到較高水平所需年份越來越長。油松Pinus tabuliformis林間伐后2 a的平均胸徑隨間伐強(qiáng)度增大而升高[15]；北美短葉松Pinus banksiana的間伐強(qiáng)度越大，平均胸徑越大[16]。對巨尾桉Eucalyptus grandis×E. urophylla的研究[17]表明：施用過量氮肥會抑制桉樹生長。本研究也表明：氮肥施用量能促進(jìn)杉木個體的生長，但基于成本、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和施肥效益考慮，杉木大徑材培育的氮施用量不宜過高。

林木的平均單株材積與胸徑樹高息息相關(guān)，在杉木成熟林間伐和施肥試驗(yàn)中，與未間伐相比，不同強(qiáng)度的間伐和施肥均促進(jìn)了平均單株材積的增長。但間伐強(qiáng)度過大，不利于林分蓄積量的增長，反而會使林分蓄積量減少。鄭鳴鳴等[13]對杉木中齡林的研究發(fā)現(xiàn)：增大間伐強(qiáng)度，間伐3 a后，平均單株材積增長量增大，而林分蓄積量則減小。涂育合等[18]針對杉木成熟林間伐的研究得出：間伐保留密度最小的樣地，其蓄積量也最少。李杰茹等[19]對不同撫育間伐強(qiáng)度下秦嶺南坡銳齒櫟Quercus alienavar.acuteserrata天然次生林研究表明：單株材積增長隨間伐強(qiáng)度的增大而增大，但低強(qiáng)度間伐下，其蓄積量最大。SULLIVAN等[20]研究了不同間伐強(qiáng)度對美國黑松Pinus contorta的影響得出：低強(qiáng)度間伐林分蓄積量增長最大，未間伐林分次之，中度和重度間伐則小于未間伐樣地。說明間伐強(qiáng)度過大，并不利于林分蓄積量的增長，與本研究結(jié)果一致。但尤文忠等[21]認(rèn)為：強(qiáng)度間伐有利于蒙古櫟Quercus mongolica蓄積量的積累，在中齡林階段應(yīng)加大間伐強(qiáng)度。而龔固堂等[22]對柏木Cupressus funebris的研究表明：不同間伐強(qiáng)度對蓄積量的影響并不明顯。關(guān)于間伐能否提高林分總蓄積歷來有較大爭議，這可能是由于間伐強(qiáng)度、立地條件、樹種等各方面的差異，導(dǎo)致結(jié)果不同。相同間伐強(qiáng)度下，氮、磷肥共同施用能夠增加林分蓄積量。湛紅輝[23]研究表明：施肥對馬尾松Pinus massoniana幼林及中齡林階段的蓄積量增加都有影響，但磷肥在其中起關(guān)鍵作用。彭桂永[24]研究表明：杉木中齡林間伐和施肥6 a后，間伐和施肥均對蓄積量的增加起到了極顯著的作用。

本研究認(rèn)為：間伐和施肥導(dǎo)致立地指數(shù)為22的杉木成熟林中徑材出材量和出材率不斷減少，大徑材出材量和出材率不斷增加?？梢娏⒌刂笖?shù)高的林地更適合培育大徑材，這可能是由于立地指數(shù)高的林地提供的養(yǎng)分更多，林木生長速度更快，林分間的競爭就越大，在成熟時(shí)期樣地上保留的株數(shù)就越少，大徑材的出材率越大[25]。郭光智等[26]在南亞熱帶杉木人工林材種結(jié)構(gòu)長期立地與密度效應(yīng)的研究中指出：立地指數(shù)為18的林分中，中徑材比例隨年齡增長表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，與本研究結(jié)果一致，其大徑材比例在成熟年齡之后也不斷增加。惠剛盈等[27]研究表明：在材種的形成過程中，立地條件是其主要限制因子，在立地指數(shù)低的林地中，無論何種間伐保留密度，都難以形成大徑材。本研究正交試驗(yàn)的方差分析表明：間伐保留密度、氮肥量、磷肥量對杉木成熟林大徑材出材量的增加均具有顯著的影響；間伐保留密度和磷肥量對大徑材具有顯著影響，而氮肥量這個因素對其的影響較小。

本研究得到的最佳間伐密度和施肥配比為間伐保留密度825株·hm-2、氮肥施用量200 g·株-1、磷肥施用量250 g·株-1。在高立地指數(shù)(22)杉木成熟林大徑材培育過程中，保留適宜的間伐密度，并增施氮肥和適量磷肥，可有效促進(jìn)大徑材出材量和出材率，過低的間伐保留密度在短期內(nèi)不能有效促進(jìn)林地大徑材出材量和出材率的增加。該結(jié)論可能與林地較高的立地指數(shù)有關(guān)，對于立地指數(shù)為18～22的杉木大徑材林地，這一結(jié)論的一致性還有待繼續(xù)研究。