王 嬌，關(guān) 欣，黃 苛，植可翔，陳波翰，段 萱，楊佳敏，張偉東，陳龍池，楊慶朋＊

(1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，中國科學(xué)院森林生態(tài)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 101408；3.湖南會同森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與服務(wù)功能湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南會同 418307；4.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西太原 030000)

修枝是促進(jìn)木材生長、提高木材質(zhì)量的主要人工林經(jīng)營措施之一。下層枯枝、病枝、消耗枝等的修剪，可以改變各器官營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸分配過程，從而影響林木的質(zhì)量[1]。之前已有關(guān)于修枝對林木生長影響的研究，但研究結(jié)果并不一致。陳森錕等[2]發(fā)現(xiàn)隨修枝強(qiáng)度的增加，短期內(nèi)楊樹胸徑生長率降低，也有研究認(rèn)為，修枝增加了林木的生長并降低了削尖度[3-5]。修枝對林木生長的作用可能因林分類型、修枝強(qiáng)度以及修枝時(shí)間而有所差異[6]。因此，有必要探討不同強(qiáng)度修枝對林木生長的長期影響，以提高林木的生產(chǎn)價(jià)值。

修枝是減少活枝和死枝數(shù)量、改變節(jié)子狀態(tài)的直接有效手段。枝條的生長與分布決定著節(jié)子的大小與分布，而節(jié)子的存在會影響木材紋理的連續(xù)性和平整性[7]。已有的研究發(fā)現(xiàn)，人工修枝有助于杉木生產(chǎn)無節(jié)材，減少節(jié)子對木材質(zhì)量的影響[8]。未經(jīng)人為干擾培育的樹木存在較多的節(jié)子，木材質(zhì)量相對較差，對木材利用造成不利影響[9]。通常，節(jié)子在樹干的2～8 m 之間分布最多，而該部分正是木材利用的核心部位[10]。由于節(jié)子分布在樹干內(nèi)部，很難直接觀察測量，目前主要是通過外部分支數(shù)據(jù)估計(jì)內(nèi)部節(jié)的特征[11]，這在一定程度上限制了對節(jié)子大小和分布以及木材質(zhì)量的準(zhǔn)確評估。

木材材性是木材加工利用的關(guān)鍵指標(biāo)。修枝措施會通過影響節(jié)子數(shù)量、大小以及分布等，對木材材性產(chǎn)生影響。目前修枝對木材材性影響的結(jié)果并不一致。Lee[12]研究認(rèn)為，減少枝條能夠提高云杉的密度和抗壓強(qiáng)度。沙子舟等[13]研究發(fā)現(xiàn)，重度修枝可以收獲高品質(zhì)無節(jié)材，而輕度修枝可以增加木材產(chǎn)量。也有研究認(rèn)為，一定強(qiáng)度的修枝對木材材性沒有顯著影響，而過度修枝會降低木材質(zhì)量[14-15]。因此，深入了解修枝、節(jié)子大小和分布、木材材性三者的關(guān)系是培育無節(jié)良材、提高林木利用價(jià)值的關(guān)鍵。

杉木是一種常綠速生針葉樹種，居我國人工林面積首位，具有生長迅速、產(chǎn)量高的特點(diǎn)，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[16]。然而，近年來，部分地區(qū)杉木人工純林出現(xiàn)生產(chǎn)力低下、質(zhì)量偏低等問題[17]。因此，本研究以中國科學(xué)院會同森林生態(tài)實(shí)驗(yàn)站2004 年種植的杉木人工林為研究對象，于2012 年隨機(jī)進(jìn)行輕度修枝（保留冠長的75%）和重度修枝（保留冠長的50%）處理，并以未修枝作為對照，分析不同強(qiáng)度修枝對林木生長狀況和木材材性的影響，從而為杉木人工林無節(jié)材的生產(chǎn)及其可持續(xù)經(jīng)營提供理論指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究樣地位于湖南省會同森林生態(tài)實(shí)驗(yàn)站杉木人工林（26° 50′ N，109° 36′ E），海拔300～500 m。該地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均溫度為16.4 °C，年均降水量為1 200 mm。樣地土壤類型為典型的山地紅黃壤，質(zhì)地粘重[18]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2004 年選擇生長良好，基徑、樹高一致的1 年生杉木幼苗，以2 m × 2 m 的間隔種植。2012 年采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在杉木人工林設(shè)置3 個(gè)處理，分別為對照（未修枝，CK）、輕度修枝（保留冠長的75%，LP）和重度修枝（保留冠長的50%，HP），每個(gè)處理6 個(gè)重復(fù)。共設(shè)置18 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積10 m × 10 m。杉木人工林0～10 cm 土層的基本理化性質(zhì)分別為：土壤有機(jī)碳含量為19.08 g·kg-1，全氮含量為1.83 g·kg-1，土壤pH（H2O）值為4.32，無機(jī)氮含量為19.11 mg·kg-1，有效磷含量為2.24 mg·kg-1[19]。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 樣品采集 2022 年7 月在18 個(gè)小區(qū)內(nèi)各選取1 株可以代表林分狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)木，測量其胸徑并在樹干上標(biāo)明南北方向。伐倒后測量并記錄每株標(biāo)準(zhǔn)木的樹高和根部至樹干上每個(gè)枝條的高度、狀態(tài)（死枝或活枝），統(tǒng)計(jì)活枝和死枝的數(shù)量。隨后將樹干枝丫打掉，在全樹上標(biāo)明南北方向。自樹干基部向上截取4 個(gè)1 m 長的木段并做好標(biāo)記，分別為0.2～1.2 、2.0～3.0 、4.0～5.0 和6.0～7.0 m。在每株標(biāo)準(zhǔn)木的0.2、1.3 、3.6、5.6 、7.6 、9.6 、11.6 和13.6 m 處分別收集5 cm 厚的圓盤并在非工作面（上方）標(biāo)記北方位、斷面高度以及樹號。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)木樹干解析 待收集的所有圓盤稍加陰干，將圓盤工作面（下方）拋光后通過髓心畫出東西、南北兩條直徑線，測量年輪寬度，獲取胸徑、樹高、材積連年生長量以及飽滿度等相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，分段飽滿度（Tr）為樹木一定長度的某段主干上端直徑與下端直徑的比值[20]，計(jì)算公式如下：

式中，DT為某段主干上端直徑，DB為該段下端直徑。

1.3.3 節(jié)子數(shù)量及分布特征 采用旋切法進(jìn)行節(jié)子特征研究[21]。將每株標(biāo)準(zhǔn)木上截取的4 個(gè)1 m 長的木段用無卡軸旋切機(jī)旋切，將旋切好的木板按順序鋪開并對每張單板中的同一節(jié)子進(jìn)行標(biāo)記。由內(nèi)而外記錄每個(gè)節(jié)子的狀態(tài)、數(shù)量、相對高度和直徑，計(jì)算每個(gè)節(jié)子的長度和體積。通過節(jié)子直徑變化等特征確定修枝年份，定義從修枝年開始愈合的節(jié)子為修枝節(jié)，剩余不定期開始愈合的節(jié)子為自疏節(jié)。

1.3.4 木材密度測定 測定木材的氣干密度和絕干密度。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)木有節(jié)子和無節(jié)子處分別切取20 mm × 20 mm × 20 mm 的木材試樣，測定弦向、徑向和順紋方向尺寸，得出試樣體積V1，并稱量試樣質(zhì)量M1，隨后將試樣烘干至恒質(zhì)量，立即測量3 個(gè)方向的尺寸并稱量此時(shí)的質(zhì)量M2，得出體積V2。

氣干密度計(jì)算公式如下：

絕干密度計(jì)算公式如下:

1.3.5 木材力學(xué)性質(zhì)測定 在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)木有節(jié)子和無節(jié)子處分別切取300 mm × 20 mm × 20 mm和20 mm × 20 mm × 20 mm 的試樣，依據(jù)B/T 1928—2009《木材物理力學(xué)試樣方法》測定木段抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用重復(fù)測量方差分析和單因素方差分析檢驗(yàn)修枝強(qiáng)度對胸徑、樹高和材積連年生長量影響的差異，采用單因素方差分析和多重比較（LSD）檢驗(yàn)修枝對胸徑、樹高、材積、枝下高、枝條數(shù)量、節(jié)子數(shù)量、體積與長度影響的差異顯著性。采用雙因素方差分析和多重比較檢驗(yàn)修枝和節(jié)子有無對木材密度、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度影響的差異顯著性。檢驗(yàn)的顯著性水平設(shè)置為p＜ 0.05。所有數(shù)據(jù)分析使用SPSS 軟件，繪圖使用Origin 2021 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 修枝對杉木生長的影響

胸徑、樹高和材積的變化范圍分別為19～20.5 cm、16.5～17.5 m 和0.19～0.21 cm3，而不同強(qiáng)度的修枝并未顯著影響杉木的胸徑、樹高和材積（圖1a，b，c）。杉木的胸徑連年生長量初期逐年增加，到2010 年達(dá)到最大，之后隨樹齡的增長緩慢下降且趨于平穩(wěn)（圖1d）。杉木樹高連年生長量初期較高，在0.8～1.6 m 范圍內(nèi)波動，從2014 年開始逐漸降低，最終維持在0.5 m 左右（圖1e）。材積連年生長量初期逐年上升，在2018 年左右達(dá)到最大，隨后材積連年生長量開始降低（圖1f）。2012 年修枝后，胸徑、樹高和材積連年生長量僅隨林齡有顯著的改變（p＜ 0.05），而不同強(qiáng)度修枝對胸徑、樹高和材積連年生長量均沒有顯著影響（p＞ 0.05）。單因素方差分析結(jié)果也顯示，不同林齡杉木的胸徑、樹高和材積連年生長量在不同強(qiáng)度修枝處理下沒有顯著差異。

圖1 修枝對杉木胸徑、樹高、材積及其連年生長量的影響Fig.1 Effects of pruning on DBH, height and volume and annual growth of Cunninghamia lanceolata

隨修枝強(qiáng)度增加，樹干第一個(gè)死枝的高度也顯著增高。對照、輕度和重度修枝的死枝枝下高分別為1.96 ± 0.23 m、2.74 ± 0.26 m 和5.28 ± 0.26 m（圖2a）。死枝枝條數(shù)量也隨修枝強(qiáng)度增加而顯著降低（p＜ 0.05），輕度和重度修枝分別使死枝數(shù)量顯著降低17.02%和60.80%（圖2b）。不同處理下活枝的枝下高在7.7～9.7 m 范圍內(nèi)，修枝措施對第一活枝枝下高和活枝數(shù)量沒有顯著影響。修枝措施對杉木樹干飽滿度無顯著影響（圖3），然而樹干1.3～3.6 m 和3.6～5.6 m 段的樹干飽滿度顯著高于胸徑以下部分。

圖2 修枝對杉木枝下高和枝條數(shù)量的影響Fig.2 Effects of pruning on height under branches and quantity of branches of Cunninghamia lanceolata

圖3 修枝對杉木樹干飽滿度的影響Fig.3 Effects of pruning on plumpness of Cunninghamia lanceolata

2.2 修枝對杉木節(jié)子的影響

在杉木人工林中，樹干存在大量自疏后產(chǎn)生的節(jié)子，0.2～1.2 m 和2.0～3.0 m 段對照處理的自疏節(jié)數(shù)量顯著高于修枝處理，且2.0～3.0 m 樹段重度修枝的修枝節(jié)數(shù)量顯著高于輕度修枝，而4.0～5.0 m 段對照的自疏節(jié)數(shù)量僅顯著高于重度修枝處理（圖4a）。 在未修枝的6.0～7.0 m 樹段，對照、輕度修枝和重度修枝處理下的自疏節(jié)數(shù)量無顯著差異。輕度和重度修枝形成的修枝節(jié)分別占單株節(jié)子總數(shù)的33.7%和66.7%。輕度和重度修枝分別使自疏節(jié)數(shù)量顯著降低45.5%和71.4%（p＜ 0.05），且重度修枝的修枝節(jié)數(shù)量也顯著高于輕度修枝（圖4b）。

圖4 修枝對杉木節(jié)子數(shù)量的影響Fig.4 Effects of pruning on quantity of knot of Cunninghamia lanceolata

與自疏節(jié)相比，修枝節(jié)的平均直徑顯著降低42.6%（p＜ 0.05，圖5a），平均長度顯著降低32.0%（p＜ 0.05，圖5b），平均體積顯著降低48.8%（p＜ 0.05，圖5c）。與對照相比，輕度修枝使單株節(jié)子總直徑和總長度分別降低27.6%和26.4%，而重度修枝分別使其減少了40.8%和32.6%（p＜ 0.05，圖5d，e）。同時(shí)，輕度和重度修枝的單株節(jié)子總體積存在顯著差異，相比對照分別降低27.79% 和44.96%（p＜ 0.05，圖5f）。

圖5 修枝對節(jié)子直徑、長度和體積的影響Fig.5 Effects of pruning on diameter, length and volume of knot of Cunninghamia lanceolata

2.3 修枝對杉木材性的影響

相比有節(jié)木材，輕度修枝處理下無節(jié)處木材氣干密度顯著降低31.4%（圖6a），而重度修枝木材密度沒有顯著降低。無節(jié)木材的絕干密度相比有節(jié)部分顯著降低，在對照、輕度修枝和重度修枝處理下分別降低25.6%、30.3% 和12.9%（圖6b，p＜ 0.05）。修枝處理并沒有顯著改變木材的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。無節(jié)木材的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均顯著高于有節(jié)木材（圖7，p＜ 0.05）。與有節(jié)子部分相比，對照、輕度修枝和重度修枝處理下無節(jié)木材的抗壓強(qiáng)度分別增加25.0%、10.6%和30.1%，抗彎強(qiáng)度增加31.89%、23.52%和19.86%。

圖6 修枝對杉木氣干密度和絕干密度的影響Fig.6 Effects of pruning on air-dried wood density and absolute dry density of Cunninghamia lanceolata

圖7 修枝對杉木材物理力學(xué)性質(zhì)的影響Fig.7 Effects of pruning on physical and mechanical properties of Cunninghamia lanceolata

3 討論

不同強(qiáng)度修枝對杉木人工林的生長狀況沒有顯著影響。通常，修枝后葉片大量損失導(dǎo)致冠層碳固定減少，從而降低樹木生長[23-24]。然而，本研究中修枝并未顯著影響杉木的胸徑、樹高和材積（圖1），這可能是因?yàn)樾拗笫Ｓ嗳~片的氣孔導(dǎo)度、CO2固定酶等增加，使植物光合作用增強(qiáng)從而獲得最佳的碳收益[25]，這與徐清乾等[26]報(bào)道修枝后杉木的樹高、胸徑和材積沒有顯著差異的結(jié)果是一致的。同時(shí)，修枝前后不同處理的胸徑、樹高和材積連年生長量沒有顯著差異，也表明修枝后杉木通過提高剩余冠層的光合作用來誘導(dǎo)樹木的補(bǔ)償性生長。一般而言，隨樹高增加，側(cè)枝對主干的抑制作用越大，樹干的削尖度也越大[27]，因此合理的修枝可以增加樹干圓滿度，提高木材出材率[28]。然而本研究發(fā)現(xiàn)，杉木樹干的飽滿度受修枝強(qiáng)度的影響較?。▓D3）。這可能是因?yàn)楸狙芯恐猩寄玖址置芏龋? m × 2 m）相對較高，而修枝處理對樹干飽滿度的影響受林分密度調(diào)控。馬詠春等[29]也發(fā)現(xiàn)修枝可以增加低密度（6 m × 6 m）林分的樹干飽滿度，而對高密度（3 m × 6 m）林分無顯著影響。

節(jié)子的數(shù)量和大小與修枝強(qiáng)度密切相關(guān)。通常，杉木生長和樹冠郁閉造成下層枝條養(yǎng)分缺乏且不能進(jìn)行光合作用而逐漸脫落，具有一定的自疏能力，可以通過自身調(diào)節(jié)減少節(jié)子數(shù)量[1]。Wang 等[30]的研究也表明，主干生長有利于修枝傷口的愈合，減少節(jié)子生成。本研究采用旋切法，發(fā)現(xiàn)自疏節(jié)的直徑和體積均顯著高于修枝產(chǎn)生的節(jié)子（圖5），表明修枝后節(jié)子隨著杉木生長發(fā)育逐漸被包裹起來，阻止了節(jié)子的持續(xù)生長，提高了培育無節(jié)材的效率。同時(shí)，自疏節(jié)的長度也顯著高于修枝節(jié)的長度，這可能是因?yàn)樽允柽^程會導(dǎo)致快速生長的杉木形成死結(jié)并在內(nèi)部形成彎曲繞行的樹脂道，表明在枝條具有活力的情況下修剪效果更好[1]。本研究的結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，隨修枝強(qiáng)度增加，單株自疏節(jié)數(shù)量顯著減少，修枝節(jié)數(shù)量顯著增加（圖4）。此外，輕度和重度修枝均顯著降低單株節(jié)子總直徑、總長度和總體積，表明修枝處理下節(jié)子直徑更細(xì)、長度更短、體積更小，有效提升了杉木的木材質(zhì)量。相比輕度修枝，重度修枝顯著降低節(jié)子體積，表明重度修枝在不影響杉木生長的前提下，培育無節(jié)材的效果更好。

修枝通過減少節(jié)子從而改變木材物質(zhì)性質(zhì)并提高木材質(zhì)量。本研究發(fā)現(xiàn)，相比有節(jié)材，無節(jié)材氣干密度和絕干密度均顯著降低（圖6），這可能是因?yàn)楣?jié)子部位的木質(zhì)素含量和木質(zhì)化程度較無節(jié)部位更高，且節(jié)子作為枝條的基部易受環(huán)境影響，其密度穩(wěn)定性優(yōu)于干材[31-32]。這表明節(jié)子會導(dǎo)致木材密度分布不均，致使木材在干燥時(shí)易開裂，從而影響木材材質(zhì)的穩(wěn)定性，降低木材性質(zhì)的均一性和美觀性[33]。此外，節(jié)子通常被認(rèn)為是規(guī)格材等級的主要降等缺陷之一，對結(jié)構(gòu)材構(gòu)件的連接、穩(wěn)定性、承載力等都有顯著影響[34]。劉松齡等[35]研究發(fā)現(xiàn)，杉木節(jié)子對構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度影響較大，節(jié)子的尺寸與抗彎強(qiáng)度成反比。郭宇航等[36]也報(bào)道節(jié)子一定程度上降低木柱軸心的穩(wěn)定承載力。一致的是，本研究的結(jié)果也發(fā)現(xiàn)相比于有節(jié)木材，無節(jié)木材的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均顯著增加（圖7）?？紤]到節(jié)子尺寸與木材抗壓、抗彎強(qiáng)度成反比，本研究中修枝降低節(jié)子直徑、長度和體積，尤其是重度修枝處理的節(jié)子體積顯著小于輕度修枝，這表明修枝不僅從生長方面影響木材產(chǎn)量，也通過改變樹干內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)提高木材的抗性從而在木材外觀質(zhì)量等級方面提升木材質(zhì)量[1,37]。因此，可以通過合理的修枝，減小木材的形變，提高木材的剛度和品質(zhì)，延長木制產(chǎn)品的使用時(shí)效。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)修枝措施有利于杉木無節(jié)材的培育。輕度和重度修枝均未影響杉木人工林的胸徑、樹高和材積及其連年生長量，也未影響樹干的飽滿度和活枝數(shù)量。此外，與有節(jié)木材相比，無節(jié)部位的密度較低，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度更高，表明節(jié)子的存在降低了杉木木材的質(zhì)量。輕度和重度修枝均顯著降低杉木單株節(jié)子總直徑和總長度，但與輕度修枝相比，重度修枝顯著降低杉木單株節(jié)子總體積，表明2 種強(qiáng)度修枝均可以在不影響杉木生長的情況下提升木材質(zhì)量，但重度修枝在木材外觀等級的提升方面效果更好。