宋重升， 王有良， 張利榮， 崔朝偉， 彭麗鴻， 林開敏， 游云飛， 范福金

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國家林業(yè)和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 南平 353211)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地上最重要的生態(tài)系統(tǒng)[1].森林資源在保護(hù)生態(tài)平衡、改良生態(tài)環(huán)境和維護(hù)生物多樣性等方面起著至關(guān)重要的作用.隨著林業(yè)的不斷發(fā)展，人工林以其良好的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益受到越來越多的關(guān)注，成為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2].因此，定向培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的人工林已成為世界人工用材林發(fā)展的總趨勢[3].人工林除了提供林木產(chǎn)品外，在全球碳循環(huán)、生物多樣性、養(yǎng)分循環(huán)、水資源以及改善土壤理化性質(zhì)等方面同樣發(fā)揮著重要作用，全球人工林的種植和占地面積也日趨增大[4].

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]作為我國南方特有的重要速生用材樹種，具有生長快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好、用途廣、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，在南方17個(gè)省(區(qū))廣為種植[5-6].目前我國杉木人工林面積和蓄積量均居首位，在我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)和生態(tài)建設(shè)中占據(jù)重要地位[7].隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對木材的需求也日益增長，而高品質(zhì)大徑級木材供不應(yīng)求.因此，學(xué)者對杉木大徑材定向培育技術(shù)進(jìn)行深入研究，提出了適宜培育大徑材的立地條件及密度范圍[8]，并針對不同土壤條件及遺傳品質(zhì)苗木提出了相應(yīng)的施肥、撫育等管理措施[9-10].

撫育間伐是實(shí)現(xiàn)人工林近自然經(jīng)營、培育大徑材的主要營林措施[11].選擇合理的間伐強(qiáng)度，通過調(diào)整林分結(jié)構(gòu)、調(diào)控林木競爭、改良林分環(huán)境可促進(jìn)林木生長，提高林地生產(chǎn)力[12-13].目前，有關(guān)不同強(qiáng)度撫育間伐對杉木人工林林分生長影響的研究，主要集中在樹高、胸徑、高徑比、胸高斷面積、單株材積以及總蓄積等方面[14-16].不同強(qiáng)度的撫育間伐對杉木人工林生長影響的研究[17-18]，主要集中在速生豐產(chǎn)上.有關(guān)杉木大徑材培育的研究較為薄弱，而杉木大徑材的定向培育技術(shù)及成果推廣是杉木乃至我國人工用材林提質(zhì)增效的迫切需求及有效途徑[19].鑒于此，本研究以福建省南平市洋口國有林場16年生杉木人工林為研究對象，開展基于大徑材培育的不同間伐強(qiáng)度對杉木人工林生長及林分材種結(jié)構(gòu)影響的研究，探討不同間伐強(qiáng)度對杉木人工林材種結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，旨在為杉木大徑材培育措施的制定提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)林設(shè)于福建南平洋口國有林場道坪良種場16年生杉木人工林區(qū)(117°54′E，26°50′N)，屬于中亞熱帶地區(qū).該區(qū)海拔200～500 m，坡度30°左右，年平均氣溫17.5 ℃，年均降水量1 880 mm，土壤厚度均在1 m以上，為深厚肥沃的紅壤土(呈弱酸性)，地位指數(shù)均不小于22 m，樣地基本概況詳見表1.該林區(qū)于2002年采用實(shí)生苗造林，整地方式為穴狀整地，穴規(guī)格50 cm×50 cm×40 cm ，初植密度2 500株·hm-2.該試驗(yàn)林區(qū)氣候溫和，雨量充沛，土質(zhì)肥沃，適宜杉木林生長.杉木林下植被主要有紫麻[Oreocnidefrutescens(Thunb.) Miq.]、薄蓋短腸蕨[Allantodiahachijoensis(Nakai) Ching]、樓梯草[ElatostemainvolucratumFranch. et Sav.]、福建觀音座蓮[AngiopterisfokiensisHieron.]、深綠卷柏[SelaginelladoederleiniiHieron.]、吞天蓮[Ambromaaugusta(L.) L. f.]、金星蕨[Parathelypterisglanduligera(Kze.) Ching]、江南山梗菜[LobeliadavidiiFranch.]等.

表1 試驗(yàn)樣地概況Table 1 General situation of Yangkou sample plot

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣地設(shè)置

選擇坡向、坡位、坡度及土壤條件一致的杉木人工林.樣地于2014年進(jìn)行首次間伐，保留活立木株數(shù)1 415株·hm-2；2017年4月進(jìn)行第2次間伐，并采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，實(shí)施不同強(qiáng)度的間伐處理.根據(jù)間伐株樹所占的比率，共設(shè)3種保留密度，即900株·hm-2(間伐強(qiáng)度為35%，HIT處理)、1 200株·hm-2(間伐強(qiáng)度為23%，LIT處理)和1 415株·hm-2株(未間伐0%，CK).每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共9塊樣地，樣地面積均為400 m2.每塊樣地之間設(shè)置約5 m隔離區(qū)，樣地四周埋設(shè)水泥樁，對樣地內(nèi)的林木進(jìn)行掛牌標(biāo)號.每年連續(xù)定位觀測并記錄間伐后3 a內(nèi)林木的生長指標(biāo)(胸徑、樹高和冠幅等).樹高采用超聲波測高儀(瑞典VertexⅣ)測量.林分基本特征詳見表2.

表2 洋口16年生試驗(yàn)林林分概況Table 2 General information of 16-year-old test stand in Yangkou

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 林分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算 徑階平均胸徑：以2 cm為1個(gè)徑階，對林分內(nèi)保留活立木胸徑進(jìn)行劃分，然后計(jì)算各徑階林木的平均胸徑.計(jì)算公式表示如下：

(1)

式中，N表示第i階總株數(shù)，di表示第i徑階胸徑平均值.

運(yùn)用Excel軟件對胸徑、樹高兩個(gè)因子進(jìn)行回歸擬合，選取R2最大值作為最佳回歸方程，再運(yùn)用各徑階平均胸徑擬合出各徑階平均樹高.此外，用擬合樹高分析林分樹高結(jié)構(gòu)時(shí)，以2 m為一個(gè)樹高級，分別對林分樹高進(jìn)行分類.

單株材積：

(2)

式中，Di為單株胸徑，Hi為單株樹高[18].

徑階材積：

Vi=υi×Ni

(3)

式中，Ni為第i階總株數(shù).

1.3.2 材種株數(shù)劃分 林分各材種以徑階大小為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算各徑階活立木出材量，并按表3所示比例對林分活立木各徑階中各材種所占株數(shù)進(jìn)行歸并[20].

表3 各徑級杉木株數(shù)材種占比Table 3 Quantity of timber under different diameter classes

1.3.3 材種出材量計(jì)算 對各徑階不同材種株數(shù)進(jìn)行劃分后，分別按規(guī)格材和非規(guī)格材(小條木)計(jì)算各材種出材量及其林分總出材量.

當(dāng)平均胸徑<6 cm時(shí)，按式(4)計(jì)算材積量；當(dāng)平均胸徑≥6 cm時(shí)，則采用杉木出材經(jīng)驗(yàn)公式[21]計(jì)算.其中，規(guī)格材各材種出材量的計(jì)算公式表示如下：

V(非規(guī)格材)=3.602 437 58×10-5×D1.947 520 76×H1.007 937 69

(4)

非規(guī)格材(小條木)出材量計(jì)算公式表示如下：

V(非規(guī)格材)=-0.027 555 240 9+3.686 494 63×10-3×D+1.672 443 05×10-3×H

(5)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，并運(yùn)用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.使用單因素方差分析法分析不同間伐強(qiáng)度下不同材種結(jié)構(gòu)隨林齡變化的影響；用主體間效應(yīng)檢驗(yàn)分析同一指標(biāo)在不同間伐強(qiáng)度下的差異顯著性；采用Duncan法對均值進(jìn)行多重比較，利用Originpro 2017繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 間伐強(qiáng)度對林分生長、蓄積量及出材量的影響

2.1.1 間伐強(qiáng)度對林分平均胸徑、平均樹高生長的影響 圖1顯示：間伐前平均胸徑和樹高間不存在明顯差異；與間伐前相比，間伐后胸徑和樹高均有提高.隨著林齡的增加，林分平均胸徑、平均樹高均呈遞增趨勢，且胸徑平均每年生長量顯著大于樹高平均生長量.強(qiáng)度間伐與弱度間伐下林分平均胸徑生長量差異不顯著，而強(qiáng)度間伐和弱度間伐下林分的平均胸徑生長量大于未間伐的對照林分.不同處理下林分平均樹高的生長速度較為一致，但在不同處理間，強(qiáng)度間伐和弱度間伐下平均樹高生長量大于未間伐的對照組.不同處理下林分平均胸徑和平均樹高隨林齡的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢.

BT為間伐前，AT為間伐后.不同字母表示不同間伐處理林分間有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)差異.圖1 不同間伐強(qiáng)度下林分的胸徑和樹高的變化趨勢Fig.1 Change of DBH and tree height under different thinning intensities

從表4可知，從間伐后第2年開始，胸徑定期增長量和增長率隨間伐強(qiáng)度的增大而增大，且間伐后第3年，強(qiáng)度間伐的胸徑與對照組間表現(xiàn)出明顯差異(P<0.05).間伐處理后樹高定期增長量和增長率明顯大于未間伐樣地(對照組)，不同間伐強(qiáng)度處理下，樹高定期增長率隨林齡的增大表現(xiàn)為HIT>LIT>CK；間伐后第3年開始，樹高增長量和增長率的變化規(guī)律表現(xiàn)為HIT>LIT>CK，且強(qiáng)度間伐和對照組間的樹高增長量均表現(xiàn)出明顯差異(P<0.05).

表4 不同間伐強(qiáng)度下胸徑和樹高定期增長量和增長率1)Table 4 Increments and growth rates of DBH and tree height at regular intervals under different thinning intensities

從表5可知，間伐強(qiáng)度與16年生和17年生林分的平均胸徑、平均樹高均存在極顯著差異(P<0.01)；與19年生林分的平均胸徑和樹高存在顯著差異(P<0.05).

2.1.2 間伐強(qiáng)度對林分胸高形數(shù)和徑高比的影響 由表6可以看出，間伐前，胸高形數(shù)和徑高比在組間沒有顯著差異；間伐處理后，間伐強(qiáng)度對胸高形數(shù)和徑高比有影響，強(qiáng)度間伐和對照組間差異最為顯著(P<0.05).隨著林齡的增加，不同間伐強(qiáng)度間的差異仍然存在.相同林齡、不同間伐強(qiáng)度下，胸高形數(shù)均表現(xiàn)為CK>LIT>HIT，而徑高比表現(xiàn)為HIT>LIT>CK；同一間伐強(qiáng)度、不同林齡條件下，胸高形數(shù)隨林齡的增大而減小，徑高比隨林齡的增大而增大.在第19年以前，間伐強(qiáng)度對胸高形數(shù)和徑高比沒有顯著影響(P>0.05)；第19年間伐強(qiáng)度對其表現(xiàn)出顯著的影響(P<0.05).

表5 不同間伐強(qiáng)度的形數(shù)、徑高比計(jì)算1)Table 5 Calculation of form factor and diameter-height ratio of different thinning intensity

表6 胸徑、樹高、形數(shù)以及徑高比的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)1)Table 6 Inter-subject effect test of DBH, tree height, shape number and diameter-height ratio

2.1.3 間伐強(qiáng)度對林分單株材積和蓄積量生長的影響 從圖2可看出：未間伐前各樣地的林木平均單株材積與林分蓄積量間沒有顯著差異(P>0.05)；間伐后，強(qiáng)度間伐和弱度間伐間平均單株材積不存在顯著差異，但與未間伐樣地相比，間伐顯著提高了林分平均單株材積；隨著間伐強(qiáng)度的增大，樣地內(nèi)林木平均單株材積表現(xiàn)為HIT>LIT>CK；隨著林齡的增加，間伐對樣地內(nèi)林木平均單株材積的影響更加顯著(P<0.05)(圖2).間伐后，隨著林齡的增加，不同間伐強(qiáng)度下林分蓄積量隨林齡的增加呈遞增趨勢.在觀測年限內(nèi)，不同間伐強(qiáng)度下林分蓄積量表現(xiàn)出與平均單株材積相反的變化趨勢，即CK>LIT>HIT(圖2).同時(shí)，從表7可看出，在第18年不同間伐強(qiáng)度對林分蓄積量產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)，林分的平均單株材積在第19年(間伐后第3年)存在顯著差異(P<0.05).

BT為間伐前，AT為間伐后.不同字母表示不同間伐處理林分間有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)差異.圖2 不同間伐強(qiáng)度下平均單株材積和林分蓄積的變化趨勢Fig.2 Average individual volume and stand volume under different thinning intensities

由表7可以看出，不同間伐強(qiáng)度下樣地內(nèi)林木平均單株材積的定期增長量和增長率均隨間伐強(qiáng)度的增大而增大；從間伐后第2年開始，強(qiáng)度間伐的單株平均材積與未間伐林分間存在顯著差異(P<0.05).隨著林齡的增加，林分蓄積定期增長量和增長率均呈遞增趨勢；間伐后隨著林齡的增加，林分蓄積定期增長量表現(xiàn)為LIT>CK>HIT，而在第19年隨著間伐強(qiáng)度的增大，林分蓄積定期增長率表現(xiàn)為HIT>LIT>CK(在第19年以前并未表現(xiàn)出此規(guī)律).同時(shí)，在觀測時(shí)間內(nèi)，不同間伐強(qiáng)度下林分蓄積出材量和出材率不存在顯著差異(P>0.05)(表8).

2.2 間伐強(qiáng)度對林分各材種出材量和出材率的影響

從圖3可以看出，隨著林齡的增大，規(guī)格材總出材量呈增長趨勢，但規(guī)格材總出材量在不同林齡間伐強(qiáng)度的增大始終表現(xiàn)為HITLIT>CK.

該試驗(yàn)林伐后3 a林分內(nèi)各材種的出材量和出材率的變化情況如表9所示.

表7 不同間伐強(qiáng)度下林分平均單株材積和蓄積的定期增長量和增長率1)Table 7 Growth and growth rate of average volume per plant and volume at regular intervals under different thinning intensities

表8 平均單株材積、蓄積量及其增長量和增長率的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)1)Table 8 Test of intersubjective effec of mean individual volume, stand volume, increment and growth rate

BT為間伐前，AT為間伐后.不同字母表示不同間伐處理林分間有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)差異.圖3 不同間伐強(qiáng)度下林分總規(guī)格材(SW+MW+LDT)出材量和出材率Fig.3 Total output and outturn percentage of timber in all dimensions under different thinning intensities

從表9可知，間伐處理后，小條木(非規(guī)格材)僅出現(xiàn)在未間伐的林分內(nèi)，且隨著林齡的增加出材量和出材率均表現(xiàn)出遞減趨勢.間伐處理明顯降低了林分內(nèi)小徑材的出材量和出材率，隨間伐強(qiáng)度的增大表現(xiàn)為HITLIT>CK；且隨著林齡的增加，各林分大徑材出材量和出材率始終呈增長的變化趨勢.

由表10可以看出，隨著林齡的增加，不同間伐處理下林分小條木和小徑材的出材量和出材率的定期增長量始終呈負(fù)增長，且間伐強(qiáng)度越大下降越快，小徑材尤為明顯.中徑材出材量和出材率的定期增長量在不同間伐處理的林分中表現(xiàn)出不同的增長規(guī)律，表現(xiàn)為HITLIT>CK，第19年大徑材出材率的定期增長量表現(xiàn)為HIT>LIT>CK.由此可見，間伐能夠影響林分材種結(jié)構(gòu)的變化，但不同間伐強(qiáng)度下各林分材種隨時(shí)間的變化還需進(jìn)一步觀測.

表9 不同間伐強(qiáng)度下林分各材種出材量和出材率1)Table 9 Output and outturn percentage of timbers with various specifications under different thinning intensities

表10 不同間伐強(qiáng)度下林分各材種的出材量和出材率的定期增長量1)Table 10 Output and outturn percentages of timbers with various specifications at regular intervals under different thinning intensities

從表11可知，間伐處理后，小條木出材量和出材率在不同林齡間均存在極顯著差異(P<0.01)；不同林齡的小徑材出材量在不同間伐下存在顯著差異(P<0.05)，隨著林齡的增加差異性增強(qiáng)，而出材率在第18年和第19年表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)；第19年中徑材出材量在不同間伐強(qiáng)度處理下表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05).不同間伐強(qiáng)度處理下，大徑材出材量與出材率間沒有顯著差異(P>0.05).

3 小結(jié)與討論

研究[22-23]表明，間伐強(qiáng)度能夠顯著增大樣地內(nèi)林分胸徑，但樹高受間伐的影響不顯著.本研究發(fā)現(xiàn)：撫育間伐能夠促使樣地內(nèi)保留木平均胸徑的增長，而且間伐強(qiáng)度越大，胸徑生長量越大；樣地內(nèi)林分平均樹高的增長也受間伐強(qiáng)度的影響，但影響程度不及胸徑.這與張標(biāo)銘[24]、龔固堂等[25]、刁嬌嬌等[26]的研究結(jié)果相一致.表明間伐減少樣地內(nèi)保留木的株數(shù)后，調(diào)整了林分空間結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了林分中活立木的生長空間，改善林木間的競爭，促使樣地內(nèi)林木胸徑和樹高增加.本研究結(jié)果還表明，間伐對林木高徑比和胸高形數(shù)均有影響，但不存在顯著差異.肖興翠等[27]研究間伐強(qiáng)度對香椿干形的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)間伐后的胸高形數(shù)和高徑比均略低于對照組；同時(shí)，胸高形數(shù)隨著林齡、胸徑、樹高等的增大有變小的趨勢[28-27].而諶紅輝等[30-31]研究結(jié)果表明，隨密度的增加林木高徑比增大.而本研究結(jié)果也表明，在相同林齡、不同間伐下，胸高形數(shù)和高徑比均表現(xiàn)為CK>LIT>HIT；同一間伐強(qiáng)度不同林齡時(shí)，胸高形數(shù)和高徑比隨林齡的增大而減小，且間伐處理后的胸高形數(shù)和高徑比均低于對照組.隨著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)，樣地內(nèi)林分密度降低，促使冠徑生長，從而增大林木個(gè)體，降低高徑比，提高林木個(gè)體質(zhì)量，但不利于通直干形的形成.

表11 不同間伐強(qiáng)度對林分材各種結(jié)構(gòu)的主體間效應(yīng)1)Table 11 Inter-subjectivity effect of thinning intensity on stand timber structure

鄭鳴鳴等[32]研究結(jié)果表明，隨著間伐強(qiáng)度的增大，樣地內(nèi)林木平均單株材積增大，而林分蓄積量則表現(xiàn)出與單株材積相反的增長趨勢，間伐強(qiáng)度越大，林分蓄積量越小；但間伐強(qiáng)度對樣地內(nèi)林木平均單株材積和林分蓄積量均存在顯著影響.這與本研究結(jié)果一致.樣地內(nèi)林木胸徑和樹高均隨間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)呈遞增趨勢，故平均單株材積也隨著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大[33].間伐處理后(間伐1 a以后)隨著林齡的增加，林分蓄積定期增長量表現(xiàn)為LIT>CK>HIT；而在第19年生時(shí)，隨著間伐強(qiáng)度的增大，林分蓄積定期增長率表現(xiàn)為HIT>LIT>CK.這與熊光康等[34]的研究結(jié)果不同，可能與間伐后觀測的時(shí)間長度和間伐后樣地內(nèi)活立木株數(shù)有關(guān)系.樣地保留密度是影響林分材種結(jié)構(gòu)、出材數(shù)量和質(zhì)量的重要因素[35]，而林分各材種出材量在不同間伐強(qiáng)度下的變化情況是評價(jià)間伐效果的重要指標(biāo)[20].盧紹軍[36]在研究間伐強(qiáng)度對杉木人工林生長量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，30%～35%的間伐強(qiáng)度對中林齡生長有極顯著的促進(jìn)作用.而本研究發(fā)現(xiàn)，隨著間伐強(qiáng)度的增大，大徑材出材量和出材率越大，小徑材出材量和出材率越小[37]，而非規(guī)格材(小條木)僅出現(xiàn)在未間伐林分內(nèi).與未間伐林分相比，間伐處理縮短了中徑材達(dá)到峰值的時(shí)間，隨林齡的增長和樣地內(nèi)林分保留株數(shù)的減少，杉木各徑級分布逐步向下一徑級偏移的時(shí)間縮短，規(guī)格材結(jié)構(gòu)也發(fā)生規(guī)律性變化[38].由此可見，間伐會引起不同材種出材量和出材率變動，促使小、中徑材更早達(dá)到峰值，有效提高大徑材材種的出材量[5].同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)，在相同林齡的不同林分間，活立木規(guī)格材總出材率隨間伐強(qiáng)度的增大而增加，表現(xiàn)為HIT>LIT>CK，且受間伐影響顯著.而楊桂娟等[39]的研究結(jié)果表明強(qiáng)度間伐和中度間伐下大徑材的出材率較大，具體表現(xiàn)為中度>強(qiáng)度>對照>弱度，這與本研究結(jié)果不完全一致.郭光智等[40]認(rèn)為杉木人工林不同材種結(jié)構(gòu)的形成與立地質(zhì)量、林分密度以及林齡關(guān)系密切，且立地質(zhì)量起決定作用.由此可見，撫育間伐不僅能夠影響林分材種結(jié)構(gòu)，還能促使小中徑材更早進(jìn)入下一徑階，而且在立地質(zhì)量(SI≥22)及間伐強(qiáng)度(0≤間伐強(qiáng)度≤35%)條件下，間伐強(qiáng)度越大，越宜大徑材培育.