袁慧 劉波 陳書(shū)杭 朱佳 劉毅 許業(yè)洲

摘 要： 為研究湖北省高密度杉木人工林生長(zhǎng)規(guī)律，對(duì)鄂東南地區(qū)高密度杉木人工林進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查，獲取61塊樣地?cái)?shù)據(jù)和183株解析木數(shù)據(jù)，建立了杉木單木樹(shù)高、胸徑和材積生長(zhǎng)模型，根據(jù)擬合優(yōu)度及殘差指標(biāo)，高密度杉木單木胸徑和樹(shù)高生長(zhǎng)的最優(yōu)模型選擇理查德模型，單木材積最優(yōu)模型選擇考爾夫模型，所選模型檢驗(yàn)精度均較高，達(dá)到擬合效果;通過(guò)繪制杉木胸徑、樹(shù)高和材積的生長(zhǎng)曲線圖，杉木生長(zhǎng)量在初始階段生長(zhǎng)速率較大，單木樹(shù)高和胸徑生長(zhǎng)量在第4 a達(dá)到最大值后逐漸下降，單木材積連年生長(zhǎng)量在第10 a達(dá)到最大值;利用多元非線性回歸建立關(guān)于杉木林分平均胸徑、平均樹(shù)高和林分蓄積與林齡、立地指數(shù)和林分密度的林分生長(zhǎng)模型，選擇的林分生長(zhǎng)模型均通過(guò)檢驗(yàn);利用林分蓄積量的平均生長(zhǎng)量和林分平均直徑來(lái)確定高密度杉木林分的數(shù)量成熟齡和工藝成熟齡，在立地指數(shù)16～20 m和林分密度4 000～6 000株/hm2時(shí)，杉木的數(shù)量成熟齡和工藝成熟齡分別為10～13 a、10～11 a，與湖北咸寧地區(qū)高密度杉木造林小徑級(jí)采伐年齡相符。

關(guān)鍵詞： 杉木;高密度;生長(zhǎng)模型

中圖分類號(hào)：S718文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-3020（2021）03-0001-08

Growth Regularity of High Density Cunninghamia lanceolata Plantations in Hubei

Yuan Hui（1） Liu Bo（2） Chen Shuhang（2） Zhu Jia（2） Liu yi（3） Xu Yezhou（1）

（1.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075;

2.Xianning Forestry Bureau Qianshan Experimental Forestry Farm Xianning 437100;3.National Nature Reserve of Xingdou Mountain in Hubei Province Enshi 445000）

Abstract： In order to study the growth regularity of high density Cunninghamia lanceolata Plantations in Hubei Province， the authors investigate the high density Cunninghamia lanceolata Plantations in Southeast Hubei Province， obtain 61 sample plots data and 183 analytical wood data， establishe the growth model of the height， DBH and volume of the single Cunninghamia lanceolata. According to the fitting degree and residual index， Richard model is selected as the best model for the growth of the single height and the DBH of the high density， and kolf model was selected as the optimal model for volume growth of single tree. The test accuracy of the selected models was high and the fitting effect was achieved; By drawing the growth curve of DBH， height and volume of Cunninghamia lanceolata， the growth rate of Cunninghamia lanceolata is larger in the initial stage， the growth of single tree height and DBH reaches the maximum in the 4th year and then gradually decreases， and the annual growth of single tree volume reaches the maximum in the 10th year; The stand growth models of average DBH， average height， stand volume， stand age， site index and stand density were established by multiple nonlinear regression; Using the average growth of stand volume and average diameter of stand to determine the quantitative mature age and technological mature age of high-density Cunninghamia lanceolata stand， the quantitative mature age and technological mature age of Cunninghamia lanceolata stand are 10—13 years and 10—11 years respectively when the site index is 16—20 m and the stand density is 4 000—6 000 tree sper hectare， which is consistent with the small diameter age of high-density Cunninghamia lanceolata Plantation in Xianning area of Hubei Province.

Key words： Cunninghamia lanceolata; high density;growth model

杉木Cunninghamia lanceolata是中國(guó)特有的速生用材樹(shù)種，生長(zhǎng)快、材質(zhì)優(yōu)良、紋理直且具有抵御病蟲(chóng)害能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是南方各省區(qū)最重要的造林樹(shù)種之一[1]。中國(guó)種植杉木人工林的面積較廣，隨著杉木經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的不斷變化，不同規(guī)格的杉木材需求量顯著增加，小徑材也得到廣泛利用[2]。

短輪伐期栽培是選用速生樹(shù)種，采用大密度、集約經(jīng)營(yíng)，在短時(shí)間內(nèi)獲得最高生物量的一種集約栽培方式，滿足木材供應(yīng)增加的需求[3]。在二十世紀(jì)六十年代，美國(guó)最早進(jìn)行了短輪伐期能源林的培育研究，我國(guó)最早在八九十年代進(jìn)行了楊樹(shù)、桉樹(shù)等闊葉樹(shù)種的短輪伐期栽培的良種選育等研究工作，取得了顯著成效[4]。于此同時(shí)杉木短輪伐期的研究也相繼展開(kāi)，李榮偉等進(jìn)行杉木林短輪伐期的采伐試驗(yàn)研究[5]，通過(guò)分析杉木的成熟齡，得出杉木在12～16 a的短輪伐期是合理可行，并提出數(shù)學(xué)模型。張傳峰等對(duì)湖南丘陵地區(qū)杉木人工林進(jìn)行研究[6]，提出丘陵區(qū)杉木林速生期早，但衰退快且生長(zhǎng)周期短，宜采取短輪伐期的培育方式。李曉儲(chǔ)等對(duì)北亞熱帶江蘇南部的低山丘陵區(qū)域杉木人工林研究[7]，通過(guò)擬合林分生長(zhǎng)模型，預(yù)測(cè)出短輪伐建材林的不同立地及林分密度下的適伐年齡，并分析探討了杉木小徑材集約經(jīng)營(yíng)和短期輪伐椽材的栽培技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益[8]。

湖北省位于杉木北緣產(chǎn)區(qū)，杉木高密度短周期小徑材栽培在鄂東南區(qū)已有多年歷史，且近年來(lái)小徑材林的栽培更加廣泛，對(duì)該區(qū)域的高密度造林培育小徑材林的杉木林分生長(zhǎng)狀況進(jìn)行研究就顯得尤為必要。本文利用在湖北省咸寧和黃石等地區(qū)獲取的高密度栽培杉木人工林標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查數(shù)據(jù)，分析研究小徑材杉木單木及林分生長(zhǎng)狀況，對(duì)杉木短周期適伐齡進(jìn)行研究，為合理縮短杉木用材林生產(chǎn)周期，為杉木小徑材的培育及實(shí)現(xiàn)其速生豐產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究材料及數(shù)據(jù)主要集中在湖北東南部區(qū)域，該區(qū)域位于北緯29°49′48″～29°50′38″，東經(jīng)114°19′1.37″～115°13′12″。海拔28～860 m。地勢(shì)南高北低，由西南向東北呈遞減趨勢(shì)，整體位于大幕山脈北部低山丘陵區(qū)。北亞熱帶氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫16.8℃，年均日照時(shí)數(shù)1 825.8 h，年均降雨量1 483.5 mm，年平均無(wú)霜期為245～263 d。冬季偏北風(fēng)，偏冷干燥;夏季偏南風(fēng)，高溫多雨。土壤以紅壤和黃棕壤為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2016～2017年在湖北省咸寧市和黃石市進(jìn)行高密度杉木人工林標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查，選取不同林齡、不同立地的林分，標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置面積為600 m2（20 m × 30 m），樣地內(nèi)每木檢尺，測(cè)量胸徑、樹(shù)高、枝下高、冠幅等生長(zhǎng)量指標(biāo)，并記錄地理位置、造林年度、造林密度等信息。每塊標(biāo)準(zhǔn)地中選取3株平均木，按2 m區(qū)分段進(jìn)行樹(shù)干解析。共調(diào)查樣地61塊，伐取解析木183株。標(biāo)準(zhǔn)地基本信息見(jiàn)表1。

1.3 杉木生長(zhǎng)量擬合

單木生長(zhǎng)方程選擇6個(gè)常用的理論生長(zhǎng)模型，將解析木分成兩組，利用140株建模解析木數(shù)據(jù)對(duì)杉木生長(zhǎng)量和年齡進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，選出擬合效果最優(yōu)模型，剩余43株解析木數(shù)據(jù)用于模型檢驗(yàn)。各方程表達(dá)式如表2所示，單木擬合及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

利用每塊樣地的平均樹(shù)高和平均胸徑作為林分平均生長(zhǎng)量，按照樣地內(nèi)每木檢尺的林木計(jì)算單木材積并推導(dǎo)林分平均蓄積，單株材積利用湖北省杉木二元材積公式計(jì)算：V=0.000062678×D1.7043×H1.1486。林分生長(zhǎng)模型參考李曉儲(chǔ)[7]和李子敬[9]等人研究經(jīng)驗(yàn)，模型按照表4中方程進(jìn)行擬合，建模數(shù)據(jù)及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

1.4 模型評(píng)價(jià)與檢驗(yàn)

采用判定系數(shù)（R2）和標(biāo)準(zhǔn)殘差（RSE）指標(biāo)評(píng)價(jià)模型的擬合效果[9]，從中選出擬合精度最高的方程作為杉木生長(zhǎng)模型。

采用平均偏差（ME）、平均絕對(duì)偏差（MAE）、平均相對(duì)偏差（MPE）、平均相對(duì)偏差絕對(duì)值（MAPE）和預(yù)估精度（p）5個(gè)統(tǒng)計(jì)量對(duì)所選杉木樹(shù)高、胸徑和材積模型進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)[10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用統(tǒng)計(jì)之林ForStat 2.2軟件進(jìn)行解析木樹(shù)高、胸徑和材積計(jì)算及模型擬合，SPSS 19.0進(jìn)行方差分析，應(yīng)用Excel 2007進(jìn)行生長(zhǎng)模型評(píng)價(jià)檢驗(yàn)計(jì)算，利用Sigma Plot10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木單木生長(zhǎng)規(guī)律

2.1.1 杉木單木生長(zhǎng)模型擬合

以140株杉木解析木作為建模數(shù)據(jù)，利用6種生長(zhǎng)模型分別擬合杉木胸徑、樹(shù)高、材積生長(zhǎng)模型，擬合結(jié)果如表6所示。

樹(shù)高和胸徑生長(zhǎng)模型中，對(duì)比各模型的擬合優(yōu)度及標(biāo)準(zhǔn)殘差，其中理查德模型的擬合優(yōu)度分別為0.829 6和0.829 2，擬合優(yōu)度最好且標(biāo)準(zhǔn)殘差最低，模型參數(shù)值也在合理范圍內(nèi)。材積生長(zhǎng)模型中理查德模型擬合優(yōu)度最好（0.829 2），其次為考爾夫模型（0.828 6）;理查德模型標(biāo)準(zhǔn)殘差值（0.12）略低于考爾夫模型（0.15），但從模型參數(shù)值觀察，理查德模型材積生長(zhǎng)最大值參數(shù)a為0.076 7，顯然低于杉木材積生長(zhǎng)的合理范圍。因此杉木樹(shù)高和胸徑生長(zhǎng)模型采用理查德模型，而材積生長(zhǎng)模型采用考爾夫模型。

利用43株杉木解析木數(shù)據(jù)對(duì)選出的樹(shù)高和胸徑理查德模型及材積考爾夫模型進(jìn)行檢驗(yàn)。模型各檢驗(yàn)指標(biāo)如表7所示。3個(gè)模型的預(yù)估精度均達(dá)到96%以上，其他偏差指標(biāo)值均相對(duì)較小且控制在合理范圍內(nèi)，表明擬合效果符合精度要求。

2.1.2 杉木單木生長(zhǎng)規(guī)律

根據(jù)擬合得到的杉木最優(yōu)單木生長(zhǎng)模型，計(jì)算理論預(yù)估值并繪制樹(shù)高、胸徑和材積的平均生長(zhǎng)量和連年生長(zhǎng)量曲線圖（圖1～3）。

3個(gè)模型的生長(zhǎng)曲線均呈“S”形，符合杉木生長(zhǎng)的生物學(xué)特性。樹(shù)高和胸徑生長(zhǎng)曲線的最大值分別趨近于12 m和9 cm，而材積最大值趨近于0.1 m3（圖中只顯示了前20 a生長(zhǎng)情況）。樹(shù)高、胸徑和材積的平均生長(zhǎng)量和連年生長(zhǎng)量變化趨勢(shì)大致相同，均呈現(xiàn)最初生長(zhǎng)階段較小且生長(zhǎng)速率較大，當(dāng)生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值后逐漸下降。樹(shù)高和胸徑的連年生長(zhǎng)量均在第4 a左右達(dá)到最大值，隨后逐年減小，樹(shù)高連年生長(zhǎng)量最大值約為1.4 m·a-1，胸徑連年生長(zhǎng)量約為1.6 m·a-1;而樹(shù)高平均生長(zhǎng)量在第5 a左右達(dá)到最大值，約為1.2 m·a-1;胸徑平均生長(zhǎng)量在第6 a左右達(dá)到最大值，約為1.1 m·a-1。因此，樹(shù)高生長(zhǎng)的速生期為生長(zhǎng)初期的前5 a，而胸徑生長(zhǎng)的速生期為生長(zhǎng)初期的前6 a。

材積生長(zhǎng)速率在初期階段逐年增加，連年生長(zhǎng)量在第10 a左右達(dá)到最大值，約為0.008 m3·a-1，隨后逐年放緩;而平均生長(zhǎng)量在第18 a左右達(dá)到最大值，約為0.006 m3·a-1。

2.2 杉木林分生長(zhǎng)模型擬合

利用表4模型對(duì)林分平均樹(shù)高、林分平均胸徑、林分蓄積量分別與林齡、立地指數(shù)和林分密度進(jìn)行擬合，結(jié)果如表8所示。從擬合結(jié)果表中可以得出林分平均樹(shù)高、林分平均胸徑最優(yōu)擬合模型為模型10，林分蓄積量的最優(yōu)擬合模型為模型14，擬合優(yōu)度分別為0.700 2、0.760 7、0.689 6，擬合優(yōu)度均高于其他模型;相對(duì)應(yīng)最優(yōu)模型10和模型14的標(biāo)準(zhǔn)殘差在所有模型中最低，分別為2.043 8、2.451 7和3.021 8。因此，對(duì)3個(gè)選定的最優(yōu)模型進(jìn)行檢驗(yàn)（表9），模型的相關(guān)偏差值均較小且預(yù)估精度均達(dá)到90%以上，表明模型的擬合效果符合要求。

2.3林分生長(zhǎng)量預(yù)估與數(shù)量、工藝成熟齡

利用擬合得到的最優(yōu)蓄積量生長(zhǎng)模型（模型14），計(jì)算不同立地和林分密度條件下林分蓄積量的平均生長(zhǎng)量，以平均蓄積生長(zhǎng)量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的年齡確定杉木數(shù)量成熟齡[9]，并計(jì)算對(duì)應(yīng)成熟齡時(shí)的林分平均樹(shù)高和平均胸徑（模型10），以林分平均胸徑10 cm的林齡為工藝成熟齡。

表10中列出了立地指數(shù)14～20 m、林分密度3 000～7 000株·hm-2下林分?jǐn)?shù)量成熟齡及林分平均生長(zhǎng)量預(yù)估值，數(shù)量成熟齡為 10～15 a。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，不同立地和林分密度下數(shù)量成熟齡均有所不同，同一立地指數(shù)不同林分密度下，數(shù)量成熟齡隨林分密度的增加而減小，林分蓄積年平均生長(zhǎng)量隨著林分密度的增加而增加，林分平均樹(shù)高和平均胸徑隨著林分密度的增加而降低。同一密度不同立地指數(shù)條件下，林分?jǐn)?shù)量成熟齡隨立地指數(shù)的增加而降低，林分蓄積年平均生長(zhǎng)量和平均樹(shù)高隨著立地指數(shù)的增加而增加，平均胸徑隨著立地指數(shù)的增加而減小。選擇立地指數(shù)16 m以上、林分密度4 000～6 000株·hm-2的高密度栽培模式林分的數(shù)量成熟齡為10～12 a。

表11列出來(lái)立地指數(shù)14～20 m、林分密度3 000～8 000株·hm-2下林分工藝成熟齡，工藝成熟齡為9～12 a。同一立地指數(shù)不同林分密度下，工藝成熟齡隨著密度的增加而增加，同一密度不同立地指數(shù)條件下，林分工藝成熟齡隨立地指數(shù)的增加而減小。

在湖北省咸寧地區(qū)高密度杉木栽培模式中，造林密度在4 000～6 000株·hm-2，按估算表10、表11可知，該密度下林分達(dá)到數(shù)量成熟齡在10～14 a，工藝成熟齡在10～11 a。按照咸寧地區(qū)小徑材杉木市場(chǎng)需求，胸徑達(dá)到8 cm以上即可出售，綜合數(shù)量成熟齡及工藝成熟齡，該地區(qū)高密度杉木造林第10 a即可達(dá)到小徑級(jí)材的采伐年齡。

3 結(jié)論與討論

利用理論生長(zhǎng)方程分別對(duì)杉木單木的胸徑、樹(shù)高和材積生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行擬合。最終結(jié)果得出，理查德模型是描述高密度杉木單木胸徑和樹(shù)高生長(zhǎng)的最優(yōu)模型，考爾夫模型是單木材積最優(yōu)模型。根據(jù)選定的單木生長(zhǎng)方程繪制杉木胸徑、樹(shù)高和材積的生長(zhǎng)曲線圖，分析了高密度杉木的單木生長(zhǎng)規(guī)律，樹(shù)高、胸徑和材積的生長(zhǎng)量變化趨勢(shì)在最初生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)量較小但生長(zhǎng)速率較大，生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值后逐漸下降。樹(shù)高和胸徑的連年生長(zhǎng)量均在第4 a左右達(dá)到最大值，材積連年生長(zhǎng)量在第10 a左右達(dá)到最大值，李榮偉等人研究四川地區(qū)杉木用材林短輪伐期試驗(yàn)[5]，樹(shù)高、胸徑平均生長(zhǎng)量達(dá)到峰值的年齡分別為7 a和8 a，本研究與其比較，生長(zhǎng)量達(dá)到峰值的年齡提前了3～4 a;與湖北省常規(guī)栽培模型杉木人工林單木生長(zhǎng)規(guī)律相比[11]，高密度栽培模型下杉木單木連年生長(zhǎng)量達(dá)到最大值的時(shí)間也均有提前，表明密度對(duì)杉木的生長(zhǎng)速生期有重要作用，高密度條件下杉木個(gè)體競(jìng)爭(zhēng)會(huì)縮短杉木的快速生長(zhǎng)期。

根據(jù)高密度杉木林分生長(zhǎng)模型預(yù)估林分?jǐn)?shù)量成熟齡和工藝成熟齡，在立地指數(shù)16～20 m時(shí)，林分密度4 000～6000株·hm-2培育模式林分?jǐn)?shù)量成熟齡和工藝成熟齡分別為10～13 a、10～11 a，符合湖北咸寧地區(qū)高密度杉木造林小徑級(jí)采伐年齡。同一立地指數(shù)下，數(shù)量成熟齡隨林分密度的增加而減小;同一密度條件下，林分?jǐn)?shù)量成熟齡隨立地指數(shù)的增加而降低，結(jié)果與李曉儲(chǔ)等人研究的江蘇南部高密度短輪伐杉木建材林的研究結(jié)論相符合[7]。本研究?jī)H對(duì)杉木的蓄積量成熟齡和工藝成熟齡進(jìn)行預(yù)估，經(jīng)濟(jì)成熟齡、生物量成熟齡等指標(biāo)尚未估算，而杉木短輪伐期成熟齡是由相應(yīng)的經(jīng)營(yíng)目標(biāo)確定，本研究結(jié)果可以為相關(guān)杉木短周期經(jīng)營(yíng)提供一定參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：唐 嵐）