韓 飛 李鳳日 梁 明

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

落葉松是東北地區(qū)主要用材林樹種，由于其生長快、木材品質好、且耐貧瘠和耐寒冷，在東北地區(qū)廣泛種植，尤其是20世紀50年代以來，東北地區(qū)大量次生林被更新改造成落葉松人工純林。目前在東北國有林區(qū)造林面積達400多萬hm2，占東北人工林總面積的70%左右，是我國主要的落葉松速生豐產林基地。

樹冠結構對于樹木的生長非常重要，而樹冠主要是由枝條構成，林木間的競爭會影響樹冠結構［1］，而且對枝條的生長和死亡有重要影響［2－3］，林分密度也對枝條的自然整枝有影響［4］。樹木間的競爭關系可以通過一些營林措施進行調整，例如調整林分密度和樹木的空間分布。樹干上節(jié)子的大小是影響木材質量的一個重要因子。因此可以通過控制節(jié)子的大小來提高木材質量。要培養(yǎng)落葉松大徑材，需要林分密度比較小，這樣樹木生長比較迅速。低密度林分和大強度間伐可以使落葉松人工林短時間內產生大徑材，但是快速生長的林分可能導致節(jié)子較大，以及樹干削度較大，因而會降低木材的質量［5］。現(xiàn)在為了縮短林分輪伐期都采用低密度造林，低密度林分的優(yōu)點是可以擴展樹木的生長空間，加快樹木的生長，在短時間內獲取大徑材［6］。而且低密度林分相對于高密度林分的成本低，間伐時期的獲利也高，就目前來說，正常的林分密度為1 300～2 500株/hm2，在1 000株/hm2以下的可以認為是低密度林分。在低密度林分中，密度的變化對材積生長的影響較小，只有在林分早期的生長階段有影響［7］。但Assmann［8］研究表明采伐被壓木將有益于優(yōu)勢樹木的生長，事實上，適當強度的間伐試驗已經表明隨著密度的減小可以使胸徑增大、材積增加。然而低密度林分的缺點是會對木材質量有負面作用，先前的研究已經說明低密度林分樹木生長快速，特別是在幼齡林階段，將會產生大枝條和較大的樹干削度［9－11］，從而降低樹木根部原木的木材質量。因此尋找一個最佳的折中密度，既能提高樹木生長量又能提高木材質量值得我們去研究。

目前在東北地區(qū)，落葉松已經成為重要的用材樹種，但是目前林分密度對落葉松節(jié)子和木材質量的影響研究還很少。本文的主要研究目標是應用落葉松不同林分密度的數(shù)據，分析樹木節(jié)子和林分樹木干形的變化。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據收集整理

試驗地位于黑龍江省佳木斯市孟家崗林場，地理坐標為E130°32′42″～130°52′36″，N46°20′30″～ 46°30′50″。地處完達山西麓余脈，以低山丘陵為主，坡度較為平緩，大部分坡度在10°～20°。地勢東北高，西南低。氣候屬東亞大陸性季風氣候。冬季漫長、寒冷且干燥;夏季短促、溫暖而濕潤;早春少雨、風大易干旱;秋季降溫迅速，常有凍害發(fā)生。早霜現(xiàn)于9月上、中旬，晚霜終于5月中、下旬。年平均氣溫2.7℃，極端最高氣溫35.6℃，最低氣溫－34.7℃。年積溫2 547℃，年平均降水量550 mm。全年日照時數(shù)1 955 h。無霜期120 d左右。土壤以典型暗棕壤分布最廣，還有少量的白漿土、草甸土、沼澤土及泥炭土的分布。植被屬小興安嶺——老爺嶺植物區(qū)的小興安嶺—張廣才嶺亞區(qū)，現(xiàn)以柞(Quercus mongolica)、黑樺(Betula dahurica Pall.)、山楊(Populus davidiana)、白樺(Betula platyphylla)為主的次生落葉闊葉混交林和人工針葉林。在全部森林資源中，天然林面積3 597 hm2，蓄積407 340 m3，分別占全部森林面積、蓄積的27.5%和28.8%;人工林面積9482 hm2，蓄積1005400m3，分別占森林面積、蓄積的72.5%和71.2%。

本研究在孟家崗林場落葉松人工林中選取不同密度標準地6塊，林分年齡為41～48 a落葉松成熟林，地位級指數(shù)9.64～10.36，近似認為林分年齡和地位級相同，而密度不同，因此按密度分為3個密度等級(密度Ⅰ<400株/hm2、500株/hm2<密度Ⅱ<600株/hm2、密度Ⅲ>800株/hm2)。對每塊樣地進行每木檢尺(測量樹高、胸徑、冠幅等因子)，按等斷面積徑級標準木法將林木分為5級，計算各徑級的平均直徑及平均高，以此為標準在標準地外選擇5株無斷梢、無分叉、干形通直生長正常的落葉松作為解析樣木，以1 m長為區(qū)分段進行樹干解析，截取圓盤。在樹冠基部以下，含有輪生死枝或節(jié)子附近，截取10～30 cm長的木段帶回實驗室，并對每輪的死枝或節(jié)子進行編號。測量每個死枝或節(jié)子離地面的高度，在每個木段中選取2個最大的死枝或節(jié)子，沿樹干方向用手持油鋸通過樹干髓心進行縱剖，得到死枝或節(jié)子的縱剖面。將節(jié)子縱剖面掃描后，用年輪圖像分析系統(tǒng)(WinDENDROTM V6.5)測量節(jié)子的直徑，節(jié)子長度(包括健全節(jié)長度和疏松節(jié)長度)等。本次研究標準地基本資料見表1。不同林分密度所取樣木的基本統(tǒng)計見表2。

表2 不同林分密度所取樣木的基本統(tǒng)計

2 研究方法

2.1 節(jié)子研究

①節(jié)子直徑研究。手工剖析節(jié)子方法的局限性，造成很多節(jié)子丟失，因此本研究只取每輪內2個最大節(jié)子取平均值進行研究，計算不同林分密度所選樣木的每輪2個最大節(jié)子的平均直徑，并計算最大節(jié)子所在高度與樹高比值所得的相對高度，作各相對高與優(yōu)勢木、平均木、被壓木變化的散點圖，不同密度林分節(jié)子平均直徑的散點圖，分析不同林分密度下節(jié)子直徑的垂直分布趨勢。

②節(jié)子長度研究。節(jié)子長度包括健全節(jié)長度和疏松節(jié)長度，健全節(jié)是活的枝條留在樹干內的一部分，或者枝條死亡后留在樹干內的尚未與樹干分離的部分。本文以每個節(jié)子的相對著生高度與健全節(jié)長度做散點圖，分析各相對高度處健全節(jié)的長度變化情況，其符合二次函數(shù)的形式，對不同密度內的優(yōu)勢木、平均木、被壓木進行比較，并分析不同林分密度下健全節(jié)長度在樹干上的垂直變化。

③節(jié)子不同生長時期研究。枝條生長發(fā)育過程可以分為B、C、D、O 4個階段。其中，B為枝條形成時的年齡;C為枝條停止形成年輪時的年齡;D為枝條死亡時的年齡;O為節(jié)子愈合(包藏)時的年齡。從枝條形成(B)到節(jié)子愈合(O)可明顯地將節(jié)子發(fā)育分為4個不同時期:1)BC;2)CD;3)DO;4)BO。測定枝條生長發(fā)育4個時期的年輪數(shù)(RXY)和寬度(WXY)把BD部分稱為生節(jié)(Sound knot)，而把DO部分稱為疏松節(jié)(Loose knot)。

通過節(jié)子分析技術獲得的不同密度下的平均木節(jié)子數(shù)據來分析不同林分條件節(jié)子生長、死亡、被包藏各個時期的年輪數(shù)(RXY)和寬度(WXY)變化情況，見圖1所示［12］。

2.2 樹木干形研究

關于樹木干形和削度的研究已經有100多a的歷史，林學家們利用測定的胸徑和樹高值提出了許多削度方程來描述干形變化［13］。Lee等［14］研究表明樹干形狀在地面部分是凹面體，在樹木頂端部分為圓錐體，而樹木中間部分為圓柱體和拋物線體?；谶@些理論產生一個描述干形的函數(shù):

式中:Z為樹木的相對高度，r為隨著樹干的形狀變化的可變參數(shù)。

方程(1)中如果r<1，樹干形狀為拋物線形;如果r>1，樹干形狀為凹曲線形;如果r=1或0，樹干形狀為圓柱形或圓錐形。r值隨著樹高的變化而變化，在每個樹干部位有一個固定值。因此，r值可以用二次函數(shù)來表示:

圖1 節(jié)子縱剖面示意圖

方程(1)中參數(shù)k可以表示為:

聯(lián)合方程(1)、(2)、(3)得到樹干削度方程模型:

式中:HDB為胸徑;d是在相對高度處的樹干直徑;Z是相對高度;h 是樹干離地面的高度;H 是樹高，k1、k2、r1、r2、r3為待定參數(shù)。

對模型(4)進行改進，表示成相對直徑隨樹干高度變化的方程，得到新的削度方程:

本研究應用(5)式的削度方程中可變參數(shù)來分析樹木干形的變化情況。該方法主要應用以下幾個指標來分析樹木干形:(1)樹木根部削度(r0.02和r0.1)和頂端削度(r0.9);(2)干形變化影響點(Zr=1):r值為1時樹木的相對高度可以看作樹干根部形狀從凹曲線體向拋物線體和近圓錐體變化臨界點;(3)拋物線體、圓柱體和近圓錐體所占比例(Zr<1):可變參數(shù)小于1這個相對高度范圍是樹干形狀為拋物線體和圓柱體所占的范圍;(4)最小可變參數(shù)(rmin)可以用來比較樹干形狀的變化，最小可變參數(shù)所在的相對高度(Zrmin)也可以分析干形的變化。

3 結果與分析

3.1 節(jié)子分析

3.1.1 節(jié)子直徑分析

對比3個密度等級內優(yōu)勢木、平均木、被壓木的節(jié)子直徑(見表3)變化表明:優(yōu)勢木、平均木、被壓木的節(jié)子直徑在3個密度等級內變化相同，只是最大節(jié)子出現(xiàn)的位置不同，優(yōu)勢木節(jié)子直徑最大，被壓木節(jié)子直徑最小，平均木節(jié)子直徑在二者之間。這是由于優(yōu)勢木在樣地中處于優(yōu)勢狀態(tài)，樹冠在林分上層，吸收陽光充分，生長較好，連年生長較快，所形成枝條的直徑較大，因此枝條死亡后形成的節(jié)子直徑也較大，被壓木處于被壓狀態(tài)，生長較緩慢，所形成的枝條直徑也較小，因此形成的節(jié)子直徑也就越小，平均木介于兩者之間。這符合樹木的生長規(guī)律。

表3 不同林分密度優(yōu)勢木、平均木、被壓木各相對高處節(jié)子直徑變化

對比3個不同林分密度的節(jié)子直徑(見表4)表明:不同林分密度的節(jié)子直徑大小也有明顯的不同，而且最大節(jié)子出現(xiàn)的位置也有很大差別。密度最小的密度Ⅰ樣地的最大節(jié)子直徑值最大，最大節(jié)子出現(xiàn)在樹高18%左右的位置;而密度最大的密度Ⅲ樣地最大節(jié)子的直徑值卻最小，最大節(jié)子出現(xiàn)在樹高57%左右的位置;在中等密度密度Ⅱ樣地中，最大節(jié)子的直徑值處于兩者之間，最大節(jié)子出現(xiàn)在樹高41%左右的位置。這是因為密度Ⅰ的林分處于生長優(yōu)勢狀態(tài)，其枝條的生長空間相對較大、相互之間的競爭較小、陽光較充足，導致枝條生長旺盛，所以其枝條死亡后形成的節(jié)子直徑較大，而且最大節(jié)子出現(xiàn)的位置在樹干上的部位較低。而密度Ⅲ的林分生長空間較小，枝條相互競爭，從而使節(jié)子直徑也較小，最大節(jié)子出現(xiàn)位置也較高。

3.1.2 健全節(jié)長度分析

3個密度等級內優(yōu)勢木、平均木、被壓木健全節(jié)長度(圖2、3、4)表明:優(yōu)勢木、平均木、被壓木的健全節(jié)長度在3個密度等級內變化相同，優(yōu)勢木健全節(jié)長度最長，而被壓木健全節(jié)長度最短，平均木長度介于二者之間，這可能是由于樹木的生長不同所致，優(yōu)勢木處于樹冠上層，生長空間相對較大，枝條擴展能力強，陽光較充足，枝條生長旺盛，而且生長時間較長，而被壓木被優(yōu)勢木壓迫，生長空間較小，接受陽光較少，生長時間較短，枝條過早的死亡導致健全節(jié)長度也較短，平均木處于二者之間。

表4 不同林分密度節(jié)子直徑變化

不同林分密度健全節(jié)長度變化(圖5)比較的結果表明:在樹干的基部即低于樹高的40%左右的部分隨著樹木相對高度的增加健全節(jié)長度也逐漸增長，而在樹高的40%以上健全節(jié)長度開始逐漸遞減，這可能由于樹干削度的增加導致樹干半徑的減少所致。密度最小的密度Ⅰ樣地的林分健全節(jié)的長度最大，密度最大的密度Ⅲ樣地林分健全節(jié)的長度最小，密度介于中間的林分健全節(jié)的長度在二者之間，這與節(jié)子直徑的研究規(guī)律相同，也是由于其枝條的生長空間所致。

圖2 密度Ⅰ內優(yōu)勢木、平均木、被壓木健全節(jié)長度變化

圖3 密度Ⅱ內優(yōu)勢木、平均木、被壓木健全節(jié)長度變化

圖4 密度Ⅲ內優(yōu)勢木、平均木、被壓木健全節(jié)長度變化

圖5 不同林分密度健全節(jié)長度變化

圖2～圖5應用方程Y=a1+a2X+a3X2(a1，a2>0;a3<0)擬合，式中Y是健全節(jié)長度，X是相對高度，a1、a2、a3是方程參數(shù)。

3.1.3 節(jié)子不同生長時期

分析發(fā)現(xiàn):節(jié)子形成可見年輪的時間平均為5～11 a(見表5)，在密度Ⅰ的林分節(jié)子生長過程長于密度Ⅱ和密度Ⅲ的林分;枝條仍然活著但是不形成年輪的時期平均為1.8～3.8 a(見表5)。從枝條停止生長后到枝條死亡的時間隨著密度的增大而減少，密度Ⅲ的林分時間是最短的;枝條死亡到被包藏的時間在密度Ⅰ的時間是11.8 a，而在密度Ⅲ的林分中是7.8 a(見表5)，枝條死亡后被包藏的時間是枝條從產生到被包藏整個過程時間的一半，枝條從產生到被包藏的年數(shù)在密度Ⅰ的林分中是22.7 a，這個年數(shù)隨著林分密度的增大而減小，到密度Ⅲ的林分這個年數(shù)需要15.2 a。林分密度和節(jié)子各個時期的樹干寬度的關系是和密度和各個時期年齡的關系相似的(見表5)，各個時期的樹干寬度隨著林分密度的增大而減小，由于低密度林分中迅速生長的樹木直徑生長量，因此各個時期的樹干寬度較大。

表5 節(jié)子生長不同時期的年輪數(shù)和形成該時期樹干寬度

3.2 樹木干形分析

按照上述研究方法中提到的采用可變參數(shù)r來描述樹木干形變化，因此本文根據可變參數(shù)r的變化規(guī)律來分析不同標準地樹木的干形變化情況，本文對不同密度下落葉松人工林的干形進行了分析研究，3個密度等級的林分顯示出不同的樹干形狀，通過可變參數(shù)r值來分析干形的不同，各密度林分干形曲線和r值如圖。

研究結果表明:不同密度林分條件下落葉松干形有明顯的不同，其中以密度Ⅰ的標準地干形削度最大，尤其是在樹木根部削度最大，其他位置相差不大，從r值變化來看，也具有相同的規(guī)律，因此認為密度Ⅰ的干形質量最差，而密度Ⅲ的林分干形削度最小，樹木干形質量最好(見圖6、圖7)。說明最小密度林分的干形較差，樹木的削度大。這是因為樹木生長空間大，樹木生長速度快就會造成干形削度差異較大的問題，因此單純追逐生長量的快速增大，會導致木材質量下降，干形的變化可能還會受到氣候因子和地形的影響，文中并沒有考慮這些因素，只是從密度方面分析了干形的變化情況。

表6中用在相對高度0.02和0.1處的參數(shù)值(r0.02、r0.1)來代表樹木根部削度和干形，相對高0.9處的參數(shù)r值(r0.9)來代表樹木頂梢削度和干形，密度Ⅰ的林分比其他林分在樹木根部的削度大很多，但是在樹木頂端削度都相差不大，而密度Ⅱ和密度Ⅲ林分的樹木干形相差不大。

把參數(shù)r=1處相對高度(Zr=1)作為樹干形狀變化的影響點，認為該點是樹干根部形狀從凹面體向拋物線體轉變的臨界點，該點的位置越低，樹干的削度越小;可變參數(shù)r<1處的相對高度(Zr<1)也可以用來比較干形變化，在這個相對高度范圍內樹干形狀為拋物線體、圓柱體和近圓錐體;可變參數(shù)r的最小值也可以用來比較干形，這個值越小干形更接近于圓柱體和拋物線體，越低表示干形在中上部削度越小;r值最小的相對高度(Zrmin)也可以作為一個比較干形的指標，如果最小值出現(xiàn)在樹干的最低位置，樹干的削度越小。應用這四個指標來比較3個不同密度林分的樹木干形(見表6)。密度Ⅰ林分的各個指標都和另兩個林分差異較大，說明在這個密度的林分比其他標準地林分的削度大。而密度Ⅲ林分的指標處于最優(yōu)狀態(tài)，說明其林分內樹干形狀削度最小更接近于拋物線體或圓柱體，干形在這3個林分中是最優(yōu)狀態(tài)。

圖6 模型擬合各標準地樹干形狀

圖7 不同標準地可變參數(shù)r的變化情況

表6 不同林分密度各個干形指標值

4 結論與討論

不同林分條件下節(jié)子直徑的大小隨密度的增大而減少，最大節(jié)子出現(xiàn)的位置也逐漸提高。優(yōu)勢木、平均木、被壓木的節(jié)子直徑在3個密度等級內變化相同，隨著胸徑的增大節(jié)子直徑也逐漸增大，只是最大節(jié)子出現(xiàn)的位置不同，優(yōu)勢木節(jié)子直徑最大，被壓木節(jié)子直徑最小，平均木節(jié)子直徑在二者之間。

不同林分密度的健全節(jié)長度大小隨密度的增大而減少;健全節(jié)在低于樹高40%的部分隨著樹木相對高度的增加逐漸增長，在樹高的40%以上健全節(jié)長度逐漸遞減。優(yōu)勢木、平均木、被壓木的健全節(jié)長度在3個密度等級內變化也相同，優(yōu)勢木健全節(jié)長度最長，而被壓木健全節(jié)長度最短，平均木健全節(jié)長度介于二者之間。

林分密度對節(jié)子的作用體現(xiàn)在隨著密度的減小枝條直徑的增大和枝條生長時間的增加，枝條生長和樹木生長是緊密相關的。因此合理的控制林分密度對節(jié)子直徑和健全節(jié)長度的控制都有很大的作用，進而可以提高木材的質量和等級。

在本研究中，林分中枝條停止生長后仍然活著的時間平均為2～4 a，在密度Ⅲ的林分中年數(shù)是最小的。密度小的林分枝條壽命長，密度大的林分枝條壽命短，這說明密度越大林分自然整枝進行越快。在本研究中密度大的林分對死枝包藏的速度快，用的時間短，這可能是因為林分密度對枝條大小有影響。節(jié)子生長的各個時期在樹干上的寬度比年齡和林分密度的相關性更高，小林分密度節(jié)子會在樹干上產生一個寬的區(qū)域。

通過對不同密度林分的分析發(fā)現(xiàn)，不同密度情況下樹木干形有不同的變化，密度小的林分干形質量最差，造成木材質量較低。大密度林分生長量低，但是其干形質量好于密度小的林分。但是本文沒有考慮到氣候等因子的變化，它們對干形也有一定的影響。

對森林進行間伐保持適中的密度是一個很重要的營林措施，使得節(jié)子和干形都保持在適中狀態(tài)。本文只是分析了低密度林分對樹木的影響，并沒有提出適當?shù)牧址置芏戎担@個將是以后研究的重點內容。

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